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软硬混合连杆系统的动力学计算及其在佩戴运动假肢运动员运动分析中的应用
Dynamics Computation of Soft-Rigid Hybrid-Link System and Its Application to Motion Analysis of an Athlete Wearing Sport Prosthesis

作者: Sunghee Kim, Yuta Shimane, Taiki Ishigaki 等4人
arXiv: 2605.13192v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
本文提出了一种基于软硬混合连杆系统的运动员佩戴运动专用柔性假肢的运动分析框架。此类运动分析具有挑战性,因为需要考虑刚性人体骨骼系统与柔性假肢之间的相互作用力。然而,现有的人体肌肉骨骼模型大多基于刚体多连杆系统的计算框架。近年来,软体机器人研究领域已开发出快速高效的柔性杆变形建模方法,这使得我们能够构建统一表述下集成刚性连杆与软体的混合连杆系统。我们将混合连杆系统的逆运动学用于从运动捕捉数据重建运动,并通过逆动力学估计关节力矩和地面反作用力。通过人体实验,我们证明逆动力学对地面反作用力的估计误差约为12%。此外,我们还提供了考虑肌肉截肢以及与假肢腿变形相互作用力的肌肉力估计。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 现有**人体肌肉骨骼模型(musculoskeletal model)** 大多基于**刚体多连杆系统(rigid-body multi-link system)**,无法准确处理刚性人体骨骼与柔性假肢之间的相互作用力 - 对穿着**运动假肢(sport prosthesis)** 的运动员进行运动分析是一个具有挑战性的问题,需要同时考虑人体骨骼和假肢变形的动力学耦合
🔧 核心方法
- 基于**软-刚混合连杆系统(soft-rigid hybrid-link system)**,将**柔性杆变形模型(flexible rod deformation)** 与**刚体多连杆模型** 统一在同一公式框架中 - 应用**逆运动学(inverse kinematics)** 从**运动捕捉数据(motion capture data)** 重建人体和假肢的运动轨迹 - 应用**逆动力学(inverse dynamics)** 估计**关节力矩(joint torques)** 和**地面反作用力(ground reaction force, GRF)**,并考虑**肌肉截肢(muscle amputation)** 和假肢变形相互作用下的**肌肉力估计(muscle force estimation)**
💡 核心创新
- **跨领域融合**:将**软体机器人(soft robotics)** 领域的高速柔性杆变形建模方法引入人体运动分析,构建统一的**混合连杆系统公式化(hybrid-link system formulation)** - **刚柔耦合动力学**:首次在**假肢运动员运动分析** 中同时处理**刚性骨骼** 和**柔性假肢** 的动力学交互,突破了传统刚体模型的局限 - **验证与扩展**:通过人体实验验证**逆动力学** 估计地面反作用力的**误差约12%**,并进一步提供考虑**肌肉截肢** 和假肢变形的**肌肉力估算**,使分析更贴近实际
🏆 总体贡献
- 提出了一种面向**穿着柔性假肢运动员** 的**运动分析框架(motion analysis framework)**,能够有效处理刚柔混合系统的动力学问题 - 在**地面反作用力估计** 上实现约12%的误差,展示了该框架在实际运动分析中的可行性和准确性 - 开源了**肌肉力估计** 方法,同时考虑**假肢变形** 和**肌肉截肢**,为后续**生物力学(biomechanics)** 和**假肢设计(prosthesis design)** 研究提供了新思路