基于关节坐标系的人体运动学仿真

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基于MATLAB的膝关节康复机器人的运动学分析及仿真

2.2现有机构控制系统分析
理论具有重要价值。下肢康复机器人技术转化为机器人产品，对
现有机构的控制系统由伺服电机、控制器、驱动器、电源组于提高患者的康复质量、减轻社会负担具有重要意义。
成。电机固定在人体支撑组件上并与曲柄摇杆机构相连，通过电
参考文献：
机提供动力，通过控制器对电机转速的控制进而控制摇杆的旋
究康复机器人的控制系统提供必要的理论依据和参数。
1正常青年人步态运动学分析及仿真
1.1正常青年人步态运动学分析
[4]
表 1正常步态周期内膝关节角度变化值
站立期
摆动期
足跟脚掌支撑着地着地中期
足跟加速器
离地
摆动中期
减速期
膝
关伸屈屈
伸屈
屈
屈
节
0° 15° 15°~0° 0° 35°~60° 60°~30° 30°~0°
[3]
摆脱病残折磨，是康复工作者工作的重点。然而，下肢瘫痪者人
仿真图如下：
数众多，康复医师相对缺乏，传统疗法自动化水平低、效率差，进
膝关节角度 /°
口康复设备价格太高……诸多问题使得研制性价比高的康复机
器人这项工作变得迫在眉睫。有关研究表明，膝关节在人体日常
活动中起着非常重要的作用，对膝关节进行康复训练有助于患
[3]车玉莹.脑卒中肢体功能康复现状研讨[J].中国健康月刊:
3结论
学术版,2016.
本文通过对正常青年人的一g6uyw
通过查阅相关论文资料，得到正常青年人在一个步态周期内不 2f=cp.2018.
2
2
步态周期 /% 图 2一个步行周期内的膝关节角速度变化图
膝关节角加速度 /[*（100/1.1）]°/s 膝关节角加速度 /[*（100/1.1）]°/s

基于运动学分析的多关节机械臂优化设计

基于运动学分析的多关节机械臂优化设计运动学是研究物体运动规律和几何变化规律的学科，而机械臂则是一种由多个关节连接而成的机械系统，用于模拟人类手臂的运动。

基于运动学分析的多关节机械臂优化设计，是通过分析机械臂的运动学特性，来改进设计方案以提高其性能和工作效率。

一、运动学分析在多关节机械臂设计中的重要性运动学分析在多关节机械臂设计中起着关键的作用。

它可以帮助设计者更好地理解机械臂在不同关节角度下的运动规律，并进而优化设计方案。

通过运动学分析，设计者可以确定机械臂在给定关节角度下的末端位置和姿态，进而计算出机械臂的工作空间以及姿态限制。

二、基于运动学分析的多关节机械臂设计的基本原理基于运动学分析的多关节机械臂设计的基本原理是通过关节角度的变化，控制机械臂末端的位置和姿态。

这里的关节角度是指机械臂各个关节相对于参考坐标系的角度。

通过对关节角度的控制，可以使得机械臂末端能够达到所需的位置和姿态。

三、优化设计的目标和方法在多关节机械臂设计中，优化设计的目标主要是提高机械臂的性能和工作效率。

优化的方法可以分为两个方面来考虑，一是通过优化机械结构参数，改变关节的长度、连杆的长度等来提高机械臂的稳定性和负载能力；二是通过优化运动规划算法，使得机械臂在工作中具有更高的精度和速度。

四、基于运动学分析的多关节机械臂的应用基于运动学分析的多关节机械臂在现代工业中有着广泛的应用。

它可以用于工业生产线的自动化操作，如物料搬运、焊接、装配等。

此外，它还可以用于医疗领域的手术机器人系统，如腹腔镜手术、神经外科手术等。

运动学分析可以帮助设计师更好地控制机械臂的运动轨迹，使得手术操作更加精确和安全。

五、基于运动学分析的多关节机械臂设计的挑战和未来发展虽然基于运动学分析的多关节机械臂设计已经取得了很大的进展，但还存在一些挑战。

首先，机械结构的优化需要综合考虑多个因素，如负载、精度和速度等。

其次，运动规划算法的优化也需要不断地完善与提高。

用于人机系统运动仿真的人体模型

文章编号：（’""!） !""! # $%%& "! # ""!% # "’
用于人机系统运动仿真的人体模型
泉（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 !"""()）超（黄石高等专科学校，黄石 )$*"""） !"#$% #&’()* "*(’ +% ,"#$% # #$-,+%( *.*/(# #&/+&% *+#")$/+&% +,-. /012， 3, 4516 （! 7 89:1;<=92< 6> -0<6=6<?@9 A2B?299;?2B， CD?2B501 ,2?@9;D?BE， F9?G?2B !"""()， 45?21）（’ 7 H012BD5? 5?B5 <9I526J6BE 1I1K9=E，，） H012BD5? )$*""" 45?21 !!!!!!!!!!!!!!!!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 【摘要】采用机械系统仿真分析软件 -8-LM 建立了适用于人机系统运动仿真的三维人体多体系统模型，模型的数据符合中国成年人人体尺寸标准，包括立姿和坐姿两种，通过对其施加约束、力和运动可用来进行汽车碰撞响应和体育运动分析等方面的仿真研究，从而部分替代实际的试验和真实人体的参与。将坐姿模型用于汽车碰撞乘员响应和运动分析的研究，验证了模型的实用性。关键词：人体模型；多体系统；人机系统；运动仿真，【01*/2$-/】 !"#$%&" ’"( )$*’+,#( -8-LM $ # 8 "%-,. -%/’0 # 1$23 )3)’(- -$2(/) 0.4/%20.& )’,.20.& ’35( ,.2 )(,’(2 ’35( ,#( ()’,1/0)"(2 ， +"04" 4,. 1( %)(2 0. ’"( *0(/2 $* "%-,. # -,4"0.( )3)’(- -$’0$. )0-%/,’0$. 6 !"( 2,’, $* ’"( -$2(/) *0’ *$# ’"( "%-,. 20-(.)0$.) )’,.2,#2 $* 7"0.()( ,2%/’) 6 8,)(2 $. ’"( )(,’(2 -$2(/ +0’" )$-( (9’#, #()’#,0.’ ， *$#4() ,.2 -$’0$.) ， ’"( -$’0$. )0’%,’0$. $* ’"( 5,))(.&(# 2%#0.& ’"( 4$%#)( $* ,%’$-$’0:( *#$.’ 0-; 5,4’ 0) )’%20(2 6 !"( )0-%/,’0$. #()%/’) ,#( $1’,0.(2 *0.,//3 ,.2 ’"( *(,)010/0’3 $* ’"( -$2(/) 0) :(#0*0(2 6 <$ ’"( ,4’%,/ (95(#0-(.’) 4,. 1( #(5/,4(2 5,#’/3 ’3 ’"( 4$-5%’(# )0-%/,’0$. 6 3(. 4&2’*： ,"#$% #&’()； #")/+ # 1&’. *.*/(#； ,"#$% # #$-,+%( *.*/(#； #&/+&% *+#")$/+&% 文献标识码：图形环境和部件库、约束库、力库，应用直观简便方法建立三维机械系统参数化模型，可对机械系统进行静力学、运动学和动力学等分析，主要用于估计机械系统性能、运动范围、碰撞分析、干涉检测以及计算峰值载荷等方面的研究。利用 -8-LM 软件可以构造人体的多体系统模型，进而建立整个人机系统的模型，实现人机系统的运动仿真研究。

基于OpenGL的六关节机器人运动学分析与仿真

基于OpenGL的六关节机器人运动学分析与仿真欧阳旭东;胡晓兵;付柯锦;徐兴伟【摘要】对于自主设计的六关节机器人,运用D-H法建立机器人的关节坐标系,求解出正逆运动学方程,在Visual C++环境下利用OpenGL图形库构造机器人实体仿真模型,并进行机器人正逆运动学仿真.仿真结果直观反映了机器人末端位姿和动态过程,验证了机器人运动学求解的正确性,机器人结构设计合理,为研究动力学分析、轨迹规划奠定了基础.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2016(038)003【总页数】4页(P38-41)【关键词】机器人;运动学;OpenGL;仿真【作者】欧阳旭东;胡晓兵;付柯锦;徐兴伟【作者单位】四川大学制造科学与工程学院,成都610065;四川大学制造科学与工程学院,成都610065;四川大学制造科学与工程学院,成都610065;四川大学制造科学与工程学院,成都610065【正文语种】中文【中图分类】TH12机器人的运动学分析是研究机器人学的基础，是确定机器人在特定工况下动力学分析、轨迹规划和运动控制的前提[1]。

为实现机器人运动学的快速求解与分析，需要使用仿真软件对机器人进行动态仿真，最常用的是MATLAB中的Toolbox工具箱，功能齐全，但是图形过于简单，不能直观有效的反映机器人的末端位姿与动态过程[2,3]。

由于OpenGL是高性能的开放式图形库技术，具有强大的图形系统和优越的应用程序界面，因此在仿真分析上得到了广泛的应用[4]。

本文利用Visual C++和OpenGL混合编程技术，构造出机器人的实体仿真模型，并进行正逆运动学仿真，对机器人运动学模型进行验证。

1.1 机器人D-H运动学模型的建立在进行机器人的运动学分析时，Denavit-HartenBerg表示法是种简单且广泛应用的方法[5]。

自主设计的六关节机器人，其结构模型如图1所示。

运用D-H法对机器人进行运动学建模，图2为建立的机器人连杆坐标系，相应的各杆件结构参数和运动参数如表1所示，其中di，ai和αi均为已知，θi随着关节i的运动而发生变化。

基于生物力学的人体运动分析与仿真技术研究

基于生物力学的人体运动分析与仿真技术研究人体运动是生物力学研究领域的重要内容之一。

通过对人体运动的分析，可以揭示人体运动的特征和规律，进而为体育训练、康复医学和人机交互等领域提供理论基础和技术支持。

而人体运动的仿真技术，则能够在虚拟环境中模拟和重现人体运动的过程，为研究和应用提供更多可能性。

一、生物力学与人体运动分析生物力学作为一门交叉学科，研究的是生物体在力学作用下的运动和力学特性。

而人体运动分析则是将生物力学理论应用于人体运动研究中的一个重要分支。

通过对人体运动的观测、采样和测量，结合生物力学的理论分析方法，可以获得人体姿态、关节运动轨迹、肌肉力量等参数。

这些参数的分析将使我们能更好地了解人体运动的特征和规律，从而指导运动训练和康复计划的制定。

在现代人体运动分析中，运动捕捉技术是一个重要的工具。

运动捕捉系统利用传感器和相机等装置，采集和记录人体运动的数据。

通过对数据的分析和处理，可以还原出运动的过程和结果。

运动捕捉技术已广泛应用于运动科学、电影动画和虚拟现实等领域，为人体运动分析提供了高效而精准的手段。

二、生物力学仿真技术与人体运动研究生物力学仿真技术是指利用计算机模拟和虚拟现实技术，实现人体运动的仿真和模拟。

通过建立人体模型和仿真环境，将人体运动的特征和规律还原到计算机中，可以实现对人体运动过程的模拟和重现。

生物力学仿真技术可以帮助研究人员更加直观地观察和理解人体运动，为研究人员提供一个安全、可控且可复制的研究环境。

在现代仿真技术中，基于物理引擎的仿真是较为常见的方法之一。

通过对人体的质量、刚体连杆和关节结构等参数进行建模，并结合马尔可夫模型和运动学原理，就可以在计算机中还原人体运动的过程。

这种仿真技术不仅可以模拟人体运动的外观，还可以分析人体运动的力学特性，如滑动摩擦、关节力矩等。

基于物理引擎的仿真技术广泛应用于动画制作、虚拟现实和游戏开发等领域。

此外，机器学习和神经网络等人工智能技术也为人体运动的仿真研究提供了新的思路。

仿人机器人7DOF腿部的运动分析与仿真

邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新机器人技术《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注仿人机器人７ＤＯＦ腿部的运动分析与仿真ＴｈｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ７ＤＯＦＬｅｇｓｏｆＨｕｍａｎｏｉｄＲｏｂｏｔ（北京理工大学机电工程学院智能机器人研究所）张㑇黄强李光日ＺＨＡＮＧＺＨＯＵＨＵＡＮＧＱＩＡＮＧＬＩＧＵＡＮＧＲＩ摘要：传统的６自由度腿部逆运动学求解可以得到唯一解，仿人机器人７自由度腿部由于冗余自由度的存在，其逆运动学求解比６自由度腿部更难。

本文采用Ｄ－Ｈ方法对现有的仿人机器人７自由度的下肢进行运动学建模与分析，用位姿分离法求解步行运动中的逆运动学解，在ＬＭＳＶｉｒｔｕａｌ．Ｌａｂ仿真平台上仿真，为解决机器人的动力学问题做必要的准备。

关键词：仿人机器人；运动学；仿真中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ７ＤＯＦ（ｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ）ｌｅｇｓｏｆｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｇａｉｎｅｄｂｙｓｅｐａｒａｔｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｎｋｌｅ．ＴｈｅｎｉｔｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＬＭＳＶｉｒｔｕａｌ．Ｌａｂｔｏｍａｋｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｔ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ文章编号：１００８－０５７０（２００８）０２－２－０１９７－０３１前言传统的仿人机器人腿部大多采用６自由度。

６自由度腿部的仿人机器人虽然在给定的空间能够完成任意位置和姿态的作业，但是由于机构的奇异使机器人无法完成一些较为复杂的动作。

基于SimMechanics的4自由度机器人的轨迹规划和仿真系统设计

作者简介李万莉(65),女,教授,博士生导师2@j 基于SimMechanics 的4自由度机器人的轨迹规划和仿真系统设计李万莉1,陈熙巍1,茹　兰2(1.同济大学机械工程学院,上海　201804;2.上海市信息技术学校,上海　200331)摘要:针对1台4自由度教学型机器人的结构特点,利用多项式插值规划关节空间的轨迹,并利用Matlab 中的SimMechanics 工具箱建立运动学仿真模型.仿真结果表明利用仿真模型可以准确、有效地得到机器人的运动参数和运动轨迹,为机器人分析设计提供了可靠依据.关键词:机器人;SimMechanics;仿真;轨迹规划中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2008)02-0144-05Track planningandsimulations ystemdesi gnfor42DOFrobotsusin gSimMechanicsLI Wan 2li 1,CHEN X i 2wei 1,R U Lan2(1.Colle geofMechanical Engineering,Ton gjiUni versit y,Shan ghai201804,China;2.SchoolofShan ghaiInformationTechnolo gy,Shan ghai200331,China )Abstract :Pertainin gtothestructural propertiesofa42DOFeducation 2purposerobot,thes patialtracksof nodesare plannedbasedonthe polynomialinter polationtechni que.Inaddition,akinematicalsimulationmodel isdevelo pedusin gMatlabSimMechnicsTM.Themovement parametersandtra jectoriesareobtainedb ysimulat 2ing.Itisfoundfromsimulationresultsthatthemotional parametersandtrackscanbeaccuratel yandeffective 2lyobtainedforrobotanal ysisanddesi gn.Keywords :robot;SimMechanics;simulation;trackplannin g T45型机械手是一台典型4自由度教学型机器人,需要将其控制系统改造为连接计算机,由Matlab 结合硬件接口组件控制.通过计算机轨迹规划和仿真系统可以方便地进行轨迹规划并及时直观地得到仿真结果,以便进行运动数据和性能的分析.经过仿真验证的轨迹数据可以直接输入控制系统,大大提高了研发效率和可靠性.1　机器人结构分析图1是T45型机器人的结构示意图.该机器人是立式关节型机器人,由立柱、大臂、小臂和手爪等部分组成,共有4个自由度.关节型非移动机器人是由一系列用关节连在一起的构件所组成的具有多个自由度的开链型空间连杆机构,开链的一端固定在基座上,另一端是自由的,可以操作物体,完成各种作业.关节由驱动器驱动,关节的相对运动导致连杆的运动,使末端执行器达到所需的位姿.因此在对本文中的机器人进行运动学、动力学分析时,可以将其简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接,并通过关节相连而第6卷第2期2008年6月中　国　工　程　机　械　学　报CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERY Vol.6No.2　Jun.2008:19-.E mail:cnlwl mail.ton g .构成的1个开式连杆系.以底座为基坐标系,每个关节上建立一相对运动坐标系,如图1所示,相应的连杆坐标参数如表1所示.图1　机器人连杆坐标示意图(单位:m m)Fig.1　Sketchma pofr obotlinkscoor dinate(unit:mm)表1　连杆坐标参数Ta b.1　P ar ameter soflinkcoor dinate 杆件d/mm a/mm α/(°)变量范围θ1～θ4/(°)110500-135～1352110090-30～90301150-10～1154155-180～180 其中L 0～L 4为各连杆长度,θ1～θ4为各关节的转动角度,(x 1～4,y 1～4,z 1～4)为各关节相对运动坐标系,(x 0,y 0,z 0)为机座坐标系.在表1中,θ为各关节绕z 轴的旋转角,d 为在z 轴上2条相邻的公垂线之间的距离,a 为每1条公垂线的长度(也叫关节偏移),α为2个相邻的z 轴之间的角度(也叫做关节扭角).2　轨迹规划[1]轨迹规划,是指根据作业任务要求(作业规划),对于末端执行器在工作流程中位姿变化的位置、姿态以及它们的变化速度和加速度的人为设定,并通过运动学逆解得到各关节的运动指令[2].所生成的轨迹应保证机器人在整个作业过程中运行平稳、连续.根据机器人用途的不同,目标轨迹生成有2种常用的方法:第一种为沿轨迹选定一系列定位点,从插值和满足插值点(即定位点)约束的函数(为n 次多项式)中选定参数化轨迹,约束的给定和机器人的轨迹规划是在关节坐标系中进行的;第二种是根据机器人所要精确跟踪的轨迹,确定给定路径的解析函数式,然后通过运动学逆解得出关节空间的轨迹.本文所讨论的机器人为执行搬运任务,轨迹生成采用了第一种方法,其优点是,直接在关节空间内进行插值,速度较快,轨迹规划可接近实时地进行,关键点的运动变量易于控制,精度能够满足一般作业的要求.起止点的关节位置为θ(0)=θ0(1)θ(f )=θf(2)θ(0)和θ(f )由所期望的机器人末端位姿通过运动学逆解计算得到.在此仿真中编写Matlab 脚本‘thsolve.m ’以方便计算.另外将起止点的速度θ和加速度θ作为边界条件,即θ(0)=θ0,θ(0)=θf ,θ(0)=θ0,θ(f )=θf(3) 为了生成实际平滑的轨迹,在整个时间内,在保持位置和速度连续性的同时,为了不使末端产生振动,还应保证加速度不出现突变.因此采用5次多项式,设关节轨迹为θ(t )=a 0+a 1t +a 2t 2+a 3t 3+a 4t 4+a 5t 5(4)式中:t 为时间变量;a 0～a 5为多项式系数.对于单段运动,起始点的速度和加速度一般设为零;对于多段的连续运动可将其赋值,使机器人以一定的速度和加速度经过中间点,以使动作连贯根据边界条件解得插值多项式各系数为541　第2期李万莉,等:基于SimMechanics 的4自由度机器人的轨迹规划和仿真系统设计 .a 0=θ0a 1=θ0a 2=θ02a 3=20θf -20θf -(8θf +120θ0)t f -(3θ0-θf )t 2f 2t 3fa 4=30θf -30θf -(14θf +16θ0)t f -(3θ0-2θf )t 2f2t 4fa 5=12θf -12θf -(6θf +6θ0)t f -(θ0-θf )t 2f2t 5f(5) 根据此多项式编写Matlab 脚本‘traj1(2,3,4).m ’以生成关节轨迹.3　SimMechanics 建模与仿真3.1　建立模型与仿真系统为验证上面得到的轨迹规划并校核各关节电机的受力和运动状况,需对机器人进行仿真.仿真在SimMechanics [3～7]中进行.作为Simulink 的子模块,SimMechanics 很好地继承了其建模方便、仿真结果直观的特性,并且以物理结构建模的方式可以避免使用繁琐的运动学和动力学矩阵与方程,大大减少了工作量和出错率.另外机器人伺服系统响应的仿真和校调一般由Simulink 进行,在同一平台进行仿真利于数据的接口通用.图2为所建立的仿真系统,其中包括:物理模型:4个关节,4个连杆和4个关节驱动器(电机),连杆作标系、尺寸、初始位姿等参数均由各模块属性对话框设置.为进行动力学测量还需要设置连杆的质心位置、质量和惯性矩等参数,但由于无法实际测量,因此使用估算值.图　仿真系统模型图F S y 641 中　国　工　程　机　械　学　报第6卷　2i g.2imu lation s stemmod eld ia gr am传感器:在各关节放置关节传感器,以测量角度,角速度,角加速度和力矩.在手抓末端放置刚体传感器,以测量末端运动状态,数据输出至workspace 供绘制三维轨迹.传感器输出至示波器以便观察曲线轨迹发生模块:使用脚本根据上文讨论的多项式插值和输入的时间信号生成各关节的输入信号,运动控制参数来自全局变量.图3　机器人运动轨迹示意图Fig.3　Sketchma pofr obotmovementtr ajector ies逻辑控制:模块‘initialiser ’根据设定的多段连续运动的参数切换输入轨迹模块的时间信号,并更换全局变量,以完成对整个仿真系统的逻辑控制.3.2　仿真实验仿真系统设定完成后进行运行,运行中可实时观察机器人的模拟运动,结束后在Scope 中观察各曲线,本示例模拟1个典型的搬运作业.图3为仿真过程中的机器人运动的实时显示,箭头为本示例中机器人的运动示意,由5段运动组成1个连续工作过程,共有5个控制点:运动顺序:0→2→1→2→3→4.各段运动时间:t 1=2s为从起始点运动到待抓取物体点时间;t 2=2s 为向下抓取物体时间;t 3=2s为抓起物体并提升到待抓取物体点时间;t 4=3s 为移动到待放置物体点时间;t 5=2s 为向下放置物体时间.规定各控制点坐标,由运动学逆解程序解得对应的各关节角度值,其中抓手姿态设定为始终垂直.各关节角度值如表2所示.表2　各关节角度值Tab.2　Anglesofall joints点1234柱坐标(α,y ,z)/(°),m,m(0,97.6,165.0)(-45,200,100)(-45,200,200)(90,150,200)(90,150,100)θ1/(°)0-45-459090θ2/(°)3054.1527.12 3.4939.10θ3/(°)13582.3180.68109.20110.92θ4/(°)=180-θ2-θ3(抓手始终垂直) 柱坐标(α,y ,z )表示机构末段执行器在各个位置点的坐标.θ1～θ4是机构运动过程中4个关节在各点的角度.Matlab 脚本文件initialiser.m 中设定各段运动的控制参数,本例中所有速度和加速度均设为零.机器人末端执行器的位置、速度和加速度曲线如图4所示.各关节的角度、角速度和角加速度曲线如图5所示.图　机器人末端执行器的位置、速度和加速度F ,y,f ’2ff 图5　各关节的角度、角速度和角加速度F 5　,y,f j 741　第2期李万莉,等:基于SimMechanics 的4自由度机器人的轨迹规划和仿真系统设计 4ig.4P osition velocit a cceler ationo r obot send e ectorig.Angle a n gular velocit a n gular acceler ationo a lloints图6　关节2的电机力矩和各方向的力矩Fig.6　Motor tor queandtor quesinalldir ectionsofjoint2 图6给出了关节2的电机力矩和各方向的力矩曲线.4　结论仿真结果表明,对于预定的轨迹,机器人末端执行器的运动平稳连续,无柔性冲击,轨迹符合预期;各关节运动平稳,并且电机的力矩和速度在工作范围内;可调整中间控制点的速度和加速度以使加速度变化更为平稳,整个工作过程更加连贯快速.通过简单修改轨迹控制参数,可以迅速地进行新的仿真.从仿真结果可以看出,对于机械模型设计仿真优化,SimMechanics 比普通编程方法无论在效率上还是功能上都要强大很多,而且实现了动画显示,为机械系统的建模仿真提供了强大而方便的工具.参考文献:[1]　熊有伦.机器人技术基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2002. XIONGYoulun.Fundamentalsofrobott echni ques[M].Wuhan:Huazhon gUniversit yofScienceandTechnolo gyPress,2002.[2]　白井良明.机器人工程[M].北京:科学出版社,2001. YoshiakiShi rai.Roboten gineeri ng[M].Bei jing:SciencePress,2001.[3]　李燕.在MATLAB 环境下开发平面四杆机构的运动分析系统[J].机械研究与应用,2002(4):7-8. LIYan.Develo pmentoftheplanefour 2barmechanismmovementanal ysiss ys t embasedonMATLAB[J].MechanicalResearchandA pplica 2tion,2002(4):7-8.[4]　王鲁敏,李艳文.基于Matlab 的教学型机器人空间运动轨迹仿真[J].机械与电子,2005(9):55-57. WANGLumi n,LIYanwen.Movement s i mulationofteachingrobotbasedonMatlab[J].MachineryandElectronics,2005(9):55-57.[5]　MathWorksCor p.SimMechanics user ’s guide1.1[R].Nati ck:MathWorksCorporat ion,2002.[6]　薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002. XUEDi n gyu,CHENYan gquan.S ystemsimulationtechnolo gyanda pplicationbasedonMATLAB/Simulink[M].Beij ing:Tsin ghuaUniversi 2tyPress,2002.[7]　姚俊,马松辉.Simulink 建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002. YAOJun,MASon ghui.Simulinkmodeli n gandsimulation[M].Xi ’an:XidianUniversi t yPress,2002.841 中　国　工　程　机　械　学　报第6卷　。

基于虚拟现实技术的人体运动模拟系统设计

基于虚拟现实技术的人体运动模拟系统设计一、引言人体运动模拟系统是一种应用广泛的虚拟现实技术。

通过建立人体运动模型，可以帮助人们更好地理解人体运动的规律和特点。

这对于医疗、健身和运动训练等领域都有着很大的意义。

本文将介绍一种基于虚拟现实技术的人体运动模拟系统设计。

二、人体运动模型建立人体运动模型建立是人体运动模拟系统的核心。

人体运动模型需要精细地表达人体各个部位之间的运动关系。

在设计人体运动模型时，需要考虑以下几个方面：1.人体肌肉的结构和运动学特性：人体肌肉是人体进行运动的主要组成部分。

在建立人体运动模型时，需要考虑肌肉的结构和运动学特性，包括肌肉长度、速度、力量等。

这可以通过解剖学知识和生物力学模型来实现。

2.关节的运动范围和限制：关节的运动范围和限制是人体进行各种复杂运动的基础。

在设计人体运动模型时，需要考虑关节的类型、运动范围以及关节限制等因素。

这可以通过医学知识和生物力学模型来实现。

3.其他因素：除了肌肉和关节之外，还有其他因素可以影响人体运动。

例如，人体的动力学特性，如重心的移动和跑步时的换气等。

这些因素可以通过运动学模型来处理。

三、虚拟现实技术在人体运动模拟系统中的应用虚拟现实技术是构建人体运动模拟系统的关键。

虚拟现实技术可以实现逼真的运动模拟效果，并能够提供交互式的运动训练体验。

在设计人体运动模拟系统时，需要考虑以下几个方面：1.场景设计：场景设计是虚拟运动模拟系统的重要组成部分。

好的场景设计可以提供良好的用户体验和实际的训练效果。

在场景设计时，需要考虑场景的逼真程度、交互性和可扩展性等因素。

2.运动控制：运动控制是虚拟运动模拟系统的核心。

在运动控制时，需要考虑如何将运动控制人体的各个部位和人体运动模型进行有效的融合。

这可以通过运动捕捉技术和动作合成技术来实现。

3.用户交互：用户交互是虚拟运动模拟系统的重要部分。

虚拟现实技术可以提供逼真的虚拟体验，但是如何与用户进行良好的交互是非常重要的。

平行双关节坐标测量机运动学分析及其仿真研究

第１期
帅荣标等：平行双关节坐标测量机运动学分析及其仿真研究
・１１・３
一
种用一个４× ４齐次变换矩阵来描述相邻丽关节臂
的空间关系，并用此方法推导出测头中心点坐标系与
３０ｍ０ｍ，ａ＝０ｍ，ｄ＝１０ｍ２２０ｍｌ５ｍ，因此可以确定
Ａｂｔａｔｏｂｅｐｒｌ — ｉｔｏｒｉａｅｓｒｇｍｃｉｅｉａｎｗｃｏｄｎｔｍａｕｉｇｃｉａｂｔｅｎｔｅｔｄｉ — ｓｒｃ：Ｄｕｌａａｅｊｎｏｎｔｍａｕｉａｈｎｅｏｒｉａｅｓｒｈｎｔｔｅｗｅａｉｏｌｌｏｃｄｅｎｓｅｎｍａｅｈｈｒｔｎ
Ｋｙｏｄ：ｏｂｅｐａｅｊｎｃｏｄｎｔｍａｕｉｇｍｃｉｅｉｅａｉｏｅ；Ｓｍｃａｉｓｏｔａ；ＭａａｆａｅｗｒｓＤｕｌａｌｌｏｔｏｒｉａｅｓｒａｈｎ；ＫｎｍｔｓｄｌｉＭｅｈｎｃｓｆｒｒｌ－ｉｅｎｃｍｗｅｔｂｓｔｒｌｏｗｅ
ＴｅＫｉｅｔｓａｙｉａｄＳｍｕａｉｎｏｏｂｅＰｒｌｌｏｎｈｎｍａｉｌｓｎｉｌｔｆｕｌａａｌ－ｉｔｃＡｎｓｏＤｅｊ
ＣｏｒｉｔｅｓｒｎａｈｎｅｏｄｎａｅＭａｕｉｇＭｃｉ
图２平行双关节坐标测量机坐标系的建立
０１００
ａ
１
建立的坐标系的连杆参数如表ｌ所示，这里ａ：
一
故坐标系｛｝在基础坐标系｛｝上可表示为：４０

五自由度关节式机械臂运动学分析与仿真

五自由度关节式机械臂运动学分析与仿真张鑫;杨棉绒;郝明【摘要】由于服务机器人机械手臂具备五自由度,空间自由运动柔性高和刚度强,被广泛应用娱乐服务.针对家用娱乐机器人的手臂运动问题,利用各关节的相对关系得到了运动学描述.首先,定义了初始零位,同时利用MDH法建立了连杆坐标系.其次从正、反运动学建模两个方面对娱乐机器人手臂进行了运动学描述.再次,利用MATLAB数学工具箱验证了正、逆运动学求解工程的正确性.最后,利用OpenGL 与VS软件程序实现对手臂进行了仿真实验.仿真结果表明,该虚拟场景能够反应出拟人手臂在三维视景中真实运动情况.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】4页(P9-12)【关键词】五自由度;运动学仿真;MDH法;机械臂【作者】张鑫;杨棉绒;郝明【作者单位】新乡学院网络管理中心,河南新乡453003;新乡学院计算机与信息工程学院,河南新乡453003;新松机器人自动化股份有限公司,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TH16;TP242.3随着智能机器人技术的蓬勃发展，服务机器人已经逐步走入到人们生活当中去。

由于服务机器人的应用领域，服务机器人需要比工业机器人有更强的感知能力。

要使服务机器人手臂能正确的运动，要解决的就是运动学问题。

到目前为止，机械臂的运动学求解问题已经进行了很多的研究。

例如，文献[1]建立了五自由度运动学模型，并且利用VB软件建立交互式仿真界面。

文献[2]提出了一种迭代法来，根据机械手的三元非线性方程组，解决了运动学问题。

文献[3]运用几何求解方法求解了一种具有7个自由度的仿人机械臂的运动学逆解问题。

文献[4]使用ADAMS软件对机械手进行仿真，验证该机械手的运动学问题。

文献[5]对拟人臂的运动规划问题进行了研究，提出了一种三角形动作基元的模型，建立了手臂三角空间与任务空间和关节空间之间的正逆运动学。

以实际的服务机器人为实例背景，根据其机械结构特征，构建了MDH运动学模型，从而解决了电机转角与拟人手臂末端位置之间的映射关系，然后将OpenGL 仿真技术应用到智能机器人系统当中，解决了虚拟现实机器人仿真问题，建立人机交互界面，实现对五自由度机械臂在线仿真。

人体下肢关节坐标系的一种简单定义方法

人体下肢关节坐标系的一种简单定义方法
唐刚;魏高峰;聂文忠;王成焘
【期刊名称】《北京生物医学工程》
【年(卷),期】2009(028)006
【摘要】在对人体运动进行运动学或者动力学分析的时候,通常需要对各关节建立局部坐标系,而目前大部分人体关节坐标系定义方法都主要针对临床应用,需要具备专业的解剖学知识且可操作性差.本文首先描述了下肢的主要解剖学特征点,并通过这些特征点构建了髋关节、膝关节及踝关节坐标系,提出了定义人体关节坐标系的基本原则.通过利用运动捕捉系统对自愿者步态过程中的下肢运动轨迹进行采集,分析构建坐标系的特征点在运动过程中空间相对位置的不变性,说明了文章提出的下肢关节坐标系定义方法在一定范围内是合理的.
【总页数】4页(P606-609)
【作者】唐刚;魏高峰;聂文忠;王成焘
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240
【正文语种】中文
【中图分类】R318.04
【相关文献】
1.一种简单的给人体带电的方法——高中物理教学案例 [J], 张驭鹏
2.一种简单的上肢关节坐标系定义方法 [J], 唐刚;张文光;聂文忠;王冬梅;王成焘
3.一种自定义PVElite材料的简单方法 [J], 付双全;冯增辉
4.一种简单的功能键定义方法 [J], 张红
5.一种简单易行的功能键定义方法 [J], 张红
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山大三轴机械臂运动学仿真实验报告

（手写）姓名：学号：专业：实验一、三轴机械臂运动学仿真实验一、实验目的1.掌握机械臂运动学的求解方法；2.掌握求解运动学以及进行关节控制的方法；3.掌握使用matlab求解运动学以及进行关节控制的方法；4.了解机器人描述方法，掌握设置助手的使用方法。

二、实验原理实验内容：1. 空间位置与姿态的描述；2．matlab坐标系之间变换的齐次矩阵；3. 机械臂连杆坐标系与DH参数建模；4. 正运动学的概念与公式。

报告正文：1.描述机器人运动学建模过程(30%)（1）建立机器人坐标系。

如下图所示，首先确定Z i轴：根据关节轴线i的位置以及关节转向采用右手定则确定Z i 轴。

然后确定X i轴：根据所确定的Z轴可以看出，Z1和Z2相交，故X1轴垂直于Z1、Z2所确定的平面，X1有两个方向，可如图选定其中一个；Z2和Z3轴平行，X2应为它们的公垂线，方向指向下一个连杆，故此处选择连杆向上方向为X2，Z3和Z4相交，故X3轴垂直于Z3、Z4所确定的平面，X3有两个方向，选择与X1相同的指向。

确定Y i轴：按右手定则确定Y i。

（2）DH参数的确定。

由坐标系可知，第一个连杆坐标系相对于基坐标系的位姿变换为沿Z1轴正方向平移121.5cm。

第二个连杆坐标系相对于第一个连杆坐标系的位姿变换为绕X1轴逆时针旋转90°，然后沿Z2轴正方向平移122.5°，然后再绕Z2轴逆时针旋转90°。

第三个连杆坐标系相对于第二个连杆坐标系的位姿变换为沿X2正方向平移300cm，然后沿Z3轴负方向平移102cm，再绕Z3轴顺时针旋转90°。

第四个连杆坐标系相对于第三个连杆坐标系的位姿变换为绕X3轴顺时针旋转90°，然后沿Z4轴正方向平移268cm。

得到这些数据后即可列写DH参数表。

（3）编写运动学传递矩阵。

DH参数确定后，通过机器人各关节的数据即可计算出各关节相对于下一关节的位置关系T 10、T 21、T 32、T 43（如第2题所列），然后即可计算出末端相对于基座的位置关系T 40=T T T 322110T 43，得到运动学传递矩阵。

平面人体运动模型的制作与使用

平面人体运动模型的制作与使用
平面人体运动模型是指在平面上模拟人体运动的一种数学模型。

其制作和使用可以通过以下步骤完成。

一、模型制作
1. 建立坐标系：确定平面上的坐标系，一般选择笛卡尔坐标系。

2. 选择关节点：根据模拟的具体运动，选择人体关键部位作为关节点，如头部、颈部、肩部、手臂、大腿、小腿、脚等。

3. 确定关节点位置：根据人体解剖学和生理学知识，确定关节点在平面上的位置，并标注坐标值。

4. 连接关节点：使用直线或曲线连接关节点，构成人体骨骼结构。

5. 添加约束条件：根据人体运动学原理，为每个关节添加运动范围或角度限制，以保证模型的合理性。

二、模型使用
1. 运动仿真：通过数值计算方法，根据所建立的模型，模拟人体在平面上的运动。

可以使用数值分析软件或编写程序实现。

2. 运动分析：通过对模型的运动参数进行分析，得出人体在平面上的运动轨迹、速度、加速度等信息。

可以用于研究人体运动规律、改进运动技巧等。

3. 运动优化：通过调整模型的约束条件、关节点位置等参数，优化人体运动模型，使其更符合实际运动情况。

可以通过试验数据、影像资料等进行验证。

4. 应用领域：平面人体运动模型可以应用于多个领域，如体育科学、医学、人机工程学等。

可以用于运动训练、运动损伤预防、姿势评估等。

平面人体运动模型的制作和使用是通过建立关节点、连接关节点、添加约束条件等步骤构建模型，并借助数值计算方法进行运动仿真、分析、优化和应用。

它为研究人体运动提供了一种简化和可操作的工具，有助于深入理解人体运动规律和优化运动技巧。

基于ADAMS的双足机器人运动学建模及仿真

的转化。
θ3，θ4 关节运动轨迹可用以下方程组表示：
∈py1 25t
∈py1 =27.5t t∈（1，2s） pz1 =204.5
（2）（3）
θ8，θ9 关节运动轨迹可用以下方程组描述：
∈py2 =0
t∈（0，1s）
pz2 =-229.5+25t
（4）
∈py2 =27.5t t∈（1，2s） pz2 =-204.5
Δθ3、Δθ4、Δθ5、Δθ8、Δθ9、Δθ10 分别与右脚作为支撑脚时关节角变化 Δθ10、Δθ9、Δθ8、Δθ5、Δθ4、Δθ3、相等。因此，仅对一个步行周期内右脚处于支撑相时进行规划，左脚处于支撑相时的关节角度可由对称
性求得。
起步阶段（t∈（0，2s））：起步阶段机器人需完成两个动作，首
先降低重心，再向前迈出半步，完成由静止状态向正常行走状态
于节省能量。根据假设可得各关节角之间的变化关系：
θ5 =-θ3 -θ4 ，θ6 =-θ2 ，θ10 =-θ8 -θ9 ，θ11 =-θ7 ，则：
1 0 0 p 0
0
0 0
x1
0 0
0
0
0
Tα
=
00
0 0
00
0
0
1 0
0 1
p0 y1 0 0
p0 0 z1 0
0
0
00
0
0
0
1
0 0
1 0 0 p 0
0
机器人前向和侧向运动之间耦合较小，可将前向和侧向运
动分开求解[7]。在进行侧向运动求解时，不考虑前向关节的运动，
即仅通过侧向关节的运动使机器人重心在两脚中心线之间按正
弦规律左右摆动。由于机器人要保证身体始终与地面垂直，脚底

MATLAB在人体运动分析与建模中的应用案例

MATLAB在人体运动分析与建模中的应用案例引言：人体运动分析与建模是研究人体运动过程的一门领域，它在医学、运动科学、生物力学等领域具有重要的应用价值。

近年来，随着计算机技术的不断发展，MATLAB作为一种强大的数学计算平台，被广泛应用于人体运动分析与建模中。

本文将探讨一些MATLAB在该领域中的典型应用案例，并探讨其优势和局限性。

一、人体运动分析人体运动分析是研究人体运动的力学特性、运动节奏以及运动相关的动力学参数等的学科。

它在运动损伤预防、康复治疗、运动训练等方面有广泛的应用。

MATLAB作为一种的高级计算语言和环境，为人体运动分析提供了强大的数学建模和数据分析的功能。

例如，通过采集运动过程中的关节点数据，可以利用MATLAB进行人体动作的分析和重构，揭示动作的关键特征和规律。

二、基于MATLAB的人体关节点数据处理在人体运动分析中，关节点数据是研究中间骨骼连结点位移变化的重要指标。

MATLAB可以通过读取和处理关节点数据，从而获取人体关键点的运动轨迹和姿态信息。

例如，运动捕捉技术可以实时获取人体关节点数据，而通过MATLAB编写的数据处理脚本，可以将其转换为关键点位置的三维坐标，并进一步分析动作的速度、加速度等动力学参数。

三、基于MATLAB的人体动作识别人体动作识别是人体运动分析的一个重要分支，其目的是根据采集到的人体运动数据来判断人体当前所进行的动作。

使用MATLAB进行人体动作识别的一个常用方法是机器学习算法，如支持向量机、随机森林等。

这些算法可以通过分析人体动作的特征，提取有效的特征向量，并训练分类器，从而实现对不同动作的自动识别。

四、基于MATLAB的人体力学建模人体力学建模是通过数学模型对人体进行力学分析的方法。

MATLAB提供了丰富的数学建模工具和函数，可以用于构建人体的力学模型。

例如，使用MATLAB的刚体动力学库，可以建立人体的多段刚体模型，模拟人体运动和力学特性。

通过对建模参数的调整和仿真计算，可以研究人体在不同条件下的运动特性，如关节力、肌肉张力等。

基于人体骨骼模型的人体运动分析算法

基于人体骨骼模型的人体运动分析算法人体运动是指人体的各种动作和活动。

在现代社会中，人体运动已成为人类日常生活的重要组成部分。

每个人都有自己的活动和运动方式，而人体运动分析算法可以帮助我们更好地了解人体的运动方式和规律。

本文将重点介绍基于人体骨骼模型的人体运动分析算法。

一、人体骨骼模型介绍人体骨骼模型是设计和实现人体运动分析算法的基础。

人体骨骼按照主要关节连接组成，比如肘、膝、肩等。

在每个关节处，人体骨骼都有一系列运动自由度，可使人体产生各种姿态和运动方式。

人体骨骼模型在构建时，需要考虑人体的生理特征和运动约束条件，建模的难度较大。

二、基于人体骨骼模型的人体运动分析算法基于人体骨骼模型的人体运动分析算法可以通过多种技术手段进行实现。

其中比较流行和主流的技术包括运动轨迹分析、运动学分析、动力学分析等。

在运动轨迹分析中，通过对人体关键点的跟踪和坐标记录，可以实现对人体姿态和运动轨迹的分析。

运动轨迹分析常用于运动捕捉和虚拟现实等领域。

运动学分析中，通过人体骨骼的关节自由度和运动学特性，可以推导出人体的姿态、速度、加速度等参数。

运动学分析常用于运动医学、人机交互和姿势辨识等领域。

动力学分析重点研究人体在运动过程中的力学特性，包括力、力矩、动量等。

动力学分析常用于机器人控制、运动仿真等领域。

三、应用领域基于人体骨骼模型的人体运动分析算法在多个应用领域具有广泛的应用前景。

在运动医学领域，基于人体骨骼模型的运动学分析可以用于评估运动障碍病人的运动能力，并通过针对性的运动训练来提高病人康复效果。

同时，在针对运动受伤问题的研究中，基于人体骨骼模型的动力学分析和运动轨迹分析可以为研究人员提供有力的分析工具和数据支持。

在人机交互领域，基于人体骨骼模型的人体运动分析算法可以为视频游戏、虚拟现实、体感游戏等提供更加逼真和自然的人机交互方式，为游戏玩家提供更加真实的游戏体验。

在机器人控制领域，基于人体骨骼模型的动力学分析可以为机器人控制提供有力的动力学建模和控制算法，增强机器人身体的自适应性、灵活性和智能化程度。

基于关节约束的人体建模的研究（可编辑）

基于关节约束的人体建模的研究密级分类号编号串南大学, Ⅱ硕士学位论文论文题目基于关节约束的人体建模研究学科、专业?盐熟廛厦丝查?研究生姓名李波导师姓名及专业技术职务费耀平教授年月够: 堇鲤坠呈堕』主卫曼堑塾:圣旦:基曼№垫锣..原创性声明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。

与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。

作者签名:日期:独年上月上日互丛关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文, 允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。

同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》, 并通过网络向社会公众提供信息服务。

摘要随着计算机技术全面进入时代,针对虚拟人的研究引起越来越多学者的关注。

这一课题在影视动画、虚拟现实、工业设计等方面具有广阔的应用前景。

人体模型由线框模型向分层模型进化,建模方法结合了三维构型、运动检测、数学分析以及生物力学、解剖学等多方面的知识,成为各个国家计算机图形学专家竞相研究的热点。

但对于视觉上可接受的,用于三维动画的人体模型的研究还不多。

本文首先总结各种建立人体模型的方式,并且分析了其中的优缺点,重点研究分层模型的骨骼层,根据人体解剖学的原理,将关节点的约束用数学方式表示,然后将这些生理约束条件添加到骨骼层的各个关节中,从而改进了分层模型的人体建模方式。

基于改进后的分层模型,本文详细介绍了关节变换的过程及求解方式,重点研究了当前使用最多的后向动力学方法,提出了一种基于生理约束条件的后向动力学研究方法,通过在每次求解末端位置的迭代中加入关节点生理约束的测试,从而使人体运动的真实感更强。