基于人体工程学的仿人机械臂构型分析

唐跃嘉

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610000）

基于人体工程学的仿人机械臂构型分析

唐跃嘉

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610000）

仿人机械臂是机器人领域研究的重要课题，随着社会科技的不断发展，有关人员进一步加强了对仿人机械臂的研究。本文以人体工程学为仿人机械臂基本构造研究的基础，结合人体上肢运动原理，对仿人机械臂的构型进行分析，旨在为有关人员对仿人机械臂的研究设计提供更多的支持。

仿人机械臂；人体工程学；构造分析；上肢运动原理

拟人机器人是社会科技发展进步的产物，随着社会科技的发展进步，拟人机器人被广泛的应用在工业、医疗、航空航天等多个领域中。在拟人机器人的制造中充分应用了人体工程学原理，对人的手臂上肢运动进行了深入的分析，经过设计能够让人手达到相应的位置、摆好相应的姿态，为接近、触摸、抓持等动作的完成做好充分的准备。这种类似人臂结构特点的仿人机械臂能够对人臂运动进行充分的模拟，但是目前关于仿人机械臂模型大多考虑的是特定的模型结构，对其他设计结构方式、关节数目、关节配置的研究不够完全。为此，本文对基于人体工程学的仿人机械臂构型进行更深入的分析。

1 人臂运动原理

人类的运动机理是十分复杂的，而人体的有效运动需要依赖一定的关节。基于人体工程学，结合人体上肢关节运动的形式、方向及其和身体其他部位的关系，可以具体将人体的上肢运动进行划分。根据人体各个上肢关节运动的特点，人体的上肢关节运动基本集中在身体的前半部分，在运动操作上体现了一定的范围，自由度关节运动能够从任意一个的自由度上开始，并对其他相关的运动周线方向产生重要的影响，实现肢体运动延伸、收展关系的独立，同时对各个肢体关节的运动范围还进行了相应的限定。人臂运动基本上是由肌肉群、关节和骨骼三部分组成，从机构学角度上看，肌肉群可以被认为是一种驱动器、关节可以被认为是一种运动副、骨骼可以被认为是一种刚性的连接杆，这些构件之间在某种环境的作用下能够实现彼此之间的相互作用，通过协调完成相应的动作。基于人臂关节的各种运动形式、运动方向以及运动和人身体其他部位之间的关系，人臂运动基本上可以分为伸展、环旋、平动运动几个基本形式。

人体上肢包括肩部、上臂、前臂和手。上肢骨主要包括胸锁关节、肩关节、肘关节。第一，肩关节。肩关节主要由肱骨、肩胛骨关节盂借关节囊连接组成。肩部是人体结构中最为灵活的关节，但其稳固性较差。第二，肘关节。这个关节主要由肱骨远侧端、尺骨和桡骨近侧端构成。第三，前臂骨的连接。前臂尺骨和桡骨借桡骨和骨间共同连接形成，在运动机能上形成一种联合的关节，围绕垂直轴进行运动。

2 基于人体工程学的仿人机械臂模型构建

2.1 国际上关于人体工程学的仿人机械臂模型的构建

人体工程学的仿人机械臂模型在国家上的构建发展基本上形成了一定的规模，比如德国有ARMAR 的双臂机器人。ARMAR 的双臂机器人长度在 65厘米左右，各个手臂之间拥有七个自由度，机器人的设计能够灵活的抓住各种物品。日本本田公司研究团队研发了一个叫做 ASIMO 的仿人双臂机器人，这个机器人能够完成各种比较复杂的工作，比如上下台阶、八字行走等各种高难度的动作。

2.2 基于人体工程学的仿人机械臂模型构建分析

基于人体工程学，仿人机械臂主要包括肩关节、肘关节、前臂、腕关节等多个构造，在各个关节的作用下完成各种运动。仿人机械臂模型的构造较为复杂，是一个难以快速完成工作任务的运动，在复杂的构造下怎样更好的完成任务是需要思考的问题。根据目前的研究进展情况来看，现有的机械结构是很难有效完成这一系列复杂的工作，因而需要有关人员对其功能实现问题做出进一步的思考。通过对人体上肢关节运动特点的分析，可以看出串联的机构本身具有很强的工作空间、总体结构构造较为简单，在具体操作上体现了灵活性的特点，因而可以采用一种自由串联的方式来构建拟人化机械臂模型。仿人机械臂想要实现更为灵活的操作，在应用的过程中至少需要采用七个自由度，但是在实际的操作中，每增加一个自由度就会额外增加模型构建成本费用。因此，为了降低仿人机械臂模型构建的成本费用，本文采用了七个自由度的模型。

基于人体工程学仿人机械臂模型构建采用欧拉角 RPY 进行定义，大写字母代表运动的基本性质，R表示运动、P表示移动、H表示螺旋运动、S表示球面运动。R、P、Y 的下标分别代表不同的方位信息，加减号代表各个运动之间的串联或者并联关系。在串联方式作用下，肩关节本身会出现六种简化的构造模型，肘关节会出现一个简化模型，腕关节上会出现两种简化构造模型。

3 基于人体工程学的仿人机械臂构型的灵活性分析

3.1 可操作度的指标分析

基于人体工程学的仿人机械臂具有n个自由度，m个末端绝对运动参数信息，其运动学微分方程可以表示为：X=J（q）q，冗杂度机械臂的逆解最小范数解是：q=JX,为了定量地描述机器人的运动灵活性，对可操作性的指标进行了界定：

3.2 梯度投影法

基于人体工程学的仿人机械臂构型冗余自由度机械臂的雅可比矩阵是长方形的，拥有广义上的逆。其中，梯度投影法是一种广义逆算法，主要是将逆运动学的问题解决方式划分为多种解决办法的过程。

3.3 全局相对可操作度指标

全局相对可操作度指标能够对仿人机械臂运动灵活性进行模仿和确定，常用的指标信息包括可操作度、方向度、最小奇异值等多种动态化指标信息。这些指标是一种有量纲指标，在评价的过程中往往会出现归一化的现象，具体计算公式如下所示：

Ui代表的是 Pi全局相对可操作度值，Wi代表的是 Pi点的可操作度值。Wmax代表的是机器人在操作中可能出现的最大化操作值。在对基于人体工程学的仿人机械臂进行灵活性分析的时候，随意选择一组关节角，计算出与之相对的末端点坐标。在选择好坐标之后，将仿人机械臂的工作空间离散作为一系列的坐标点，之后对 Pi点进行运动采样分析，得到相应节点的可操作能力，对所有关节的错位可操作能力进行确定。

4 基于人体工程学的仿人机械臂构型仿真分析

为了将基于人体工程学的仿人机械臂工作灵活性进行充分的展现，需要采用可视化的方式对基于人体工程学的仿人机械臂构型进行仿真分析，具体操作如下：首先，实现对基于人体工程学的仿人机械臂工作空间网络化处理，将P点放置在网络的核心位置。其次，在不考虑相关限制条件的情况下，对不同构型的仿人机械臂进行灵活化的分析，得到不同构型仿人机械臂的灵活性能分布图。将不同的可操作度指标划分为不同的十个等级，用不同的颜色代表不同的等级，等级的高低和可操作度值呈一种正比关系。通过对灵活性分布图的分析能够发现六种仿人机械臂呈现了同样大的工作时间，但是不同构造在同一个工作点上所呈现的操作能力不同。以全局相对可操作度值 0.8 作为基本的分界点可以将工作空间具体分为两种，在经过分析之后可以确定可操作度在 0.8 以上的空间是最好的工作空间。

将人臂的不同关节运动手指所能够达到的空间被认为是人臂可达空间，在日常工作中被应用的空间被称作是工作空间。通过试验调查分析计算出人臂工作空间的具体分布情况信息，肘部和腕部是重要的传感器，对人臂的工作空间进行了绘制。最终发现，在人臂的日常工作中，人臂的总体操作能力很强，仿真机械操作臂在应用区域中发挥了重要的作用，展现了自己工作运动的灵活性。

5 结语

综上所述，基于人体工程学的仿人机械臂构型充分应用了人体结构基本原理和运动规律，这种研究在航天领域、医学领域中体现了广阔的应用前景。经过试验分析表明应用串联转动副对人体的手臂关节进行简化需要肩部和腕部分别拥有三个自由度、三个串联转动、三个基本轴旋转，从而能够更好的满足 12种条件的拟人机械臂构型。同时，应用基于人体工程学的全局相对可操作指标实现对各个结构进行灵活性分析，并在三维直观图的作用下进行相应的描述，能够发现基于人体工程学的仿人机械臂构型存在的巨大的工作空间可能，方便有关人员做出更进一步的研究。

[1]赵京，宋春雨，杜滨 . 基于人体工程学的仿人机械臂构型 [J].机械工程学报，2013,11:16～21.

[2]赵文，刘宏 . 基于人体工程学的仿人机械臂构型 [J]. 通讯世界，2016,04:254.

TP242

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1671-0711（2017）03（下）-0095-02