基于人体工程学的仿人机械臂构型

基于人体工程学的仿人机械臂构型摘要:本文围绕仿人机械臂构型问题,提出具体的筛选方法,在串联结构方式,选择出和人臂特征最符合的仿人机械臂构型.结合人体解剖学,对人臂的运动机理进行有效的分析,对于人体测量学和机器人学相关的原理进行有效的结合,将各个型的运动灵活性有的分布图绘制,为以后的运动规划奠定坚实的基础.关键词:构型,工程学.人体.机械.中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0345-01一、人臂运动机理人臂是人类自然进化最伟大的产物，人臂运动的机理非常复杂。主要有关节和骨骼以及肌肉群三个部分构成。针对人臂的机构学，肌肉群可以被当作是驱动器，而关节可以被看作是运动副，骨骼可以被看作是刚性连杆，神经系统发挥支配的作用，三者进行协作，将各种动作进行完成。从人体运动解剖学出发，人臂主要包括肩关节和大臂以及肘关节、前臂、腕关节。完成动作主要依靠关节。人臂一共具有7个自由度，其中肩关节包括三个，而肘关节则占据一个，其余的三个由腕关节形成。人体上最灵活的关节就是肩关节，肱骨头和肩胛骨共同构成肩关节，周围具有很多的肌肉，这也是人体当中非常复杂的肌肉系统，可以对肩关节的稳定性进行有效的维护，也会是肩关节发生运动。球窝关节和肌肉群形成有效的配合，可以有效的旋转三个基本运动。肘关节连接着肱骨和尺骨。腕关节包括桡关节和腕骨关节组成，这两个关键是独立的，可以进行独立的运动，因此腕关节分成上下两个部分。上部分包括桡骨和尺骨，对肘关节进行有效的连接，肌肉群发挥有效的作用，可以产生旋转运动。下部分包括桡侧关节和尺侧关节，对手掌进行连接。二、仿人机械臂构型的构建（一）以串联的方式构建模型我们感觉人体的动作非常简单，但是要想实现机械结构，就显得比较复杂和困难。相应动作的关键部分就是构建出合理的模型。上文已经提到人的手臂主要包括7个自由度，肩关节占据3个，腕关节占据3个，肘关节占据1个。人类手臂当中比较灵活的部分就是肩关节，肩关节属于一个球窝关节。肩关节主要包括肱骨头和肩胛骨，再加上四周的肌肉组织，这样就形成了完成且又复杂的肌肉系统。这个行程的系统不仅对肩关节起到稳定作用，还可以对肩关节的运动起到驱动作用。球窝关节和肌肉系统共同进行有效的配合，使肩部可以完成基本运动轴的旋转、如果没有相应的机械构造，那么在设计仿人机械臂的过程中，可以采用类似关节镜有效的代替。针对这种代替，主要利用两种具体的方式，其中一种方式就是利用自由度球面对关节进行并联。另外一种方式就是充分利用各个串联的关节，进行组合代替。（二）构建主要是利用串联的方式，构建出仿人机械臂模型，当前我国也深入的进行研究。如果说人的手臂属于一种冗余臂，拥有7个自由度，仿人机械臂要想对人的手臂灵活性进行模仿，那么仿人机械臂至少也要拥有7个自由度。在实际设计过程中，将一个自由度进行增加，那么结构的复杂程度就会随之增加，其成本也会增加。仿人机械臂要想实现最大简化，将成本进行节约，可以利用利用7个自由度模型，肩关节主要有三个串联的转动副进行代替。除此以外，利用三个转动副将关节进行代替，另外一个对关节进行代替。主要是借助串联的主要方式，将这些转动副进行有效的构建，利用6种不同的构型将肩关节有效的表现出来。但是针对腕关节，和肘关节，分别是2种和1种。实际在构型绘制的过程中，腕关节的两种形式要基本保持一致。因此仿人机械臂就是6种构型。三、灵活性分析人体运动解剖学处理，仿人机械臂主要是由7个自由度组成，属于一种冗余机械臂，针对那些非冗余的自由度机械臂，针对已经给定的操作空间当中的末端点，具体的关节位形是不必保持唯一的，不同的关节位形，其具体的性能指标也是不同的。如果末端点在固定的情况下，冗余自由度机器臂的主要关节，可以在一个大的关节空间，其中的子空间当中进行有效的运动。（一）梯度投影法针对冗余自由度的机械臂，其雅可比矩阵属于一种长方矩阵，无论有没有形成满秩，其中都不存在常规的逆，只是具备广义逆，但是当前对于冗余自由度机器人的相关的研究都是针对广义逆解法。利用这种方法，有效的分解逆运动学，使其变为最小的犯数解和齐次解两个部门。（二）全部相对可操作度的指标对于仿人机械臂的运动灵活性进行定量描述，在通常情况下，主要利用指标包括可操作度和方向可操作度以及最小奇异值等等，这些具体的指标被当作是量纲指标。在评价的过程中，都希望得到量纲一指标。对全局进行定义，其相对可操作度要向归一化方向转变。有效的分析仿人机械臂的时候，需要分析其灵活性，可以充分利用蒙特卡洛方法，选取一组关节角进行检验，将对应的末端点的坐标进行获得，可以将仿人机械臂的工作空间可以使其进行分散，成一系列的坐标点。对于采样的关键位形的主要可操作性能力进行判断，其中包含的最大值，使其成为性能指标值。四、仿真分析在实际工作空间当中，机械臂的运动灵活性要想直观的表现出来，可以利用可视化的方式，进行有效描述。可使仿人机器臂的工作空间实现网格化，如果对关节限制条件不考虑，那么主要利用6种不同的构型仿人机械臂，对其运动灵活性经有效的飞行，可以分别获得各种构型的运动灵活性性能的相关分布图。整个巩固走的空间是以对称方式进行分布，在剖视后，对于整体灵活性并不会产生影响。五、基于人体工程学的仿人机械臂构型的定位功能机械臂主要有变幅、折叠、回旋、旋转四个部分组成，这四个属于转动自由度，还有一个伸缩自由度。以测量单元所给出的空间坐标数据为依据和移除，可以针对机械臂的运动，实行有效的轨迹规划，针对每一个关节转动，将其位移量到校进行设置。随后对于这5个液压油缸进行有效的驱动，使其可以以设置的数值为基础，进行有效的移动，在实际移动过程中，利用在各个关节处安装传感器，将移动量反馈给控制单元当中，有效补偿与弄懂轨迹，这样才可将人际工程学的仿人机械臂构型的定位功能发挥出来。在控制的过程中，对于定位精度环节影响最终的就是最后的定位精度， 对于最终的误差影响也是非常不同的，要想将最终的定位精度可以达成，需要深入的分析每一个误差项。结束语通过以上综合的论述，以人体工程学为出发点，主要的探究对象就是人的手臂，仿人机械臂的研究当中加入人体的结构原理和运动规律。当前在各个方面，例如航天和医学等方面，仿人机械臂都得到广泛的应用，具有良好的发展前景，为我国社会各行各业都做出了非常重要的贡献，因此当前发展的