基于肌肉的人体运动仿真研究
人造肌肉技术在医疗领域中的应用
人造肌肉技术在医疗领域中的应用人造肌肉技术，是一种基于电极材料、智能控制系统的人造肌肉的技术，它通过对机械运动的模拟，实现了高度仿真的肌肉收缩和伸张，可以用于治疗多种运动系统的损伤和功能丧失，并有望成为未来医疗领域的重要工具。
人造肌肉技术的基本原理是利用电极材料的特殊性质，将小分子化合物的变化转化为宏观的机械运动。
这种机械运动可以分为两种类型：收缩和伸张。
通过在材料上施加电场和化学刺激，可以使其发生这种机械运动，实现高效的机械能量转换。
在医疗领域，人造肌肉技术的应用主要体现在以下几个方面：一、治疗运动系统的损伤运动系统是人体机能中至关重要的部分，其损伤常常会导致生活质量的严重下降。
通过利用人造肌肉技术，可以实现对受损运动系统的仿真，帮助康复训练。
目前，这种技术已在治疗综合征、运动不顺畅、肌肉萎缩和肌肉失活等疾病方面取得了一定成果。
二、辅助器具人造肌肉技术也可以应用于制造医疗辅助器具，比如骨折治疗器、助行器和假肢等。
这些辅助器具可以采用多种方法制造，其中人造肌肉技术能够提供更好的肌肉仿真效果，更高效的肌肉受力能力，从而提高患者的生活质量和康复效果。
三、医疗机器人人造肌肉技术还可以用于医疗机器人的制造。
这种机器人可以根据患者的病情进行定制，实时检测患者的身体运动姿势，给予及时的反馈，并进行提醒和治疗。
不仅如此，医疗机器人还具有高效的病理诊断和手术操作功能，可以在很大程度上提高医生和患者的治疗效果和安全性。
人造肌肉技术的研发目前还处于初级阶段，但其应用前景十分广阔，不难想象，随着技术的进步和广泛应用，人造肌肉技术必将成为医疗领域的利器之一。
人体肌肉的仿生机器人设计
人体肌肉的仿生机器人设计近年来，人体仿生机器人成为了仿生学领域的研究热点之一、仿生机器人的目标是通过模仿生物的结构和功能，实现类似于人体的动作和行为。
在这方面，人体肌肉是其中一个重要的研究对象。
下面将介绍一个人体肌肉的仿生机器人设计。
设计思路：人体肌肉是由肌肉组织和神经组织组成的。
肌肉组织可以收缩和松弛，从而实现身体的运动。
神经组织负责传递信号，控制肌肉收缩和松弛的程度。
因此，我们的仿生机器人的设计思路是模拟人体肌肉组织和神经组织的结构和功能。
机械结构：机器人的机械结构应该能够模拟人体肌肉的收缩和松弛。
我们可以采用一种类似于零散肌肉束的设计。
每个肌肉束由一个弹性体制成，中间有一根绳索连接着。
绳索可以向两个方向拉动弹性体，实现收缩和松弛的效果。
所有肌肉束由一个集中控制的系统控制。
这种设计可以使机器人具备高度自由的运动能力。
神经系统模拟：机器人的神经系统模拟可以采用类似于电子神经网络的技术。
每个肌肉束都有与之对应的控制单元，负责向肌肉束发送信号，控制其收缩和松弛。
这些控制单元相互连接，形成一个神经网络。
这样，在人机交互中，可以通过输入控制信号来模拟神经系统的激活过程，从而实现机器人的运动。
电力供应和数据处理：为了使机器人肌肉能够收缩和松弛，需要提供电力供应。
我们可以使用一种先进的电池技术，如锂离子电池，来为机器人提供持久的电力。
数据处理部分需要一个小型的中央处理器，负责集中控制和处理传感器的输入信号，控制机器人的运动。
仿真和训练：在设计阶段，可以使用计算机仿真软件来模拟机器人的运动。
通过在仿真环境中不断调整肌肉束的参数和神经网络的结构，逐步优化机器人的动作和行为。
此外，对于机器人的训练也非常重要。
可以利用深度学习等技术，通过大量样本的训练和反馈，提高机器人的动作准确性和运动自由度。
应用和前景：人体肌肉的仿生机器人有着广泛的应用前景。
它可以被用于医疗领域，如康复治疗和辅助外科手术。
机器人肌肉还可以用于制造业，如装配线上的自动化操作。
人体肌肉骨骼模型设计与仿真
人体肌肉骨骼模型设计与仿真人体是一个复杂的系统，包含了许多器官和组织。
其中，肌肉骨骼系统是人体运动的基础。
因此，对于肌肉骨骼系统的研究具有重要意义。
为了更好地研究和理解肌肉骨骼系统，科学家们设计了肌肉骨骼模型并进行了仿真。
一、肌肉骨骼模型的设计肌肉骨骼模型的设计需要考虑多个因素，包括人体解剖学知识、生物力学知识，甚至是物理学知识。
在设计过程中，需要对人体骨骼、肌肉、关节等结构进行建模，并考虑这些结构之间的相互作用和影响。
首先，要进行骨骼建模。
骨骼是人体运动的支架，也是肌肉连接点。
因此，在建模时需要考虑骨骼的形态、大小、连接方式等因素。
同时，还要考虑骨骼的运动范围和限制，以及关节的特点。
其次，需要进行肌肉建模。
肌肉是人体运动的主要驱动力，因此，肌肉建模至关重要。
在建模时需要考虑肌肉的形状、大小、位置等因素，并将其与骨骼进行连接。
最后，需要考虑关节建模。
关节是连接骨骼的连接点，也是人体运动的关键。
在建模时需要考虑关节的类型、限制、活动范围等因素。
二、肌肉骨骼模型的仿真在肌肉骨骼模型完成后，需要进行仿真，以模拟人体的运动。
肌肉骨骼模型的仿真通常采用计算机模拟技术，可以通过计算机程序模拟并预测人体在不同条件下的运动。
在仿真过程中，首先需要计算肌肉的张力和弛缓。
肌肉的张力和弛缓受到神经系统、刺激、负重等多种因素的影响。
为了更好地模拟人体的肌肉张力和弛缓，计算机程序通常会模拟神经系统的作用和刺激的影响，以及其他因素的影响。
其次，需要计算骨骼的运动轨迹。
在模拟人体运动时，需要考虑骨骼的运动范围和限制，以及肌肉的作用。
为了更好地计算骨骼的运动轨迹，计算机程序通常会采用生物力学知识，考虑骨骼和肌肉之间的相互作用和影响。
最后，需要进行运动预测。
通过计算机程序模拟人体的运动，可以预测人体在不同条件下的运动表现。
这对于研究人体运动学、改善人体运动能力等方面都具有重要意义。
三、肌肉骨骼模型在医学和运动研究中的应用肌肉骨骼模型的设计和仿真对于医学和运动研究具有重要意义。
人体骨骼和肌肉的力学模型
人体骨骼和肌肉的力学模型人体骨骼和肌肉的力学模型是研究人体运动的基础，也是人体运动仿真的关键。
通过力学模型可以模拟人体运动过程中的各种关键参数，从而更好地理解人体运动机理、改善运动技能和训练方法。
本文将从人体骨骼结构、肌肉作用、力学模型构建等角度分析人体骨骼和肌肉的力学模型，并探讨在不同运动场景下的应用。
一、人体骨骼结构对力学模型的影响人体骨骼结构是人体运动的基础之一。
在力学模型构建中，需要对人体的骨骼结构进行精确建模，否则会影响模型的准确性。
骨骼结构包括骨骼形态、长度、质量、质心位置等因素。
在运动模型中，需要根据骨骼形态和运动轨迹等信息确定每个关节的自由度和运动范围，进而计算关节的角度、速度和加速度等参数。
骨骼结构对力学模型的影响不仅体现在身体姿势和运动轨迹上，还会影响肌肉作用力的计算。
肌肉收缩产生的力矢量与肌肉所附着的骨骼处于的角度有关，称为静止肌肉作用力矩。
而骨骼结构的不同会导致肌肉作用力矩的大小和方向不同，因此在力学模型中需要准确建立肌肉的起始和终止处，以及力臂的长度和方向等参数，才能计算出准确的肌肉作用力。
二、肌肉作用力的模拟和计算肌肉作用力是人体运动的动力学基础，能够驱动身体的运动。
在力学模型中，需要模拟和计算肌肉收缩的作用力，并将其作为模型的输入参数之一。
肌肉的生理机制和力学性质决定了肌肉力学参数的变化趋势和特征。
肌肉收缩时产生的力可以划分为静止肌肉作用力和动态肌肉作用力。
静止肌肉作用力是在肌肉静态张力的基础上产生的力，与肌肉所附着的骨骼的角度有关。
动态肌肉作用力是在肌肉缩短或伸长的过程中产生的力，与肌肉收缩速度和长度的变化有关。
通常情况下，静止肌肉作用力的变化比较稳定，动态肌肉作用力的变化则比较复杂，受到多种因素的共同影响。
肌肉的力学性质还涉及到肌肉肌力、振动特性、能量转化等方面，通常需要借助肌肉生理学、神经学和运动学等多学科知识进行建模和计算。
为了更准确地模拟人体运动，需要对肌肉的生理特征和力学性质进行深入研究和分析。
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。
什么是人工肌肉,它们有哪些应用？
什么是人工肌肉，它们有哪些应用？人工肌肉是一种具有生命特征的机械装置，主要由聚合物材料、金属线或合成纤维制成。
它们能像真实的肌肉一样收缩和扩张，吸收能量和产生动作，已经成为机器人、医学、航空航天、体育等领域中的重要研究热点。
本文将就其应用领域进行介绍。
一、机器人领域1. 仿生机器人仿生机器人是一种属于生物机器人的机器人，是通过仿生学的原理和方法，模仿生物的外形和功能设计的机器人。
人工肌肉作为仿生机器人的重要部分，能够用于实现机器人的运动、力量和灵活性等特点，给机器人带来更加逼真的人体仿真。
2. 智能康复机器人智能康复机器人是一种利用专业设计和技术实现体内受损或失去功能部位的功能康复的机器人。
人工肌肉能够提供自然、对称的力量和运动，可以替代受损的肌肉和骨骼，为康复患者提供更加自然、舒适的治疗效果。
二、医学领域1. 人工心脏人工心脏是一种利用人工肌肉等器官模拟心搏的医疗设备。
人工肌肉和其他模拟人体器官的材料能够保证心脏得到正常的供氧和血液循环，是心脏移植和人工心脏等更多医疗方案的重要一环。
2. 功能性假肢传统假肢常常限于生产商的固定型号和标准化设计，难以提供个性化和舒适的体验。
人工肌肉可以作为一个极大的进步，可以为失去肢体的人重新获得自由和灵活性。
此外，人工肌肉也可以与智能康复机器人结合使用，为瘫痪和失去感觉的人提供更加优质的治疗体验。
三、航空航天领域1. 作为实验载荷人工肌肉可以用作宇宙飞船的实验载荷，该技术被称为“空间可操纵探针”。
通过观测人工肌肉在重力微弱或不同的重力环境中的运动方法，科学家可以了解人类身体对重力的适应性、肌肉变形等信息，为人类在未来探寻外太空提供必要的数据支持。
2. 辅助航空设计专家们正在研究利用人工肌肉来设计起落架、翅膀和发动机，使飞机能够更省油、更轻便、更稳定。
未来，人工肌肉将成为飞行器设计和改进的重要组成部分。
四、体育领域1. 运动员的训练人工肌肉可以用于运动员的训练，帮助他们提高身体素质，增加肌肉和体能。
基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计
收稿日期:2005-10-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(50435040)·作者简介:王 宏(1960-),女,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师·第27卷第9期2006年9月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Vol .27,No .9Sep .2006文章编号:1005-3026(2006)09-1018-04基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计王 宏1,姬彦巧1,赵长宽2,李 琪1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004;2.东北大学计算中心,辽宁沈阳 110004)摘 要:介绍了一种灵巧机械手的设计和控制,这种机械手可以作为多功能的上肢假肢·此机械手包含了手和手腕的设计·它的手部可以完成四种抓取模式(握,捏,侧握,侧捏),腕部可以屈曲和旋转·所有的这些动作仅有四个电机来控制·在尺寸优化的基础上,建立了食指的运动学模型并求出了食指运动学的正解和逆解·从而为进一步研究机械手的轨迹规划和控制问题提供了理论依据·最后,简要描述了肌肉电信号的产生以及如何利用肌肉电信号来控制该假肢的运动·关 键 词:仿生机械手;假肢;肌电信号(EM G );运动学;运动轨迹中图分类号:T P 24 文献标识码:A机械手的设计和控制是近30年来国内外非常活跃的研究课题·它的设计大致可以分为工业机器人用机械手的设计和假肢用机械手的设计·前者的作用在于代替工业生产中作业人员,着重于机能的设计·而后者的作用在于替代上肢肢残者的缺损部分,除了要考虑机能问题外还要考虑其仿生性,即其形状和人类的肢体形状的相似性·肌肉电信号是一种可以在人类皮肤表面测量到的微弱的电位差信号,基于肌肉电信号控制的机械手的设计属于假肢用机械手设计的一部分·一般而言,人们所称的“手”有两种意义,一是指整个的上肢;二是指腕部到指尖的部分,也就是所谓的“手部”·人类的单只手臂以机械学的形式分析,可以用大约27个自由度的联杆机构来表示,但其中大约20个自由度集中在手部·本文的设计着重于假肢的手部的设计·目前主流的手部假肢是一种具有手的形状的假手,它们大都在每个手指的指根部具有一个自由度,手指本身并没有关节,可以利用拇指、食指、中指进行三指的抓取动作·本文所设计的假手也有三个手指,拇指指根部两个关节,其余二指三个关节,假手的腕部有两个自由度,可以完成腕部的屈伸和回转·1 仿生机械手的机构设计在机械人的研究领域,机械手的机构设计是一项很重要的工作,机械手机构型式和结构尺寸决定了机械手的操作性和末端执行器的位姿·在确定机械手机构参数之前,根据作业的要求确定机械手机构的自由度、组成形式、关节数目和配置方式·人类的手作为具有20个自由度的精巧机构,其结构仿生和再现有很重要的现实意义·作为仿生机械手的设计,不仅要求所设计的机械手和人类手在形状上相似,更重要的是要求其在机能上和人手的一致·在实际的生活观察中发现拇指和四指对握的动作最多,也最重要·在五指的使用频度上,拇指、食指和中指同等重要,其余二指较此三指约少50%,可以看作其他三指的辅助者·因此在设计中,只需设计三个手指即可以满足人类手的大部分的功能·由于仿生机械手要求满足每个手指在关节、转动角度上和人类手指一致,因此手指设计为三关节手指·从人类拇指和其他四指的关系上,拇指的动作可以分为:拇指和其他四指的相向动作;拇指从一侧开始的运动·为了实现这两个动作,本文借鉴了一种被称为Geneva -w heel [1]的机构来实现拇指的这两种动作·在腕部采用两个电机和六个锥齿轮一起实现腕部的旋转和屈曲·机械手的所有动作是由四个电机来控制的,通过电机的正转和反转实现手指的张合、腕部的屈伸、腕部的旋前和旋后·电机在运动中可以随时改变运动方向,以实现各个运动的协调·图1即为机械手虚拟样机·图1 机械手的虚拟样机Fig .1 Virtual prototype of robot hand2 机械手的优化设计2.1 人类手指的运动轨迹模拟运动轨迹的模拟是一种最基本的运动模拟·运动是生物最重要的特性,而且它往往表现着“最优”的状态,运动模拟就是研究生物运动的几何性质,包括运动轨迹和运动规律,并把它抽象为数学模型,然后根据需要简化为实用运动模型,从而作为仿生机械运动的依据·运动模拟系统的设计主要采用了摄像头把被测的手指的运动采集到计算机,计算机应用图像处理的方法检测到指端或各关节的位置,并且把检测到的位置的坐标记录下来·最后利用Lab V IEW 软件中的曲线拟合技术获得所求的运动轨迹·机械手的轨迹规划的原则是各个关节的驱动力矩在机械手的运动过程中的变化是否平稳,考虑到曲线在轨迹规划和仿生机械手的优化设计等实际应用,采用了三阶次多项式拟合曲线来拟合食指指尖的运动轨迹·采用了四阶次的多项式曲线拟合拇指指尖的运动轨迹,并把此轨迹作为机械手尺寸优化设计过程中的优化目标·图2为做握拳动作时食指指尖的运动轨迹的拟合曲线·图2 食指指尖运动轨迹Fig .2 Kinem atic trajectory of forefinger tip2.2 机械手手指的尺寸优化仿生机械手的结构尺寸可以参考人类手指的长度比例,并通过确定优化的目标函数,利用合适的优化算法来得到·其最终结构为一个手掌、一腕,包括三指十一关节,各手指和腕部均为模块化设计·利用优化方法进行机械手机构尺寸优化设计,仿生机械手机构优化设计计算的模型为 min F (χ)=min ∑3i =1ωi F i (χ),χ∈R 13,s .t .g (u )≤0,(u =1,2,…,n )·其中,χ为仿生手指的变量;F 1(χ)为轨迹优化目标;F 2(χ)为姿态优化目标;F 3(χ)为最轻结构质量的优化目标·ω1,ω2,ω3为加权因子,其值预先设定,再按照优化程序逐步调整,直到目标均衡优化为止·约束函数由边界约束、姿态约束、结构约束三部分组成·在优化设计的过程中参照不同个体手指的特点进行优化设计工作,并得到了适应个体不同特征需求的优化结果·3 运动学分析在对仿生机械手进行结构分析的基础上,采用Denavit -Hartenberg (D -H )方法建立连杆坐标系下的机械手运动学模型,并对其进行正向和逆向分析求解,通过对机械手手指的运动学方程求逆,可以得到各个关节在运动过程中发生的位移,作为控制机械手灵活运动的重要依据·3.1 机械手运动学方程的正解Denavit -Hartenberg (D -H )模型表示了对机器人连杆和关节进行建模的一种非常简单的方法·图3是以食指为例建立的食指手指在前臂基座坐标系内的坐标图·据此可以求出第三指尖在前臂基座坐标系中的齐次变换矩阵,即可得到手指指尖在基座坐标系γ中的位置,也就是运动学的正解方程[2]·图3 食指的D -H 参考坐标系线图Fig .3 D -H reference coordinate system of forefinger在式(1)中,a 表示原点到关节1的距离;b ,c ,d 分别表示三个指节的长度;S hijk ,C hijk 分别表示sin (θh +θi +θj +θk )和cos (θh +θi +θj +θk )·1019第9期 王 宏等:基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计γ=γT 00T 11T 22T 33T 44T 5=C 01C 2345-C 01S 2345S 12C 01(dC 234+cC 23+bC 2+a )S 01S 2345-S 01S 2345-C 12S 01(dC 234+cC 23+bC 2+a )S 2345C 23450dS 234+cS 23+bS 21,(1)γ=γT 00T 11T 22T 33T 44T 5=γR 5γP 501×31·(2)式(2)中的γR 5为三维旋转矩阵,代表了用静止参考坐标系坐标轴单位矢量表示的转动坐标轴单位矢量;位置矢量γP 5表示了附体坐标系的原点在静止的基座坐标系内的空间位置矢量·3.2 机械手运动学方程的逆解逆运动学是机器人学研究的主要问题,是机械手控制的关键,逆运动学研究内容主要包括位姿逆解、速度逆解和加速度逆解·在机器人控制中,只有求解出各关节移动(或转动)逆解中的值,才能使末端执行器达到工作所要求的位置和姿态,所以运动学逆解是机器人控制的关键环节[3]·如下即为所求得的机械手的六个逆解:θ0=arctan P x -C 01(p x C 01+p y S 01)P y +S 01(p x C 01+p y S 01);θ1=arctan p yp x-arctanP x -C 01(p x C 01+p y S 01)P y +S 01(p x C 01+p y S 01);θ2=arctan -p yp x 或θ2=180+θ2;θ3=arcos 1c (p x C 01+p y S 01-dC 234-bC 2-a )-arctan -p ypx;θ4=arctan αx C 0C 1+αy S 0C 1αx S 0S 1-αy C 0S 1-αz -arcos1c (p x C 01+p y S 01-dC 234-bC 2-a );θ5=arcsin (n z )-arctan αx C 01+αy S 01αz·如果存在多种解,则应该选取其中最满意的一组解[4]·由于此机械手具有8个动作11个自由度,本文只进行了单个食指的正逆运动学分析,同理还可以进行拇指的运动学分析·通过对运动学方程的正解和逆解进行计算机仿真,可以获得机械手各个指节的速度和位置运动图·4 利用肌肉电信号控制机械手的运动本文所设计的机械手主要是针对由肌电信号控制的假肢用机械手·在人体内部,大部分信息是以生物电的形式来传递的·在人的肢体运动时,大脑皮层中控制运动区域的神经元兴奋并产生一定频率的电脉冲,这个电脉冲通过神经系统精确地传导至特定的肌肉纤维·当这些电脉冲到达神经-肌肉突触时,在肌纤维中产生终极电位,它的去极化将在肌纤维中产生一串动作电位,引起肌肉收缩,使肢体完成大脑所设定的动作·肌纤维中这种变化的电位称为运动单元动作电位(M UAP ),肌电信号(EMG )是众多肌纤维中M UAP 的叠加,表面EMG 则是浅层肌肉EMG 和神经干上电活动的综合效应[5～11]·图4为肌电信号采集系统的硬件系统·表面电极获得的肌电信号是几个μV 到几十个mV 的微弱电信号,由于受到人体内外部环境以及市电等的干扰,前期必须进行信号的调理,即通过信号的放大,滤波,工频陷波,才可以获得正确的可以应用的肌肉电信号,最后再借助于虚拟仪器进行肌肉电信号的分离,应用统计类型识别技术(即将多通道输入的EMG ,按特征划分成不同的可鉴别的区域)和电子线路的阈值关系,来实现对应于各种动作的肌电类型的特征识别[12～15]·通过对完成各种动作时的肌肉电信号特征的正确识别来控制机械手运动·图4 肌电信号采集系统的硬件系统Fig .4 H ardware system of EM G gathering本文所设计的机械手可以完成8种动作,即:1020东北大学学报(自然科学版) 第27卷腕屈,腕伸,旋前,旋后,握持,张开,以及拇指从一侧开始的侧握和侧张开·为了实现这些动作,在尺侧腕屈肌,挠侧腕长伸肌和旋前圆肌处采集肌电信号,并利用肌电信号和动作之间建立的一定逻辑关系,通过逻辑电路控制四个电机的运动以实现预期的动作·5 结 论此机械手在设计原理和设计机构上基本上实现了人类手的各种动作,同时具有较强的实用性·机械手作为开环机构,与闭环机构不同,即使设定所有的关节变量,也不能确保机械手的指尖准确地处于给定的位置,这是因为如果关节或连杆有丝毫的偏差,该关节之后的所有关节的位置都会改变并且没有反馈·针对这一问题,为了更加精确控制手指运动的角度和力度,在拇指和食指的指尖端设置力传感器,在指根部设置位置传感器,在拇指和食指中部的关节设计角度传感器,通过各种传感器的反馈来确保精确实现手指的各种运动,提高残障人员的生活质量·参考文献:[1]Pons J L ,Rocone E ,Ceres R ,et al .The menus -hand dextrous robotics upper limb prosthesis :mechanical and manipulation aspects [J ].A utonomous Robots ,2004,16:143-163.[2]NiKu S B ·机器人学导论[M ]·孙富春,朱纪洪,刘国栋,等译·北京:电子工业出版社,2004.26-106·(NiKu S B .Intr od uction to robotics ana lysis ,s ystems ,applications [M ].T rans 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desig n and kinematics analy sis of a dex trous robot hand to develop multifunctional upper limb prosthesis .T he design of robot hand includes the palm ,fingers and wrist .I t can do four grasping models (gripping ,pinching ,lateral gripping and lateral pinching ),and the w rist can bend and rotate .A ll the mov ements are controlled just by four actua tors o r mo to rs .Based on the optimization of forefing er size ,an individual kinematics mo del of forefinger is developed w ith both normal and inverse solutions given to it .I n this w ay a theo retical reference is provided for the fur ther study on prosthetic hand s trajectory planning and controls .T he formation of EM G and how to use the EM G to control the robot hand 's movements are briefly discussed .Key words :dex trous hand ;prosthetic hand ;electromyog raphic (EMG );kinematics ;kinematic trajectory(Received October 21,2005)1021第9期 王 宏等:基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计。
人工肌肉的研究和开发
人工肌肉的研究和开发人工肌肉，是指能够模拟真实肌肉运动并进行控制的材料或器件。
其发展历程与人类对机器人和生物体仿真技术的研究密不可分。
作为新型智能材料的代表之一，人工肌肉被广泛应用于机器人领域、生物医学领域及智能纺织品领域等。
一、人工肌肉的分类目前，根据不同的分类标准，人工肌肉可分为：1. 基于形态的分类人工肌肉的形态与肌纤维类似，可分为直线型、环形型和扭转型等，其中以直线型最为常见。
通过几何形态的不同，人工肌肉可以适用于不同的应用场景，例如直线型人工肌肉可用于机械臂伸缩控制，环形型人工肌肉则可用于生物医学器械领域的血管和肠道支撑。
2. 基于驱动方式的分类人工肌肉的驱动方式可分为电致臀肌、电热臀肌和光致臀肌等。
其中最为常见的是电致臀肌，其驱动方式是通过在两端施加电场来使肌肉发生收缩或舒张。
二、人工肌肉的材料特性在设计研发人工肌肉时，需要考虑其材料特性，以实现高效的运动响应和长时间的稳定性。
而不同的材料特性也决定着不同用途领域之间的差异化。
1. 操作频率人工肌肉对于操作频率的响应速度是至关重要的，通过精准的控制可实现更加复杂的机械姿态、快速的动态响应和更加灵活的多模态运动。
2. 周期稳定性人工肌肉需要能够快速响应不同的刺激，但同时需要保证其较高的周期稳定性，这意味着肌肉纤维应该有足够的刚性和韧性以及可控的弹性特性。
3. 负载响应人工肌肉的应用场景不同，需要承受的负载强度也有所不同。
例如在机器人领域，需要承受较大的负载和冲击力，因此需要具有较好的强度和韧性。
三、人工肌肉的应用领域1. 机器人领域人工肌肉在机器人领域的应用广泛，例如在轮足机器人的摆臂运动、人形机器人的手臂伸展、水下机器人的机械臂操作等等。
人工肌肉的特性决定着其在机器人领域的应用主要集中在动态响应和多模态控制等方面。
2. 生物医学领域人工肌肉的应用也可以延伸到生物医学领域，例如在神经外科手术中对肌纤维的重建，或用于仿生脊柱和关节替代等医用材料研发。
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ｅ ｔ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ａ ｎ ａ ｔ ｏ ｍｙ ；ｔ ｈ ｅ ｎ，ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ａ ｔ ａ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍｕ ｓ ｃ ｕ ｌ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ； ｎ ｅ ｘ ｔ ，ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｋ ｉ —
ｉ ｎ ｇ ， ２ ０ １ ７ ， ４ １ （ ２ ） ： ９ ８ － １ ０ ３ ．
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ９ １ ９ ． ３
文献标 志码 ： Ａ
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ￣ ６ ２ ８ ０ ／ ｊ ． ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ ｅ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ２ ． ０ ２ ０
基 于 肌 肉 的人 体运 动 仿 真 研 究
关键词 ：肌 肉； 骨骼肌 肉模 型； 运动捕获 ； 多刚体运 动学
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｈ ｕ ｍａ ｎ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎｔ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｍｕ ｓ ｃ ｌ ｅ
ｒ ｅ ａ ｌ ，ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ，ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｍｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ．
马文超 ， 侯 进， 曹宁哲
６ １ １ ７ ５ ６） （ 西 南交 通 大 学 信 息 科 学 与技 术 学 院 ， 四川 成都
摘要 ： 针 对 当前 国 内缺 少 满 足 牛 顿运 动定 律 的 人体 运 动 仿 真 问题 ， 提 出 了基 于 肌 肉 的 人 体 运 动 仿 真 方 法 。 该 方 法 首 先 建
ＭＡ Ｗｅ ｎ ｃ ｈ ａ ｏ ， ＨＯＵ Ｊ ｉ ｎ， ＣＡＯ Ｎｉ ｎ ｇ ｚ ｈ ｅ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＩ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ， Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ７ ５ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ｅ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ｉ ｓ ｌ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ｕ ｍａ ｎ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｏ ｂ ｅ ｙ Ｎｅ ｗｔ ｏ ｎ’ Ｓ ｌ ａ ｗｓ
ｌ ｌ Ｖ 。 脚Ｌ
文献引用格式 ： 马 文超， 侯进 ， 曹宁哲．基于肌 肉的人体运 动仿真研究［ Ｊ ］ ． 电视技术 ， ２ ０ １ ７ ， ４ １ （ ２ ） ： ９ ８ — １ ０ ３ ． Ｍ Ａ Ｗ Ｃ， Ｈ Ｏ Ｕ Ｊ ，Ｃ Ａ Ｏ Ｎ Ｚ ．Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ６ ｆ ： ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｈ ｕ 、 ｍ ａ ｎ ｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ —
ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ．Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｕ ｍ ａ ｎ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ
立 了基于解剖 学的人体骨骼肌 肉模型 ， 然后进行运动捕获数据 与人体模 型的匹配， 其次构建 了主要关节点的局部坐标 系，
接 着 运用 多 刚体 运 动 学 与 动 力 学进 行 运 动 学 及 动 力 学参 数 的计 算 ， 之 后 施 加 空 间力 学平 衡 约 束 得 到 了有 效 的关 节运 动 约 束 机 制 。 实验 结 果 表 明 ， 利 用 该 算 法 实现 的人 体 运 动 仿 真 真 实 、 自然 、 逼真 ， 证 明 了算 法 的有 效 性 。
ｏ ｆ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ，ａ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｈ ｕ ｍａ ｎ ｍｏ ｖｅ ｍｅ ｎｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｍｕｓ ｃ ｌ ｅ ｉ ｓ ｐｒ ｏ ｐｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｔｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｌ ｙ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｕ ｓ ｃ ｕｌ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ —
ｎ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｋ ｉ ｎｅ ｔ ｉ ｃ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｈｙ ｍｕ ｌ ｔ ｉ — ｂｏ ｄ ｙ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎａ ｍｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｓ ｐａ ｃ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ