面向抓握的虚拟手模型建立及手柄手抓握有限元分析研究

论文摘要

随着科学技术的进步与生产生活的广泛需要,出现了越来越多的手握工具,长期以来,人们就从人机工程学出发对工具手柄形态以及手柄抓握进行研究,对手握工具的评测也早已开始,表面压力分布位置及大小是评价手部舒适性与手握工具使用性能的一项重要指标。目前,对手部操作工具时的表面压力状况测试是采用实物样机测试方法。这种测试方法在产品的研发阶段需要进行工具手柄的反复试制与试验,所需要的设备昂贵,成本高,开发设计周期长、效率低。为提高效率、降低成本,本论文尝试一种虚拟测试途径的研究,旨在通过计算机模拟实现手柄手抓握时获取手部表面压力状况。首先,通过对手部结构特征及运动关系的了解,建立面向手柄的自适应抓握动作规划,并实现虚拟抓握动作的进程控制。其次,对手部结构简化处理,建立面向手柄抓握的虚拟手三维模型。然后,建立虚拟手有限元模型,通过模拟仿真分析检验其抓握动作与应力影响,并进行简单手柄抓握的有限元分析测试,得到了手柄手抓握的手部压力状况,并对该虚拟测试途径进行合理性检验,该虚拟测试途径是行之有效的。最后,进行了三种典型形状手柄抓握的虚拟测试,得到手部表面的压力状况,并进行了分析评估。本论文为手部表面压力状况测试提出了一种虚拟测试方法,为手握工具的手柄开发过程提供一种新颖的压力测试途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 手柄抓握的人机工程学研究现状
• 1.2.2 人体局部表明压力测试研究现状
• 1.2.3 人体建模及有限元应用研究现状
• 1.2.4 发展趋势
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 预期目标
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 研究意义
• 1.5 论文构架
• 第2章 手部特征及分析
• 2.1 手的解剖学特征
• 2.2 手部结构特征分析
• 2.2.1 骨架结构简述
• 2.2.2 骨架多级坐标系的构建
• 2.2.3 手部运动约束
• 2.3 手的生物力学特征
• 2.3.1 骨和关节的生物力学
• 2.3.2 肌肉的生物力学
• 2.3.3 手的握持姿势和力量
• 2.4 手部分区及手部抓握受力分析
• 2.4.1 手部分区
• 2.4.2 手柄抓握受力分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 面向手柄的抓握规划与抓握动作进程控制
• 3.1 手柄抓握简述
• 3.2 手的抓握规划与控制
• 3.2.1 抓握规划
• 3.2.2 虚拟抓握动作进程控制
• 3.3 自适应抓握动作
• 3.3.1 虚拟压力传感器
• 3.3.2 UAMP子程序简介
• 3.3.3 基于应力反馈的自适应抓握动作
• 3.4 本章小结
• 第4章 面向抓握压力测试的手部三维模型构建
• 4.1 手的人体测量学特征
• 4.2 三维人体建模技术
• 4.2.1 建模方法选择
• 4.2.2 实体建模技术
• 4.3 面向抓握压力测试的手部结构简化
• 4.4 手部三维模型的构建
• 4.4.1 手部骨架的简化构建
• 4.4.2 关节部位的连接
• 4.4.3 手部肌肉的简化构建
• 4.4.4 面向抓握的手部三维模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 手柄手抓握有限元模型及基于ABAQUS的抓握分析
• 5.1 有限元法及ABAQUS软件简介
• 5.1.1 有限元法概述
• 5.1.2 ABAQUS软件简介
• 5.2 手部有限元模型的建立
• 5.2.1 网格划分
• 5.2.2 相互关系
• 5.2.3 材料属性、边界条件
• 5.3 简单圆柱手柄手抓握有限元分析
• 5.3.1 空手小角度抓握有限元分析
• 5.3.2 简单圆柱手柄有限元模型建立
• 5.3.3 简单圆柱手柄手抓握及表面压力分布
• 5.4 实际抓握及表面压力位置比较
• 5.5 本章小结
• 第6章 典型形态手柄的手抓握压力测试及结果分析
• 6.1 棱柱体手柄手抓握有限元分析
• 6.1.1 手柄有限元模型建立
• 6.1.2 手柄手抓握及表面压力分布
• 6.1.3 结果分析
• 6.2 带凸棱圈的椭圆柱手柄手抓握有限元分析
• 6.2.1 手柄有限元模型建立
• 6.2.2 手柄手抓握及表面压力分布
• 6.2.3 结果分析
• 6.3 工具手柄手抓握有限元分析
• 6.3.1 手柄有限元模型建立
• 6.3.2 手柄抓握及表面压力分布
• 6.3.3 结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 手指抓握动作UAMP代码
• 附录2 手柄手抓握UAMP代码
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果