体操自由操落地双侧下肢生物力学对称性研究

创建19环节三维多刚体模型调查体操自由操落地双侧下肢生物力学对称性。采用运动学(三维运动捕捉、高速摄像)和动力学(三维测力平台)方法采集40 cm和80 cm高度自由落地动作,获得下肢关节角度和地面反作用力,用于验证所创建的三维多刚体模型。然后使用高速摄像系统采集体操团身后空翻一周(后团)落地动作,数字化解析获得运动学数据,驱动三维多刚体模型完成计算机仿真,计算双侧下肢动力学参数。对比实验测量,模型仿真获得的地面反作用力峰值最大差值为3.8%,运动学和动力学复相关系数为0.92～0.97。尽管体操运动员采用双脚同时落地方式,下肢关节运动学角度呈现相似性,但两侧下肢动力学参数,如水平地面反作用力、下肢关节力矩、关节肌肉做功等呈现明显的不对称性。所创建的19环节三维多刚体模型可用于调查确定体操自由操落地下肢生物力学特征;体操运动员下肢动力学特征呈现非对称性;双侧不对称的动力学参数可能是体操落地下肢高损伤率的重要因素。     

人体落地冲击力冲量的分析和计算

本根据人体落地受伤是受冲击力的大小、冲击作用时间长短以及冲击力矩(如扭伤)等因素所致的事实出发，将人体着地瞬间看作撞击过程，以冲击力的冲量和冲量矩作为人体和各关节所承受的冲击作用的度量．利用多刚体系统动力学理论及计算方法给出了计算总撞击冲量及关节内冲量、冲量矩的算法；编制了相应的计算程序．以垂直落地为例所作的计算与已有结果一致．     

弹性联系的多刚体系统动力方程

本文使用旋量与图论概念相结合的方法建立弹性联系的树形多刚体系统的普遍动力学方程。此方程也适用于讨论构件之间无刚体位移的弹性结构物的运动。采用旋量的矩阵记法使全部计算过程具有统一的矩阵形式及程式化步骤。以带偏心飞论及太阳翼的弹性结构卫星作为具体算例。弹性联系的多刚体系统是带挠性附件的航天器或考虑弹性变形的机构、机械手及其它工程对象的动力学模型。系统内的主要构件仍作为刚体,结构弹性只由联接铰的弹性变形所体现。近代航天器常带有许多可动部件,考虑联接铰的弹性变形后,系统的自由度变得十分庞大,按传统的拉格朗日方建立动力学方程,其计算过程适于繁琐而难以采用。除以一般多刚体系统为对象的Kane方法及Roberson—Wittenburg方法以外,本文提出将旋量与图论概念相结合的方法应用于弹性联系的树形多刚体系统,建立其普遍动力学方程。以带偏心飞轮及太阳翼的弹性结构卫星作为具体算例,并与Kane方法进行比较。     

跳跃运动的动力学解释

本文建立由质点与无质量刚性杆组成的人体简化模型。将动力学方程化作以位置坐标为自变量的自治形式,以膝关节肌肉力矩作为控制变量,利用以质心的速度与加速度为相坐标的相平面分析人体的跳跃运动。分析结果可对腾空高度与肌肉的输出功、爆发力、下肢起始位置及上肢辅助动作的相互关系作出定性的动力学解释。     

高低节段脊髓损伤截瘫患者轮椅推进的生物力学特征

本研究探究损伤节段在轮椅推进过程中对肩关节负荷的影响,为揭示脊髓损伤患者慢性肩痛的生物力学机制提供理论依据。招募16名截瘫受试者(高节段截瘫组8名,低节段截瘫组8名)和8名健康人模拟轮椅推进活动,同步采集关节运动学、手推圈反作用力和上肢肌电数据,定量评价高、低损伤节段患者手推轮椅时上肢肌肉活动与手推圈反作用力差别,分析诱发慢性肩痛主要的生物力学因素。研究结果表明：各组受试者的推进相占比约为完整周期的前60%;各组间的肩、肘关节运动角度无显著差异;高节段截瘫组手推圈反作用力峰值显著低于低节段截瘫组(P<0.05);高节段截瘫组上肢肌肉表面肌电的平均幅值与积分值显著高于低节段截瘫组(P<0.05)。在轮椅推进过程中,两组患者的上肢运动习惯没有区别,高节段截瘫组的手推圈反作用力仅为低节段截瘫组的70%左右,但高节段截瘫组的肌肉激活程度约为低节段截瘫组的1.4～1.7倍,高节段截瘫组的肌肉做功效率更低。因此,手推圈反作用力的大小或许并非脊髓损伤患者肩痛的主要诱因,肌肉疲劳导致的慢性损伤可能才是高节段脊髓损伤患者肩痛高发的主要原因,也造成了发病率的差异。     

多关节人体上肢运动的优化轨迹预测

研究了手端无约束条件下,多关节人体上肢点到点运动优化轨迹的预测. 首先建立了多关节上肢平面运动的动力学模型,根据最小功准则提出优化目标函数,将上肢点到点运动的优化轨迹求解问题转化为两点边值问题,设计了寻优的迭代算法,求得了上肢运动的优化轨迹与相应的速度变化曲线. 仿真结果表明: 平衡点位置或关节力矩平滑地变化,避免了肢体出现急加速-急减速的运动形式,减少了肢体运动时的能量消耗;手端的运动轨迹为近似直线,速度为单峰的钟形曲线,这与上肢优化运动的特征相吻合,也表明最小功准则可以有效预测多关节上肢运动的优化轨迹.      

基于辅助起立机器人的人体起立动力学建模与试验研究

设计了一种符合人体起立运动的辅助起立机器人,通过牛顿欧拉方程对人体起立过程动力学进行分析与建模,推导机器人辅助起立、上肢辅助起立和肌力不足下肢辅助起立3种情况下,人体力与力矩平衡方程,依据方程在Simulink中建立仿真模型,并使用传感器系统对起立机器人辅助人体起立过程中力与力矩进行测量分析.结果表明:不论采取何种辅助起立方法,辅助起立机器人都可有效辅助起立,特别是对起立初始阶段辅助效果尤为明显.上肢辅助起立时,既可保持身体平衡与稳定,又可补偿起立时所需力与力矩,在接近完全站立时这种效果尤为明显,仿真模型可预测站立过程的关节力与力矩.肌力不足下肢参与辅助起立时,所提供辅助力有限但也起到一定作用.      

MATHEMATICAL MODELING AND EXPERIMENTAL STUDY ON SIT-TO-STAND PROCESS BASED ON ASSISTIVE STANDING-UP ROBOT

设计了一种符合人体起立运动的辅助起立机器人,通过牛顿欧拉方程对人体起立过程动力学进行分析与建模,推导机器人辅助起立、上肢辅助起立和肌力不足下肢辅助起立3种情况下,人体力与力矩平衡方程,依据方程在Simulink中建立仿真模型,并使用传感器系统对起立机器人辅助人体起立过程中力与力矩进行测量分析.结果表明：不论采取何种辅助起立方法,辅助起立机器人都可有效辅助起立,特别是对起立初始阶段辅助效果尤为明显.上肢辅助起立时,既可保持身体平衡与稳定,又可补偿起立时所需力与力矩,在接近完全站立时这种效果尤为明显,仿真模型可预测站立过程的关节力与力矩.肌力不足下肢参与辅助起立时,所提供辅助力有限但也起到一定作用.     

飞行弹射救生中的上肢受力及甩打运动研究

本研究了在弹射救生中,飞行员未脱手时上肢的受力状况,以及脱手以后上肢的自由甩打运动。建立了上肢三刚体七自由度的模型,用虚位移原理建立了脱手前上肢约束力的方程,用Ｋａｎｅ方法建立了脱手后上肢自由甩打运动的动力学方程,研究了各种弹射状态下上肢的受力情况及上肢的运动规律。     

基于真实工况下的工业机器人关节转角辨识与分析

本文基于多目视觉测量系统,对真实工况下连续运动的工业机器人进行关节转角的实时重构．该方法通过机器人运动前后的坐标集,在对刚体运动进行最优拟合的条件下,采用最小二乘法获得了各关节的旋转矩阵与平移向量．在此基础上,在考虑相邻关节牵连运动的前提下,获得了各关节的相对旋转矩阵．结合罗德里格斯变换理论通过相对旋转矩阵,确定了各关节转角．仿真与实验分析,验证了该方法的有效性与正确性．在该测量与辨识体系下,初步确定了各关节转角随机器人运动的真实状态．2与3杆臂由于物理尺寸呈细长形状,连杆挠度较大,这时变形误差与振动建立了关系,角振动幅度很大,曲线随机性较强．其余杆臂由于刚度较大,关节转角曲线呈光滑状态．     

碳氢燃料点火燃烧的简化化学反应动力学模型

基于``准稳态'方法建立了一套复杂化学反应动力学模型简化方法和相应的软件SPARCK. 并以3种典型的碳氢燃料------甲烷、乙烯和庚烷为研究对象，从甲烷点火燃烧的GRI2.11详 细基元反应动力学模型出发简化得出了包含14个组分10步总包反应形式的简化化学反应动 力学模型，从乙烯燃烧的51组分365详细基元反应模型出发简化得出了包含20个组分16 步总包反应形式的简化化学反应动力学模型，从庚烷点火燃烧的160组分1540详细基元反 应模型出发简化得出了包含26个组分22步总包反应形式的简化化学反应动力学模型. 通过 对典型激波管试验的结果对比可以看出：得到的简化反应动力学模型能较为有效地再现 详细基元反应模型的反应机理，具有较高的计算精度. 在工程计算中有较好的应用前景.     

人体上肢运动学动力学建模与仿真技术的研究

根据多体动力学原理,以人体解剖学为基础,对人体上肢进行建模,推导了其动力学和运动学方程,建立了人体上肢四刚体四自由度动力学模型,运用多系统动力学软件ADAMS,结合UG建模功能,对人体上肢动力学和运动学特性进行了分析计算,对人体上肢收臂翻掌过程的运动进行了仿真,并将计算结果与实测数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。     

人体手臂阻抗控制研究

阻抗控制对于人体运动稳定性,尤其在进行不稳定任务时有着不可替代的贡献.本文由屈伸肌活性在实验测量和理论计算的误差得到启发,提出了即使在手臂平面自由运动中,肌肉的共同收缩对阻抗也有贡献的观点,运用神经肌肉骨骼模型及最优控制方法,计算出手臂运动轨迹,运动部分代人原有模型得到相似结论,把公式中的相互作用项解释为阻抗贡献,并综合多篇相关文献数据,推算出共同收缩阻抗,修正了旧有模型刚度椭圆单调变化的不足,通过仿真得到与实验基本一致的刚度椭圆图,并附加得出前后自由运动时手臂的共同收缩比左右运动时的幅度要大,对总体刚度椭圆的贡献更多".     

步进摩擦分析测试平台的研制

研制了步进摩擦分析测试平台,可用于检测人体在静止及运动路面上的步进摩擦特性.该平台主要由六自由度摇摆台、三维测力台和数据采集系统三部分构成,六自由度摇摆台可提供六个自由度的任意组合运动,用来模拟舰船、海浪和地震等工况;三维测力台可测量出人体在行走时的三维力和力矩;数据采集系统将六自由度运动平台和三维测力台的输出数据采集并保存到计算机中,用来分析人体运动时的步进摩擦特性.采用研制平台进行了一组试验,结果表明:人在上、下坡行走时的垂直地面反作用力与在水平路面行走时的垂直地面反作用力具有不同的分布规律,并且垂直地面反作用力均随坡度角的增大而减小.     

非理想,非完整约束轮对动力学

推导了铁道车辆轮轨接触的非完整约束方程,考虑动坐标系产生的惯性力和轮对转子的陀螺力矩效应,用绝对坐标法建立了任意曲线轨道动坐标系下轮对的动力学方程,通过迭代Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子同时得到接触点法向力（理想约束反力）和蠕滑力（非理想约束反力）针对两点接触引起的数值积分不稳定,提出了等铲一点接触模型,最后通过验算了Ｐａｓｃａｌ考题和仿真自由轮对的蛇行运动,验证了本文轮轨模型的正确性,为开发通用车辆动力学     

A moment method for splashing and evaporation processes of polydisperse sprays

A new moment method for the modelling of polydisperse sprays is proposed that simultaneously takes into account the dispersion in droplet size and droplet velocity. For the derivation of this Eulerian method the kinetic spray equation is used which constitutes a partial differential equation for the probability density function of droplets. To reduce the complex kinetic spray equation to a form that can be managed with the available numerical procedures, moment transforms with respect to the droplet velocity and the droplet size are conducted. The resulting moment equations are closed by choosing an approximate probability density function which applies to polydisperse sprays. The method is successfully tested for configurations in which a polydisperse spray is either splashed, evaporated or effected by a Stokes drag force. The tests are organised in such a way that crossing of two spray distributions is always included. The new method is able to capture the polydisperse nature of sprays as well as the bi-(or multi-) modal character of the droplet velocity distribution function, for example, when droplets cross each other.