基于MATLAB的人体上肢运动分析及仿真

ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆｔｈｅ ｓｅｖｅｎ·ｄｅｇｒｅｅ—ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｍｏｄｅｌ．
Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｎｏｔ ｏｎｌｙ Ｃａｎ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ
ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｆｉｖｅ··ｄｅｇｒｅｅ—ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｍｏｄｅｌ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ．
§１．３国内外上肢辅助装置的研究现状
除了开发出用于高科技的灵巧仿人臂之外，仿生人体上肢还有一个重要 的研究方向，即开发帮助残疾人和老年人进行日常活动的上肢辅助装置，使 其达到日常生活自理的目的，如假肢和智能轮椅的开发。
国际上非常重视仿生上肢机构的研制。上肢辅助装置的开发是从６０年代妇 女服用一种安眠药造成胎儿上肢畸形（海豹肢）而迅速发展起来。这批儿童长 大后要生活、学习、工作，不得不依靠辅助装置，如动力上肢假肢、动力移动 辅助装置等。进入９０年代后，发达国家对辅助装置的开发非常重视，投入了大 量的财力和人力。如欧共体为了提高残疾人和老年人的生活质量提出了ＴＩＤＥ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｄｙｎａｍｉｃｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＭＡＴＬＡＢ
天津科技火学硕士学位论文
第一章绪论
§１。１橇器入技术
机器人怒传统的机构学与璎代嗽子技术耀缮会的产物，也是当代寒耨技 术发展的～个重溪内容。人们制造机器人是为了让枧器入来代蛰人媳工｛乍， 所以希望机器人能够具有人的劳幼机能。２０世纪５０年代是机器人的萌芽期， 其概念是“…个空间机构组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器”。６０ 年代，美国联合控制公司推出了第一台机器人“尤尼麦特”之后，工业机器 入进入成长期，井开始向实用化发展，被用于焊接和喷涂作业中。７０年代， 随着计算机和入工智能的发鼹，机器入进入实用化时代，日本结合本国国情 发展祝器入产监，一举成为“视器入”王国。８０年代，机器人发展成为具有 备种移动机构、通过传惑器控制的孛凡器，工泣机器入进入了普及时代，开始 在汽车、奄予等符业得到大羹使用。９０年代纫期，税器入的生产和需求遴入 麓潮期，在计算技术帮人工锗髓科学发袋静蒺穑土，开始商智能机器入的方 自发震１１】。
采用ＶＣ与ＭＡＴＬＡＢ语言混合编程及引擎调用技术，编制了五自由度上 肢的运动分析程序，并对该模型进行了合理性分析。用户只需输入仿生上肢 的结构参数和状态参数，就可对其进行运动学和动力学分析，得到上肢的位 置、姿势和关节驱动力，并实现上肢模型的仿真。
一｜／ｌ 关键词： 上肢’』运动学，动力学，仿真，ＭＡＴＬＡＢ．
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔａｔｕｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅｙ Ｃａｎ
ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｌｓｏ ｔｈｅｙ ｃａｎ ｇｅｔ ｍｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ， ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ．
ｍｏｒｅ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ．Ｂｕｔ ａｓ ａｄｄｉｎｇ ｏｎｅ ＤＯＦ ｍｅａｎｓ ｔｏ ａｄｄ ａ ｓｕｉｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｇｅｍｉｎａｔｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｗｈａｔ ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ｔａｋｅ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ
仿生机器人就是模拟自然界中生物的步｝部形状或某些机能的机器人系 统，是由仿生学和机器人学相结合发展起来的。仿生机器人的类型很多，若 按其模仿特性进行分类，可分为仿人类肢体和仿非人类生物两种，其中仿人
第一章绪论
类肢体可分为仿人手臂型和仿人双足型，仿非人类生物分为宏型和微型生物 耻】。仿生机器人机构的研究大大促进了机器人的发展，其中仿生上肢机构的 研究是机器人学发展的主要方向之一。１９８３年美国Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ以拟人臂组合化为设想，基于系列关节研制出Ｋ一１６０７等系列７ 自由度拟人单臂和Ｋ／Ｂ－－２０１７双臂～体机器人，其单臂Ｋ／Ｂ２０１７已用于空间 工作站实验。美国ＣＥＤＳａｒｃｏｓ研究公司、贝尔实验室和能源部等联合开发出 了仿人臂，其中灵巧臂是液压式１０自由度手臂。１９９５年Ｂｏｌｏｇｎａ大学在ＰＵＭＡ 机器人的基础上设计研制出了三指灵巧手的仿人臂系统。
天津科技大学 硕士学位论文 基于MATLAB的人体上肢运动分析及仿真 姓名：张爱丽 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：张建国
2003.3.1
天津科技大学硕士学位论文
摘要
ｆ七自由度人体上肢模型自由度较多，接近人体上肢的动作机能，但由于 每增加一个自由度都需配备相关的驱动装置，使机构的复杂度和成本成倍地 增加。当为残疾人设计仿生上肢时，仅需考虑使用者能完成最基本的日常活 动，故可以对七自由度上肢模型的几个自由度进行必要的取舍，以得Ｉ！Ｉｉｉ帮
ｗｅｒｅ ｅｉｅ出ｔ ａｃｔｉｏｎｓ Ｌｅｆｔ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｉｔｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｊｏｉｎｔｓ，ａ
ｆｉｖｅ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｅｖｅｒｙｄａｙ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄ’Ｓ ｎｅｅｄｓ ｆｏｒ ｌｏｗｌｙ ｃｏｓｔｉｎｇ，ｓｋｉｌｌｆｕｌ ａｎｄ ｂｅａｕｔｉｆｕｌ ａｎｄ ｂｅｉｎｇ ａｂｌｅ ｔｏ ｈａｎｄｌｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｅｖｅｒｙｄａｙ
ｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄ ｏｎｌｙ ｎｅｅｄ ｔｏ ｈａｎｄｌｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｂａｓｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｅｖｅｒｙｄａｙ ｌｉｖｉｎｇ， ｓｏｍｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｍａｙ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
在短短４０年戆封趣墨，枧嚣久技术褥到了遂速的发疑，篷瑗了疫焉于不 姆领域各具特色蜓机器人，铡如仿人机嚣人、军罴坎器人、水下枕器人、空 阐机器人、服务机器人、微型枫器人、机器人化枧爨、枧器人足球等。枧嚣 人技术已经应用于许多领域，如机械、电子、仪器设备、工业自动化、半导 体、航空航天、生物技术、滕学、危险品及废物处理等。由于人类文明的进 步和生活水平的提高，机器人技术在医学方面的应用更为广泛。医学机器人 主要包括康复机器人和外科手术机器入。医疗康复领域的一个熏要应用场合 就是假肢，它使肢体残疾者阐归社会成为可能。
一
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｉｎ ｇｅｎｅｒａｌ，ｐｅｏｐｌｅ ｆｅｅｌ ｌｉｋｅ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｕｍａｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ
ｓｅｖｅｎ ＤＯＦ（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ），ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｍｏｒｅ ＤＯＦ ａｎｄ ｉｓ
ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｅｔ ｕｐ．
Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｋｉｌｌｓ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍ ｍｉｘｉｎｇ ＶＣ ａｎｄ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ，ａ
ｋｉｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆｔｈｅ ｆｉｖｅ—ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｅｒｓ ｏｎｌｙ ｎｅｅｄ ｔｏ ｉｎｐｕｔ ｔｈｅ
助残疾人完成基本日常活动、自由度更少、机构更加简单的仿生上肢。丁本文
通过实验和理论分析建立了五自由度的上肢模型，该模型能代替七自由度上 肢完成日常活动，简化了仿生上肢机构，降低其生产成本。文中还运用 ＭＡＴＬＡＢ语言对所建立的五自由度上肢模型进行了运动学和动力学分析及仿
真。
在总结人体上肢４５项基本日常活动的基础上，对这些活动进行了动作分 解、提取及过滤，得到８项影响上肢关节活动范围的动作，将其作为实验项 目，测得人体上肢在日常活动中的关节活动范围。结合实验结果，建立了能 代替七自由度上肢完成日常活动的五自由度上肢模型。该模型能满足残疾人 对仿生上肢可完成基本日常活动、成本低、灵巧美观的要求。
ｅｖｅｒｙｄａｙ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｆｅｗｅｒ ＤＯＦ ａｎｄ ａ ｍｏｒｅ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃａｎ ｂｅ
ａｖａｉｌａｂｌｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａ ｆｉｖｅ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ， ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｆｕｌｆｉｌｌ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｅｖｅｒｙｄａｙ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎ—ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｍｏｄｅｌ，ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔｉｆｙ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔ ｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｆ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ａｎｄ ｗｉｌｌ ｆａｖｏｒ ｔｏ ｐｏｐｕｌａｒｉｚｅ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ
（ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｉｔｉａｔｉｖｅｓｆｏｒＤｉｓａｂｌｅｄａｎｄＥｌｄｅｒｌｙｐｅｏｐｌｅ）大项目，仅第四个五年 计划（１９９４—１９９８）就投资１２３亿欧元，有２６６个项目，参加者有２０００个单位。 该项目主要对两个方面进行了研究和开发：其一是生活自理方面的技术和服务， 其二是残疾人和老年人在功能受限制后的代偿技术和服务，以帮助他们更好地 回归社会。欧共体投入巨资研制了有源人体上肢矫正系统ＭＵＬＯＳ（Ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ Ｕｐｐｅｒ Ｌｉｍｂ Ｏｒｔｈｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ），它有五个旋转关节，其中肩关节有３个自由度、 肘关节有１个自由度、腕关节有１个自由度，可以帮助残疾人完成上肢的一些简 单运动和进行康复训练。日本也很重视残疾人和老年人的辅助技术开发。日本 科学技术机构ＳＴＡ在１９９６年１０月批准了“老年人和残疾人参与的辅助工程”研 究项目ｐｌ，由两个三年计划组成，参加者有十多个单位的近百名专家，目的是 为老年人和残疾人的社会参与和提高生活质量开发先进的辅助装置。日本国立 康复中心的研究所是专门从事开发和检测辅助技术的国家级研究中心，包括肢 体残疾、视力残疾、听力残疾和老年人所需辅助器具的开发。
§１．２仿燕杭器入的发展
囊然赛孛静捷耪戳冀多姿多彩鹣形态、茨巧祝敏豹动作活跃于务然器， 如柔软弱象鼻子、可以在｛王意譬遂中怒符斡蛇、鬃裔流线型轮露的受类、入 类灵巧竣双手窝霹以蓬变好走鲍双足。爨她，鱼然器生物蛉运动行为帮某些 机能已经成必机器人学者进行虮器人设计、实瑰其灵活控剃的愍考源泉，爨 ８０年代中期以来，科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。
Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｆｏｒｔｙ－ｆｉｖｅ ｂａｓｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｉｎ ｅｖｅｒｙｄａｙ ｌｉｖｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ，ｐｉｃｋｉｎｇ ｕｐ ａｎｄ ｆｉｌｔｒａｔｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ｔｈｅｒｅ