仿人机械臂构型综合与臂姿规划

喻智锋　陆建峰

摘要：仿人机械臂是当今机器人研究的前沿课题。随着社会需求与科学技术的发展，特别是服务型人形机器人的商品化与市场化，仿人机械臂的拟人特性成了机器人研究的新要求。仿人机械臂的拟人特性主要包含两方面：结构拟人化和运动拟人化。结构拟人化使机械臂外观与结构更接近人臂，而当机械臂看起来与人自身形状一样时，它就很容易引起人类操作者的“共鸣”，从而增强其心理舒适度。运动拟人化使机械臂如同人臂一样工作，人类作为自然进化的高等生物，其运动机理必然有着独特的优越性，以人臂的运动机理控制机械臂的运动必然将提高其效率。

关键词：仿人机械臂；拟人；构型

前言

仿人机械臂构型研究是仿人机械臂设计和开发的第一步，直接决定着仿人机械臂的性能，是仿人机械臂设计的基础和关键。具有类似人臂结构特征的仿人机械臂能够更好的实现人臂的各种功能。国内外学者提出了不同的仿人机械臂模型，但大多是针对某一特殊任务的特定构型，缺乏适用于不同任务的通用性模型。对于仿人机械臂，目前采用较多的一种结构是七自由度冗余机械臂，用三个旋转关节组成肩部，一个旋转关节组成肘部，三个旋转关节组成腕部。

1.人臂运动机理

人类作为自然进化的伟大产物，其运动机理十分复杂。人体运动主要依靠关节，根据人体运动解剖学结构特征可以将人体运动关节分为三类：滑膜关节、纤维关节和软骨关节，其中滑膜关节对人体运动起着主要作用，它由关节面、关节囊和关节腔组成，而人臂运动主要来自滑膜关节。根据关节面的形状可以把滑膜关节运动分为六类：平面关节、铰关节、环轴关节、髁状关节、鞍状关节和球窝关节。

人臂运动系统主要由肌肉群、关节和骨骼三部分组成。从机构学的角度出发，可以将肌肉群视为驱动器，关节视为运动副，骨骼视为刚性连杆。它们在神经系统的支配下，协同作用，完成各种动作。根据人臂关节的运动形式、运动方向以及运动关节与身体其他部位的关系，将人臂运动分为：屈伸、收展、环旋和平动运动。

2.单任务约束仿人机械臂臂姿规划

人类作为自然界长期进化的高等生物，在结构和功能上有着许多独特的优越性，如人类手臂的柔顺性、安全性、运动灵活性等。把人体的相关特性应用到机器人的研究中，不仅可以学到大自然的诸多奥秘，更能使机器人的结构和功能产生质的飞跃。在前面章节中，通过对仿人机械臂的构型研究，已经筛选出了串联结构方式下的仿人机械臂最佳构型，但是对仿人机械臂而言，光有与人相似的结构是不够的，更重要的是希望它能像人臂一样运动，具有与人臂相似的运动特性。相比于传统的工业机器臂，仿人机械臂具有高度灵活的特点，面临的工作任务也更为复杂，同时也希望它在完成任务时兼具拟人的特性。传统的机械臂运动规划主要是通过给定优化指标来求解机械臂的运动反解，这种规划算法只能做到功能上的实现，虽然能够做到改善机械臂运动过程中的性能，但却并不是真正意义上的拟人运动。

要使仿人机械臂完成任务时具有拟人的特性，首先必须了解人臂的运动规律。人臂之所以能轻松的完成各种复杂动作，除了拥有独特的结构特征外，更主要的是其复杂的控制系统。虽然通过人体解剖学已经很好的认识了人臂的结构，但是对于大脑是如何控制肢体的运动却没有系统完善的诠释，而人类独特的神经控制体系正是其作为自然界最高智能生物的原因所在。

3.仿人机械臂实验平台

机器人学是一门以实验为基础的自然学科，而仿人机械臂的研究更是融合了机器人学、生物物理学、人机工程学、仿生学等多学科的基础理论与成果，这些理论与成果大多都是建立在实验的基础之上，仿人机械臂的诸多结论也需要通过实验加以验证。

机器人仿真技术作为机器人研究的重要研究手段，已成为机器人学中一个引人瞩目的重要领域。仿真技术作为一门多学科融合的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。而机器人仿真技术更是涉及机构学、机器人运动学、三维设计和机器人运动控制等。随着科研、生产的需要，机器人的工作任務更为复杂，智能化程度也日益增强，简单的示教方式、数值仿真和简单二维图像仿真技术不再能满足人们的需求，3D 仿真技术显的越来越必要。

近来随着计算机图形学的发展使得 3D 仿真技术得以实现，这些 3D 仿真技术能够再现三维世界中的物体，将机器人的数值仿真结果以立体形式呈现出来，从而直观的显示机器人的运动情况。目前使用较多的 3D 仿真软件有 ADAMS、3D Studio Max、OpenGL、Inventor 等。考虑到仿人机械臂仿真系统是一个集设计、造型、仿真为一体的综合系统，我们选用 Inventor 作为该仿真系统的开发软件。通过 OptiTrack 人体运动捕捉系统采集人臂的运动信息，为人臂运动规律的研究以及仿人机械臂规划算法提供实验数据。仿人机械臂 3D 仿真系统利用计算机可视化技术和面向对象的技术手段，模拟机械臂的动态特征，并可重现人臂运动过程，为实验人员观察规划结果提供直观、快捷的方式。

4.结语

通过人机工程学对人臂结构特征与功能特征进行分析，并对人臂关节进行了简化，结合机器人学特点，构建了串联结构方式下所有符合人臂特征的仿人机械臂构型。提出全局相对可操作度指标，对不同构型机械臂进行灵活性分析，同时采用三维可视化方法对灵活性进行直观描述。将仿人机械臂的工作空间分为最大工作空间和最佳工作空间，并与人臂常用工作空间进行对比，从而筛选出最佳仿人机械臂构型。

参考文献：

[1]时凯飞，李瑞峰.自由度仿人手臂运动学研究.哈尔滨工业大学学报.2003，35（7）：806-808.

[2]陈鹏，刘璐，余飞，李洪谊，阳方平，王雪竹.一种仿人机械臂的运动学逆解的几何求解方法.机器人.2012，32（2）： 211-216.

[3]方承，丁希仑.面向人臂三角形动作基元的拟人臂运动学.机器人.2012，34（3）：257-264.