肖寅金++劉長(zhǎng)英++陸海彥

[摘 要]本文圍繞仿人機(jī)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(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)構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)靈活性性能的分布圖進(jìn)行繪制。以人臂的運(yùn)動(dòng)特征為基礎(chǔ)，對(duì)于人臂的運(yùn)動(dòng)工作空間進(jìn)行有效的分析，對(duì)比各個(gè)構(gòu)型仿人機(jī)械臂工作空間，通過篩選，選擇出最佳的仿人機(jī)械臂構(gòu)型。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]人體工程學(xué)；仿人機(jī)械臂；構(gòu)型

中圖分類號(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)，周圍具有很多的肌肉，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)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)械臂的過程中，可以采用類似關(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

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。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(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。

（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，可以利用可視化的方式，進(jìn)行有效描述?？墒狗氯藱C(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

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。在控制的過程中，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

通過以上綜合的論述，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。

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作者簡(jiǎn)介

肖寅金（1986-），男，廣東省汕頭市人， 職稱：中國(guó)火炬創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師/工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科。研究方向：智能機(jī)器人。單位：汕頭市五維創(chuàng)意園電子商務(wù)有限公司。

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