基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型分析

唐躍嘉

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610000）

基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型分析

唐躍嘉

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610000）

仿人機(jī)械臂是機(jī)器人領(lǐng)域研究的重要課題，隨著社會科技的不斷發(fā)展，有關(guān)人員進(jìn)一步加強(qiáng)了對仿人機(jī)械臂的研究。本文以人體工程學(xué)為仿人機(jī)械臂基本構(gòu)造研究的基礎(chǔ)，結(jié)合人體上肢運(yùn)動原理，對仿人機(jī)械臂的構(gòu)型進(jìn)行分析，旨在為有關(guān)人員對仿人機(jī)械臂的研究設(shè)計提供更多的支持。

仿人機(jī)械臂；人體工程學(xué)；構(gòu)造分析；上肢運(yùn)動原理

擬人機(jī)器人是社會科技發(fā)展進(jìn)步的產(chǎn)物，隨著社會科技的發(fā)展進(jìn)步，擬人機(jī)器人被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等多個領(lǐng)域中。在擬人機(jī)器人的制造中充分應(yīng)用了人體工程學(xué)原理，對人的手臂上肢運(yùn)動進(jìn)行了深入的分析，經(jīng)過設(shè)計能夠讓人手達(dá)到相應(yīng)的位置、擺好相應(yīng)的姿態(tài)，為接近、觸摸、抓持等動作的完成做好充分的準(zhǔn)備。這種類似人臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的仿人機(jī)械臂能夠?qū)θ吮圻\(yùn)動進(jìn)行充分的模擬，但是目前關(guān)于仿人機(jī)械臂模型大多考慮的是特定的模型結(jié)構(gòu)，對其他設(shè)計結(jié)構(gòu)方式、關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)配置的研究不夠完全。為此，本文對基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型進(jìn)行更深入的分析。

1 人臂運(yùn)動原理

人類的運(yùn)動機(jī)理是十分復(fù)雜的，而人體的有效運(yùn)動需要依賴一定的關(guān)節(jié)。基于人體工程學(xué)，結(jié)合人體上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的形式、方向及其和身體其他部位的關(guān)系，可以具體將人體的上肢運(yùn)動進(jìn)行劃分。根據(jù)人體各個上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的特點(diǎn)，人體的上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動基本集中在身體的前半部分，在運(yùn)動操作上體現(xiàn)了一定的范圍，自由度關(guān)節(jié)運(yùn)動能夠從任意一個的自由度上開始，并對其他相關(guān)的運(yùn)動周線方向產(chǎn)生重要的影響，實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動延伸、收展關(guān)系的獨(dú)立，同時對各個肢體關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍還進(jìn)行了相應(yīng)的限定。人臂運(yùn)動基本上是由肌肉群、關(guān)節(jié)和骨骼三部分組成，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度上看，肌肉群可以被認(rèn)為是一種驅(qū)動器、關(guān)節(jié)可以被認(rèn)為是一種運(yùn)動副、骨骼可以被認(rèn)為是一種剛性的連接桿，這些構(gòu)件之間在某種環(huán)境的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)彼此之間的相互作用，通過協(xié)調(diào)完成相應(yīng)的動作。基于人臂關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動形式、運(yùn)動方向以及運(yùn)動和人身體其他部位之間的關(guān)系，人臂運(yùn)動基本上可以分為伸展、環(huán)旋、平動運(yùn)動幾個基本形式。

人體上肢包括肩部、上臂、前臂和手。上肢骨主要包括胸鎖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)。第一，肩關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)主要由肱骨、肩胛骨關(guān)節(jié)盂借關(guān)節(jié)囊連接組成。肩部是人體結(jié)構(gòu)中最為靈活的關(guān)節(jié)，但其穩(wěn)固性較差。第二，肘關(guān)節(jié)。這個關(guān)節(jié)主要由肱骨遠(yuǎn)側(cè)端、尺骨和橈骨近側(cè)端構(gòu)成。第三，前臂骨的連接。前臂尺骨和橈骨借橈骨和骨間共同連接形成，在運(yùn)動機(jī)能上形成一種聯(lián)合的關(guān)節(jié)，圍繞垂直軸進(jìn)行運(yùn)動。

2 基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂模型構(gòu)建

2.1 國際上關(guān)于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂模型的構(gòu)建

人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂模型在國家上的構(gòu)建發(fā)展基本上形成了一定的規(guī)模，比如德國有ARMAR 的雙臂機(jī)器人。ARMAR 的雙臂機(jī)器人長度在 65厘米左右，各個手臂之間擁有七個自由度，機(jī)器人的設(shè)計能夠靈活的抓住各種物品。日本本田公司研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個叫做 ASIMO 的仿人雙臂機(jī)器人，這個機(jī)器人能夠完成各種比較復(fù)雜的工作，比如上下臺階、八字行走等各種高難度的動作。

2.2 基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂模型構(gòu)建分析

基于人體工程學(xué)，仿人機(jī)械臂主要包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、前臂、腕關(guān)節(jié)等多個構(gòu)造，在各個關(guān)節(jié)的作用下完成各種運(yùn)動。仿人機(jī)械臂模型的構(gòu)造較為復(fù)雜，是一個難以快速完成工作任務(wù)的運(yùn)動，在復(fù)雜的構(gòu)造下怎樣更好的完成任務(wù)是需要思考的問題。根據(jù)目前的研究進(jìn)展情況來看，現(xiàn)有的機(jī)械結(jié)構(gòu)是很難有效完成這一系列復(fù)雜的工作，因而需要有關(guān)人員對其功能實(shí)現(xiàn)問題做出進(jìn)一步的思考。通過對人體上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動特點(diǎn)的分析，可以看出串聯(lián)的機(jī)構(gòu)本身具有很強(qiáng)的工作空間、總體結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為簡單，在具體操作上體現(xiàn)了靈活性的特點(diǎn)，因而可以采用一種自由串聯(lián)的方式來構(gòu)建擬人化機(jī)械臂模型。仿人機(jī)械臂想要實(shí)現(xiàn)更為靈活的操作，在應(yīng)用的過程中至少需要采用七個自由度，但是在實(shí)際的操作中，每增加一個自由度就會額外增加模型構(gòu)建成本費(fèi)用。因此，為了降低仿人機(jī)械臂模型構(gòu)建的成本費(fèi)用，本文采用了七個自由度的模型。

基于人體工程學(xué)仿人機(jī)械臂模型構(gòu)建采用歐拉角 RPY 進(jìn)行定義，大寫字母代表運(yùn)動的基本性質(zhì)，R表示運(yùn)動、P表示移動、H表示螺旋運(yùn)動、S表示球面運(yùn)動。R、P、Y 的下標(biāo)分別代表不同的方位信息，加減號代表各個運(yùn)動之間的串聯(lián)或者并聯(lián)關(guān)系。在串聯(lián)方式作用下，肩關(guān)節(jié)本身會出現(xiàn)六種簡化的構(gòu)造模型，肘關(guān)節(jié)會出現(xiàn)一個簡化模型，腕關(guān)節(jié)上會出現(xiàn)兩種簡化構(gòu)造模型。

3 基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型的靈活性分析

3.1 可操作度的指標(biāo)分析

基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂具有n個自由度，m個末端絕對運(yùn)動參數(shù)信息，其運(yùn)動學(xué)微分方程可以表示為：X=J（q）q，冗雜度機(jī)械臂的逆解最小范數(shù)解是：q=JX,為了定量地描述機(jī)器人的運(yùn)動靈活性，對可操作性的指標(biāo)進(jìn)行了界定：

3.2 梯度投影法

基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型冗余自由度機(jī)械臂的雅可比矩陣是長方形的，擁有廣義上的逆。其中，梯度投影法是一種廣義逆算法，主要是將逆運(yùn)動學(xué)的問題解決方式劃分為多種解決辦法的過程。

3.3 全局相對可操作度指標(biāo)

全局相對可操作度指標(biāo)能夠?qū)Ψ氯藱C(jī)械臂運(yùn)動靈活性進(jìn)行模仿和確定，常用的指標(biāo)信息包括可操作度、方向度、最小奇異值等多種動態(tài)化指標(biāo)信息。這些指標(biāo)是一種有量綱指標(biāo)，在評價的過程中往往會出現(xiàn)歸一化的現(xiàn)象，具體計算公式如下所示：

Ui代表的是 Pi全局相對可操作度值，Wi代表的是 Pi點(diǎn)的可操作度值。Wmax代表的是機(jī)器人在操作中可能出現(xiàn)的最大化操作值。在對基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂進(jìn)行靈活性分析的時候，隨意選擇一組關(guān)節(jié)角，計算出與之相對的末端點(diǎn)坐標(biāo)。在選擇好坐標(biāo)之后，將仿人機(jī)械臂的工作空間離散作為一系列的坐標(biāo)點(diǎn)，之后對 Pi點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動采樣分析，得到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的可操作能力，對所有關(guān)節(jié)的錯位可操作能力進(jìn)行確定。

4 基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型仿真分析

為了將基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂工作靈活性進(jìn)行充分的展現(xiàn)，需要采用可視化的方式對基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型進(jìn)行仿真分析，具體操作如下：首先，實(shí)現(xiàn)對基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂工作空間網(wǎng)絡(luò)化處理，將P點(diǎn)放置在網(wǎng)絡(luò)的核心位置。其次，在不考慮相關(guān)限制條件的情況下，對不同構(gòu)型的仿人機(jī)械臂進(jìn)行靈活化的分析，得到不同構(gòu)型仿人機(jī)械臂的靈活性能分布圖。將不同的可操作度指標(biāo)劃分為不同的十個等級，用不同的顏色代表不同的等級，等級的高低和可操作度值呈一種正比關(guān)系。通過對靈活性分布圖的分析能夠發(fā)現(xiàn)六種仿人機(jī)械臂呈現(xiàn)了同樣大的工作時間，但是不同構(gòu)造在同一個工作點(diǎn)上所呈現(xiàn)的操作能力不同。以全局相對可操作度值 0.8 作為基本的分界點(diǎn)可以將工作空間具體分為兩種，在經(jīng)過分析之后可以確定可操作度在 0.8 以上的空間是最好的工作空間。

將人臂的不同關(guān)節(jié)運(yùn)動手指所能夠達(dá)到的空間被認(rèn)為是人臂可達(dá)空間，在日常工作中被應(yīng)用的空間被稱作是工作空間。通過試驗(yàn)調(diào)查分析計算出人臂工作空間的具體分布情況信息，肘部和腕部是重要的傳感器，對人臂的工作空間進(jìn)行了繪制。最終發(fā)現(xiàn)，在人臂的日常工作中，人臂的總體操作能力很強(qiáng)，仿真機(jī)械操作臂在應(yīng)用區(qū)域中發(fā)揮了重要的作用，展現(xiàn)了自己工作運(yùn)動的靈活性。

5 結(jié)語

綜上所述，基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型充分應(yīng)用了人體結(jié)構(gòu)基本原理和運(yùn)動規(guī)律，這種研究在航天領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中體現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過試驗(yàn)分析表明應(yīng)用串聯(lián)轉(zhuǎn)動副對人體的手臂關(guān)節(jié)進(jìn)行簡化需要肩部和腕部分別擁有三個自由度、三個串聯(lián)轉(zhuǎn)動、三個基本軸旋轉(zhuǎn)，從而能夠更好的滿足 12種條件的擬人機(jī)械臂構(gòu)型。同時，應(yīng)用基于人體工程學(xué)的全局相對可操作指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活性分析，并在三維直觀圖的作用下進(jìn)行相應(yīng)的描述，能夠發(fā)現(xiàn)基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型存在的巨大的工作空間可能，方便有關(guān)人員做出更進(jìn)一步的研究。

[1]趙京，宋春雨，杜濱 . 基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型 [J].機(jī)械工程學(xué)報，2013,11:16～21.

[2]趙文，劉宏 . 基于人體工程學(xué)的仿人機(jī)械臂構(gòu)型 [J]. 通訊世界，2016,04:254.

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1671-0711（2017）03（下）-0095-02