仿人機(jī)械臂構(gòu)型綜合與臂姿規(guī)劃

喻智鋒　陸建峰

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

關(guān)鍵詞：仿人機(jī)械臂；擬人；構(gòu)型

前言

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

1.人臂運(yùn)動(dòng)機(jī)理

人類作為自然進(jìn)化的偉大產(chǎn)物，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜。人體運(yùn)動(dòng)主要依靠關(guān)節(jié)，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征可以將人體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)分為三類：滑膜關(guān)節(jié)、纖維關(guān)節(jié)和軟骨關(guān)節(jié)，其中滑膜關(guān)節(jié)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)起著主要作用，它由關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔組成，而人臂運(yùn)動(dòng)主要來自滑膜關(guān)節(jié)。根據(jù)關(guān)節(jié)面的形狀可以把滑膜關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分為六類：平面關(guān)節(jié)、鉸關(guān)節(jié)、環(huán)軸關(guān)節(jié)、髁狀關(guān)節(jié)、鞍狀關(guān)節(jié)和球窩關(guān)節(jié)。

人臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由肌肉群、關(guān)節(jié)和骨骼三部分組成。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，可以將肌肉群視為驅(qū)動(dòng)器，關(guān)節(jié)視為運(yùn)動(dòng)副，骨骼視為剛性連桿。它們?cè)谏窠?jīng)系統(tǒng)的支配下，協(xié)同作用，完成各種動(dòng)作。根據(jù)人臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)與身體其他部位的關(guān)系，將人臂運(yùn)動(dòng)分為：屈伸、收展、環(huán)旋和平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

2.單任務(wù)約束仿人機(jī)械臂臂姿規(guī)劃

人類作為自然界長期進(jìn)化的高等生物，在結(jié)構(gòu)和功能上有著許多獨(dú)特的優(yōu)越性，如人類手臂的柔順性、安全性、運(yùn)動(dòng)靈活性等。把人體的相關(guān)特性應(yīng)用到機(jī)器人的研究中，不僅可以學(xué)到大自然的諸多奧秘，更能使機(jī)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(duì)仿人機(jī)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(jī)械臂最佳構(gòu)型，但是對(duì)仿人機(jī)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(yùn)動(dòng)，具有與人臂相似的運(yùn)動(dòng)特性。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器臂，仿人機(jī)械臂具有高度靈活的特點(diǎn)，面臨的工作任務(wù)也更為復(fù)雜，同時(shí)也希望它在完成任務(wù)時(shí)兼具擬人的特性。傳統(tǒng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃主要是通過給定優(yōu)化指標(biāo)來求解機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)反解，這種規(guī)劃算法只能做到功能上的實(shí)現(xiàn)，雖然能夠做到改善機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中的性能，但卻并不是真正意義上的擬人運(yùn)動(dòng)。

要使仿人機(jī)械臂完成任務(wù)時(shí)具有擬人的特性，首先必須了解人臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。人臂之所以能輕松的完成各種復(fù)雜動(dòng)作，除了擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征外，更主要的是其復(fù)雜的控制系統(tǒng)。雖然通過人體解剖學(xué)已經(jīng)很好的認(rèn)識(shí)了人臂的結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于大腦是如何控制肢體的運(yùn)動(dòng)卻沒有系統(tǒng)完善的詮釋，而人類獨(dú)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(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

機(jī)器人學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，而仿人機(jī)械臂的研究更是融合了機(jī)器人學(xué)、生物物理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、仿生學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)理論與成果，這些理論與成果大多都是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，仿人機(jī)械臂的諸多結(jié)論也需要通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

機(jī)器人仿真技術(shù)作為機(jī)器人研究的重要研究手段，已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人矚目的重要領(lǐng)域。仿真技術(shù)作為一門多學(xué)科融合的綜合性技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。而機(jī)器人仿真技術(shù)更是涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、三維設(shè)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等。隨著科研、生產(chǎn)的需要，機(jī)器人的工作任務(wù)更為復(fù)雜，智能化程度也日益增強(qiáng)，簡(jiǎn)單的示教方式、數(shù)值仿真和簡(jiǎn)單二維圖像仿真技術(shù)不再能滿足人們的需求，3D 仿真技術(shù)顯的越來越必要。

近來隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展使得 3D 仿真技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，這些 3D 仿真技術(shù)能夠再現(xiàn)三維世界中的物體，將機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jī)械臂仿真系統(tǒng)是一個(gè)集設(shè)計(jì)、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(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集人臂的運(yùn)動(dòng)信息，為人臂運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究以及仿人機(jī)械臂規(guī)劃算法提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。仿人機(jī)械臂 3D 仿真系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)和面向?qū)ο蟮募夹g(shù)手段，模擬機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特征，并可重現(xiàn)人臂運(yùn)動(dòng)過程，為實(shí)驗(yàn)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(jī)工程學(xué)對(duì)人臂結(jié)構(gòu)特征與功能特征進(jìn)行分析，并對(duì)人臂關(guān)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，結(jié)合機(jī)器人學(xué)特點(diǎn)，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(jī)械臂構(gòu)型。提出全局相對(duì)可操作度指標(biāo)，對(duì)不同構(gòu)型機(jī)械臂進(jìn)行靈活性分析，同時(shí)采用三維可視化方法對(duì)靈活性進(jìn)行直觀描述。將仿人機(jī)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(jìn)行對(duì)比，從而篩選出最佳仿人機(jī)械臂構(gòu)型。

參考文獻(xiàn)：

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