Разработка структурной схемы руки человека. Методика определения коэффициента сервиса и координат точек ориентации. Разработка метода многомерной оптимизации для решения обратной задачи кинематики. Программная реализация определения коэффициента сервиса.
Аннотация к работе
Биомеханика - это дисциплина, которая подходит к изучению тела человека, как если бы оно было исключительно механической системой: все части тела аналогичны механическим структурам и изучаются аналогичным образом. В биомеханике под кинематикой движений понимают геометрию, то есть пространственную форму движений человека без учета его массы и действующих сил. Кинематика дает в целом только внешнюю картину движений. Человек состоит из набора сегментов, соединенных сочленениями - суставами. Кинематические пары в теле человека - это подвижные соединения двух костных звеньев, обеспечивающих их произвольные пространственные движения.В данной дипломной работе образовательно-квалифицированного уровня «бакалавр» необходимо построить математическую модель коэффициента сервиса руки человека и произвести компьютерное модерирование этой задачи. Для определения коэффициента сервиса руки человека требуется решить следующие задачи: - исследовать строение руки человека и построить ее структурную схему; построить кинематическую модель руки человека;Для построения кинематической модели руки человека, необходимо исследовать строение руки и построить ее структурную схему. Человек состоит из набора сегментов, соединенных суставами. Верхняя конечность включает: плече-лопаточный сустав, плечевую кость, локтевой сустав, предплечье (локтевую и лучевую кости), лучезапястное сочленение и кисть (рис.1). Плечевой шаровой шарнир руки представляет собой сферическую биокинематическую пару III класса (рис.2). Соединение между предплечьем и кистью (лучезапястное сочленение) представляет собой сферическую кинематическую пару III класса (рис.2) и обладает двумя видами подвижности: вращение вверх-вниз на 170°, вращение вправо-влево на 60°.Коэффициент сервиса - это характеристика манипуляционного робота, которая дает качественную оценку кинематических свойств манипулятора и определяет возможность подхода рабочего органа к заданной точке рабочей зоны с различных направлений. Степени подвижности манипуляционного робота позволяют манипулятору и его рабочему органу подходить к заданной точке рабочей зоны с различных направлений при различном положении оси рабочего органа.Коэффициентом сервиса в точке Х рабочей зоны будем называть отношение (1), в котором есть телесный угол сервиса. Коэффициент сервиса руки человека может изменяться от нуля на границе рабочей зоны (где ось схвата может занимать только одно положение) до единицы для точек так называемой зоны стопроцентного, или полного, сервиса (в этих точках ось схвата может занимать любое пространственное положение).Опираясь на вышесказанное, была разработана методика определения коэффициента сервиса руки человека, которая заключается в следующем: на поверхности сферы единичного радиуса, центр которой расположен в исследуемой точке рабочей зоны, приблизительно равномерно распределяются N равноотстоящих друг от друга точек; (назовем эти точки - точками ориентации) для каждой из точек решается обратная задача кинематики, при условии что ось схвата проходит через центр сферы и текущую точку на поверхности сферы (т.е. при ориентации оси схвата на выбранную точку).В алгоритме определения коэффициента сервиса руки человека требуется равномерно распределить точки ориентации по поверхности сферы единичного радиуса, описанной вокруг точки рабочей зоны руки человека в которой требуется определить коэффициент сервиса. На Рис.6 изображена в проекциях на плоскости YOZ и XOY сфера с центром в точке О - начале декартовой системы координат. Кроме того, с точкой О связана сферическая система координат таким образом, что ее параметры - углы и изменяются соответственно в плоскостях XOY и плоскости ей перпендикулярной, а вектор r длина которого является третьей координатой сферической системы исходит из точки О. Выделим на поверхности сферы (рис.6) окружности лежащие в плоскостях параллельных плоскости XOY и, по аналогии с Земным шаром, назовем их параллелями, а окружности лежащие на поверхности сферы в плоскостях содержащих ось Z назовем меридианами. Разобьем длину меридиана сферы единичного радиуса (Рис.6) на H равных частей, тогда длина каждой части меридиана выразится соотношением: Чтобы плотность точек на единице площади поверхности сферы была одинакова нужно расстояние между соседними точками поверхности сохранять неизменным.Общее уравнение кинематики манипуляционного робота позволяет получить решение так называемых прямой и обратной задач кинематики о положениях. Обратная задача о положениях (или обратная позиционная задача) состоит в определении конфигурации исполнительного механизма манипулятора, т.е. вектора q, по заданным положению и ориентации рабочего органа, т.е. по заданному вектору r. В обратной задаче о положениях координаты вектора r, т.е. обобщенные координаты объекта манипулирования ХР, УР, ZP, в инерциальной системе координат заданы и равны соответствующим элементам матрицы TN. Приравнивая элементы матрицы TN (например, наддиагональные элементы) соответствующим заданным значениям обобщенных координ
План
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РУКИ ЧЕЛОВЕКА
3. КОЭФФИЦИЕНТ СЕРВИСА РУКИ ЧЕЛОВЕКА
3.1 Методика определения коэффициента сервиса
3.2 Определение координат точек ориентации
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ РУКИ ЧЕЛОВЕКА
4.1 Обратная задача кинематики о положениях
4.2 Решение обратной задачи кинематики руки человека
4.3 Разработка метода многомерной оптимизации для решения ОЗК
5. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЕРВИСА
5.1 Алгоритм определения коэффициента сервиса руки человека
5.2 Описание программы
5.3 Анализ результатов
6. Охрана труда
6.1 Правові основи охорони праці
6.2 Класифікація причин і методи аналізу виробничого травматизму та профзахворювань
6.3 Основи фізіології, гігієни праці та виробничої санітарії