论文部分内容阅读
[摘 要]本文围绕仿人机械臂构型问题，提出具体的筛选方法，在串联结构方式下，选择出和人臂特征最符合的仿人机械臂构型。结合人体解剖学，对人臂的运动机理进行有效的分析，对于人体测量学和机器人学相关的原理进行有效的结合，将各个构型的运动灵活性性能的分布图进行绘制。以人臂的运动特征为基础，对于人臂的运动工作空间进行有效的分析，对比各个构型仿人机械臂工作空间，通过筛选，选择出最佳的仿人机械臂构型。为以后的运动规划奠定坚实的基础。
[关键词]人体工程学；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。
參考文献
[1] 赵京，宋春雨，谢碧云.基于任务优先级的仿人机械臂拟人运动规划[J]. 北京工业大学学报，2014，04：502-508.
[2] 李宪华，机械臂工作空间全局相对可操作度图的构建方法[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，01：56-61.
[3] 钱灿荣.移动服务机器人机械臂结构设计及轻量化的研究[J].成都工业学院学报，2016，02：24-26.
[4] 刘晶晶，彭俊泉，刘新华.基于MATLAB的串并混联7-DOF仿人机械臂正运动学分析及仿真[J].机械传动，2015，07：59-62+66.
[5] 李宪华，张雷刚，宋韬，张军.基于能力地图的机器人模块化手臂构型分析[J].华中科技大学学报（自然科学版），2015，12：17-20.
作者简介
肖寅金（1986-），男，广东省汕头市人， 职称：中国火炬创业导师/工程师，学历：大学本科。研究方向：智能机器人。单位：汕头市五维创意园电子商务有限公司。
刘长英（1974-），男，吉林省吉林市人， 职称：教授，学历：博士研究生。研究方向：智能机器人。单位：广东金贝贝智能机器人研究院有限公司。
陆海彦（1974-），男，吉林省吉林市人，职称：教授，学历：博士研究生。研究方向：智能机器人，单位：广东金贝贝智能机器人研究院有限公司。
[关键词]人体工程学；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。
參考文献
[1] 赵京，宋春雨，谢碧云.基于任务优先级的仿人机械臂拟人运动规划[J]. 北京工业大学学报，2014，04：502-508.
[2] 李宪华，机械臂工作空间全局相对可操作度图的构建方法[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，01：56-61.
[3] 钱灿荣.移动服务机器人机械臂结构设计及轻量化的研究[J].成都工业学院学报，2016，02：24-26.
[4] 刘晶晶，彭俊泉，刘新华.基于MATLAB的串并混联7-DOF仿人机械臂正运动学分析及仿真[J].机械传动，2015，07：59-62+66.
[5] 李宪华，张雷刚，宋韬，张军.基于能力地图的机器人模块化手臂构型分析[J].华中科技大学学报（自然科学版），2015，12：17-20.
作者简介
肖寅金（1986-），男，广东省汕头市人， 职称：中国火炬创业导师/工程师，学历：大学本科。研究方向：智能机器人。单位：汕头市五维创意园电子商务有限公司。
刘长英（1974-），男，吉林省吉林市人， 职称：教授，学历：博士研究生。研究方向：智能机器人。单位：广东金贝贝智能机器人研究院有限公司。
陆海彦（1974-），男，吉林省吉林市人，职称：教授，学历：博士研究生。研究方向：智能机器人，单位：广东金贝贝智能机器人研究院有限公司。