基于人體工程學的仿人機械臂構(gòu)型

肖寅金++劉長英++陸海彥

[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)方式下，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，將各個構(gòu)型的運動靈活性性能的分布圖進行繪制。以人臂的運動特征為基礎，對于人臂的運動工作空間進行有效的分析，對比各個構(gòu)型仿人機械臂工作空間，通過篩選，選擇出最佳的仿人機械臂構(gòu)型。為以后的運動規(guī)劃奠定堅實的基礎。

[關(guān)鍵詞]人體工程學；仿人機械臂；構(gòu)型

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)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

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，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

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，使其可以以設置的數(shù)值為基礎，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。

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作者簡介

肖寅金（1986-），男，廣東省汕頭市人， 職稱：中國火炬創(chuàng)業(yè)導師/工程師，學歷：大學本科。研究方向：智能機器人。單位：汕頭市五維創(chuàng)意園電子商務有限公司。

劉長英（1974-），男，吉林省吉林市人， 職稱：教授，學歷：博士研究生。研究方向：智能機器人。單位：廣東金貝貝智能機器人研究院有限公司。

陸海彥（1974-），男，吉林省吉林市人，職稱：教授，學歷：博士研究生。研究方向：智能機器人，單位：廣東金貝貝智能機器人研究院有限公司。