基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型
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1基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型摘要:本文圍繞仿人機(jī)械臂構(gòu)型問(wèn)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(jī)械臂構(gòu)型.結(jié)合人體解剖學(xué), 對(duì)人臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行有效的分析,對(duì)于人體測(cè)量學(xué)和機(jī)器人學(xué)相關(guān)的原理進(jìn)行有效的結(jié)合,將各個(gè)型的運(yùn)動(dòng)靈活性有的分布圖繪制 ,為以后的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).關(guān)鍵詞:構(gòu)型,工程學(xué). 人體 .機(jī)械.中圖分類(lèi)號(hào):TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):1009-914X(2016 )17-0345-01一、人臂運(yùn)動(dòng)機(jī)理人臂是人類(lèi)自然進(jìn)化最偉大的產(chǎn)物,人臂運(yùn)動(dòng)的機(jī)理非常復(fù)雜。主要有關(guān)節(jié)和骨骼以及肌肉群三個(gè)部分構(gòu)成。針對(duì)人臂的機(jī)構(gòu)學(xué),肌肉群可以被當(dāng)作是驅(qū)動(dòng)器,而關(guān)節(jié)可以被看作是運(yùn)動(dòng)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(jìn)行協(xié)作,將各種動(dòng)作進(jìn)行完成。從人體運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)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(dòng)作主要依靠關(guān)節(jié)。人臂一共具有 7 個(gè)自由度,其中肩關(guān)節(jié)包括三個(gè),而肘關(guān)節(jié)則占據(jù)一個(gè),其余的三個(gè)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?chē)哂泻芏嗟募∪?,這也是人體當(dāng)中非常復(fù)雜的肌肉系統(tǒng),可以對(duì)肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性進(jìn)行有效的維護(hù),也會(huì)是肩關(guān)節(jié)2發(fā)生運(yùn)動(dòng)。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(gè)基本運(yùn)動(dòng)。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(gè)關(guān)鍵是獨(dú)立的,可以進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)動(dòng),因此腕關(guān)節(jié)分成上下兩個(gè)部分。上部分包括橈骨和尺骨,對(duì)肘關(guān)節(jié)進(jìn)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(yùn)動(dòng)。下部分包括橈側(cè)關(guān)節(jié)和尺側(cè)關(guān)節(jié),對(duì)手掌進(jìn)行連接。二、仿人機(jī)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(jué)人體的動(dòng)作非常簡(jiǎn)單,但是要想實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu),就顯得比較復(fù)雜和困難。相應(yīng)動(dòng)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(gè)自由度,肩關(guān)節(jié)占據(jù) 3 個(gè),腕關(guān)節(jié)占據(jù) 3 個(gè),肘關(guān)節(jié)占據(jù) 1 個(gè)。人類(lèi)手臂當(dāng)中比較靈活的部分就是肩關(guān)節(jié),肩關(guān)節(jié)屬于一個(gè)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(fù)雜的肌肉系統(tǒng)。這個(gè)行程的系統(tǒng)不僅對(duì)肩關(guān)節(jié)起到穩(wěn)定作用,還可以對(duì)肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)起到驅(qū)動(dòng)作用。球窩關(guān)節(jié)和肌肉系統(tǒng)共同進(jìn)行有效的配合,使肩部可以完成基本運(yùn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)、如果沒(méi)有相應(yīng)的機(jī)械構(gòu)造,那么在設(shè)計(jì)仿人機(jī)械臂的過(guò)程中,可以采用類(lèi)似關(guān)節(jié)鏡有效的代替。針對(duì)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(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行并聯(lián)。另外一種方式就是充分利用各個(gè)串聯(lián)的關(guān)節(jié),進(jìn)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(jī)械臂模型,當(dāng)前我國(guó)也深入的進(jìn)行研究。如果說(shuō)人的手臂屬于一種冗余臂,擁有 7 個(gè)自由度,仿人機(jī)械臂要想對(duì)人的手臂靈活性進(jìn)行模仿,那么仿人機(jī)械臂至少也要擁有 7 個(gè)自由度。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,將一個(gè)自由度進(jìn)行增加,那么結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度就會(huì)隨之增加,其成本也會(huì)增加。仿人機(jī)械臂要想實(shí)現(xiàn)最大簡(jiǎn)化,將成本進(jìn)行節(jié)約,可以利用利用 7 個(gè)自由度模型,肩關(guān)節(jié)主要有三個(gè)串聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行代替。除此以外,利用三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副將關(guān)節(jié)進(jìn)行代替,另外一個(gè)對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行代替。主要是借助串聯(lián)的主要方式,將這些轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)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(lái)。但是針對(duì)腕關(guān)節(jié),和肘關(guān)節(jié),分別是 2 種和 1 種。實(shí)際在構(gòu)型繪制的過(guò)程中,腕關(guān)節(jié)的兩種形式要基本保持一致。因此仿人機(jī)械臂就是 6 種構(gòu)型。三、靈活性分析人體運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)處理,仿人機(jī)械臂主要是由 7 個(gè)自由度組成,屬于一種冗余機(jī)械臂,針對(duì)那些非冗余的自由度機(jī)械臂,針對(duì)已經(jīng)給定的操作空間當(dāng)中的末端點(diǎn),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(biāo)也是不同的。如果末端點(diǎn)在固定的情況下,冗余自由度機(jī)器臂的主要關(guān)節(jié),可以在一個(gè)大的關(guān)節(jié)空間,其中的子空間當(dāng)中進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)。(一)梯度投影法針對(duì)冗余自由度的機(jī)械臂,其雅可比矩陣屬于一種長(zhǎng)方矩陣,無(wú)論有沒(méi)有形成滿(mǎn)秩,其中都不存在常規(guī)的逆,只是具備廣義逆,4但是當(dāng)前對(duì)于冗余自由度機(jī)器人的相關(guān)的研究都是針對(duì)廣義逆解法。利用這種方法,有效的分解逆運(yùn)動(dòng)學(xué),使其變?yōu)樽钚〉姆笖?shù)解和齊次解兩個(gè)部門(mén)。(二)全部相對(duì)可操作度的指標(biāo)對(duì)于仿人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)靈活性進(jìn)行定量描述,在通常情況下,主要利用指標(biāo)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(biāo)被當(dāng)作是量綱指標(biāo)。在評(píng)價(jià)的過(guò)程中,都希望得到量綱一指標(biāo)。對(duì)全局進(jìn)行定義,其相對(duì)可操作度要向歸一化方向轉(zhuǎn)變。有效的分析仿人機(jī)械臂的時(shí)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(jìn)行檢驗(yàn),將對(duì)應(yīng)的末端點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行獲得,可以將仿人機(jī)械臂的工作空間可以使其進(jìn)行分散,成一系列的坐標(biāo)點(diǎn)。對(duì)于采樣的關(guān)鍵位形的主要可操作性能力進(jìn)行判斷,其中包含的最大值,使其成為性能指標(biāo)值。四、仿真分析在實(shí)際工作空間當(dāng)中,機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)靈活性要想直觀的表現(xiàn)出來(lái),可以利用可視化的方式,進(jìn)行有效描述。可使仿人機(jī)器臂的工作空間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化,如果對(duì)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(jī)械臂,對(duì)其運(yùn)動(dòng)靈活性經(jīng)有效的飛行,可以分別獲得各種構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)靈活性性能的相關(guān)分布圖。整個(gè)鞏固走的空間是以對(duì)稱(chēng)方式進(jìn)行分布,在剖視后,對(duì)于整體靈活性并不會(huì)產(chǎn)生影響。五、基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型的定位功能5機(jī)械臂主要有變幅、折疊、回旋、旋轉(zhuǎn)四個(gè)部分組成,這四個(gè)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,還有一個(gè)伸縮自由度。以測(cè)量單元所給出的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)為依據(jù)和移除,可以針對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng),實(shí)行有效的軌跡規(guī)劃,針對(duì)每一個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng),將其位移量到校進(jìn)行設(shè)置。隨后對(duì)于這 5 個(gè)液壓油缸進(jìn)行有效的驅(qū)動(dòng),使其可以以設(shè)置的數(shù)值為基礎(chǔ),進(jìn)行有效的移動(dòng),在實(shí)際移動(dòng)過(guò)程中,利用在各個(gè)關(guān)節(jié)處安裝傳感器,將移動(dòng)量反饋給控制單元當(dāng)中,有效補(bǔ)償與弄懂軌跡,這樣才可將人際工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型的定位功能發(fā)揮出來(lái)。在控制的過(guò)程中,對(duì)于定位精度環(huán)節(jié)影響最終的就是最后的定位精度, 對(duì)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(dá)成,需要深入的分析每一個(gè)誤差項(xiàng)。結(jié)束語(yǔ)通過(guò)以上綜合的論述,以人體工程學(xué)為出發(fā)點(diǎn),主要的探究對(duì)象就是人的手臂,仿人機(jī)械臂的研究當(dāng)中加入人體的結(jié)構(gòu)原理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)前在各個(gè)方面,例如航天和醫(yī)學(xué)等方面,仿人機(jī)械臂都得到廣泛的應(yīng)用,具有良好的發(fā)展前景,為我國(guó)社會(huì)各行各業(yè)都做出了非常重要的貢獻(xiàn),因此當(dāng)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(jìn)行研究。參考文獻(xiàn):1. 趙京,寧春雨. 基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的仿人機(jī)械臂擬人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃{J}. 北京工業(yè)大學(xué).2. 李憲華,機(jī)械臂工作空間全局相對(duì)可操作度圖的構(gòu)建方法{J} 安徽理6工大學(xué)3. 錢(qián)燦爛,移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輕量化的研{J} 成都工業(yè)學(xué)院”- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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