Если человек управляет техническим устройством в ручном режиме с помощью пультов, мнемонических рукояток и т. д., то необходимо знать, какими возможностями манипулирования объектами обладает рука че — ловека-оператора. Естественно попытаться [4] оценить эти возможности с помощью характеристик сервиса.

Анализ функциональных способностей руки человека с учетом мельчай­ших деталей ее строения и сочленения элементов сопряжен со значитель­ными вычислительными трудностями. В то же время для целей исследова­ния руки оператора достаточно иметь механическую модель, кинематичес­кие параметры которой в первом приближении идентичны параметрам оригинала. При этом желательно, чтобы модель имела наименьшее допус­тимое число степеней свободы и чтобы все кинематические пары были пятого класса.

Рука человека, представляет собой разомкнутую кинематическую цепь с 27 степенями свободы. Она состоит из плеча, предплечья и кисти, связанных суставами — плечевым, локтевым и лучезапястным [16]. На рис. 4.4 представлена кинематическая схема — упрощенный механический аналог руки, на которой плечевой и запястный суставы представлены комби­нациями из трех взаимно перпендикулярных вращательных пар с осями, пересекающимися в одной точке; в локтевом суставе — одной вращательной парой пятого класса. Около осей шарниров приведены обозначения углов, которые образуют смежные звенья, а тонкими линиями — исходное поло­жение кинематической цепи, при котором все углы равны нулю. Углы qb q2, q3 определяют положение предплечья относительно плеча, а углы q5, q6, q1 — положение кисти относительно предплечья. Подвижность в грудно­ключичном и ключично-лопаточном суставах относим к плечевому суставу и отдельно не учитываем. Таким образом, согласно используемой при­ближенной модели, конфигурация руки полностью определяется значе­ниями обобщенных координат q„ где і =1, 2,…, 7. Назовем движения звеньев кинематической модели руки, измеряемые углами qh по аналогии с движе­ниями руки человека [8]:

<?, — отведение-приведение плеча, q2 — сгибание-разгибание плеча, q3 — ротация плеча,

qA — сгибание-разгибание предплечья, q5 — ротация предплечья, q6 — сгибание-разгибание кисти, q-i — отведение-приведение кисти.

Поскольку рука оператора интересует нас как управляющий орган, например манипулятором, то будем считать, что кисть выполняет лишь одну функцию: плотно охватывает задающую рукоятку так, что кисть оператора и рукоятка представляют одно жесткое звено.

Чтобы хотя бы приближенно идентифицировать нашу модель с рукой оператора, необходимо ее вращательным парам приписать ограничения подвижности q*min и q*mm, свойственные суставам руки. Эти ограничения возникают вследствие ряда причин, которые условно можно разделить на внутренние и внешние. К внутренним относят ограничения, обусловленные особенностями анатомии сопрягаемых в суставе частей тела, ограни­чивающие относительную подвижность смежных звеньев. К внешним ограничениям относят факторы, ограничивающие суммарную подвижность звеньев в пространстве. Они определяются специфичностью компоновки рабочего пространства оператора (в том числе размерами тела оператора, наличием стационарного технологического оборудования и т. п.).

В разных конфигурациях руки человека внутренние ограничения из-за взаимосвязи по степеням подвижности плечевого и лучезапястного суставов различны.

Только в локтевом суставе ограничения являются независимыми и рав­ны = -145°, <?4max = 0°. В связи с отмеченной особенностью оценке

сервиса модели руки человека необходимо предпослать экспериментальное определение ограничений подвижности как функции углов взаимного расположения звеньев в плечевом (ql = /(#2>#з)) и лучезапястном (ql = fiq^q-j)) суставах. Один из макетов, изготовленных с этой целью, реализующий выбранную механическую модель руки человека, пред­ставлен на рис. 4.5.

Методика определения ограничений подвижности q*, например по углу q, сводится к тому, что фиксируют положения в двух других кинемати­ческих парах (q2, q3) исследуемого сустава. Затем предельно достижимые положения руки при движении в одну и в другую стороны (q*min и qfmax) регистрируют с помощью измерительного лимба. Проведя ряд замеров таких предельных положений, путем последовательного перебора фикси­рованных положений двух кинематических пар можно найти искомые зависимости q*.

По изложенной методике были предварительно исследованы шесть операторов, среди которых был отобран один с усредненными данными. Это позволило исключить возможность исследования оператора с пато­логическими явлениями в движениях суставов.

В качестве примера на рис. 4.6 и 4.7 приведены полученные функции

ЧЇ =Кя2’Ь) и?7 =/(?5.9б). а также <72 =/(<?!.<?з) и <?6* =f(q5,q7) при = 0 и q5 = 0. Эксперимент показал, что ограничения подвижности в плечевом

Рис. 4.5. Общий вид экспериментального стенда для измерения ограничений в суставах руки человека

суставе существенно зависят от угла q3. Так, значение угла <7*^ меняется от 0° при <7з = -90° до 150° при q3 = 90°. В лучезапястном суставе ограничения подвижности в зависимости от ротации предплечья q5 меняются незначительно. Полученные экспериментальные данные аппроксимировали многочленами и вводили в ЭВМ для расчета зон сервиса модели, пред­ставленной на рис. 4.4.

При исследовании коэффициента сервиса учитывали не только найденные внутренние ограничения, но и внешние ограничения на подвижность руки, создаваемые туловищем и головой оператора. Это означает, что был формализован процесс, не допускающий ситуаций, при которой в пространстве, занятом головой и туловищем опера­тора, могла оказаться кисть. Иначе говоря, потребовалось установить границы, за пределами которых не должны находиться точки 3, JI, С (см. рис. 4.4).

Характеристики сервиса рассчитывали в соответствии с изложенной выше методикой для средних значений длин звеньев: плечо /, = 305 мм; предплечье 12 = 264 мм; кисть /3 = 70 мм; /4 = 100 мм (длина рукоятки).

Расчеты коэффициента сервиса проводили в точках, равномерно распределенных (с интервалом 12 см) по всей зоне досягаемости ру­ки. Результаты представлены на рис. 4.8, на котором изображены се­чения пространства фронтальными плоскостями. Координата сечения по оси У (система XYZ, см. рис. 4.4) указана на каждом плане. Показаны линии равного сервиса. Видно, что в пространстве около опера-

о 2 {?*

Рис. 4.6. Графики функций q{ = f(q2,q3) СО и q2 = f(qi, qj) (2) при q3 = О Рис. 4.7. Графики функций q*7 = f(q5,q6) (/) и q*6 = f(q5,q7) (2) при q5 =0

х 1 q* 0 2

тора имеются две зоны с наибольшими значениями коэффициента сервиса.

Анализ диаграмм пространственного распределения коэффициента сервиса руки оператора позволяет выработать рекомендации для рацио­нального планирования рабочего пространства в системах, где от человека требуется сложное ориентирующее воздействие на орудия труда, сконцент­рированные в его ближайшем окружении.

Следует отметить, что диаграммы пространственного распределения коэффициента сервиса руки оператора можно было бы получить экспери­ментально. И такой эксперимент был проведен [4]. Полученные результаты показали хорошее соответствие диаграммам коэффициента сервиса, рассчитанным по приближенной кинематической модели руки оператора. Этот факт позволяет рекомендовать описанную кинематическую модель руки оператора для использования при проектировании систем человек — машина, когда недостаточно иметь только диаграммы распределения коэф­фициентов сервиса.