喻智鋒　陸建峰

摘要：仿人機械臂是當今機器人研究的前沿課題。隨著社會需求與科學技術的發(fā)展，特別是服務型人形機器人的商品化與市場化，仿人機械臂的擬人特性成了機器人研究的新要求。仿人機械臂的擬人特性主要包含兩方面：結(jié)構(gòu)擬人化和運動擬人化。結(jié)構(gòu)擬人化使機械臂外觀與結(jié)構(gòu)更接近人臂，而當機械臂看起來與人自身形狀一樣時，它就很容易引起人類操作者的“共鳴”，從而增強其心理舒適度。運動擬人化使機械臂如同人臂一樣工作，人類作為自然進化的高等生物，其運動機理必然有著獨特的優(yōu)越性，以人臂的運動機理控制機械臂的運動必然將提高其效率。

關鍵詞：仿人機械臂；擬人；構(gòu)型

前言

仿人機械臂構(gòu)型研究是仿人機械臂設計和開發(fā)的第一步，直接決定著仿人機械臂的性能，是仿人機械臂設計的基礎和關鍵。具有類似人臂結(jié)構(gòu)特征的仿人機械臂能夠更好的實現(xiàn)人臂的各種功能。國內(nèi)外學者提出了不同的仿人機械臂模型，但大多是針對某一特殊任務的特定構(gòu)型，缺乏適用于不同任務的通用性模型。對于仿人機械臂，目前采用較多的一種結(jié)構(gòu)是七自由度冗余機械臂，用三個旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成肩部，一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成肘部，三個旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成腕部。

1.人臂運動機理

人類作為自然進化的偉大產(chǎn)物，其運動機理十分復雜。人體運動主要依靠關節(jié)，根據(jù)人體運動解剖學結(jié)構(gòu)特征可以將人體運動關節(jié)分為三類：滑膜關節(jié)、纖維關節(jié)和軟骨關節(jié)，其中滑膜關節(jié)對人體運動起著主要作用，它由關節(jié)面、關節(jié)囊和關節(jié)腔組成，而人臂運動主要來自滑膜關節(jié)。根據(jù)關節(jié)面的形狀可以把滑膜關節(jié)運動分為六類：平面關節(jié)、鉸關節(jié)、環(huán)軸關節(jié)、髁狀關節(jié)、鞍狀關節(jié)和球窩關節(jié)。

人臂運動系統(tǒng)主要由肌肉群、關節(jié)和骨骼三部分組成。從機構(gòu)學的角度出發(fā)，可以將肌肉群視為驅(qū)動器，關節(jié)視為運動副，骨骼視為剛性連桿。它們在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，協(xié)同作用，完成各種動作。根據(jù)人臂關節(jié)的運動形式、運動方向以及運動關節(jié)與身體其他部位的關系，將人臂運動分為：屈伸、收展、環(huán)旋和平動運動。

2.單任務約束仿人機械臂臂姿規(guī)劃

人類作為自然界長期進化的高等生物，在結(jié)構(gòu)和功能上有著許多獨特的優(yōu)越性，如人類手臂的柔順性、安全性、運動靈活性等。把人體的相關特性應用到機器人的研究中，不僅可以學到大自然的諸多奧秘，更能使機器人的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。在前面章節(jié)中，通過對仿人機械臂的構(gòu)型研究，已經(jīng)篩選出了串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式下的仿人機械臂最佳構(gòu)型，但是對仿人機械臂而言，光有與人相似的結(jié)構(gòu)是不夠的，更重要的是希望它能像人臂一樣運動，具有與人臂相似的運動特性。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)機器臂，仿人機械臂具有高度靈活的特點，面臨的工作任務也更為復雜，同時也希望它在完成任務時兼具擬人的特性。傳統(tǒng)的機械臂運動規(guī)劃主要是通過給定優(yōu)化指標來求解機械臂的運動反解，這種規(guī)劃算法只能做到功能上的實現(xiàn)，雖然能夠做到改善機械臂運動過程中的性能，但卻并不是真正意義上的擬人運動。

要使仿人機械臂完成任務時具有擬人的特性，首先必須了解人臂的運動規(guī)律。人臂之所以能輕松的完成各種復雜動作，除了擁有獨特的結(jié)構(gòu)特征外，更主要的是其復雜的控制系統(tǒng)。雖然通過人體解剖學已經(jīng)很好的認識了人臂的結(jié)構(gòu)，但是對于大腦是如何控制肢體的運動卻沒有系統(tǒng)完善的詮釋，而人類獨特的神經(jīng)控制體系正是其作為自然界最高智能生物的原因所在。

3.仿人機械臂實驗平臺

機器人學是一門以實驗為基礎的自然學科，而仿人機械臂的研究更是融合了機器人學、生物物理學、人機工程學、仿生學等多學科的基礎理論與成果，這些理論與成果大多都是建立在實驗的基礎之上，仿人機械臂的諸多結(jié)論也需要通過實驗加以驗證。

機器人仿真技術作為機器人研究的重要研究手段，已成為機器人學中一個引人矚目的重要領域。仿真技術作為一門多學科融合的綜合性技術，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗。而機器人仿真技術更是涉及機構(gòu)學、機器人運動學、三維設計和機器人運動控制等。隨著科研、生產(chǎn)的需要，機器人的工作任務更為復雜，智能化程度也日益增強，簡單的示教方式、數(shù)值仿真和簡單二維圖像仿真技術不再能滿足人們的需求，3D 仿真技術顯的越來越必要。

近來隨著計算機圖形學的發(fā)展使得 3D 仿真技術得以實現(xiàn)，這些 3D 仿真技術能夠再現(xiàn)三維世界中的物體，將機器人的數(shù)值仿真結(jié)果以立體形式呈現(xiàn)出來，從而直觀的顯示機器人的運動情況。目前使用較多的 3D 仿真軟件有 ADAMS、3D Studio Max、OpenGL、Inventor 等?？紤]到仿人機械臂仿真系統(tǒng)是一個集設計、造型、仿真為一體的綜合系統(tǒng)，我們選用 Inventor 作為該仿真系統(tǒng)的開發(fā)軟件。通過 OptiTrack 人體運動捕捉系統(tǒng)采集人臂的運動信息，為人臂運動規(guī)律的研究以及仿人機械臂規(guī)劃算法提供實驗數(shù)據(jù)。仿人機械臂 3D 仿真系統(tǒng)利用計算機可視化技術和面向?qū)ο蟮募夹g手段，模擬機械臂的動態(tài)特征，并可重現(xiàn)人臂運動過程，為實驗人員觀察規(guī)劃結(jié)果提供直觀、快捷的方式。

4.結(jié)語

通過人機工程學對人臂結(jié)構(gòu)特征與功能特征進行分析，并對人臂關節(jié)進行了簡化，結(jié)合機器人學特點，構(gòu)建了串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式下所有符合人臂特征的仿人機械臂構(gòu)型。提出全局相對可操作度指標，對不同構(gòu)型機械臂進行靈活性分析，同時采用三維可視化方法對靈活性進行直觀描述。將仿人機械臂的工作空間分為最大工作空間和最佳工作空間，并與人臂常用工作空間進行對比，從而篩選出最佳仿人機械臂構(gòu)型。

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