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基于人体工程学的仿人机械臂构型

出处:论文网
时间:2017-09-09

基于人体工程学的仿人机械臂构型

  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,因此当前发展的必然方向就是构建其模型,可以更加方便的进行研究。

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