关节设计

关节设计（通用12篇）

关节设计 篇1

一部优秀的剪纸动画片之所以能够深入人心, 除了故事精彩、美术风格独特、造型设计新颖、音乐及插曲动听、配音专业考究、音效运用得体之外, 还有一个最重要的特点就是该片中每一个角色的关节设计。之所以这样说, 是因为这些可活动的关节决定了角色呈现出来的动作状态, 且关节设计的好坏、操作便捷与否直接影响中期的逐格摆拍, 影响角色的特征塑造甚至是整部影片的艺术质量。以上世纪上海美术电影制片厂出品的剪纸动画《猪八戒吃西瓜》、《狐狸打猎人》、《渔童》等为例, 观众在欣赏该片精彩的故事之余, 也被其故事背后每一个鲜活的角色所吸引。如《猪八戒吃西瓜》中憨态可掬的猪八戒, 因为天气炎热吃西瓜被大师兄捉弄而踩到西瓜皮上滑倒的情景令人捧腹。这些流畅的动作, 灵动的肢体语言, 正是基于前期角色造型设计师在关节设计上的反复尝试与不断推敲, 与此同时, 新时期剪纸动画创作中关于角色的关节设计又有了怎样的突破和创新, 新媒材的介入是否会破坏传统剪纸动画片的“原汁原味”, 这些都是当前从事剪纸动画创作者所要了解及关注的。

一、剪纸动画片的概念与国内外代表作

剪纸动画片, 顾名思义, 是以剪纸造型作为动画片的主要角色, 辅之以绘制的背景, 逐格摆拍, 配上音效, 从而在荧幕上塑造鲜活的形象, 与木偶动画片、布偶动画片、水墨动画片一样, 属于美术故事片的一种形式。具体讲, 剪纸动画片是在皮影戏和民间剪纸等传统艺术的基础上发展起来的一种美术电影样式。根据剧本的要求, 提前绘制出角色造型, 根据影片总体美术风格设计的, 要求选择不同纹理、质地、颜色等效果各异的纸张, 雕刻裁剪成型, 再结合我国传统皮影戏表演方法给角色装配关节, 使其逐格拍摄时便于操控。上世纪我国的剪纸动画片有《猪八戒吃西瓜》、《渔童》、《山羊和狼》、《济公斗蟋蟀》、《狐狸打猎人》、《葫芦兄弟》、《金色的海螺》等。国外在剪纸动画片的代表作中有我们熟知的《阿基米德王子历险记》 (德) 、《王子与公主》 (法) 、《查理与罗拉》 (英) 、《我拥有了你的心》 (澳) 等。上述国内外优秀剪纸动画片, 都有一个显著的共同点, 即每一部影片都有着强烈的本民族艺术风格和区域特色, 这些特点从影片的故事脚本、角色造型、美术风格、音乐插曲等方面体现的淋漓尽致, 但影片中这些可活动的、可操控的角色关节的设计成为影片的最大亮点, 也是影片要克服的最大难点。角色关节设计的优劣与否, 直接导致拍摄阶段的进展, 甚至整部影片叙事及表达, 故而仔细地研究动画角色关节的设计显得尤为重要。

二、剪纸动画片的角色造型特点及优缺点

剪纸动画片中的角色主要以在平面纸张上剪裁的方式, 再根据人物或动物的形体解剖安装关节, 因而剪纸动画片中角色的动作很少有转体或以透视的视角运动。侧面像为主构成了剪纸动画片角色造型设计的主要因素, 同时按照要求制作人物的正面、半侧面标准造型。另外, 根据剧情需要可能会制作几套不同大小的造型以适应不同景别的拍摄, 但即使这样, 从镜头语言的视角看剪纸动画也还是无法达到像手绘动画、计算机动画那样丰富, 这也是为何我们看上去的剪纸动画片在镜头语言上不是特别擅长的原因, 但恰恰是剪纸动画这种特有的气质给观众带来耳目一新的感觉, 民间工艺美术的注入给动画样式增添了新的活力, 使剪纸动画片成为迄今让人都喜爱的一种动画片样式。但缺点是角色的关节需要处处设置成可以操作活动的部分, 如果是平面的纸偶, 要注意拍摄时的穿帮镜头, 后期还有大量的修图工作, 如果是立体的纸偶, 则需要若干具有一定重量的支架, 后期同样有大量的人力和时间进行修正。我们应该科学辩证地分析剪纸动画片的优缺点, 从而更好的满足创作上的需求。

三、剪纸动画片中“活动”关节设计的要求

以上世纪上海美影厂的经典动画《渔童》为例 (万古蟾任导演) , 当美术师完成了该片的角色造型设计后, 关节设计师根据剪纸人物造型画稿如老渔翁、小渔童、外国传教士、封建官僚等具体形象的动态画稿, 按他们的身高比例、外貌特征、性格特点、服饰道具等进行关节解剖, 再使用人物各部位所需的彩色纸张进行绘制、镂刻、剪形, 最后用关节胶或关节钉按解剖图装配连接, 成为活动自如的纸偶。简单的剪纸动画只需在纸上绘制出角色, 再按照需要, 沿着关节处把它剪开, 最后依次把各部分连缀起来, 使各关节彼此相连又能活动自如。视角色动作拍摄的需要, 同样可以把关节制作的复杂, 在这里需要指出的是, 人体解剖的关节无外乎颈关节、肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节七处, 在设计这些关节时, 考虑的越细致入微, 设计的越方便灵活, 则越便于拍摄时的操控, 这样可以使角色做出更多丰富生动的动作, 避免僵硬呆板, 达到更好的视觉效果。

四、浙江传媒学院动画学院在剪纸动画片教学实践中的总结

以浙江传媒学院动画学院为例, 在每年度的毕业设计以及学生学科专业竞赛中, 经常会涌现出一些带有强烈民族传统风格的动画片, 但剪纸类型的动画片相对来说较少, 原因是学生还未能对剪纸动画进行系统的理论学习及具体的操作, 部分学生对人体解剖的关节部位了解的还比较浅显, 在具体拍摄时, 角色的肢体语言显得匮乏, 这在塑造人物性格、烘托故事主题上就难免打了折扣, 从而影响了整部影片的艺术效果。浙江传媒学院依托国家动画教学研究基地, 依托中央与地方定格动画实验室, 在实验室项目中专门开设了剪纸动画的创作, 鼓励并支持学生从临摹学习开始。几年来, 关于剪纸动画片中角色关节设计方面的研究从未间歇, 既从传统中汲取营养, 又把当下最科学、先进的技术理念灌输进来, 达到了对于剪纸动画实验性短片创作的目的。例如2010级动画班的同学将上海美术电影制片厂的经典动画《选美记》 (该片原是二维手绘动画) 改为剪纸动画, 制作了近百个头、手、脚的局部造型, 按剧情采用“替换法”的方式, 提前将头、手、脚编写号码, 按照分镜头的顺序, 需要用到几号时, 则随时更换, 用大头针将剪纸角色固定在背景板上, 最后在后期软件中再去掉一些穿帮的画面。同学们纷纷表示通过这样的训练, 让他们明白原来剪纸动画也并非一定只在一个角色身上的关节处做文章, 这无疑给拍摄剪纸动画提供了一种新的视角。再如2007级动画班的同学参考了国外的优秀样片, 创作了剪纸动画《公交车司机》, 在设计偶的“活动”关节时总结出了一套比较行之有效的方法。她们将影片中每一个人物角色的背部装上了较轻便的可旋转纽扣, 方便关节与关节之间的运动连带效应, 纸张的选择上用的是那种彩色的硬质卡纸, 这样在逐格拍摄时, 用镊子一帧一帧的调试, 最大程度的避免了抖动等问题。再如2009级动画班的同学拍摄的剪纸动画《上课了》, 因为他们不再像以往那样镜头自上而下垂直拍摄, 他们采用的是相机正常放置在三脚架上, 纸偶站立的方式拍摄, 这就需要解决如何让纸偶稳定的站立等诸多问题。他们将角色的背后 (足底) 粘贴了一小块烘烤过的软陶, 给人偶增添了份量, 让其能够非常稳固的避免摇晃, 对于有特殊要求或者尺寸较大的纸偶, 他们则加用了人偶固定器, 较好地解决了拍摄时的一些实际困难, 这些反复的尝试与试验都成为教学实践中的宝贵经验, 为下几届的学生提供了较好的教学范例。

五、新时期剪纸动画片角色关节设计的展望

随着数字化时代的发展, 计算机等科学技术的应用也渗透到剪纸动画片的创作中来。角色关节设计不再像以前那样停留在传统的剪刻、裁切再装配关节, 三维立体雕刻机可以模拟制做剪纸动画, Flash等软件也能创作惟妙惟肖的剪纸动画, 但笔者以为, 无论科学技术如何发展, 传统剪纸动画自身的“原汁原味”仍是无法取代的。目前, 国内部分高校也越来越意识到传统动画的魅力, 都在相关的教学课程中开设了关于剪纸动画的创作, 有的还聘请民间工艺美术大师亲自授业解惑, 达到了传帮带的教学效果。新时期的剪纸动画爱好者, 应该不断地从实践中尝试锻炼、提炼总结、传承创新, 丰富我国的美术故事片类型, 剪纸动画片必将有着良好的发展态势。

综上所述, 一部剪纸动画片质量的优劣关键在于角色的关节设计, 这既是剪纸动画片最大的亮点, 也是最需要克服的难点。在传统剪纸动画越来越受到以计算机技术为主的新媒体冲击的同时, 如何传承并加以创新显得尤为重要, 一味地模拟与嫁接不是传承, 技术应该为艺术创作服务, 将最前沿的技术应用在艺术创作中是新时期赋予动画人的任务, 剪纸动画从业者们应站在时代的高度, 认真钻研角色的关节设计, 让每一个角色形象更加鲜活、生动。相信, 不久的将来, 我国的剪纸动画片必将焕发新的时代光彩!

摘要：本文以剪纸动画片为研究对象, 通过对剪纸动画片特点的分析, 总结其优点与局限性, 并根据这些优缺点提出在剪纸动画片角色造型设计中, 尤其是可以“活动”的关节、骨架设计技巧上展开浅显研究与探索, 以期总结出一套指导日常教学、师生实践创作、大学生学科竞赛、毕业作品设计等相应理论成果。

关键词：剪纸动画片,关节设计,逐格摆拍,操控

关节设计 篇2

1、引导幼儿通过自身的活动，尝试发现身体各部分的关节，并知道它们的名称和各自的作用。

2、教育幼儿平时在注意保护自己的.关节，并学习应该如何保护关节。

3、发展幼儿的尝试精神和大胆地说话及口语表达能力，学习“关节”一词。

活动准备：

1、各类打击乐器(铃鼓、小铃、大鼓、响板)。

2、运动器械(跳跳球、呼拉圈、皮球、绳、拉力器等)。

3、关节活动图一幅，人们劳动图片五幅。

4、录音机，磁带。

活动过程

一、谈话引起幼儿活动兴趣

师：今天，老师带来了一些打击乐器和活动器械，小朋友们去玩一玩，看看你身体的哪个部位动起来了?

1、幼儿分散尝试活动。

活动后提问：你刚才玩了什么?身体的哪个部位动起来了?

2、小结：小朋友刚才玩的时候手、脚、腰、肩等部位动了起来，为什么我们身体的各个部位会这样灵活地运动呢?

二、引导幼儿发现关节

1、示关节活动图。

提问：你看到哪个地方动起来了?(引导幼儿学习“关节”一词)

2、幼儿感知自然身的关节。

小结：我们身体各部位能灵活地运动是关节在帮忙。

三、寻找各部位关节，了解名称

提问：

1、小朋友们试着找一找，你身体还有哪个部位有关节的?

2、这些关节叫什么名称?

3、听口令活动各自关节。

小结：原来，我们身体许多部位都有关节，它们的部位不同，名称也不同。有腕关节、肘关节、肩关节、膝关节、踝关节、髋关节，等等。

四、学习怎么样保护关节

1、运用幼儿已有的经验进行讲述(请ххх小朋友回忆脚部关节损伤的经过及带来的后果)，让幼儿知道损伤关节后会有多么的不方便。

2、教育幼儿保护关节的方法：

①不由高处往下跳，这样会容易损伤膝关节;

②摔跤时，尽量别让腕关节直力往下冲，可借助手臂的力量缓助一下，;

③天气冷了要注意给膝关节和踝关节保暖，不要让它们受凉了。下楼梯时不乱蹦乱跳，以免摔了髋关节;等等。

五、音乐游戏“关节活动歌”

幼儿、教师一问一答，巩固对身体各部位关节的认识。

活动反思：

关节设计 篇3

【摘要】　目的: 探讨关节通片治疗髋关节性关节炎的临床效果。方法: 选择2008年1月-2011年1月间门诊治疗的髋关节性关节炎患者120例，随机分为两组, 对照组给予口服甲氨喋呤、柳氮磺吡啶治疗，观察组给予关节通片治疗。观察两组治疗60d的临床效果。结果: 观察组的显效率和有效率分别为46.7%、96.7%, 对照组分别为36.7%、90.0%, 两组的显效率和有效率比较差异均有显著性意义(P均<0.01)。结论: 关节通片治疗髋关节性关节炎优于西药治疗，值得临床推广应用。

【关键词】　髋关节性关节炎；关节通片；疗效

髋关节性关节炎是一种慢性关节疾病，其主要改变是关节软骨面的退行性变和继发性的骨质增生。主要表现是关节疼痛和活动不灵活，X线表现关节间隙变窄，软骨下骨质致密，骨小梁断裂，有硬化和囊性变[1]哈尔滨医科大学附属第二医院骨关节、骨肿瘤外科陶树清。本文旨在探讨关节通片治疗髋关节性关节炎临床效果。1 　资料与方法1.1 　一般资料 选择2008年1月-2011年1月间门诊治疗的髋关节性关节炎患者120例，随机分为观察组与对照组各60例。其中观察组中的男16例，女44例；年龄22-65岁，平均40.5岁；病程8个月-15年, 平均11.3年；有家族史的16例；关节畸形的12例。对照组中的男18例, 女42例；年龄23-70岁，平均39.2岁；病程7个月-18年, 平均12.5年；有家族史的12例；关节畸形的10例。对两组患者的年龄、性别、病程等一般情况进行统计学分析差异无显著性意义（p>0.05），具有可比性。1.2 　治疗方法 对照组给予口服甲氨喋呤10mg，一周一次；柳氮磺吡啶0.5g，一日一三次。观察组：关节通片，每次2粒每日2次。两组均治疗60d观察效果。1.3 　疗效观察指标[2] 显效: 主要症状、体征的整体改善率51%-75%，理论指标明显的改善；有效: 主要症状、体征整体的改善率30%-50%，理化指标有改善或无改善；无效: 主要症状、体征的整体改善小于30%，理化指标无改善。1.4　统计学方法 所有数据经SPSS13.0 软件处理,计数资料用卡方检验。2　 结果

观察组的显效率和有效率分别为46.7%、96.7%, 对照组分别为36.7%、90.0%, 两组的显效率和有效率比较差异均有显著性意义(P均<0.01)。见表1

表1　两组患者的临床疗效比较 例(% )

注：*与对照组比较，p<0.053 　讨论

据统计，髋关节性关节炎的发病率逐年增高。50岁以上的老人有60%患有此病，70岁以上的老人约有80%患有此病。以前，髋关节性关节炎一直被认为是老年人特有的疾病，但临床表明，继发性骨关节炎也经常发生在年轻人身上。这种病早期以疼痛为主，后期是疼痛加功能障碍。但此病若加以重视，提前锻炼和预防，就可以减缓甚至阻挡其发展，减少痛苦。

髋关节性关节炎是所有膝关节病中较多的一种，年龄增长带来的退化现象，导致滑液分泌过少，韧带肌肉劳损，膝关节长期活动时如同磨盘一样转动互相磨损；又因外受风寒、外伤等，加快其进展速度，使软骨老化形成骨刺，刺激压迫周围的软组织、神经等，产生一系列症状。髋关节性关节炎是关节软骨的退变，由于关节软骨自身修复的能力差，且随着时间的推移，这种软骨破损的程度在不断的加重，而由这一病损造成的关节内一系列病变将会相继出现在不同的年龄段。就目前的医疗发展水平来看，治疗本病主要是以能达到阻断疾病恶性循环、缓解或解除症状、增加关节的活动范围、增强关节稳定性、延缓病变发展为目的[3]。

关节设计 篇4

随着计算机控制学和图形图像学的快速发展,采用计算机图形图像分析处理方法进行人体的行为模拟和分析,实现对人体行为和运动特征的提取和模拟,掌握人体运动的本质规律,是一个十分关键的课题。人体的关节是进行运动视觉跟踪的关键部位,通过对人体关节运动特征的实时视觉追踪和分析,掌握人体运动的规律性特征,完善模式识别领域的理论。因此,研究人体关节运动特征的追踪平台设计方法,对促进模式识别技术的发展具有重要意义,相关的系统设计方法受到人们的重视。

1 人体关节运动特征视觉追踪平台总体设计

1.1 人体关节运动特征视觉追踪的理论基础

为了实现对人体关节运动特征追踪平台的优化设计,首先需要构建人体关节运动特征追踪的原理。人体关节运动模型共有7个旋转自由度,对关节运动特征的在线监测和实时追踪,可以准确分析人体关节运动的潜质规律,分析人体运动的形体构造,提高运动训练的效率。为了实现对人体关节运动模型的运动特征追踪,需要进行人体关节运动模型的7个自由度运动空间规划,实现人体关节运动模型的运动学分析[1,2,3,4],人体关节运动模型的运动规划中,需要对人体关节运动模型的各个运动关节,包括人体关节运动模型的双足、小腿、大腿及上肢7大部分进行7个自由度运动空间重构,人体关节运动模型在7个旋转自由度空间内的位姿模型。

人体关节运动模型的运动部件主要包括了头、脖、腰、上肢和下肢等部位,人体关节运动模型的运动规划和运动特征追踪采用一个末端效应器进行模拟,给定人体关节运动模型初始位形θstart∈Cfree(自由C-空间),人体关节运动模型在运动时,通过驱动力作用,构成的人体关节运动模型运动链记为{A0,A1},运动规划的关节控制集合,通过逆运动学求解,进行全关节驱动模式下的人体动力学分析得到人体关节运动模型稳定移动的连续路径映射:τ:[0,1]→Cfree,使得τ[0]=θstart,τ[1]=θgoal,(pobj,gc)→f(θgoal)。构建人体关节运动模型的运动坐标系,包括世界坐标系Oxyz、体坐标系Ox1y1z1、地面坐标系Axyz,人体关节运动模型的运动中心坐标为(xa,0),人体关节运动模型的各关节运动模块部位质心为Gi(xi,zi)。根据上述分析,得到人体关节运动特征提取和追踪的动力学模型,以此为基础进行人体关节运动特征追踪平台的优化设计。

1.2 人体关节运动特征视觉追踪平台的总体设计

在上述人体关节运动特征提取和追踪的模型构建和算法分析的基础上,进行人体关节运动特征追踪平台的优化设计。系统设计之初,首先介绍系统的总体设计构架,人体关节运动特征追踪平台系统的设计包括了硬件模块设计和软件开发,人体关节运动特征追踪平台采用DSP(数字信号处理器)作为核心控制系统,DSP是体关节运动特征追踪平台的核心和大脑,对DSP器件的选择决定了系统设计的成败。本文分析了人体关节运动特征追踪平台的功能指标后,在阅读完大量器件手册后,决定选择ADI公司的ADSP-BF537作为数字信号处理芯片进行人体关节运动特征追踪平台的核心控制模块设计。ADSP-BF537根据数据类型在进行人体关节运动特征追踪平台设计中,关节运动特征的采样频率为12 k Hz,分辨率不低于8位,人体关节运动特征追踪平台采用单12 V供电,输入范围为3 V,功耗120 m W。本文设计的人体关节运动特征追踪平台具有低功耗、高可靠性的特点。根据上述设计思想,得到本文设计的人体关节运动特征追踪平台的总体设计构架如图1所示。

结合图1,分析本文设计的人体关节运动特征追踪平台的功能指标。人体关节运动特征追踪平台采用16位定点DSP内核作为核心控制芯片,控制系统对人体关节运动特征的采样和暂存数据的调度,采用16 V动态电源管理为系统供电。与L1存储器支持片外同步或异步存储,实现600 k Hz的持续工作,人体关节运动特征追踪平台的串口通信设计中,采用IEEE 802.3兼容10/100M以太网MAC进行CAN通信和人体关节运动特征的在线监测。串口发送时钟后实现对人体关节运动特征提取和帧同步信号的采集。根据上述系统设计的总体结构和功能指标分析,进行系统的硬件设计和软件开发。

2 系统硬件设计与软件开发

2.1 视觉追踪平台的硬件设计

在上述进行的人体关节运动模型运动力学模型分析和人体关节运动特征追踪平台总体设计的基础上,进行人体关节运动特征追踪平台的硬件设计。人体关节运动特征追踪平台的硬件部分采用集成模块化设计方法,主要包括了DSP模块、逻辑电路设计模块和接口模块。其中,DSP模块分为复位电路设计、串口电路设计、外部存储器设计和A/D设计以及电源设计等。现对其中核心电路详细描述如下:DSP模块采用ADSP-BF537作为数字信号处理芯片,采用SPORT0_TCR2和SPORT0_TCR1作为人体关节运动特征追踪平台的寄存器,决定串口时钟;在人体关节运动特征追踪平台的晶振复位电路的电源入口处放一个10~100μF的钽电容,减少外来的电源噪声;复位电路设计中,采用高频干扰耦合大电容的后面并联一个0.1μF的小电容的方法,抑制从负载端的高频干扰进入晶振复位电路。得到的DSP模块中复位电路设计结果如图2所示。

在晶振复位电路中,为了确保DSP系统的稳定性,在靠近DSP的时钟输入管脚的地方要串接10~50Ω电阻,产生复位信号,采用分立元件使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配,OUT变高,复位撤除,抑制从负载端反射的电磁耦合信号,进行上电、掉电以及降压情况下的复位,从而减小输出电流,提高人体关节运动特征追踪时钟波形的质量。

串口电路设计为人体关节运动特征追踪的复位信号提供显示和CAN通信功能,用DSP单独构成人体关节运动特征追踪的数据采集处理系统,进行串口电路设计,人体关节运动特征追踪的串口电路有3个多通道缓冲串口MCBSPS,关节运动特征追踪过程采用的是全双工的通信机制,提供128个通道的外部脉冲源发送和接收,根据上述分析,得到人体关节运动特征追踪平台的串口电路如图3所示。

通过对人体关节运动特征追踪平台的外部存储器设计,人体关节运动特征通过DAM控制器读取/写入DRR,实现数据的接收/发送。人体关节运动特征追踪平台的外部数据存储器采用了IDT公司的IDT70V28作为双端口RAM,实现数据存储和通信。人体关节运动特征追踪平台的外部存储器配置一个外接FLASH存储器。其外部引脚和控制命令字通过CPLD编程与FBUSY引脚相连,外部存储器输出的人体关节运动特征信息通过2片AD7864组成的A/D转换器进行模拟信号的输入设置,采用±10 V的双极性输入,依次与FLASH的数据线、地址线相连。人体关节运动特征追踪平台的外部存储器的接口电路如图4所示。

在上述进行存储模块设计之后,进行人体关节运动特征追踪平台的A/D设计以及电源设计,通过CPLD编程,人体关节运动特征追踪平台产生最多8路关节运动特征信息同步采样,在软件控制采样通道转换过程中,读上一通道转换值实现对人体关节运动特征A/D转换值的读取,利用信号作读数标志信号,逻辑时序控制信号通过多通道多相帧采集控制、DSP中断控制,实现A/D设计,得到人体关节运动特征追踪平台的数据流传送A/D接口电路设计如图5所示。

在系统电源设计中,选用不同的DC-DC芯片为DSP设计电源,采用数字电源5 V和模拟电源5 V交变设计方法,将输入的12位模拟电压经过放大器进行处理,采用数字滤波方法进行抗干扰和抗混叠失真处理,得到本系统的电源设计框图如图6所示。

根据上述对人体关节运动特征追踪平台的DSP模块中的复位电路、串口电路、外部存储器和A/D以及电源设计等,与其他集成电路进行合成,实现对人体关节运动特征追踪平台的硬件集成设计。

2.2 系统的软件设计

在上述进行了系统硬件设计的基础上,进行人体关节运动特征追踪平台的软件开发设计。人体关节运动特征追踪平台的软件开发建立在平台CCS 2.20基础上,人体关节运动特征追踪平台经过汇编和链接生成.out文件,在CCS的调试和仿真环境中完成编辑、编译链接、调试和数据分析。其中,软件设计的核心在于程序的初始化和中断处理,用从外部程序存储器0FF80H处引导人体关节运动特征追踪程序加载,对串行口、I/O口开始执行程序初始化,程序装载流程如图7所示。

外部程序装载中,在0FF81H处复位FLASH,然后对FLASH进行擦除,进入引导模式时,把loader和用户程序都通过对IDT70V28右端口最高位地址线烧写到FLASH中,由此实现人体关节运动特征追踪平台的软件设计。

3 试验结果与分析

根据上述人体关节运动特征追踪平台的设计结果,为了测试该系统平台的性能,进行仿真实验。实验中,使用ADAMS软件构建简化的人体关节运动模型动力学分析仿真系统,使用加速度传感器采集到人体关节运动模型稳定性控制行为数据,经过数据预处理和行为特征提取,将人体关节运动受力模型中的站立、走路、跑动、上下跳跃等运动行为,人体关节运动特征信息通过模拟信号预处理机、A/D采样输入到本文设计的系统中,人体关节运动模型行走的稳定性振荡幅度fExtend设置为0.3,回放频率参考时钟频率设置,内核电源为0.8~1.2 V,调节的数字量ΔD=65 536 V 5,迭代次数设定为Max Cycles=1 024,根据上述仿真环境和参数设定,将加载文件烧写到E2PROM中进行仿真分析,得到人体关节运动特征追踪结果如图8所示。

为了定量分析本文设计系统在进行关节运动特征追踪和采集中的性能,以人体关节运动模型的左腿和右腿的运动特征采样为测试样本,得到人体的左腿和右腿关节的运动特征追踪输出结果如图9所示。

从图9可见,采用本文设计的平台进行人体关节的运动特征追踪,能实时准确地反应人体关节运动特征的变化情况,数据输出的可靠性较高、结果准确,展示了较好的应用性能。

4 结语

人体的关节是进行体育训练和运动的关键部位,通过对人体关节运动特征的实时追踪和分析,掌握人体运动的规律性特征,可以有效挖掘人体运动的潜能,从而提高运动训练的效果,避免关节受伤。本文提出一种改进的人体关节运动特征追踪平台设计方法,首先得到人体关节运动特征提取和追踪的动力学模型。进行平台的硬件设计和软件开发,采用ADSP-BF537作为核心处理芯片,对系统的复位电路设计、串口电路设计、外部存储器设计和A/D设计以及电源进行详细的设计描述。试验结果表明,该平台进行人体关节的运动特征追踪和信息采集的准确度高、实时性好、可靠稳定。

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《骨骼、关节和肌肉》教学设计 篇5

一、聚焦问题：

1、这是什么？（哑铃）干什么用？谁来示范一下？

2、在这个过程中，主要是身体的哪一部分在运动？（手臂）

3、手臂里有哪些部位参与了这个运动呢？（骨头、肌肉、关节）

其实在我们人体有运动、呼吸、消化、生殖等等功能，直接参与的部位都是不同的。在运动中直接参与的主要是骨头、肌肉和关节。

二、初步认识骨骼、肌肉、关节（用概念图的形式来板书）

1、关于骨头、关节和肌肉你们都有哪些了解？

（1）骨骼：出示骨骼模型，介绍骨骼说说骨骼的分布，数量，作用等，出示骨骼图片说明其作用。把骨头转换成骨骼

让学生看着模型摸摸身体上的骨骼（肋骨、头骨），想一想骨骼有什么作用？ 假如人体没有骨骼支撑会怎样？（模拟：气球、筷子）

（成人一般有206块骨骼，小孩会多几块；骨骼一般是长长的、中间是空心的；骨头中有骨髓；骨骼能支撑我们的身体，保护我们的内脏器官）PPT：骨骼图

（2）关节：骨与骨之间由关节相连，使我们能做出各种动作。假如没有关节会怎样呢？（指套模拟）

（3）肌肉：肌肉和骨头、关节之间有关系吗？（A出示全身的肌肉图，了解肌肉一般在附在骨骼外面。B出示手臂肌肉图片，问看看肌肉怎么连在骨骼上的。）

三、探究骨骼、关节和肌肉之间的相互协调关系

1、在一个动作中，这三者又是怎样参与运动的呢？会发生什么变化呢？我们就以抬哑铃为例，小组讨论。

2、下面我们就来做实验看看。要求：（1）每个同学都要进行抬“哑铃”，用左手拿起桌上的哑铃，慢慢地移到胸前，体会在这动作的全过程中，左上肢是怎样运动的？

（2）反复做这个动作，用右手触摸手臂的不同位置，感受骨骼、关节和肌肉是怎样运动和变化的。

（3）以手臂伸直为参照，在图上画出手臂弯曲时骨骼、关节和肌肉的变化情况。

3、反馈分析：出示图片，说说你们的感受。

（1）当弯曲手臂的时候，里面的肌肉鼓起来了，其实也是缩短了。我们把这种变化叫做肌肉的收缩。（简单的说，弯曲手臂时，上侧的肌肉收缩了）（2）当弯曲手臂的时候，下侧的肌肉伸长了，肌肉舒展开去了，我们把这种变化叫做肌肉的舒张。（简单的说，弯曲手臂时，下侧的肌肉舒张了）（3）当手臂弯曲时，肌肉有什么变化？（4）骨骼和关节的变化呢？（上面的骨头基本不动，下面的骨头绕关节转动。）（5）看PPT:你能说说骨骼、关节和肌肉之间的联系吗？

骨骼的位置的变化产生运动，但是骨骼本身是不能运动的。骨骼的运动要靠肌肉的牵引，关节的转动。

（6）假如骨骼、关节和肌肉中有一个受到损伤，请问运动会怎样？

（7）由此可见，在平时校园里要注意什么呢？（在体育课或课间活动时一定要注意自己和同学的安全。不要拉伤了肌肉，不要撞伤了关节！）

四、巩固应用

1、在我们现实生活中，人们根据人体的骨骼、肌肉、关节制作了很多高科技产品，你能根据今天学到的知识，进行解释吗？ 先看这个挖土机，你看红色框里的部分相当于什么？起什么作用？

（挖机的臂像骨骼、圆圈处像关节、椭圆处像肌肉）

（万向节天线像关节、台灯的支杆像骨骼肌肉、合页像关节、铁塔像骨骼）

2、我们人体运动离不开骨骼、关节、肌肉，那你觉得怎么样的骨骼、关节、肌肉能给予我们更好地运动的呢？你现在达到这个要求了吗？那我们该怎么去做？（加强锻炼）

关节设计 篇6

【摘要】 目的:探讨手术前后系统护理对膝关节镜手术疗效的作用。方法：对23例手术病人实施常规的护理方法，心理护理，教会、指导、协助患者进行规范、系统的康复训练，做好出院指导。结果:病人术后恢复快，术后疼痛明显减轻，住院时间短，心理适应能力明显提高。结论:规范的护理对病人术前术后起到帮助的作用，功能训练、心理护理等大大提高了病人的康复和满意度。

【关键词】 骨性关节炎;膝关节镜;护理

【中图分类号】 R684. 3

【文献标识码】 A【文章编号】1044-5511(2011)09-0091-01

膝关节骨性关节炎多为老年性退行性改变，以关节软骨的损害为主要表现，临床上病人多以早期的活动疼痛和晚期的休息疼痛来就诊。关节镜手术是一种缓解症状的治疗方法，与传统手术方式相比有疼痛轻、卧床时间短、关节活动易于恢复、住院时间短、皮肤瘢痕小等优点，深受患者青睐。自2004年1月至2004年6月，我院对23例膝关节骨性关节炎的病人实施了膝关节镜手术，取得了良好的效果，现将护理体会报告如下：

1 临床资料

1.1 一般资料2004年1月至6月我科共开展膝关节骨性关节炎手术23例，女性16例，男性9例，双膝6例，单膝19例，年龄在50~70岁之间，平均住院天数4天。

1.2 治疗方法 采用膝关节镜直视下关节镜清除术，和半月板损伤修复术，术前常规化验检查，术后膝关节弹力绷带包扎，术后当日或次日行CPM机功能锻炼，其中7例骨科性关节病的手术局部置引流管，术后第2日拔除。

1.3 结果 此手术创伤小，病人术后恢复快，辅以下肢关节运动器功能锻炼，术后第一日即可下床活动，术后3~5日出院，出院后随访，满意度达99％。 

2 护理

2.1 术前护理 

2.1.1 心理护理 病人多为老年患者，患病时间较长，常年膝关节活动受限，导致患者产生抑郁、沮丧、自卑的心理再加上术前可能存在焦虑、恐惧、紧张，对手术知识缺乏等心理问题，我们必须采取恰当的护理措施，耐心细致做好心理护理，患者来自不同的社会群体，不同的文化层次，所以我们要采取个性化心理护理，用其能接受的语言向病人讲解手术的目的，手术的过程，请接受过治疗的患者向准备手术的患者介绍自己的体会，鼓励病人之间互相勾通交流，使患者很快消除不良心理反应，积极配合手术，树立自信心，保持最佳的心里状态。

2.1.2 一般准备 备齐各项常规检查报告，手术当日术野皮肤准备按手术要求患侧肢体切口上下20cm处，术前晚10时后禁食，12时后禁水，术晨按医嘱给术前用药。并做好硬膜外麻醉术前护理。

2.1.3 功能锻炼 术前指导病人进行股四头肌等长收缩训练，方法是:背伸踝关节，尽量将膝关节伸直，收紧股四头肌，保持3~5秒后放松，每天200次左右，分4~6次做完。此运动有利于术后肢体的血液循环，消肿和排出积液。2.2 术后护理

2.2.1 一般护理 严密观察病情，做好生命体征的监测，观察伤口情况，如有切口渗血较多，及时更换敷料，保持病人床位的整洁。

2.2.2 体位 抬高患肢，一般用枕头或软垫使患肢抬高20cm，保持膝关节接近伸直位，减轻肿胀。

2.2.3 观察足、趾的末梢循环，温度、肤色和运动，以防止包扎过紧而引起血液循环障碍。

2.2.4 预防并发症 常规应用抗生素三天，预防感染。术后抬高肢体和用弹力绷带从远端到近端包扎下肢方法可以减少小肿胀、静脉炎、血栓的形成。 

2.3 术后功能锻炼 术后第二天开始作抬腿运动，若患者主动锻炼效果欠佳，可在术后第一日辅以被动关节活动器CPM机进行被动锻炼。CPM机在病人相关部位无需肌肉用力的情况下，使需要运动的关节反复运动，使用CPM机可以温和而持久地牵伸关节囊、韧带、肌腱及关节周围软组织，可防止这些纤维组织废用性挛缩，松解粘连，从而可以防止及矫治关节活动度受限。早期开始CPM机训练可使修复关节面获得较好的塑形，从而减少术后远期发生骨关节病的可能。使用CPM机训练时要根据病人的情况调整运动参数。 

2.3.1 股四头肌收缩锻炼 指导病人根据术前训练方法进行股四头肌等长收缩训练，通过肌肉的收缩和舒张促进血液循环，减轻患肢肿胀。此运动一开始若运动量过大，出现不适或肌肉疼痛时，应适当减少运动量。 

2.3.2 屈膝功能锻炼 术后第一日可在床侧进行，双腿自然下垂凭借重力膝关节即能达到90°。然后再用好腿压在患侧小腿的前方轻轻用力向后压，即可增加屈膝角度，注意用力应缓慢，切忌暴力，以能忍受为宜，如果能在一定的屈膝角度上维持用力10分钟或更长一些时间，效果更好。如患者惧怕疼痛不敢做，可辅以CPM机进行被动屈膝锻炼。

2.3.3 压腿运动 压腿运动的目的是恢复膝关节的伸直和超伸功能^[1]。方法是:患者坐在床上将患肢放于病床上，踝下垫软枕，患者自己用手持续恒力按压膝部。注意压力要持久、均匀不可用冲击力按压，也不要将压力直接作用于髌骨上，以免引起不适。

2.3.4 功能锻炼应注意的问题 每天的锻炼项目要循序渐进，不仅要保证数量而且要保证质量，要尽量将每一个屈伸动作做到位，并在最大角度保持10分钟左右，如果在功能锻炼过程中出现关节水肿和积液则必须减少运动次数，并注意暂时不能热敷。

3 出院指导 通常术后7~10天拆线，出院后仍需按要求进行下肢的功能锻炼，尤其是做对股四头肌锻炼有益的直腿抬高运动，功能锻炼至关节疼痛消失，下肢行走如常为止。出院后嘱病人注意膝关节保暖，夜间睡眠尽量抬高患肢，并定期随诊。

参考文献

[1] 倪磊.膝关节镜彩色图谱.第一版.北京:科学出版社,2001.139~140

多关节机械腿的控制系统设计 篇7

随着机器人技术的发展,对于机械臂控制技术的研究也越来越广泛,空间机械臂[1]、蛇形机器人[2]、柔性机械臂[3]、金刚机器人[4,5]等机械臂的研究成果逐渐应用于航天机械人、农业自动化、工业自动化、家庭自动化等方面,各种机械臂控制的方法和技术也日趋成熟和完善,如建立机械臂的三维坐标模型[6],进行实时控制[7]等。

为了提高机械腿控制的可靠性和稳定性,本研究概述了一款以ARM7系列LPC2368为主控芯片,通过LabVIEW图形界面进行参数设置的多关节机械腿控制系统。此外,本研究还提供了可选择的变速控制的机械腿的运动控制设计方法。

1 多关节机械腿的机械结构

多关节机械腿由足部组件、小腿组件、大腿组件和胯部组件共4部分组成,共有5处可活动关节,分别为足部关节、脚踝关节、膝关节、大腿关节和胯部关节。机械腿结构图如图1所示。

本研究为防止机械腿各关节因为运动角度过大使机械部件发生碰撞而造成的磨损,经过反复实验,对各关节运动角度进行限定。关节名称和可活动的角度如表1所示。

1—足部组件;2—小腿组件;3—大腿组件;4—胯部组件;5—足部关节;6—脚踝关节;7—膝关节;8—大腿关节;9—胯部关节

注:上电后机械腿如人体般直立状态设为初始位置,该角度为0°。左右活动的关节,向左活动为负,向右活动为正。前后活动的关节,向前活动为负,向后活动为正。

2 系统硬件电路设计

机械腿各关节通过安装舵机进行运动控制。舵机是一种位置伺服驱动器,适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统,因此,舵机在机电控制系统以及机器人控制中有着重要的应用。

舵机的工作原理是:当舵机工作时,利用外部输入的PWM信号获得一个直流偏置电压,加在电位器上。同时,内部IC会产生一个周期为20 ms,宽度为1.5 ms的基准信号,这个基准信号也会产生一个直流电压,这两个电压相比较,获得电位差输出。最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转到一定位置时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0 V,电机停止转动[8]。

该系统中采用的舵机型号为HiTEC 5645MG数码舵机,其基本参数为:在供电电压为4.8 V时扭力为10.3 kg·cm,转速为0.23 s/60°;在供电电压为6.0 V时,扭力为12.1 kg·cm,转速为0.18 s/60°。舵机外接3个端子,其中两个为电源端,另一个为控制端,电压供电选用+5 V,控制端接主控芯片的PWM引脚,由于舵机内部有IC驱动,所以无需外加驱动电路。

舵机的控制通过PWM信号完成,PWM信号利用占空比改变舵机的位置。控制信号的脉冲周期为20 ms,当高电平持续时间为1 ms时,舵机转向右极限位置;当高电平持续时间为2 ms时,舵机转向左极限位置;当高电平持续时间为1.5 ms时,舵机转到中间位置。当舵机转到相应位置后,只要占空比不改变,舵机将保持不动。

该系统采用ARM7系列的LPC2368单片机作为主控芯片,因为ARM7单片机运算速度快,处理器内部集成了6个PWM通道,PWM功能基本由硬件完成,因此控制误差非常小,从而达到对舵机转角高精度控制的目的[9]。

系统的部分硬件原理如图2所示,LPC2368的PWM引脚与双电源供电的双向收发器74LVC245连接,74LVC245起到转换电平和驱动的作用。X1、X2分别表示提供给舵机1和舵机2的接口插座。电路中的PRTR5V0U2X起到保护作用。其他3个舵机的电路构成和此电路一致。

本研究将控制各个关节运动的5个舵机按顺序连接到X1～X5接口,通过PWM1～PWM5控制舵机进行运动。

3 多关节机械腿的控制系统设计

多关节机械腿运动控制系统分为PC机、主控电路和机械本体共3个部分。其中,PC机提供LabVIEW人机界面,方便用户设置系统参数,并将数据发送给主控电路。主控电路采用LPC2368作为主控芯片,LPC2368接收和处理PC机传输的串口信息,通过进一步控制PWM1～PWM5的输出对各个关节运动进行控制,从而使机械腿按照PC机指定的运行方式进行运动。

3.1LabVIEW界面设计

LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的一种程序开发环境,使用图形化编辑语言“G”语言编写程序,LabVIEW本身具备读取和发送串口数据的模块,可使本系统的程序处理更加方便,也使操作更加便携、人性化。

人机界面上需要设置的参数为:变速方式选择框、舵机1运动角度、舵机2运动角度、舵机3运动角度、舵机4运动角度和舵机5运动角度,这些角度均为舵机相对于当前位置的角度。此外,界面上还有确认发送按钮、上电指示灯、从机应答正确指示灯、从机应答错误指示灯和角度超限指示灯等部件。

人机界面前面板如图3所示。

3.2串口通讯协议

PC机和主控电路板之间通过RS-232串口进行数据通信,串口通信方式采用主从通信方式,其中,PC机为通信的主机、RS-232串口为通信的从机。波特率为9 600 bps。

主机命令帧格式和从机应答格式如下所示:

主机命令帧格式:

从机响应帧格式:

其中,STX(Start of Text)为帧开始定界符,CMD(Command)为命令码,DU1-DU5(Data Unit)分别代表舵机1～5的控制码,BCC(Block Check Character)为校验码,ACK(Acknowledge)为应答正确命令,NAK(Negative ACK)为应答错误命令。

3.3舵机的转速控制

为了满足机械腿不同速率的运行方式,本研究需要对各舵机的转速进行运动控制[10],如图4所示,设在任意某个时刻舵机所在的状态对应的转角为α,下一时刻舵机所在的状态对应的转角为β,从状态α过渡到状态β所用的时间为t,将α到β分成t份,设第k次舵机所在的状态对应的角度为x,则如表2所示,设计封装函数,对于读入的5路舵机的α状态、β状态、过渡时间t,调用相应的过渡函数,计算每步舵机的输出,即可实现舵机的变速控制。

舵机调速方式的选择有3种,在速度变化上分别表现为线性、先快后慢和先慢后快。这3种变速方式可以在人机界面上由用户进行选择,方便用于对机械腿的运动速度控制,3种变速方式的曲线方程如表2所示。

3.4系统软件流程

多关节机械腿的变步长运动控制系统软件流程为:上电后,机械腿运动到初始位置,主控电路等待接收PC机发送来的串口信息。此时,用户可以通过LabVIEW的主控界面进行命令和参数的设置,然后点击发送按钮进行发送,此时,若LabVIEW软件程序校验舵机转角参数设置超限,则数据不能发送,界面前面板的角度超限指示灯点亮,提醒用户重新设置。主控芯片接收到串口信息后首先进行检验,并将检验结果反馈给主机。若检验无误,则主控芯片首先按照接收到的舵机转角和接收到的转速控制方式,调用封装在程序中的算法计算PWM的每步输出值,控制舵机使机械腿按选择的变速要求进行运动。主控芯片的程序软件流程如图5所示。

4 系统性能分析

鉴于机械腿控制系统对实时性和准确性的要求,该系统对系统响应时间、系统运行误差和系统运行出错次数进行了测试,其结果如表3所示。其中系统平均响应时间为人机界面上点击发送按钮到机械腿开始运动的时间,系统运行误差为系统输出角度和实际角度的差值。

通过表3可以看出,当测试次数为100次时,系统的平均响应时间为0.50 s,系统平均运行误差为1.80°,系统运行出错次数为0次。

5 结束语

多关节机械腿的运动控制系统具有机械结构简单、体积小、控制方便等特点,其人性化的界面设计使操作更加便捷。本研究从硬件系统和软件系统两个方面介绍了此多关节机械腿,对其中的关键技术进行了研究,给出了设计方案和设计结果,证明了此系统具有性能稳定、运行精确等特点,可用于教学演示、学生实验等场合。

摘要：为解决机械腿的变速运动控制问题,将机电一体化技术应用到多关节机械腿的控制当中。开展了基于多关节机械腿的运动控制分析,建立了变速方式和机械腿运动速度之间的关系,提出了一种可选择的变速控制方法,并在此基础上对系统响应时间、运行误差等进行了评价。多次试验结果表明,本系统具有良好的控制稳定性。

关键词：LPC2368,多关节机械腿,LabVIEW,变速控制

参考文献

[1]李世其,刘洋.多关节轻型机械臂的设计研究[J].航天器工程,2009,18(3):48-52.

[2]汪洋,李斌.蛇形机器人控制系统的设计与实现[J].机器人,2003,25(6):491-494,500.

[3]谭景伟.柔性机械臂逆动力学问题的分析和求解[J].机电产品开发与创新2,010(3):35-36,31.

[4]ZHU Hai-hong,XIE Ming,LIM M K.Modular Robot Ma-nipulator Apparatus[P].PCT/SGOO/OOO2,2000.

[5]LI Ming-jian.Toward Single Motor Driven Biped Robot[D].Singapore:School of Mechanical and Aerospace Engi-neering Nanyang Technological University,2005.

[6]邹璇,李德华.多关节机械臂的坐标模型和参数标定[J].光学精密工程,2001,9(3):252-256.

[7]OKAZAKI A,SENOO T,IMAE J,et al.Real-time optimi-zation for cleaner-robot with multi-joint arm[C]//Networ-king,Sensing and Control,2009.ICNSC'09.InternationalConference on,2009:26-29.

[8]朱小娟,江兴盟.利用LPC213X/214X系列单片机的PWM功能实现对舵机的控制[J].济源职业技术学院学报,2007,9(6):17-20.

[9]周立功.深入浅出ARM7—LPC2300[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

关节设计 篇8

仿生机器人是模仿自然界中生物体的精巧结构、运动原理和行为方式等的机器人系统[1]。近年来, 仿生机器人的研究已成为机器人领域的研究热点, 而人形机器人则是仿生机器人技术领域最活跃的分支之一, 其中, 机器人关节的结构和性能直接决定其整体性能, 包括机动能力、操作能力、承载能力、肢体运动的协调能力及运动的控制性能等, 受到国内外学者的广泛关注。

三自由度球面并联机构是典型的少自由度并联机构之一, 其结构、运动状态和特性与人体的肩关节、髋关节很相似, 非常适合用于人形机器人的肩关节、髋关节原型机构[2]。迄今针对球面并联机构的研究已取得很多成果。Sokolov等[3]在广义坐标系下利用虚功原理对3-RPS球面并联机构进行了动力学分析。孙立宁等[4]根据螺旋理论对并联球面解耦机构的自由度进行了分析, 并应用空间球面解析理论对腕关节球面三自由度并联解耦机构进行了位置分析。周益林等[5]提出了一种冗余球面并联机构 (4-RRS) , 并结合螺旋理论方法分析其受力情况, 建立了该机构的静力学模型, 结果表明冗余驱动有利于提高并联关节机构的刚度。Kong等[6]将球面并联机构应用于灵巧眼, 并对其位置正解做出了系统分析。李秦川等[7]运用螺旋理论综合设计出一种新型3-PCRNS解耦球面并联机构。金振林等[8]基于拉格朗日方法建立了肩关节球面机构的动力学模型, 进而建立了肩关节伺服电机峰值预估模型。刘玲玲等[9]利用力与位移的对偶关系对2-TPR&SPR三自由度并联机构的刚度进行了分析, 通过仿真获得该并联机构在一定工作空间内的刚度性能。Bai[10]基于3-RRR球面共轴输入并联机构提出了一种采用GCI (global conditioning index) 性能指标———条件数的倒数在整个工作空间内运动性能的平均水平的高低, 来衡量既定工作空间灵巧度的最优设计方法。

针对三自由度球面并联机构的研究已比较深入, 但多限于运动学、工作空间分析, 或根据某一特定性能要求进行参数设计等领域。目前看来, 现有的人形机器人并联关节尚未完全充分地体现并联机构的优点, 也未能有效地解决并联机构工作空间相对较小的问题, 在实现静力卸载、刚度均衡等方面的研究还未曾开展。基于此, 本文根据实际人体构型特点, 以3-RRR三自由度球面并联机构为原型, 在对原型机构静力学和刚度进行分析的基础之上, 依据静力卸载和刚度均衡原则, 提出一种新型3-RRR+S-P仿生关节机构, 在机构中心植入中心球面副形成过约束, 设计出新的四支链三自由度球面并联机构, 并对中心球面副具体结构进行改进, 扩大了机构有效工作空间, 为机构真正用于人形机器人仿生关节奠定了理论基础。

1 3-RRR球面并联机构静力学与刚度特性

图1所示为3-RRR三自由度球面并联机构, 该机构由固定平台、运动平台以及连接两平台的3条相同的支链组成, 每条支链分别由3个转动副依次串联而成, 9个转动副的轴线汇交于空间一点, 称该交点为机构转动中心 (图1 中的O点) 。此机构可实现空间三维转动, 且所有可动构件上任意一点都被约束在机构转动中心至该点的球面上。

作为典型的少自由度并联机构, 三自由度球面并联机构的结构、运动状态和特性与人体肩、髋关节很相似, 非常适合用于人形机器人肩、髋关节原型机构。然而, 由机构静力学分析[11]可知, 因机构自身特性, 3-RRR三自由度球面并联机构所受纯外力不能为机构输入力矩所平衡, 故外力将引起构件上产生力与力矩的作用, 由其所引起的构件上的力与力矩始终存在于机构运动过程中。本质上讲, 此为附加载荷, 将会导致构件变形, 增加运动副摩擦, 进而降低机构效率和运动精度;实际工作中, 外力与环境有关, 具有不确定性, 可能存在冲击, 使其不利影响程度增加。

在复合外力作用下, 由外力和外力矩分别产生的构件上所受力特性不同, 各自独立且可以分离。因此, 若能通过结构设计将由外力所引起的构件上载荷卸掉, 则对机构的工程应用具有重要意义。3-RRR球面并联机构静刚度分析结果[12]表明, 机构抵抗纯力作用的能力很弱, 线位移刚度很小, 与角位移刚度相差巨大, 这使得机构在受到纯外力作用时, 输出端变形很大, 容易引起机构系统的振动, 进而影响机构的输出精度和运动稳定性, 严重制约了机构的应用。

2 过约束球面并联机构仿生设计

2.1 静力卸载与刚度设计准则

针对3-RRR原型球面并联机构存在的问题, 提出下面的设计准则。

(1) 构件静力卸载准则。将因外力所产生的作用在构件上的、不能被机构驱动力矩所平衡的力卸载, 即把外力对机构的各并联支链的作用力全部或大部分卸掉, 以减小各支链杆的受力与变形, 进而消除或减小外力的不确定性对机构输出的影响, 改善机构的力学性能, 提高机构的运动性能、输出位置精度与控制特性。这对于力成份远大于力矩成份的复合外载荷尤其重要, 同时也便于机构的小型化设计。

(2) 机构刚度均衡准则。使原型机构具有较大的刚度, 即机构的各支链的每个杆件在相应中心角范围内具有等刚度特性;提高机构的线位移刚度, 使机构的角位移刚度与线位移刚度协调, 从而提高机构的整体静刚度。

2.2 机构静力卸载与刚度均衡设计

三自由度球面并联机构存在一个公共约束, 即所有的构件在运动过程中均位于同一个球面或同心球面上, 而球内及球心处则为空腔。

为了卸掉支链构件上的载荷, 同时增大机构的刚度, 在不改变机构运动学性能的前提下, 在机构球心点处植入中心球面副, 构建新的四支链并联的三自由度球面机构, 如图2所示。图2a所示机构构型为3-RRR+S, 球头端杆与动平台固定, 球窝端与定平台固定;图2b所示机构构型为3-RRR+S-P, 球头端杆与动平台以棱柱形式移动副连接, 球窝端与定平台固定。

由上文对3-RRR球面并联机构静刚度的分析可知[12], 三种不同位姿下角位移主刚度最小值为1381 353.822N·mm/rad, 而同等情况下线位移主刚度最大值为820.746N/mm。刚度分析结果表明, 球面并联机构的静刚度不仅与机构的构型、机构中各构件的材料性能、机构参数、几何尺寸、机构运动位姿有关, 而且受过约束的影响。

在材料相同、尺寸相当的情况下, 相比机构中3R支链, S和S-P支链的刚度显然要大得多, 并且, 引入中心球面副即引入过约束, 则新的四支链3自由度球面并联机构的线位移刚度将得到大幅提高, 力学性能也有很大改善。

对于3-RRR+S机构, 当机构输出杆受到向心的压力时, 由于增设了中心球面副, 故从机构动平台开始, 力载荷被分解, 将按照中心球面副分支与球面并联机构原三分支两部分静刚度的比例分配, 而球面副分支的受压刚度远远大于原球面机构三分支的线位移刚度, 故压力主要由中心球面副分支承担, 原机构三分支所分配的载荷很小, 甚至可以不考虑, 基本达到完全卸载。当受到离心拉力时, 类似地, 力载荷仍将按照中心球面副分支与球面并联机构三分支两部分静刚度的比例分配, 球面副分支的受拉刚度与原球面机构三分支的线位移刚度相当, 实现部分卸载。

同理, 对于3-RRR+ (S-P) 机构, 无论受拉或受压, 在输出杆轴线上的分力均被完全卸掉, 而其他方面则与3-RRR+S机构相同。

3 机构中心球面副结构设计

与人体肩、髋关节运动空间相比, 球面并联机构工作空间较小, 故球面并联机构仿生设计的另一关键内容即是如何扩大机构工作空间, 使其与人体关节空间一致。

上文所提出的新机构中心球面副与原机构为整体并联关系, 新机构的工作空间为两者工作空间的交集, 由工作空间较小者决定, 换言之, 中心球面副较小的工作空间将制约原型机构的输出范围。而人的肩、髋关节运动灵活, 活动范围大, 故为适应人形机器人关节仿生需要, 必须合理设计球面副结构, 以增大中心球面副的摆动空间。

球面副是机构学的基本运动单元, 可承担拉、压载荷。常用的典型结构有两种形式, 如图3所示。图3a所示为横向剖分球窝型, 即由与支撑杆轴线垂直且过球心的横向剖面把球窝分成两部分, 与支撑杆固联的半球壳部分称为支撑球窝, 另一部分称为约束球窝, 约束球窝套装于输出杆上, 以约束球头, 并与支撑球窝固定, 从而限制球头及输出杆的线位移。图3b所示为纵向剖分球窝型, 即通过支撑杆轴线的纵向剖面把球窝分成对称的两半, 两半球窝结构上扣在一起含住球头, 再彼此固联。

由于结构所限, 输出杆的摆动范围较小, 即

φ=90°-arcsin (rm/r0m) -arcsin (hm/r0m) (1)

式中, rm为输出杆的半径;hm为约束球窝的高度;r0m为球半径。

以横向剖分球窝的球面副为原型, 利用运动与约束单项分解、交叉匹配的方法, 将输出杆的运动分解为正交的三个转动, 即绕x、y、z轴的转动。

将支撑球窝与约束球窝彼此分开一定距离, 支撑球窝保持不变, 而约束球窝半径增大, 使之形成球冠, 两者之间通过两个分置在过球心一条轴线上的销轴 (轴线与y轴重合) 构成可转动连接, 即使约束球窝具有相对支撑球窝单向转动, 同时限制约束球窝相对支撑球窝中心的线位移和其他两个方向的转动。

以约束球窝中心线与销轴的轴线所构成的平面为对称面, 在约束球窝上沿圆周方向、径向内外通透开长槽, 将输出杆的绕x轴方向摆动释放, 即摆动在长槽的对称面内实现。输出杆由槽中伸出后可沿槽壁面 (即绕x轴) 往复摆动, 同时可绕自身轴线转动。

为消除构件干涉并兼顾机械加工方便, 将约束球窝多余部分削减, 并改成U形圆柱面组合体, 即U形拨叉。然后, 在输出杆与约束圆柱面组合体之间设置短圆柱形支撑辊, 用以取代原来球头与约束球窝直接接触, 限制在拉力作用下输出杆及球头与支撑球窝的脱离。至此, 输出杆便具有绕x轴、与约束球窝一同绕销轴即y轴摆动及自身轴线的转动, 则在保持传统球面副功能的前提下, 获得具有较大运动空间的球面副新结构, 如图4所示。具体结构如下:支撑球窝1、U形拨叉3、球头4、输出杆5、旋转支架6、支撑销轴7和支撑辊8、双耳支架10、下支撑杆11、U形拨叉3与双耳支架10构成转动连接的销轴2、9。

其中双耳支架与下支撑杆固联为一体, 旋转支架为回转体, 中间为圆柱形孔, 前后各安装有支撑销轴, 一对支撑辊对称装于相应的两个销轴上, 可相对输出杆转动。输出杆下端与球头对心固定并置于支撑球窝中构成球面运动副。输出杆为阶梯形轴, 中间设有轴向定位台阶, 旋转支架连同装在其上的支撑销轴、支撑辊一起套装在输出杆上。U形拨叉为半圆弧形柱面组合体, 两端设有销孔, 装在双耳支架的外侧, 可与输出杆一起绕装在双耳支架两侧的销轴往复转动。在U形拨叉的轴向宽度中间平面内, 沿圆周方向开出径向内外通透的封闭长槽, 输出杆从U形拨叉的槽中穿过, 直径与长槽同宽, 可沿槽侧壁往复摆动, 其输出端为圆柱形, 连同下端固定的球头的组合体可绕输出杆轴线不受限制地独立旋转。位于旋转支架上前后的支撑辊与U形拨叉两侧圆弧内表面接触, 支撑辊的轴线与U形拨叉圆柱面的轴线平行, 以实现支撑。

当输出杆受到离心拉力时, 该力将由输出杆的定位台阶传到旋转支架、支撑辊的销轴、支撑辊、U形拨叉直至双耳支架, 共同完成约束球窝的作用;当输出杆受到压力时, 球头与支撑球窝直接接触承担载荷。因此, 该结构在保留了球面副功能的同时, 扩大了工作空间。

改进后, 球面副绕x轴摆动范围为

φx=90°-arcsin (rm/R0m) -arcsin (hm/R0m)

一般可达±65°。

绕y轴摆动范围为

一般可达±80°。

绕z轴的旋转不受限制, 即可360°旋转。

4 结语

本文针对人形机器人关节仿生实际需求, 通过植入中心球面副的方式对3-RRR三自由度球面并联机构予以改进, 提出两种新型的过约束四支链三自由度球面并联机构, 实现了机构静力全部或部分卸载及刚度均衡。针对并联机构工作空间较小的问题, 对中心球面副结构进行详细设计, 大幅扩大了其运动空间。研究结果为三自由度球面并联机构真正应用于人形机器人关节仿生提供了理论参考和技术支撑。

参考文献

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关节设计 篇9

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

三十三名北体竞技体校的铅球运动员、四名投掷教练员, 五十七名2008级体育硕士和高校教师。

1.2 文献资料法

通过检索有关网站, 在中国知网查阅有关训练学、田径、铅球、运动损伤、核心力量训练、现代体能训练方法、解剖学、生理学等方面的资料。

2 分析与讨论

2.1 指关节的解剖学结构

2.1.1 手部骨骼构成。

手部骨的构成包括腕骨8块、掌骨5块、指骨14块。其中腕骨包含近侧列的舟骨、月骨、三角骨和豌豆骨;远侧列包含大多角骨、小多角骨、头状骨和钩骨。掌骨包括从拇指侧向小指侧依次为第1、2、3、4、5掌骨。指骨包含除拇指两节外, 其余各指均由三节构成, 即近节指骨、中节指骨和远节指骨。[1]

2.1.2 手关节包括桡腕关节的结构、拇腕掌关节的结构和掌指关节的结构。

由于本文主要分析手指受伤, 所以对于桡腕关节的结构和拇腕掌关节的结构不作介绍。主要介绍掌指关节的结构, 它是由圆形的掌骨头与指骨连接而成。手握拳时, 手背间突起部即掌骨头。掌握关节属球窝关节, 但因为没有回旋肌, 故不能主动进行旋转运动, 仅能做屈 (握物) 、伸 (松手) 、外展 (手指张开) 、内收 (手指并拢) 的动作。

2.1.3 手部肌肉的构成。

活动拇指的肌群———拇长屈肌和拇短屈肌等组成。拇短屈肌包括伸拇指肌群、展拇指肌群、收拇指肌群。手肌-手肌分为外侧群、中间群和内侧群。其中外侧群主要由拇短展肌、拇短屈肌、拇指对掌肌和拇收肌组成, 它们的机能:使拇指屈、内收和对掌运动。内侧群主要有小指展肌、小指短屈肌、小指对掌肌和掌短肌等组成, 它们的机能使小指屈、外展和对掌运动。内侧群构成小指侧的隆起, 称为小鱼际。中间群主要由四条蚓状肌、三条骨间掌侧肌和四条骨间背侧肌等组成, 它们的机能使手指 (除拇指) 屈伸、外展和内收, 中间群构成手掌的凹陷部分, 称为掌心。[2]

2.2 手肌特点

手肌虽然都是些小肌肉, 但却具有较大的力量, 对抓握器械等有很大的作用。一个人握力的大小与手肌力量的大小关系十分密切。

2.3 指关节易受伤部位以及损伤机理

通过走访和查阅资料发现投掷铅球时, 最容易受伤的部位是近节指骨与掌骨的连接点处, 此处的屈指肌群易受伤。手指属于闭合性损伤。闭合性软组织损伤发生机理:肌肉弹性下降可导致肌肉在极端位置时的功能下降。肌肉-肌腱单位的适应能力下降, 肌肉储存和缓冲弹性势能的能力下降, 在遇到脉冲载荷超过手指的承载能力时, 就会造成掌指屈肌的受伤。闭合性软组织损伤是运动损伤中最常见的一类损伤。

2.4 脉冲载荷对手指的影响

脉冲载荷对人体影响大小取决于下列因素:a.脉冲载荷的大小;b.脉冲载荷的作用的时间;c.脉冲载荷的作用方向;d.脉冲载荷的变化率;e.人的生理和心理状态。[3]

2.4.1 脉冲载荷的大小。

脉冲载荷越小, 对手指的脉冲越小, 手指也越不容易受伤。但优秀的铅球运动员的出手速度一般要达到13米/秒~15米/秒左右, 某运动员在18.19M的试推中, 做功总量为732Nm, 其中80%用于铅球加速, 20%用于铅球提升。由于最后用力阶段的时间较短 (0.2秒左右) , 而做功量很大, 因此功率输出很高。上述的投掷运动员的输出功率为5.08Kw, 若投掷远度超过21M, 功率值将更大:6.2Kw (21.31m) 、6.7 Kw (21.56) 。所以手指在瞬间受到的脉冲载荷非常大, 掌指屈肌的压力也相应增加。经常参加高脉冲力运动或参加类似于高脉冲力动态负荷的体育活动和人体肌肉骨骼系统的疲劳, 都会导致关节疾患, 如肌肉韧带的拉伤、骨关节炎或应力性骨折的发生。

2.4.2 脉冲载荷的作用的时间。

铅球运动员在最后出手的环节上, 教练员和运动员都不愿脉冲载荷的作用的时间过长。时间越长的同时是力的输出变小, 成绩的降低。另外, 多次重复训练, 过度使用性损伤也会导致应力性骨折, 它是由肌肉力量与弯曲和脉冲力一起作用于骨骼引起的。疲劳时肌肉的储存和分散能量的能力下降、保护骨骼免受振动波的超负荷影响的能力下降。

2.4.3 脉冲载荷的作用方向。

在实际训练中, 技术变形、场地、生理机能等多种因素, 会造成铅球出手角度的改变。由于脉冲载荷非常大, 所以力的作用方向就非常重要, 一旦不符合项目的力的方向需要, 就会造成载荷组织也就是指关节的受伤。

2.4.4 脉冲载荷的变化率。

变化率越大, 手指受伤的机率越大。铅球投掷由于最后用力阶段的时间较短 (0.2秒左右) , 而做功量很大, 因此功率输出很高。所以脉冲载荷的变化率很大。

2.4.5 人的生理和心理状态。

人的生理和心理状态不好时, 会导致柔韧性降低、关节松弛或过紧和肌肉力量的不平衡, 增加了受伤的危险。而且这种危险会因为超过运动员素质水平的过度训练而增加。

2.5 手指肌肉训练的定位

通过调查和走访, 以及查阅相关的资料发现, 指关节受伤的部位主要是在掌骨和近节指骨处, 再结合铅球的出手动作发现, 手指的屈肌肌群最容易受伤, 所以主要训练手指的各屈肌。手腕和手指肌群的力量练习是铅球运动员不容忽视的力量练习。因为没有有力的手腕和手指, 就不会在最后出手瞬间主动积极有力地拨球, 创造最高出手速度, 同时手指还容易受伤。

2.6 指关节训练设计

2.61指撑俯卧撑。双手手指支撑身体, 双臂垂直于地面, 两腿向身体后方伸展, 依靠双手和两个脚的脚尖保持平衡, 保持头、脖子、后背、臀部以及双腿在一条直线上动作重点:全身挺直, 平起平落。

2.6.2 抓下落的铅球。

手心向下抓握铅球于胸前, 松开手指, 让铅球做自由落体, 在铅球还没有落地前, 用手快速抓住铅球拿回胸前。抓下落铅球的动作可以一只手做, 也可以两只手轮流抓握。

2.6.3 抓平放的杠铃片。

根据自己力量的大小或训练的需要, 选取适当重量的杠铃片。用五根手指的指尖抓握杠铃片的内孔径的突起处静力。具体时间和重复次数视自身状况和训练需求而定。

2.6.4 双手指拨球。左手或右手持球于胸前, 通过指关节的拨球动作使铅球在左右手之间交替。

2.6.5 单杠悬吊。

双手用除大拇指之外的其余指头握住单杠, 利用自身的重量作为负荷, 悬吊静力。悬吊时间和重复次数视自身状况和训练需求而定。

2.6.6 阻力软球抓握。

选取弹力适宜的软球, 用五指做抓握动作, 练习指关节的力量。具体抓握时间和重复次数视自身状况和训练需求而定。

2.6.7 指关节训练网。

指关节训练网是具有一定张力的有孔胶片, 五指插在不同的圆孔里, 根据需要做抓握动作或被动松开动作。具体抓握时间和重复次数视自身状况和训练需求而定。指关节训练网有不同的颜色胶片, 其代表的是具有不同的张力。

结束语

指关节训练应该穿插于平时的素质练习中, 作为循环练习中的一站或素质练习的一项不可缺少的部分, 也可以在铅球投掷之前作为专项准备活动的一部分。坚持指关节练习, 可以有效预防指关节损伤, 提高指关节力量。

摘要：在铅球的教学和训练过程中, 手指关节非常容易发生损伤, 试从指关节的解剖学结构结合铅球项目最后用力的发力特点, 分析指关节受伤原因, 探索出铅球运动员手指关节的训练设计。

关键词：铅球,指关节,损伤,训练设计

参考文献

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关节设计 篇10

从运动形式来看,踝关节可视为球铰,具有绕3个垂直轴的转动,即背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋。目前临床使用的踝关节康复训练器结构简单,功能单一,仅提供绕1个轴的转动(背伸/跖屈),因此康复训练并不全面。从关节运动的原理来看,肌肉群共同作用牵引骨骼产生运动,这与并联机构的工作方式非常相似。此外,并联机构具有高刚性、高承载能力等特点,且能以紧凑的结构实现多个自由度的运动。因此,采用并联机构来实现踝关节康复训练具有广阔的应用前景。近年来,国内外学者对此开展了广泛的应用研究。美国新泽西州立大学研制的Rutgers踝关节康复训练器借助于虚拟现实技术来帮助患者实现踝关节的康复训练[1]。由于其主体结构采用了气压驱动的六自由度Stewart平台,除带来噪声影响之外,还提高了整个设备的复杂性和成本。Dai等[2,3,4]所开发的踝关节康复机器人采用了3-SPS/S型并联机构。Liu等[5,6]提出的踝关节康复机器人则采用了3-RSS/S型并联机构。上述两类机构本质相同,由于中间球关节的约束作用,该类机构具有与踝关节相同的球面运动特征,但其转动中心与踝关节并不重合,因此可能引起踝关节非预期的运动。通过分析现有踝关节康复机器人的不足,边辉等[7]提出一种新型的2-RRR/UPRR并联机构。通过巧妙的设计,该机构具有远程回转中心,可保证机构转动中心与踝关节重合。这种机构采用了非对称结构,其回转中心固定,不能满足具有不同关节尺寸用户的使用需求。

本文采用基于3-PUS/S型并联机构的康复机器人来辅助病人实现踝关节的康复训练,通过踝关节到机器人的运动映射分析,以解决机器人回转中心与踝关节中心不重合的问题,为实现机器人的有效控制提供了依据。

1 踝关节康复机器人设计

如图1所示,人体踝关节可视为1个具有3个转动自由度(背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋)的球关节。因此,为了全面、有效地实现踝关节的康复训练,机器人应具备球面运动的能力。传统的踝关节康复仪仅提供单个转动自由度,显然不能满足踝关节复杂运动的需要。本文采用3-PUS/S型并联机构来设计踝关节康复机器人。

假定并联机构满足:(1)机构原动件数等于机构末端执行器的自由度,即原动件数为3,机构既非欠驱动也非冗余驱动;(2)每个分支运动链仅含1个原动件,即分支运动链数为3;(3)各分支运动链具有相同的结构形式;(4)机构动平台与静平台之间通过1个S副(球面副)运动链连接,以保证机构实现绕定点(球面副中心点)的3个转动自由度。

满足以上条件的球面运动并联机构如图2所示。假定各构件之间通过单自由度的基本副连接,Kutzbach Grubler自由度计算公式为

其中,F为机构自由度,F=3;λ为机构所处空间的维数,λ=6;n为构件数,令n=3n'+2,n'为单个分支运动链所具有的构件数;g为机构运动副数,令g=3g'+1,g'为单个分支运动链所具有的运动副数;fi为第i个运动副的相对自由度。由于除球铰外,各运动副均为单自由度,因此将上述条件代入式(1)得

由于n'和g'皆为整数,因此可取n'=5,g'=6,即该类球面运动并联机构的分支运动链需包含6个单自由度简单副或等价的多自由度运动副,这里选用PUS型运动支链。然而,并联机构属于复杂空间机构,必须考虑各运动链对动平台所产生约束的类型、方向等因素对自由度计算公式所产生的影响[8]。旋量理论在分析机构自由度的数目及自由度的具体性质方面有其独特的优势,下面采用旋量理论来分析3-PUS/S型并联机构的运动特点。

图3所示的3-PUS/S型并联机构中,动平台和静平台之间通过3个对称分布的PUS运动支链连接。包含球铰O的中间支撑链上下端O1、O2分别与动静平台中心固定连接。下角点A1、A2、A3和上角点C1、C2、C3分别均匀布置在半径为r1和r2的圆周上。移动副P汇交于点D,且与静平台形成夹角θ。U副第一回转轴线与静平台平行且与P副方向垂直。在O点建立固定坐标系OXYZ,X轴位于O1A1O2平面内且与静平台平行,Z轴竖直向上。初始状态,动平台与静平台平行且点O、A1、O1、C2和O2位于同一平面内。

以运动支链A1B1C1为例,可将其等效为具有6个单自由度运动副的串联机构,各运动副相关轴线记为向量e1(1)、e1(2)、e1(3)、e1(4)、e1(5)和e1(6),其中e1(i)为第1个运动支链的第i个运动副轴线的单位方向向量。

由结构可知,轴线单位方向向量e1(1)可表示为

由于e1(2)与静平台平行且垂直于e1(1),因此有

式中,z为Z轴的单位方向向量。

单位向量e1(3)可表示为

式中,u1为杆B1C1的单位方向向量;l为B1C1的长度,定值。

球铰等价于3个轴线互相正交的转动副,其相关向量可视为

则可得该运动支链运动旋量系:

式中,b1为点B1的位置向量;r1为静平台外接圆的半径;h1为球铰中心O到静平台的距离;L1为移动副的位移;c1=(xc,yc,zc)为点C1的位置向量。

从式(7)可看出,该旋量系线性无关,即

根据互易螺旋理论,该运动支链对动平台无约束作用。对其他两运动支链进行分析可得到同样的结论,即动平台在PUS型运动支链的作用下,可存在任意形式的运动。因此,添加带球铰的中间支撑链即可限制动平台的平移运动。

由上面的分析可知,机构动平台仅存在绕定点的球面运动,该运动方式与踝关节的运动方式相同。

2 运动学分析

对运动链j(j=1,2,3)进行分析,由空间向量关系可得

式中,aj为点Aj的位置向量;c'j为点Cj在动平台坐标系下的位置向量;R为3×3的旋转矩阵。

式(9)两边同时点乘uj可得

当给定动平台的转角信息(α,β,γ),即可根据式(10)计算出各运动支链移动副的位移。

为了得到机构的速度关系式,将式(9)两边对时间t求导,得

式中,ωj、W分别为杆BjCj和动平台的角速度;aj为一常值向量,其导数为零。

式(10)两端点乘uj,可得

式(12)揭示了输入速度与动平台转速之间的关系,其矩阵的形式为

其中,J为3×3的Jacobian雅可比矩阵。

3 踝关节与机构的运动映射

尽管3-PUS/S型球面运动并联机构具有与踝关节相同的绕定点运动的特点,但其转动中心与踝关节中心并不重合。为了正确、有效地实现康复训练,必须对踝关节和机构的运动映射关系进行分析。

3.1 背伸/跖屈

背伸/跖屈是踝关节的主要运动形式。为了实现该种形式的训练,患者呈坐姿,并将其脚与动平台固定。将机构和患者下肢投影至OXZ平面。由于脚与动平台固定在一起,因此可将其视为一个构件OD,同样,机构静平台和座椅等静止部件可用构件OF来代替。这样,就可得到图4所示的平面四杆机构ODEF。

对四杆机构ODEF进行分析,得

消除式(14)中的角度σ,可得

动平台绕Y轴的角位移可表示为

式中,δ0为DO和OF的初始夹角。

背伸/跖屈角位移βf为Z轴和小腿DE之间的夹角:

当给定了背伸/跖屈角位移,即可通过式(10)、式(15)~式(17)来计算驱动器位移Lj。

3.2 内翻/外翻

为了实现内翻/外翻训练,将机构和患者下肢投影至OYZ平面,得图5。图5中,同样可得到一个近似的平面四杆机构ODEF。通过对该四杆机构进行分析,可得

式中,α为动平台绕X轴的转角;φ1为内翻/外翻运动角位移。

一旦给定内翻/外翻运动转角,就可通过式(10)、式(18)来计算驱动器位移Lj。

3.3 内旋/外旋

为研究踝关节内旋/外旋运动与机器人运动的映射关系,将机构动平台和患者下肢投影至OXY平面,得图6。图6中,患者脚随动平台C1C2C3绕Z轴转动,D0O和DO分别为脚初始方向和转动后的方向,其夹角∠D0OD即为踝关节内旋/外旋运动转角。由图6可知,转角∠D0OD与动平台欧拉角γ相等。

4 仿真实验

设相关参数如下:a=200mm,b=400mm,c=450mm,d=800mm,a1=200mm,b1=200mm,c1=100mm,d1=300mm,δ0=40°,∠O2OF=60°,在MATLAB中建立各转角关系式,当背伸/跖屈、内翻/外翻运动变化范围为[-30°,30°]时,仿真结果如图7、图8所示。

由图7可见,背伸/跖屈运动与动平台绕Y轴的转动并不相同,当背伸/跖屈运动线性均匀变化时,β呈非线性非均匀变化。因此将机器人回转中心等同于踝关节中心,将导致错误的控制结果。内翻/外翻运动(图8)可得到同样的结论。

5 结语

采用自由度分析方法,设计了具有球面运动能力的并联机构来辅助踝关节实现康复训练。旋量理论分析表明,机构的PUS运动支链不对动平台产生任何约束,具有与踝关节相同的球面运动的能力。在建立机构逆运动学的基础之上,将机构与人体下肢视为平面四杆机构。通过对该平面四杆机构的分析,得到踝关节到机构的运动映射关系。数值仿真表明,机器人回转中心与踝关节中心不重合,人-机运动映射有助于正确、有效地实现踝关节的康复运动控制。

摘要：设计一种康复机器人以帮助病人实现踝关节的康复训练。在自由度分析的基础之上,所设计的康复机器人采用3-PUS/S型并联机构。采用旋量理论验证了康复机器人可以实现与踝关节相同的球面运动。通过运动学分析得到机器人的雅可比矩阵。为解决机器人回转中心与踝关节中心不重合的问题,进行了踝关节到康复机器人的运动映射分析。最后通过数值仿真对运动映射进行了验证。

关键词：踝关节康复,并联机构,旋量理论,运动映射

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人体最复杂的关节——膝关节 篇11

由于股骨下端呈球面凸隆，而胫骨髁的关节窝较浅，彼此很不适合，在关节内就生有由纤维软骨构成的半月板。半月板的外缘与关节囊紧密结合，内缘薄而游离；上面略凹陷，对向股骨髁，下面平坦，朝向胫骨髁。内侧半月板大而较薄，呈“C”形，外侧半月板较小，呈“O”形。

半月板具有一定的弹性，能缓冲重力，起着保护关节面的作用。同时半月板能够防止股骨和胫骨相互摩擦，增加润滑，减少损伤。

为了把半月板和股骨、胫骨固定在一起，膝关节内出现了十字韧带这一结构。十字韧带就是人体膝关节交叉韧带的俗称，顾名思义，它是两条相互呈“十”字形交叉的关节内韧带组成的，分别叫作前交叉韧带及后交叉韧带。前后十字韧带对人体的运动和正常行走至关重要。膝关节不论伸直或屈曲，前后十字韧带均呈紧张状态，前十字韧带可防止胫骨向前移动，后十字韧带可防止胫骨向后移动。

膝关节承受了人体的绝大部分重量，在上楼或者上山的过程中，膝关节承受的重量是正常人的4～6倍。如果进行跳跃或者从高处跳下，膝关节承受的重量是人体的10倍以上。所以膝关节的生理作用决定了它向粗大稳定的方向进化，最终进化成人体最大最复杂的关节。

膝关节是最稳定的关节，也是最容易受伤的关节。受伤的原因主要有三个方面：

废用性

所谓的废用就是因为腿不使用而出现的膝关节退变进而出现各种症状。比如长期卧床的人膝关节活动不灵活，活动幅度变小，活动时会产生疼痛。

少 用

很多人出门有汽车、有自行车，上楼有电梯，工作时就是坐在办公室，腿根本不使用，腿也在退化，造成一些问题。比如出现膝关节错位、膝髌韧带炎、髌骨软化、膝关节退行性骨关节炎等

非合理使用

比如过度的爬山、爬楼，会出现膝关节损伤、十字韧带松懈，老年人会出现肥大性膝关节炎等等。过猛用力过度活动会造成十字韧带断裂、半月板损伤，治疗不当会留下终身残疾。

俗话说：“人老腿先老。”膝关节出现慢性疾患，也预示着人的衰老。所以说我们应当重视膝关节的保养。

膝关节的保养需要注意以下几个方面：

※ 尽量避免身体肥胖，防止加重膝关节的负担。肥胖不仅增加体重、加重膝关节负担，同时还能增加心脑血管发病风险，所以避免过胖是最好的选择。

※ 改变不良姿势和习惯，运动前充分活动。避免久坐久站，久坐伤肉，久立伤骨。避免长时间下蹲，因为下蹲时膝关节的负重是自身体重的3～6倍，久蹲加重膝关节间压力。参加体育锻炼时要做好准备活动，轻缓地舒展膝关节，再参加剧烈运动时能减少膝关节损伤。

※ 走远路时不要穿高跟鞋，要穿厚底而有弹性的软底鞋，以减少膝关节所受的冲击力，避免膝关节发生磨损。

※ 注意避寒。膝关节遇到寒冷，血管收缩，血液循环变差，风寒之邪留滞在关节，日久成为痹痛。故在天气寒冷时应注意保暖，防止膝关节受凉。

※ 注意均衡饮食，注意钙和维生素的摄入，防止出现由于钙代谢异常引起的膝关节病。

关节设计 篇12

关节式坐标测量机是最近10多年发展起来的一类可移动、便携式的测量系统。该测量机结构简单、体积小、重量轻、测量范围大、灵活轻便, 并可用于现场测量, 且可以方便地解决传统正交坐标测量机难于解决的问题, 如对模具、大型机器、飞机等大或重的产品的测量。

关节式坐标测量机多采用人工操作, 并往往应用于车间现场。人体、环境温度变化以及测量机内部电子器件的发热都可能会引起臂或关节部位的热变形。因此, 除在关节臂坐标测量机的结构中选用膨胀系数小和导热好的材料以及采取必要的热隔离措施外, 更重要的是对温度引起的变形误差给予修正。这就需要了解在测量过程中测量机整体和局部的温度变化情况, 进行多点温度测量, 为PC机上的软件进行误差修正提供温度数据, 以提高系统的测量精度。

本设计实现将整个数据采集系统的功能集中到一片芯片上来完成, 大大简化了电路, 并且能直接与上位机进行通信, 其性能显著提高而成本明显降低。

(二) FPGA应用技术

FPGA (Field Programmable Gate Array) 即现场可编程门阵列, 它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它用在某些领域替代专用集成电路 (ASIC) , 可以解决了定制电路灵活性差、成本高昂等缺点, 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

本设计的测量电路的控制器可以采用单片机, 它在编程时是通过获得外部器件的状态, 来确定自己的动作, 从而实现对外设的控制与数据处理。也可以采用状态机来实现这样的功能, 它能够根据输入信号的变化输出不同的信号或进行相应的操作。同样, 也可以在FPGA上设计和综合一个小型的单片机, 用它作为系统的控制单元, 但这样的做法一般比较复杂, 同时也需要较大规模的FPGA芯片。而对本设计的实际电路要求来说最简单和经济的做法就是设计一个简单的状态机来实现控制功能。

(三) 温度测量系统的设计

本文利用FPGA设计了基于有限状态机的关节式坐标测量机的温度测量系统, 实现了对模数转换器工作方式的设置和控制, 并在状态机中设计了与上位机单工通讯的方式传送温度信号。

1. 测量系统设计原理

本设计温度传感器选用PT100铂电阻温度传感器, 模数转换器采用MAXIM公司的基于∑-△原理的18位A/D MAX1402。

FPGA通过编程串行读取6字节温度信号存入数据存储器。采用单刀双掷模拟电子开关消除一路铂电阻测温时另一个铂电阻对其产生的影响, 即控制电子开关实现测温时ADC内部电流源只流过一个铂电阻温度传感器。电路系统的核心部分为是一片FPGA, 测量机需要采集三路温度信号, 由铂电阻来完成对温度的采集, 通过其后的模数转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号, 并将转换后的数据暂存并将之发送到上位机。如图1所示, 为该部分的结构图。

2. 温度测量电路设计

MAX1402外接铂电阻测量温度可以采用如图2所示的4线制接法。这种接线方法的电路是用MAX1402内置的200uA精确电流源供电, 如果只使用电流源OUT1, 线电阻会使测量产生误差。在4线制电路中, 导线不产生误差, 因为没有电流流过连接AIN1和AIN2之间的测量线。电流源OUT1为RTD提供激励电流, 电流源OUT2提供产生参考电压的电流, 参考电压由基准电阻Rref产生, 使得模拟输入电压围绕参考电压保持一定的测量精度摆动。

4线制温度测量电路测量结果较好, 且不受连接导线参数的限制, 抗干扰能力强, 故本设计采用4线制的电路结构。

MAX1402有很高的集成度, 它与FPGA的连接电路非常简单。MAX1402属于SPI型串口器件, 数据的输入输出有SCLK、DIN、DOUT三个引脚。

MAX1402内集成了片内寄存器, 所有的串行接口命令都要先写入片内通信寄存器。在上电时, 系统复位或者接口复位后接口处于等待接收命令字写入通信寄存器状态, 写入通信寄存器的命令字以“0”开始, 通信寄存器的位选择决定读写操作, 寄存器选择位 (RS2、RS1、RS0) 选择寄存器的地址。当不向通信寄存器或其他寄存器写命令时应把DIN引脚保持高电平。串行接口包括5个引脚信号:CS、SCLK、DIN、DOUT和INT。SCLK引脚上加时钟脉冲把数据逐位从DIN脚移入和从DOUT脚移出。有数据结果转换完成INT引脚产生指示信号, CS脚是器件片选输入端和时钟选择端, 使用CS脚可以使得SCLK、DIN和DOUT信号与几个SPI器件兼容。当I/O口上升沿有效, CS为低电平且串行数字接口工作在CPOL=1、CPHA=1模式, 器件只使用SCLK、DIN、DOUT三个引脚。在设计中还需要对MAX1402的片内寄存器进行相应的初始化设置。

MAX1402的接口模式减少了MAX1402与FPGA之间的连线, 而且, 由于MAX1402只在读取的周期使用DOUT引脚, 因此FPGA也可以使用一个简单的双向I/O口把数据移入DIN脚, 之后从DOUT脚移出。另外, 把INT信号脚与硬件中断相连可以高速、灵活的进行数据读取, 并且数据流不会发生冲突。

3. 温度数据采集模块设计

系统的逻辑功能主要划分为以下模块。读写A/D模块 (FCTR) 、状态机 (CTR) 和分频器 (FreqDriver) 。功能模块关系如图3所示。

在逻辑设计中, 温度传感器将采集过来的温度信号传送到A/D转换器中, 首先对A/D转换器写控制字, 由读写A/D模块FCTR来完成这部分工作, 这样作为控制器的状态机 (CTR) 才能够有效的工作。在上位机的软件设计中有这样的要求:在测量机工作时一方面要发送数据用于实时显示当前温度值, 另一方面当按下测量机上的采样按钮时, 要发送数据以记录一个温度值, 这样就要引入一个简单的协议对数据进行简单的处理。在设计中引入了系统时钟信号CLK (12MHz) , 目的是为了对信号进行滤波和整定。

温度模块所采用的是SPI接口, 如图4为SPI接口模块图, 其中的MOSI为SPI输入, MISO为SPI输出, SCLK为SPI时钟, SEEL为使能端, DATA_SPEND为待发送的数据, DATA_RECEIVE为从A/D接收的数据。

(1) 读写A/D模块设计

由于本设计所使用的A/D转换器MAX1402有多种工作方式, 如果想要它工作的话, 就必须先对其工作方式进行选择, 也就是说要在FPGA里专门设计一个模块来对MAX1402的工作方式进行选择。在这里将该模块用有限状态机来设计。

如图5所示为该模块有限状态机的状态转移图, 在重启RST之后就开始往A/D转换器里写控制字, 即初始化A/D并将其看作一个状态INIT, 初始化A/D后就进入等待状态WAIT, 这时, 判断中断信号INT, 如果INT=1, 则返回WAIT继续等待, INT=0, 则中断有效, 开始读写A/D, 设这一状态为RW, 接着判断是否读完, 如果没读完Y=0则继续读, 直到读完Y=1返回WAIT。

(2) 温度数据采集的CTR设计

与前面角度测量模块的设计类似, 也是在CTR中设计一个状态机作为控制器来完成这部分的电路功能。区别只是将采集的数据分别存入不同的寄存器中, 发送给上位机, 由上位机来读取角度和温度信号。在这里不再累述其具体设计过程, 而用图6状态转移图来简述。

(四) 通讯设计

用FPGA外部直接连接一片USB协议芯片FT245BM, 在FPGA中用VHDL语言设计收发状态机, 实现FPGA与上位机的USB通信, 该方法不用微控制器, 减少了元器件的个数, 并且占用FPGA资源很少, FPGA仍然可以实现其他逻辑功能, 系统设计的灵活性很大。

FT245BM是由FTDI (Future Technology Devices Int.Ltd.) 公司推出的一款USB芯片, 该芯片功能强大, 传输速率快, 并支持USB1.1及USB2.0规范, 数据传输速率可达1MB/S, 主要功能是进行USB和并行I/O口之间的协议转换。芯片一方面可从主机通过USB串行总线接收数据, 并将其转换为并行I/O口的数据流格式发送给外设;另一方面外设可通过并行I/O口将数据转换为USB串行数据格式传回主机。中间的转换工作全部由芯片自动完成, 开发者无须考虑固件的设计。

(五) 结语

本文采用了新型的FPGA技术来设计关节式坐标测量机的温度测量系统, 大大简化了电路, 工作效率及扩展性得以提高, 利用有限状态机的设计方案来描述和实现, 并用硬件编程语言VHDL来描述这些状态机的设计, 达到了很好的设计效果。

以上状态机在QuartusII下调试并下载到FPGA运行通过, 软件在Windows XP, VC++6.0环境下调试通过。

摘要：设计了以FPGA为核心, 用有限状态机的设计方法来实现控制的关节式坐标测量机的多路温度测量系统, 实现了对A/D转换器工作方式的选择和控制;利用USB协议芯片来实现与上位机的通讯。解决了将温度信号稳定传送至上位机的难题, 简化了电路设计, 提高了数据采集效率, 具有很强的通用性和可扩展性。

关键词：坐标测量机,关节式,温度采集系统,FPGA,有限状态机,VHDL

参考文献

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[2]林述温, 吴昭同, 严拱标, 基于热变形反馈信息的三坐标测量机误差建模与补偿[J].机械工程学报, 2001, 37 (12) :70-78.

[3]郭丽峰, 张国雄, 郑智翔.关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制[J].中国机械工程, 2007, 7.

[4] (美) 布朗 (Brown, S) 等.数字逻辑与VHDL设计[M].边计年等, 译.北京:清华大学出版社, 2004.12.