基于人體工程學的仿人機械臂構(gòu)型

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1基于人體工程學的仿人機械臂構(gòu)型摘要:本文圍繞仿人機械臂構(gòu)型問題,提出具體的篩選方法, 在串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式,選擇出和人臂特征最符合的仿人機械臂構(gòu)型.結(jié)合人體解剖學, 對人臂的運動機理進行有效的分析,對于人體測量學和機器人學相關(guān)的原理進行有效的結(jié)合,將各個型的運動靈活性有的分布圖繪制 ,為以后的運動規(guī)劃奠定堅實的基礎(chǔ).關(guān)鍵詞:構(gòu)型,工程學. 人體 .機械.中圖分類號：TP242 文獻標識碼： A 文章編號：1009-914X（2016 ）17-0345-01一、人臂運動機理人臂是人類自然進化最偉大的產(chǎn)物，人臂運動的機理非常復雜。主要有關(guān)節(jié)和骨骼以及肌肉群三個部分構(gòu)成。針對人臂的機構(gòu)學，肌肉群可以被當作是驅(qū)動器，而關(guān)節(jié)可以被看作是運動副，骨骼可以被看作是剛性連桿，神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮支配的作用，三者進行協(xié)作，將各種動作進行完成。從人體運動解剖學出發(fā)，人臂主要包括肩關(guān)節(jié)和大臂以及肘關(guān)節(jié)、前臂、腕關(guān)節(jié)。完成動作主要依靠關(guān)節(jié)。人臂一共具有 7 個自由度，其中肩關(guān)節(jié)包括三個，而肘關(guān)節(jié)則占據(jù)一個，其余的三個由腕關(guān)節(jié)形成。人體上最靈活的關(guān)節(jié)就是肩關(guān)節(jié)，肱骨頭和肩胛骨共同構(gòu)成肩關(guān)節(jié)，周圍具有很多的肌肉，這也是人體當中非常復雜的肌肉系統(tǒng)，可以對肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性進行有效的維護，也會是肩關(guān)節(jié)2發(fā)生運動。球窩關(guān)節(jié)和肌肉群形成有效的配合，可以有效的旋轉(zhuǎn)三個基本運動。肘關(guān)節(jié)連接著肱骨和尺骨。腕關(guān)節(jié)包括橈關(guān)節(jié)和腕骨關(guān)節(jié)組成，這兩個關(guān)鍵是獨立的，可以進行獨立的運動，因此腕關(guān)節(jié)分成上下兩個部分。上部分包括橈骨和尺骨，對肘關(guān)節(jié)進行有效的連接，肌肉群發(fā)揮有效的作用，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。下部分包括橈側(cè)關(guān)節(jié)和尺側(cè)關(guān)節(jié)，對手掌進行連接。二、仿人機械臂構(gòu)型的構(gòu)建（一）以串聯(lián)的方式構(gòu)建模型我們感覺人體的動作非常簡單，但是要想實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)，就顯得比較復雜和困難。相應動作的關(guān)鍵部分就是構(gòu)建出合理的模型。上文已經(jīng)提到人的手臂主要包括 7 個自由度，肩關(guān)節(jié)占據(jù) 3 個，腕關(guān)節(jié)占據(jù) 3 個，肘關(guān)節(jié)占據(jù) 1 個。人類手臂當中比較靈活的部分就是肩關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)屬于一個球窩關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)主要包括肱骨頭和肩胛骨，再加上四周的肌肉組織，這樣就形成了完成且又復雜的肌肉系統(tǒng)。這個行程的系統(tǒng)不僅對肩關(guān)節(jié)起到穩(wěn)定作用，還可以對肩關(guān)節(jié)的運動起到驅(qū)動作用。球窩關(guān)節(jié)和肌肉系統(tǒng)共同進行有效的配合，使肩部可以完成基本運動軸的旋轉(zhuǎn)、如果沒有相應的機械構(gòu)造，那么在設(shè)計仿人機械臂的過程中，可以采用類似關(guān)節(jié)鏡有效的代替。針對這種代替，主要利用兩種具體的方式，其中一種方式就是利用自由度球面對關(guān)節(jié)進行并聯(lián)。另外一種方式就是充分利用各個串聯(lián)的關(guān)節(jié)，進行組合代替。（二）構(gòu)建3主要是利用串聯(lián)的方式，構(gòu)建出仿人機械臂模型，當前我國也深入的進行研究。如果說人的手臂屬于一種冗余臂，擁有 7 個自由度，仿人機械臂要想對人的手臂靈活性進行模仿，那么仿人機械臂至少也要擁有 7 個自由度。在實際設(shè)計過程中，將一個自由度進行增加，那么結(jié)構(gòu)的復雜程度就會隨之增加，其成本也會增加。仿人機械臂要想實現(xiàn)最大簡化，將成本進行節(jié)約，可以利用利用 7 個自由度模型，肩關(guān)節(jié)主要有三個串聯(lián)的轉(zhuǎn)動副進行代替。除此以外，利用三個轉(zhuǎn)動副將關(guān)節(jié)進行代替，另外一個對關(guān)節(jié)進行代替。主要是借助串聯(lián)的主要方式，將這些轉(zhuǎn)動副進行有效的構(gòu)建，利用 6 種不同的構(gòu)型將肩關(guān)節(jié)有效的表現(xiàn)出來。但是針對腕關(guān)節(jié)，和肘關(guān)節(jié)，分別是 2 種和 1 種。實際在構(gòu)型繪制的過程中，腕關(guān)節(jié)的兩種形式要基本保持一致。因此仿人機械臂就是 6 種構(gòu)型。三、靈活性分析人體運動解剖學處理，仿人機械臂主要是由 7 個自由度組成，屬于一種冗余機械臂，針對那些非冗余的自由度機械臂，針對已經(jīng)給定的操作空間當中的末端點，具體的關(guān)節(jié)位形是不必保持唯一的，不同的關(guān)節(jié)位形，其具體的性能指標也是不同的。如果末端點在固定的情況下，冗余自由度機器臂的主要關(guān)節(jié)，可以在一個大的關(guān)節(jié)空間，其中的子空間當中進行有效的運動。（一）梯度投影法針對冗余自由度的機械臂，其雅可比矩陣屬于一種長方矩陣，無論有沒有形成滿秩，其中都不存在常規(guī)的逆，只是具備廣義逆，4但是當前對于冗余自由度機器人的相關(guān)的研究都是針對廣義逆解法。利用這種方法，有效的分解逆運動學，使其變?yōu)樽钚〉姆笖?shù)解和齊次解兩個部門。（二）全部相對可操作度的指標對于仿人機械臂的運動靈活性進行定量描述，在通常情況下，主要利用指標包括可操作度和方向可操作度以及最小奇異值等等，這些具體的指標被當作是量綱指標。在評價的過程中，都希望得到量綱一指標。對全局進行定義，其相對可操作度要向歸一化方向轉(zhuǎn)變。有效的分析仿人機械臂的時候，需要分析其靈活性，可以充分利用蒙特卡洛方法，選取一組關(guān)節(jié)角進行檢驗，將對應的末端點的坐標進行獲得，可以將仿人機械臂的工作空間可以使其進行分散，成一系列的坐標點。對于采樣的關(guān)鍵位形的主要可操作性能力進行判斷，其中包含的最大值，使其成為性能指標值。四、仿真分析在實際工作空間當中，機械臂的運動靈活性要想直觀的表現(xiàn)出來，可以利用可視化的方式，進行有效描述?？墒狗氯藱C器臂的工作空間實現(xiàn)網(wǎng)格化，如果對關(guān)節(jié)限制條件不考慮，那么主要利用 6種不同的構(gòu)型仿人機械臂，對其運動靈活性經(jīng)有效的飛行，可以分別獲得各種構(gòu)型的運動靈活性性能的相關(guān)分布圖。整個鞏固走的空間是以對稱方式進行分布，在剖視后，對于整體靈活性并不會產(chǎn)生影響。五、基于人體工程學的仿人機械臂構(gòu)型的定位功能5機械臂主要有變幅、折疊、回旋、旋轉(zhuǎn)四個部分組成，這四個屬于轉(zhuǎn)動自由度，還有一個伸縮自由度。以測量單元所給出的空間坐標數(shù)據(jù)為依據(jù)和移除，可以針對機械臂的運動，實行有效的軌跡規(guī)劃，針對每一個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，將其位移量到校進行設(shè)置。隨后對于這 5 個液壓油缸進行有效的驅(qū)動，使其可以以設(shè)置的數(shù)值為基礎(chǔ)，進行有效的移動，在實際移動過程中，利用在各個關(guān)節(jié)處安裝傳感器，將移動量反饋給控制單元當中，有效補償與弄懂軌跡，這樣才可將人際工程學的仿人機械臂構(gòu)型的定位功能發(fā)揮出來。在控制的過程中，對于定位精度環(huán)節(jié)影響最終的就是最后的定位精度， 對于最終的誤差影響也是非常不同的，要想將最終的定位精度可以達成，需要深入的分析每一個誤差項。結(jié)束語通過以上綜合的論述，以人體工程學為出發(fā)點，主要的探究對象就是人的手臂，仿人機械臂的研究當中加入人體的結(jié)構(gòu)原理和運動規(guī)律。當前在各個方面，例如航天和醫(yī)學等方面，仿人機械臂都得到廣泛的應用，具有良好的發(fā)展前景，為我國社會各行各業(yè)都做出了非常重要的貢獻，因此當前發(fā)展的必然方向就是構(gòu)建其模型，可以更加方便的進行研究。參考文獻:1. 趙京,寧春雨. 基于任務優(yōu)先級的仿人機械臂擬人運動規(guī)劃{J}. 北京工業(yè)大學.2. 李憲華,機械臂工作空間全局相對可操作度圖的構(gòu)建方法{J} 安徽理6工大學3. 錢燦爛,移動服務機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計及輕量化的研{J} 成都工業(yè)學院”