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题名人手关节运动学与抓握接触力的生物力学研究分析
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作者
刘晓杰
张绪树
郭媛
文云鹏
王瑞雪
张明
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机构
太原理工大学生物医学工程学院
山西华晋骨科医院康复医学科
香港理工大学生物医学工程系
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出处
《中国生物医学工程学报》
北大核心
2025年第2期193-202,共10页
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基金
国家自然科学基金(11972243)
山西省华晋骨科公益基金(2023)。
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文摘
本研究主要进行手指关节运动学和抓握接触力的生物力学分析,为假肢手的运动和力反馈控制提供设计参考。共招募50名大学生受试者,设置人手抓握不同质量砝码、不同盛水体积水杯和不同直径球体等3种工况,对受试者进行手部运动学数据采集和抓握接触力数据采集。手部运动学实验使用Vicon运动捕捉系统,采集粘贴于受试者手部各标记点的运动学数据,依据空间向量夹角公式,计算手指各关节角度;手部接触力实验采用薄膜压力传感器采集手部的接触力信息,使用USB-210八通道数据采集卡作为压力采集设备和INSTRON 554 4材料试验机对传感器进行标定,采用指数函数对传感器标定曲线进行了拟合(R^(2)达到0.995 9),并计算各工况采集区域的接触力;结合各工况人手指的运动学特征对接触力数据进行统计学分析和生物力学特征研究。结果表明,人手部动作各指运动和接触力分布具有协同性,拇指、中指和食指对手抓握功能的影响较大,抓握时各贡献了31.59%、22.2%和15.88%的接触力。三指尖接触力随砝码质量的增加均产生显著性差异(P<0.05)。随着参与动作的手指关节数目和动作复杂程度的增加,手指尖和手掌区域的接触力也表现出显著性差异(P<0.05)。受试者性别差异与各工况组间差异对手部抓握接触力的交互效应均不显著(P>0.05)。本研究结果可为仿人假肢手设计提供的数据和理论参考。
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关键词
运动捕捉
关节角度
接触力
薄膜压力传感器
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Keywords
exercise capture
joint angle
contact force
film pressure sensor
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分类号
R318
[医药卫生—生物医学工程]
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题名一种个性化绳索欠驱动仿人假肢手的设计方法和实践
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作者
刘晓杰
张绪树
郭媛
郭壮
文云鹏
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机构
太原理工大学生物医学工程学院
山西华晋骨科医院康复医学科
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出处
《科学技术与工程》
北大核心
2024年第32期13879-13889,共11页
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基金
国家自然科学基金(11972243)
山西省华晋骨科公益基金(2023)。
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文摘
针对当前假肢手设计成本高和外观不拟人的问题,提出和测试了一种基于人手部解剖结构、运动学实验和假肢手多刚体模型仿真的仿人假肢手设计方法。以人手为研究对象,选取“抓、握、捏”三类人手常用的手部工况,采用Vicon运动捕捉系统采集人手部关节运动学数据,计算各关节运动角度并进行关节运动相关性分析。采用人手计算机断层摄影(computed tomography,CT)图像建立假肢手多刚体模型。采用人手运动学实验数据对多刚体模型进行运动学仿真。最后,对假肢手多刚体模型进行3D打印,制作假肢手样机并进行抓握性能测试。样机测试结果表明:仿人假肢手可以完成“抓、握、捏”三类常见的手部动作,其单指尖力平均值为1.73 N,双指尖力为3.92 N。假肢手表面摩擦系数为0.79,抓握力为4.14 N。所设计的仿人假肢手具有拟人化的外观和基本的手部功能,其制造成本低,可满足残疾人的心理需求和购买需求。研究成果可为假肢手的个性化设计提供方法与实践参考。
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关键词
个性化
运动学
假肢手
多刚体
模拟仿真
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Keywords
personalization
kinematics
prosthetic hand
multi-rigid body
simulation
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分类号
TP241.3
[自动化与计算机技术—检测技术与自动化装置]
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