仿人機械臂構型綜合與臂姿規劃

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：結構擬人化和運動擬人化。結構擬人化使機械臂外觀與結構更接近人臂，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；構型

前言

仿人機械臂構型研究是仿人機械臂設計和開發的第一步，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。具有類似人臂結構特征的仿人機械臂能夠更好的實現人臂的各種功能。國內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構是七自由度冗余機械臂，用三個旋轉關節組成肩部，一個旋轉關節組成肘部，三個旋轉關節組成腕部。

1.人臂運動機理

人類作為自然進化的偉大產物，其運動機理十分復雜。人體運動主要依靠關節，根據人體運動解剖學結構特征可以將人體運動關節分為三類：滑膜關節、纖維關節和軟骨關節，其中滑膜關節對人體運動起著主要作用，它由關節面、關節囊和關節腔組成，而人臂運動主要來自滑膜關節。根據關節面的形狀可以把滑膜關節運動分為六類：平面關節、鉸關節、環軸關節、髁狀關節、鞍狀關節和球窩關節。

人臂運動系統主要由肌肉群、關節和骨骼三部分組成。從機構學的角度出發，可以將肌肉群視為驅動器，關節視為運動副，骨骼視為剛性連桿。它們在神經系統的支配下，協同作用，完成各種動作。根據人臂關節的運動形式、運動方向以及運動關節與身體其他部位的關系，將人臂運動分為：屈伸、收展、環旋和平動運動。

2.單任務約束仿人機械臂臂姿規劃

人類作為自然界長期進化的高等生物，在結構和功能上有著許多獨特的優越性，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，更能使機器人的結構和功能產生質的飛躍。在前面章節中，通過對仿人機械臂的構型研究，已經篩選出了串聯結構方式下的仿人機械臂最佳構型，但是對仿人機械臂而言，光有與人相似的結構是不夠的，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。相比于傳統的工業機器臂，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。傳統的機械臂運動規劃主要是通過給定優化指標來求解機械臂的運動反解，這種規劃算法只能做到功能上的實現，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，除了擁有獨特的結構特征外，更主要的是其復雜的控制系統。雖然通過人體解剖學已經很好的認識了人臂的結構，但是對于大腦是如何控制肢體的運動卻沒有系統完善的詮釋，而人類獨特的神經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，利用系統模型對實際的或設想的系統進行動態試驗。而機器人仿真技術更是涉及機構學、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展使得 3D 仿真技術得以實現，這些 3D 仿真技術能夠再現三維世界中的物體，將機器人的數值仿真結果以立體形式呈現出來，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。考慮到仿人機械臂仿真系統是一個集設計、造型、仿真為一體的綜合系統，我們選用 Inventor 作為該仿真系統的開發軟件。通過 OptiTrack 人體運動捕捉系統采集人臂的運動信息，為人臂運動規律的研究以及仿人機械臂規劃算法提供實驗數據。仿人機械臂 3D 仿真系統利用計算機可視化技術和面向對象的技術手段，模擬機械臂的動態特征，并可重現人臂運動過程，為實驗人員觀察規劃結果提供直觀、快捷的方式。

4.結語

通過人機工程學對人臂結構特征與功能特征進行分析，并對人臂關節進行了簡化，結合機器人學特點，構建了串聯結構方式下所有符合人臂特征的仿人機械臂構型。提出全局相對可操作度指標，對不同構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型。

參考文獻：

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