基于人体工程学的仿人机械臂构型

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