Компьютерное моделирование коэффициента сервиса руки человека

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.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Факультет комп'ютерных систем и технологий

Кафедра системной инженерии

Пояснительная записка

К дипломной работе

На тему

Компьютерное моделирование коэффициента сервиса руки человека

Виполнила: студентка группы КТ-792

Коваленко М.О.

Руководитель:Пономаренко С.С.

Луганск 2013 р



Реферат

компьютерное моделирование рука сервис

Дипломная работа образовательно-квалифицированного уровня «бакалавр» содержит пояснительную записку, графическую часть, программное обеспечение на носителе. Пояснительная записка состоит из __стр. и включает в себя __рис., __табл., __литературных источников, __приложений.

Задачей данной работы является построение математической модели коэффициента сервиса руки человека и компьютерное моделирование этой задачи.

Ключевые слова: робот, структурная схема, модель, кинематика, манипулятор, коэффициент сервиса, метод многомерной оптимизации.



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

6.4 Основи техніки безпеки на виробництві

6.5 Основи пожежної безпеки

6.6 Висновки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Приложения



ВВЕДЕНИЕ

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. Кинематика является одним из разделов биомеханики.

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. Причины возникновения и изменения движений раскрывает динамика.

Человек состоит из набора сегментов, соединенных сочленениями - суставами. При этом сегменты объединяются в кинематические пары.

Кинематические пары в теле человека - это подвижные соединения двух костных звеньев, обеспечивающих их произвольные пространственные движения. Возможности движения кинематических соединений определяются скелетным строением тела и управляющим воздействием мышц.

Кинематические пары принято называть биокинематическими. Положение биокинематических пар в пространстве принято описывать их местоположением, ориентацией и позой. Самой сложной задачей является определение ориентации, она иллюстрирует поворот тела относительно неподвижной системы координат. Ее характеризуют три угловых координаты x,y,z (так называемые углы Эйлера).

В биомеханике с целью облегчить описание движений человека вводят понятия плоскостей тела. Основные плоскости тела и всякие другие, параллельные им, ориентированы в системе трех взаимно перпендикулярных осей тела.

Из всех биокинематических пар при изучении двигательных действий человека специалистов интересуют, прежде всего, верхние и нижние конечности тела, представляющие собой низшие вращательные кинематические пары. Представленная дипломная работа посвящена исследованию кинематики верхней конечности человека, то есть руки человека.



1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

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;

- исследовать подвижность руки и найти ограничения на ее движения;

- построить кинематическую модель руки человека;

- разработать метод решения обратной задачи кинематики;

- разработать метод многомерной оптимизации для решения системы нелинейных уравнений седьмого порядка;

- разработать методику определения коэффициента сервиса;

- разработать программную реализацию определения коэффициента сервиса;

- проанализировать результаты.

Решение этих задач позволит значительно упростить исследования кинематики движения руки человека и создание человекоподобных роботов.



2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РУКИ ЧЕЛОВЕКА

Для построения кинематической модели руки человека, необходимо исследовать строение руки и построить ее структурную схему.

Человек состоит из набора сегментов, соединенных суставами. При этом сегменты объединяются в кинематические пары. Кинематические пары в теле человека - это подвижные соединения двух костных звеньев, обеспечивающих их произвольные пространственные движения. Такие кинематические пары принято называть биокинематическими.

Верхняя конечность включает: плече-лопаточный сустав, плечевую кость, локтевой сустав, предплечье (локтевую и лучевую кости), лучезапястное сочленение и кисть (рис.1).

Рис.1 Схематическая структурная схема руки человека

Плечевой шаровой шарнир руки представляет собой сферическую биокинематическую пару III класса (рис.2).

Рис.2 Сферическая биокинематическая пара III класса

Эта кинематическая пара подвижная и допускает обширные движения: до 190° в вертикальной (глубинной) плоскости, до 180° в стороны (в поперечной плоскости) и до 100° во фронтальной плоскости.

Локтевой сустав представляет собой вращательную кинематическую пару V класса. Он обеспечивает сгибание-разгибание руки в плоскости движения предплечья в пределах до 145°.

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°. Рука человека имеет способность поворачивать предплечье с кистью относительно его продольной оси. Общий диапазон этих движений превосходит 180°.

Для построения структурной схемы руки человека произведем разложение сферической кинематической пары III класса на три вращательных кинематических пары V класса (рис.3).

Рис.3 Замена сферической кинематической пары на 3 вращательные кинематические пары

Если преобразовать схематическую структурную схему, используя замену, то структурная схема руки человека примет вид, показанный на рис.4

Рис.4 Структурная схема руки человека

Где

звенья 1,2,3 - это вращательные кинематические пары V класса, которые образуют плече-лопаточный сустав;

звено 4 - вращательная кинематическая пара V класса, представляет собой локтевой сустав;

звенья 5,6,7 - вращательные кинематические пары V класса, образующие лучезапястный сустав.



3. КОЭФФИЦИЕНТ СЕРВИСА МАНИПУЛЯЦИОННОГО РОБОТА

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. При этом ось рабочего органа (его вектор подхода) всегда должна проходить через заданную точку рабочей зоны.

Совокупность возможных положений (ориентаций) оси рабочего органа, при которых центр рабочего органа находится в одной заданной точке рабочей зоны, определяет пространственный (телесный) угол, который называется углом сервиса (рис.5).

Рис.5 Схематическое изображение угла сервиса

Коэффициентом сервиса Ks в данной точке рабочей зоны называется отношение угла сервиса в этой точке к углу :



(1)

Угол сервиса и, следовательно, коэффициент сервиса Ks в каждой точке рабочей зоны зависят от количества и типа кинематических пар, огра...