1、中南大学硕士学位论文基于关节变量的人体手臂运动检测及建模姓名：肖鹏申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王恒升20060301晰，印，：，原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：直呜日期：兰塑年月旦日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和
2、借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。硕士学位论文第一章绪论第一章绪论课题的背景和主要工作简介人体运动检测技术是由多学科相互交融所产生的一项应用非常广泛的技术，其基本原理涉及医学、数学、物理学、计算机科学等学科，并与虚拟现实技术、建模技术、计 算机动画技术、模式 识别技术、人机交互技 术、数据可 视化技术、传感器技术及多传感器信息融合技术等密切相关。目前其主要应用领域有【在医疗领域， 该技术可用于对人体的运动功能及损伤进行评估，例如通过对进行大量重复性工作人员重复运动的检测，可以对重复性累积伤害（，
3、）的产生原因进行分析；在虚拟现实（，）领域，其主要应用于入于虚拟现实环境的交互，通过相应的运动捕获设备，将真 实世界中人体的各种运动映射到虚拟现实环境中，使虚拟现实环境对人体的各种动作进行响应，使处于该环境中的人产生与真实世界相似的感受；在娱乐领域，通 过将运动捕获系统得到的表演者的动作和表情输入动画软件，就可以 驱动角色模型做出与表演者一致的动作和表情，并生成动画序列，使用这种方法就可以大大缩短动画制作周期；在教育领域， 该技术可以用于对聋哑人的手语进行识剔，这样就可以解决聋哑人与正常人交流障碍的问题，并且也可用于对手语的示教；在体育运动领域，通 过记录运动员运动状态下身体各个部位的运动数据
4、，然后利用分析软件处理这些数据并得到相应的评估报告，就可以用来指导运动员的比赛和训练；另外，该技术 也被应用于游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学等 许多领域。因为本课题是为了完成手语识别研究数据采集阶段的工作而提出的，所以需要对数据套的结构和原理进行研究，并开发相应的数据采集和处理系统。由于数据手套发展到今天，其基本结构和信号采集方法都日趋稳定和成熟，使用较为成熟的技术可以大大加快研究工作的进度，因此本课题的主要工作是对数据采集系统硬件的选型和配套数据采集软件的开发。本章接下来的部分则主要对当前可用于手臂运动检测的相关技术，以及系统开发过程中所使用的硬件和软件技术进行简要介绍。硕士学位论
5、文第一章绪论人体运动检测相关技术结合对人体运动检测技术相关资料的分析，其最主要、最直接的应用领域还是虚拟现实领域，以解决虚拟现实世界中人机交互问题。通过使用相关设备监视虚拟现实体验者的各种动作，然后输入到虚拟现实系统中进行相关处理，就可以生成一个以用户为中心的观察角度绘制并显示的虚拟环境，从而提供一种身体沉浸的效果。虚拟现实系统可以通过各种方法监视参与者与虚拟世界之间的交互，这些系统的不同之处在于计算机通过何种方法跟踪参与者，以及用户如何通过输入来控制与虚拟世界的交互。对于一个真正沉浸的虚拟环境来说，运动信息和用户输入信息都是它的重要部分，为了对这两种信息进行检测，相关的技术也被研究并已应用于
6、实际的系统。运动 跟踪技术运动跟踪硬件系统的核心部件是位置跟踪器或位置传感器（），它足一种可以给计算机报告其位置和方向的设备，一般来说，它的固定部分放在一个已知的位置上，通常用于跟踪人的头部或者手部运动。位置跟踪器有很多种类型，每种都有自己的优点和局限性，根据位置跟踪器的不同，当前所使用的位置跟踪方法主要有：电磁跟踪、机械跟踪、光学跟踪、声学跟踪、惯性跟踪、神经跟踪共种方法，前种在当前的虚拟现实系统种比较常见，第种用的比较少。在主要参考了文献【】和对相关资料搜集分析的基础上，以下对上面所提到的种技术进行介绍。电 磁跟踪电磁跟踪系统足目前比较常用的运动跟踪系统。一般由发射源、接收器和数据处理单元
7、组成。通 过接收器接收到由发射源发出的信号，就可以确定接收器相对于发射源的位置。由于发射源固定在已知的位置和方向上，因此就可以计算出接收器的绝对位置。电磁跟踪的工作原理是基于无线电接收原理，发射源发出连续的脉冲信号，随着发射源和接收器之间相对方位的变化，信号的强度也会发生变化。通过分析每个接收器收到信号的强度，就可以确定每个接收器个自由度的信息。目前公司和公司均以生产电 磁式跟踪设备而著称。目前这类系统的采样速率一般为每秒次（依 赖于模型和 传感器的数量），为了消除抖动和干扰，采 样速率一般在以下。 对于一些高速运 动，如拳 击、篮球比赛硕士学位论文第一章绪论等，该采样速度 还不能满足要求。电
8、磁式运动捕捉的优点首先在于它记录的是维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息，这一点对某些特殊的应用场合很有价值。其次是速度快，实时性好，装置的定标比较简单，技 术较成熟， 鲁棒性好，成本相 对低廉。它的缺点在于对环境要求严格，在跟踪场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变，影响精度，并且某些型号的接收传感器只有在距发射源非常短的范围内工作时才能达到合理的准确度，当使用者超出操作范围的边界时，准确度会急剧下降。尽管可以使用多个发射源来加大工作范围，但是实现起来有一定的难度。机械跟踪机械跟踪依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，在可 转动的关节中装有角度
9、传感器，可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动时，根据角度传感器所测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹。实际上，装置上任何一点的运动轨迹都可以求出，刚 性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化。早期的一种机械跟踪装置是用带角度传感器的关节和连杆构成一个“可调姿态的数字模型其形状可以模拟人体，也可以模拟其他动物或物体。使用者可根据需要调整模型的姿态，然后锁定。角度 传感器测量并记录关节的转动角度，依据这些角度和模型的机械尺寸，可计算出模型的姿态。这是一种较早出现的运动捕捉装置，但直到现在仍有一定的市场。机械跟踪的一种应用形式是将欲捕捉的运
10、动物体与机械结构相连，物体运动带动机械装置，从而被传感器实时记录下来。 这种方法的优点是成本低，精度也较高，可以做到实时测量，还可同时对多个被跟踪者的动作进行跟踪。但其缺点也非常明显，主要是使用起来非常不方便，机械结构对使用者的动作阻碍和限制很大。光学跟踪光学跟踪通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前常见的光学跟踪大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。典型的光学跟踪系统通常使用个
11、相机 环绕表演场地排列，这些相机的硕士学位论文第一章绪论视野重叠区域就是被跟踪者的动作范围。为了便于处理，通常要求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关 节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或发光点，称 为”，视觉系统将识别和处理这些标志。系统定标后，相机连续拍摄被跟踪者的动作，并将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并 计算其在每一瞬间的空间位置，进而得到其运动轨迹。为了得到准确的运动轨迹，相机应有较高的拍摄速率，一般要达到每秒帧以上。如果在被跟踪者的脸部表情关键点贴上，则可以实现表情捕捉，目前大部分表情捕捉都采用光学式。有些光学跟踪系统不依靠作 为识别标志，
12、例如根据目标的侧影来提取其运动信息，或者利用有网格的背景简化处理过程等。目前研究人员正在研究不依靠，而应用图像识别、分析技术，由视觉系统直接识别表演者身体关键部位并测量其运动轨迹的技术。光学跟踪的优点是被跟踪者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，被跟踪者可以自由地活动。其采样速率较高，可以 满足多数高速运动测量的需要。的价格便宜，便于扩充。这种方法的缺点是系统价格昂贵，虽然它可以捕捉实时运动，但后处理（包括的识别、跟踪、空间坐标的计算）的工作量较大，对于场地的光照、反射情况有一定的要求，装置定标也较为烦琐。特别是当运动复杂时，不同部位的有可能发生混淆，遮挡， 产生错误结果，这时需要人工干预后处
13、理过程。声学跟踪常用的声学跟踪装置由发送器（扬声器）、接收器（麦克风）和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。通 过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差，系统可以计算并确定接收器的位置和方向。由于这种跟踪方法依赖于扬声器、麦克风和小型计算机这些普通技术，因此它为位置跟踪提供了一种相对低成本的方法。，公司是应用这种技术的开发商，他们把超声跟踪器直接嵌入快门眼镜（）的镜框中，从而 为基于监视器的系 统提供了一种比 较经济的跟踪系 统。另外生 产超声波跟踪设备的公司还有等。声音的自身特性对这种跟踪方法造成了一定的限制。当在一个嘈杂的环境中进行跟
14、踪时，跟踪性能会明显下降。要正确的确定声音扬声器和接收器之间的传播的时间，进 而确定两者之间的距离，首先必 须保证声音不受任何阻碍。应用这硕士学位论文第一章绪论种技术设计的跟踪器通常只有非常有限的工作范围。这类装置成本较低，但 对运动的跟踪有较大延迟和滞后，实时性较差，精度一般不很高，声源和接收器间不能有大的遮挡物体，受噪声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温度有关，所以还必须在算法中做出相应的补偿。惯性跟踪惯性跟踪使用电动机械设备，通过测量陀螺的阻力、加速度和倾斜度的变化，来检测传感器的相对运动。这些设备包括用于测量加速度的加速度传感器，当知道对象从何处开始运动，就可以
15、使用加速度传感器检测已移动对象的新位置。另一个设备是倾斜罗盘或倾角传感器，它可以测量倾斜度，或者某个对象相对于它的水平位置的倾斜程度，比如头部的倾斜程度。使用廉价的角速度传感器，以及角加速度传感器、线速加速度传感器和倾角检测传感器，可以 组成一个小规模的自约束跟踪系统。这种技术已通过惯性导航系统（，），作为海上或空中导航的一种手段，应用于高精度的大规模系统中。惯性跟踪的工作原理与人的内耳辅助确定头部的朝向的原理是类似的。当周围的组织旋转时，液体往往保持静止状态；组织中的传感器传播和液体相关的组织的位置信息，大脑使用这些信息确定方向及方向的变化。惯性跟踪设备是一个能附加在被跟踪对象上的小传感器，
16、通过一个连接电缆与计算机相连。中间通常有一个“黑匣子”，它与传感器一起把信息转换成合适的数字通信协议。尽管可以使用基于陀螺（用于获得方向信息）和线加速度传感器（用于计算从起始点开始的距离）的传感器来测量完整的六自由度位置变化，但是由于加速度传感器提供的是相对测量值，而不是绝对测量值，系统的错误会随时间累加，从而导致信息不正确。因此，在实际应用中这类跟踪系统仅用于方向的测量。这种方向跟踪又称为捷联式惯性制导系统（）或者高度航向参照系统（，）。由于需要知道有关被跟踪者头部位置信息，惯性跟踪很少用于固定的视觉显示设备。惯性跟踪自身无法提供足够的信息来确定位置。虽然有局限性，但是惯性跟踪器也具有很多优
17、点，主要是它们是自约束的设备，不像前面所介绍的几种跟踪技术一样需要在某个已知位置安装补充部件，因此没有使用范围的限制，它们能够和用户一起在一个很大的空间中自由移动。相对于其它跟踪方法而言，惯性跟踪的速度比较快，因此系统延迟很小，并且非常适用于与其它跟踪系统组合在一起使用，能更好的综合各种方法的优点。硕士学位论文第一章绪论神经跟踪神经或肌肉跟踪技术是一种用于感知身体的某一部位相对于其它部分运动的方法。它不适合于跟踪用户在某个地方的位置，但可以用于跟踪手指或其它末端组织的移动。在手指或四肢上绑上一些小的传感器，并用皮带或某种粘合剂固定由传感器测量神经信号的变化或者肌肉收缩的情况，并报告被跟踪肢体或
18、手指的姿态。手臂运动检测手臂运动检测是人体运动检测的一个分支，在虚拟现实领域，人的身体某个部位或几个部位组合的静态位置被称为姿态（），而随时间发生的一个特定的用户移动被称为手势（）。在此处的“手势”是一个广义的概念，它不仅包含了直观意义上的手势一手部运动，还包括人体姿态的各种变化，根据课题所研究内容的需要，本文以下所提到的手势都是指手臂（包含手部手指）的运动。为了得到用户的手势，就需要对人体手臂和手指进行跟踪。要跟踪手，则可以在手腕附近安装一个跟踪器，或者使用手持跟踪设备。如果需要有关手的形状和运动的详细信息，可以使用数据手套跟踪用户手指和手的其它可弯曲部位的位置。在这种情况下，手的位置跟踪器
19、通常直接安装在数据手套上，这样不仅可以检测手指的运动，另外 还可以得到手臂的前半部分（手和前臂）在三维空间中的位置信息。由于手势的复杂性，因此可以通过手势来表达各种各样的信息，这些信息通过识别之后就可以表达用户的一些特定意图，在此基础上就可以建立一种新的人机交互方式。这种技术首先应用在了虚拟现实领域，近些年来，也被广泛应用于手语识别的研究，基于数据手套的手势检测方法则是手语研究中采集手部运动数据，确定手臂姿态最主要的方法。在数据手套方面，现在国内外都有比较成熟的产品，例如年公司推出的，年美国推出的（）、公司的以及年公司开发的数据手套等。相比之下虽然国内在这方面研究起步较晚，但也有非常成熟的产品
20、问世，并作为商业化产品出售， 这其中主要有中科院自动化研究所研制的数据手套，另外，国内进行相关研究的还有北京科技大学的（，力敏电阻）数据手套，北京理工大学的超声波数据手套，北京航空航天大学的一数据手套以及解放军理工大学应用光纤硕士学位论文第一章绪论传感技术研制的数据手套等嘲。要建立一套基于数据手套的手语识别系统，首先应当根据检测手势的复杂程度对数据手套的性能做出要求，进而购买或自主制作数据手套。鉴于当前数据手套成品价格一般都比较昂贵，例如国内性能较好的目前售价在，元人民币左右，而国外的同类产品售价在，美元，对一般用户来说其价格显然是难以接受的。因此，在要 检测手势不是很复杂的情况下，利用合适的
21、传感器完全可以自主研制简单的数据手套。按照这种设想，本文对数据手套中所涉及的建模技术、传感器技术、数据采集和存 储技术进行了研究，并提出了相应的软硬件系统研究方案，用于完成对传感器信号进行采集、显示、分析和存储等工作。研究工作其它相关技术机器人运动学建模机器人的操作机可用一个开环关节链来建模，此链由数个刚体（杆件）用以驱动器驱动的转动或移动关节串连而成。开链的一端固定在基座上，另一端是自由的，安装着末端执行器，用以操作物体或完成装配作业。关节的相对运动导致杆件的运动，使其末端定位于所需的方位上。在很多机器人应用问题中，主要是要确定末端执行器相对于固定参考系的空间描斟。机器人运动学主要是研究机器
22、人运动的所有几何的和时基的特性。分为以下两个基本问题：对一给定的操作机，已知杆件几何参数和关 节角矢量，求操作机末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。己知操作机杆件的几何参数，给定操作机末端 执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态，操作机能否时其末端执行器达到这个预期的姿态，如能达到，那么操作机有几种不同形态可满足同样的条件。第一个问题常称作运动学正问题（），第二个问题常称作运动学逆问题（）。结合本课题要求，本文主要对第一个问题进行研究。由于机器人各杆件可相对于参考坐标系转动和平移，故应对每个杆件沿关节轴建立一个构件坐标系。运动学正问题归结为寻求联系构件坐标系和参考坐标系的变换矩阵。构件坐
23、标系相对于参考坐标系的转动可用旋转矩阵来描述，然后用齐次坐标表达三维空间的位置矢量，把旋转矩阵扩展为齐次变换矩阵，用以包括构件坐标系的平移。这种以矩阵代数来描述和表达操作各杆件相对一二第一章绪论虚拟仪器技术间几何关系的方法是由和于年法。以上所涉及的机器人运动学建模中的相关术语将在第二章中详细介绍。虚拟仪器（）技术就是利用高性能模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用。虚拟仪器技术是在技 术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的技术为主导的最新商业技术的优点，工程 师只需通过编写相应的软件并结合模块化的硬件，就可以完成以前复杂的传统仪器系统所完成的各种数据采集、
24、分析和存储功能。虚拟仪器使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以建立功能完全不同的各种测量测试仪器，即软 件系统是虚拟仪器的核心， 软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。同 时，与传统的仪器相比，虚 拟仪器具有界面和功能可制定、开发周期短、适 应性和扩展性强等优点。此外，不断发展的和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势【。虚拟仪器的发展随着技 术的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：总线插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如相结合。并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置。总线方式的虚拟仪器技术是 标准的虚拟
25、仪器早期阶段所采用的技术。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的系统由一台机、一块接口卡和若干台形式的仪器通过电缆连接而成。总线方式虚拟仪 器总线是一种高速计算机总线总线在领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的屏蔽等特性。总线方式虚拟仪器总线方式是总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。保持了总线所有的 优点，同时增加了一个 专用的系统参考时钟、公共触发线、星形触 发总线和本地总线，从而 满足了精确定时、同步和旁带通讯的需要。硕士学位论文第一章绪论简介（，实验室虚拟仪器工程工作平台）是美国（简称）公司推出的一种基于图形化编程语言语言的虚拟仪器
26、软件开发环境。尽管早在年就已问世，但其设计所体现的虚拟仪器和方块图概念至今仍然处于仪器和计算机科学的领先地位。由于所开发的软件具有很强的模块性、可维护性和可重用性，加之中的分层和同质结构所起的关键作用，大大减轻了软件开发维护人员的工作负担，并使所开发的系统更具可靠性。发展到现在已经到达一个非常成熟的阶段，在一定意义上所代表的既是一种软件开发环境又是一种图形化编程语言，并且与其它软件开发环境或开发语言相比较具有以下几方面的优势【。由于将软 件开发面向用户的部分一软件界面部分独立出来，形成了前后面板的开发方式，并且前面板中的各种图形界面也都是可制定的。通过对 前面板的设计， 软件开发人员可以非常容
27、易的与用户进行交流，明确用户的需求。是一个基于语言的软件开发环境，与传统的基于文本的开发环境相比，使用语言可以使软件开发过程更加直观，工作效率更高。由于语言的优势，在肋正中可以迅速的做出软件模型，这样有利于证明模型是否合乎用户需求，以及是否可以扩展成完整的应用软件。在用建立的程序中，各部分的信息传递主要是基于数据流在各模块间的流动，这样使得编程过程与人的思维过程非常类似。同时消除了传统编程语言中的语法规则，并提供错误自动侦测机制，这就使软件开发人员可以不必为熟练掌握编程语言花费大量时间，其主要精力可以完全放在问题的解决上，因此与传统的编程语言相比，其功能上障碍较小。中提供了各种程序调试手段，如
28、 设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使开发人员可以形象的看到数据在各模块间的流动情况。通 过这些工具，软件调试将不再是一件枯燥的事情。另外，曲开发的各种子模块可以完全脱离主模块独立运行，这就使得对子模块的调试变得非常容易，有利于保证软件整体质量。具有先进的数据采集、分析和存储内置库函数和针对具体应用的工具箱，其中的些工具箱是可以免费得到的，因此可以完全满足各种类型工作的需要。是一个开放式的开发平台，提供了大量与外部代 码或软件进行第一章绪论连接的机制，如（，代 码接口节点）、（，动态链接库）、（， 动态 数据交换）和基于，的外部代码调用和软件通讯，另外通过（公式节点）、（脚本节点
29、）等可以直接运行 语言指令集、脚本等，通 过以上机制的引入极大的扩展了的功能和应用范围，增强了代码的重用性。支持多系统平台，如、等，在任何一个平台上开发的程序可以直接移植到其它平台上。另外，还具有强大的网络功能，支持常用的网络协议，方便网络、 远程测控仪器的开发。论文研究的主要任务在参考相关资料的基础上，充分利用实验室现有实验条件，重点从以下几个方面展开论文工作：研究当前应用于人体运 动检测的相关技术，利用实验室条件，针对人体手臂运动的特点开发一套符合手臂运动检测要求的软硬件系统。通过对手臂 结构进行分析和 简化，利用机器人运动学建模方法对手臂进行数学建模，并对模型进行验证。对相关数据采集的硬
30、件系统进行研究，确定系统的组成和传感器信号连接。利用和开发一套测试与数据分析软件，完成传感器的标定以及数据的采集、分析、存储和历史数据查看等功能，并利用采集到的数据控制计算机中虚拟手臂模型的运动。针对所采集数据中的随机性波动，利用动态测试数据处理中的数据平滑方法对其进行抑制。对所开发 的软硬件系 统功能进行实验验证，并对系统的整体工作状态进行评估。硕士学付论文第二章人体手臂建模第二章人体手臂建模本文研究的手臂运动参数数据采集系统中，为了使人们对采集数据有更加直观的认识，以及建立一个良好的人机交互界面的需要，因而要对采集的数据进行可视化处理， 对上臂的建模也就成了首要任务。众所周知，人体的上臂是
31、由众多肌肉、骨骼、血管等构成，它们在神经系统的协调下，组成了一个复杂而精细的系统，手臂的骨骼系统决定了手臂的基本结构和运动学特性，手臂的各种动作，也都是由肌肉的伸展和收缩牵引相应骨骼绕关节运动完成的。因此在手臂建模过程中，应该着重研究手臂骨骼系统的组成和其运动学特性，本章也将主要围绕这两方面进行论述。手臂建模主要任务及原则在以数据手套为基础的人体手臂运动检测系统中，一般需要将手臂运动映射到计算机内进行相关的显示和分析，因此就需要建立手臂的运动学模型。通过对现有文献的分析，当静用于人体手臂建模的技术主要有基于手臂运动学特性的计算机图形学建模、机器人运动学建模和矢量建模，以及基于手臂动力学特征的动
32、力学建模。其中，动力学建模方法可以 对人体手臂的运动进行真实的模拟，该技术主要用于虚拟现实虚拟人与虚拟环境的交互，使虚拟环境中的人体运动更加符合现实世界中人体的动力学特性，但是由于数据手套采集得到的人体手臂运动信息已中经包含了人体手臂运动中的相应参数，如：速度、加速度等，因此基于手臂运动学特性的建模方法是当前人体手臂运动检测系统中所使用的主要建模方法。在基于手臂运动学特性的建模研究方面，目前国外一般主要应用计算机图形学或空间矢量等方法对人的手部或臂部的生物学特性进行建模研究【卜圆。国内进行的相关研究主要集中在对手部或臂部结构的运动学建模分析，主要的研究成果有：哈尔滨理工大学在中国手语识别研究过
33、程中对人体手臂进行的机构学建模及利用计算机图形学的方法对人体手臂的数学建模；上海交通大学对手部手指的机器人运动学建模；中科院自动化所在数据手套研究 过程中对手部关节的数学建模，另外国内的其它一些研究机构也对手部或手臂运动进行过建模方面的研究。通过对这些研究成果的分析，对手臂的运动学研究还是主要集中于对手部或手臂的相对独立的建模分析，对整个手臂的运动形式、关节间的层次关系、机构硕士学位论文第二章人体手臂建模学特性和运动学特性进行分析和建模研究较少。结合课题研究需要及作者的理论水平，本章计 划对完整的手臂进行建模处理，主要完成以下两个任务：对整个手臂的 结构和运 动层次的特点进行分析，通过对手臂结
34、构进行适当的简化，建立人体手臂完整的机构学模型。利用机器人运动学的方法建立人体手臂的数学模型。手臂建模是本文所论述的其它后续研究的基础，具体到本课题，手臂的建模包含两方面含义：一是对手臂的基本结构进行分析，从机构学的角度描述手臂运动，进行手臂的 结构建模；二是建立手臂的数学模型，为手臂运动参数的可视化做必要的准备。在建模的过程中，由于手臂 结构的特殊性，有必要在保证手臂原有运动学特性不变的前提下对真实手臂进行适当的简化，使之便于后续的分析与处理。为保证 所建立模型的合理性，手臂建模 过程中应当遵守以下要求：手臂建模后，简化的模型 结构应当尽量与真 实手臂结构一致构建合理的手臂机构模型，其结构不
35、一定完全与手臂的骨骼对应。可以在保证手臂原有运动特性不变的前提下，减少实际骨骼、关节类型和关节接触面等的复杂性。例如，可以把下臂骨由两根减少到一根，或者将整个手掌简化为一个不会变形的刚体等。对手臂关 节应进行合理的 简化，使之便于数学建模这里着重对手臂关节提出要求，是因为关节的类型决定了手臂的运动形式，对关节的简化很大程度上影响手臂模型运动的正确性。手臂模型的运动能够 反映真实的手臂运动因为本课题中，手臂模型的运动由外部采集的真实手臂运动的数据驱动，模型的所有运动应该都是合理的，并且能较为精确的反映真实手臂的运动情况。手臂模型外观应当尽量符合人 们的感观，并适合计算机处理在手臂的三维建模过程中
36、，因手臂的外观由多边形的数量决定，多边形数量越多，模型越精确，也越能符合人们的感观要求，但是，多边形数量越多，在计算机中处理模型的时间也会越长，不利于模型运动状态的实时显示。因此，在三维实体建模时要在模型精确度与计算机处理时间之间进行平衡。按照以上的要求，本章将从手臂结构与运动层次、骨骼系统简化、运动学建模和手臂的三维实体建模几方面进行研究。手臂结构及层次关系人体关节分类人体的绝大部分运动都是由肌肉的收缩和伸展来带动其附着的骨骼绕相应 一硕士学使论文第二章人体手臂建模关节旋转完成的，各种不同类型的关节限制了人体相应各个部位运动的形式，对手臂骨骼结构进行分析之前，有必要先对人体的关节的类型进行研
37、究。全身的骨骼借助关节相连构成人体骨骼框架，根据所在部位和负重的不同，关节有直接连接和间接连接两种。直接连接的关节骨与骨之间以结缔组织、软骨或骨相连，这 一类关节基本上不能运动或运动甚微，故在此不作介绍。间接连接又名滑膜关节，人体的活动关节部属于此类。在每一个关节中有一个充满液体的腔，液体在关节活动时起润滑作用。关 节由韧带加固，以防止组成关节的骨在关节运动时相互脱落。滑膜关节的基本运动有：屈伸运动、收展运动、旋内旋外运动和环转运动。按运动轴的数目和关节面的形状可将滑膜关节分为三类鲫：单轴关节 ：关节只有一个 轴，关节只能做与此轴垂直方向的运动。（）屈戍关节（滑车关节），关 节面呈滑车状，可作
38、屈伸运动，如指骨间关节。（）车轴关节，关 节面呈 圆柱状，关节可循其垂直轴作旋转运动，如挠尺近侧关节。双轴关节 ：此关节有两个相互垂直的运 动轴 ，关 节可循此二轴做两组运动。（）椭圆关节，关 节面呈 椭圆形，关节可在其长轴作屈伸运动；在其短轴作收展运动：还可作环转运动。如挠腕关节。（）鞍状关节，关 节面呈 马鞍形，可做屈、伸、展、收及 环转运动。如拇指腕掌关节。多轴关节 ：具有三个互相垂直的运 动轴，是运动形式最多的一种关节。（）球窝关节，一关 节面 为球面，另一面呈浅 窝状，可作较大幅度的屈、伸、展、收及环转和回旋运 动。如肩关节。（）杵臼关节，与球 窝关 节类似，关节窝较球窝关节深，运动
39、形式虽与球窝关节相同，但幅度较球窝关节小。（）平面关节，关 节面近似平面，其运动幅度甚微，只能作轻微运动，如腕骨问关节。下面本文将在对各种关节分类的基础上对手臂机构与运动自由度进行分析。人体手臂主要关节及其运动自由度分析人的手臂，医学上称之为上肢。上肢骨包括上肢带骨和自由上肢骨两大部分。前者有锁骨和肩胛骨，后者包括臂部的肱骨、前臂部并列的尺骨，挠骨及手的块腕骨，块 掌骨和块指骨。所有这些骨髓都通过关节连接，并与连接骨骼的韧带、肌肉、肌腱、起保 护作用的软组织和皮肤共同组成了完整的人体上胺。硕士学位论文第二章人体手臂建模上肢的骨骼组成如图所示图上肢骨骼的组成图（插图）上肢的关节分为上肢带的关节和
40、自由上肢的关节，前者主要起连接自由上肢与躯干的作用，后者则主要决定了整个上肢的运动。本小节主要针对自由上肢的关节进行分析，其主要关节及其可能的运动如下【】。肩关节：由肱骨 头和肩胛骨的关节盂构成，属于球窝关节，能作多轴性灵活运动，是全身运 动最灵活的关节。在特定肌肉的作用下，肩关节可做前屈和后伸、内收和外展、内旋和外旋以及环转等多种运动。肩关节可以分别绕三个互相垂直的运动轴旋转，因此可以认为肩关节具有三个自由度。肘关节：是由肱骨下端和挠、尺骨上端构成的复合关节，可分解为肱尺关节、肱挠关 节和挠尺近侧关节，同包于一个关节囊内。肘关节的运动以肱尺关节为主，主要是屈伸运动，肱 挠关节因受肱尺关节的限制，虽为球窝关节，只能随肱尺关节做屈伸运动及其本身的回转运动，挠尺近侧
