16基于人体工程学的仿人机械臂构型

发布时间：2016-07-26 22:08

本文关键词：基于人体工程学的仿人机械臂构型，由笔耕文化传播整理发布。

第49卷第11期2013年6月；机械工程学报；JOURNALOFMECHANICALENGIN；Vol.49No.11Jun.2013DOI：1；基于人体工程学的仿人机械臂构型*；赵京宋春雨杜滨；(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京10；摘要：针对仿人机械臂构型问题，提出一种新的筛选方；ConfigurationofHumanoidR；ZHAOJin

第49卷第11期 2013年6月

机械工程学报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.49 No.11 Jun. 2013DOI：10.3901/JME.2013.11.016

基于人体工程学的仿人机械臂构型*

赵京宋春雨杜滨

(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京 100124)

摘要：针对仿人机械臂构型问题，提出一种新的筛选方法，并确定串联结构方式下最符合人臂特征的仿人机械臂构型。从人体解剖学的角度出发，分析人臂的运动机理，并结合人体测量学和机器人学相关原理构建6种不同的仿人机械臂构型。提出全局相对可操作度指标对不同构型进行灵活性分析，并采用可视化方法绘制出各构型的运动灵活性性能分布图。根据人臂的运动特性分析人臂的运动工作空间，将各构型仿人机械臂工作空间与其对比，从而筛选出串联方式下的最佳仿人机械臂构型。该结果为仿人机械臂的设计提供了理论依据，并为后续运动规划奠定了基础。关键词：人体工程学人臂仿人机械臂构型工作空间中图分类号：TP242

Configuration of Humanoid Robotic Arm Based on Human Engineering

ZHAO Jing SONG Chunyu DU Bin

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

Abstract：A new screening method is proposed in configuring humanoid robotic arm, and a series configuration which is most consistent with the human arm characteristics is constructed The morement mechamsm of human arm from the point of view of human anatomy is analyzed, and 6 types of humanoid robotic arm combined with the mechanism of anthropometry and robotics are constructed. The global relative manipulability index is put forward, and the dexterity of different types of humanoid robotic arm with this index are analyzed. The visualization method is used to plot the image of dexterous performance distribution. The workspaces of human arm are analyzed, and different types of humanoid robotic arm’s workspace with it are contrasted, thereby screening the best type of humanoid robotic arm. The results lay the foundation for humanoid robotic arm design and follow-up study of motion planning.

Key words：Human engineering Human arm Humanoid robotic arm Configuration Workspaces

0 前言

仿人机器人是当今机器人研究领域最活跃的研究方向之一，而作为仿人机器人重要组成部分的仿人机械臂更是各国学者研究的热点。在人体结构中，上肢可以轻松准确、灵活自如地实现触点、抓取、推拉等各种动作，让机器人拥有如人臂般灵活的手臂成了众多科研人员的目标。

[1]

FENG等将人臂分为四部分，用8自由度冗余机械臂模拟人臂，并采用生物学中的舒适度指标? 国家自然科学基金资助项目(51075005)。20120607收到初稿，20130407收到修改稿

对仿人机械臂运动进行优化。TONDU认为在人臂运动过程中，肩胛骨对肩部运动起着重要作用，提出9自由度仿人机械臂。随后他在文献[3]中又考虑了手掌和手指对人臂运动的影响，提出11自由度拟人机械臂模型，并将整个拟人臂分为两个支链：7R

[4]

人臂模型和4R手关节模型。ARTEMIADIS等在仅考虑人臂中2个最重要的关节——肩关节和腕关节的情况下，构建了5自由度仿人机械臂。

[5]

ZACHARIAS等以实现与人臂运动冗余度相似为设计理念提出两种全新的7R仿人机械臂，并对这两种构型的仿人机械臂进行灵活性分析。周玉林 [6]

等对人形机器人构型的研究现状进行了综述，对人体关节、肢体构成与运动进行简化，建立了人体

[2]

2013年6月赵京等：基于人体工程学的仿人机械臂构型 17

的简化模型，并提出串并混联的仿人机械臂构型。

具有类似人臂结构特征的仿人机械臂能够更好模拟人臂运动。虽然各国学者提出了众多的仿人机械臂模型，，但大多仅仅考虑了某一特定构型，并未对所有符合条件的构型进行分析。目前采用较多的一种结构是7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。各国学者在仿人机械臂的结构方式、关节数目的选取以及关节配置方面的研究较少。

本文从人体工程学的角度出发，以人臂为研究对象，提出以串联的转动副简化人臂关节，对仿人机械臂进行构型研究。

是一个1自由度铰关节。腕关节由桡骨关节和腕骨关节组成，由于这两个关节彼此独立，能够独立运动，因此将腕关节分为上下两个部分。上半部分由前臂的桡骨和尺骨组成，连接肘关节，在肌肉群的作用下产生旋转运动；下半部分由桡侧腕关节和尺侧腕关节组成，连接手掌。由此，腕关节可视为由一个单自由度的环轴关节和一个2自由度的髁状关节组成。

2 仿人机械臂模型构建

人臂能够灵活自如的完成各种复杂动作与其复杂的生理机理有着密切关系，这些机理很难用精确的数学模型或是结构模型来完全描述，现有的机械结构也很难实现如此复杂的设计。然而，使用简单合理的结构模型来实现其功能是设计过程中要考虑的重要因素。 2.1 构型分析

1 人臂运动机理

人臂作为自然进化的伟大产物，其运动机理十分复杂。它的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。通过对人臂关节特性的分析，发现利用串联转它们在神经系统的支配下，协同作用，完成各种动副来简化人臂各个关节是一种简单有效的方法。动作。人臂是一个有7个自由度的冗余臂，仿人机械臂要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，图1为人臂基本运动形式。

想实现如人臂般灵活的特性，至少需要拥有7个自

由度。但在实际设计和制造仿人机械臂时，每增加1个自由度都会使机构的复杂度和成本成倍地增加。为了使仿人机械臂最大限度简化机构、降低成本，本文采用7自由度模型，其中三个串联转动副替代肩关节，一个转动副替代肘关节，三个串联转动副替代腕关节，其中肩部和腕部的三个串联转动副分别绕3个垂直基本轴旋转且三轴汇交，结构模型如图2所示。

图1 人臂基本运动

在人体运动解剖学中，人臂从上到下依次包含肩关节、大臂、肘关节、前臂和腕关节，它的运动

[7]

主要来自关节。MORECKI指出人臂有7个自由度，其中肩关节有3个自由度，肘关节有1个自由度，腕关节有3个自由度。肩关节是一个典型的球窝关节，是人体中最灵活的关节。它由肱骨头和肩胛骨的关节盂构成，周围有大量肌肉，组成了人体最复杂的肌肉系统。这些肌肉一方面维护肩关节的稳定性，另一方面驱动肩关节的运动。在球窝关节和肌肉群的配合下，人体肩部可实现绕三个基本运动轴的旋转。肘关节上连肱骨，下连桡骨和尺骨，

图2 人臂关节简化模型

为便于描述，采用欧拉角RPY定义人臂关节运动，如图2所示，绕X轴方向的旋转为偏转(Yaw, Y)，绕Y轴方向旋转为俯仰(Pitch, P)，绕Z轴方向旋转为滚动(Roll, R)，分别用RY、RP、RR表示，其中大写字母R表示旋转关节运动副，下标表示关节旋转方向。各关节可能构型如图3所示。

18 机械工程学报第49卷第11期

人类尺寸为基础进行设计的。如果仿人机器人具有与人类相同的尺寸，则仿人机器人能够直接在现实环境中使用，而不需要为机器人重新设计，这样最符合经济合理性。所以仿人机械臂各部分尺寸应尽量和人臂尺寸相近。以我国18～60岁的男性成年人人臂尺寸为参考，见表1。在图2中上臂尺寸L1选为325 mm，前臂尺寸L2选为245 mm，手掌尺寸L3选为200 mm。

表1 人体上臂主要尺寸 mm

图3 人臂各关节简化构型图

测量目标身高上臂长前臂长

百分位数

1 5 10 50 90 95 99 1 543

1 583

1 604

1 678

1 754

1 775

1 814

[8]

通过图文分析，在串联方式下，肩关节有6种

简化构型，肘关节仅有1种简化构型，腕关节有2种简化构型。整个仿人机械臂具有12(6?1?2)种不同的构型，在绘制实际构型时发现，腕关节2种简化构型实为同一构型，当环轴关节RR旋转90°时，RPRY关节就变成了RYRP关节。故整个仿人机械臂具有6(6?1?1)种不同的构型，可以表示为RYRPRR-RP-RRRPRY(图4a)，RYRRRP-RP-RRRPRY(图4b)，RRRPRY-RP-RRRPRY(图4c)，RRRYRP-RP-RRRPRY (图4d)，RPRYRR-RP-RRRPRY(图4e)，RPRRRY-RP-RR RPRY(图4f)，具体构型如图4所示。

279 289 294 313 333 338 349 206 216 220 237 253 258 268

注：百分位数为统计学术语，如果将一组数据从小到大排序，并计算相应的累计百分位，则某一百分位所对应数据的值就称为这一百分位的百分位数。

3 灵活性分析

根据人体运动解剖学建立的仿人机械臂是一个

7自由度冗余机械臂，相对于非冗余自由度机械臂而言，对于给定的操作空间内的末端点，其关节位形不唯一，不同的关节位形得到的性能指标也不相同。在末端点固定的情况下，冗余自由度机器臂的关节能在一个较大的关节空间的子空间内运动，这样就可以避开障碍，避免奇异位形。冗余机械臂的这种运动灵活性与人臂运动的灵巧性具有极大的相似性。为了对仿人机械臂进行工作空间的灵活性分析，采用机械臂自运动的方式来获取给定末端点的所有可能关节位形。将所有位形中性能指标的最大值作为该点处的性能指标值。 3.1 可操作度指标

对于一个具有n个自由度，m(m?6，m?n)个

末端绝对运动参数的冗余机械臂，其运动学微分方程为

??J(q)q? (1) X??Rm?1表示机械臂末端在操作空间的广义式中，X

??Rn?1表示机械臂关节速度；J(q)?Rm?n表速度；q

图4 仿人机械臂构型图

示机械臂雅可比矩阵，对于冗余度机械臂，m?n。

2.2 构型尺寸

由于现代社会环境主要是为人类服务的，无论是社会公共基础设施还是各种各样的工具，都是以

冗余度机械臂逆解的最小范数解为

? (2) ??J?Xq

式中，J?为雅可比矩阵的广义逆，当J行满秩时，

J??JT(JJT)?1。

2013年6月赵京等：基于人体工程学的仿人机械臂构型 19

地表示出来，采用可视化的方式对其进行描述。首先将仿人机器臂工作空间网格化，将pi点放置在单位网格的中心，然后在pi处放置一个单位球体，该 w??1?2??m (3)

球体的半径和颜色由该点处的全局相对可操作度指可操作度的物理意义是各个方向上运动能力的

标值决定。综合度量，可以用来衡量机器人的整体灵活性。

在不考虑关节限制的条件下，对6种不同构型3.2 梯度投影法

为了定量地描述机器人的运动灵活性，

[9]

YOSHIKAWA定义了可操作度指标

的仿人机械臂进行运动灵活性分析，得到了各构型冗余自由度机械臂的雅可比矩阵是长方矩阵，

的运动灵活性性能分布图，如图5所示。将全局相无论是否满秩，都没有常规的逆，而只有广义逆，

对可操作度指标值均分为10个等级，用不同颜色表因此目前大多数对冗余自由度机器人的研究都是基

示不同等级，同一等级中用球体半径区分指标值的于广义逆解法。梯度投影法是LIEGEOIS首先提出

来的一种基于广义逆的算法。这种方法将逆运动学大小。等级越高，球体半径越大相对可操作度值越问题的解分解为最小范数解和齐次解两部分，式(1)大，在该区域仿人机械臂的操作能力越强。为看清的通解可表示为内部情况，采用3/4剖视图，由于整个工作空间呈

???

??q?s?q?h?JX?k(I?JJ)??w(?) (4) 对称分布，剖视后并不影响整体灵活性的分析。 q

?s是式(1)的最小范数解，q?h是式(1)所对应式中，q通过对运动灵活性性能分布图的分析可以发的齐次线性方程组的通解。(I?J?J)是零空间投影

矩阵。?w(?)为拟优化的目标函数w(?)的梯度投影。系数k为优化因子，它直接影响机械臂关节自运动的速度，极大化w(?)需要选择正的k值，而极小化w(?)则需要选择负的k值。 3.3 全局相对可操作度指标

现，6种仿人机械臂具有相同的最大工作空间，但是各构型在同一工作点的操作能力差别较大。工作中总是希望机械臂在任务工作空间具有较好的灵活性，而全局相对可操作度指标值越大，机械臂操作能力越强。由运动灵活性性能分布图可以看出，以全局相对可操作度值为0.8作为分界点将工作空间分为了两大区域。基于以上原因将整个工作空间中全局相对可操作度值为0.8以上的子空间称为最佳工作空间，根据最佳工作空间的分布位置将6种仿人机械臂构型分为三类，每一类型包含两种构型，具体分类见表2。每种类型的仿人机械臂具有相同的最佳工作空间，具体分布见图6。

为了定量地描述仿人机械臂的运动灵活性，常采用的指标有可操作度、方向可操作度、最小奇异值、条件数、全域性指标和全域运动性能波动指标等，以上指标均为有量纲指标。而在评价过程中，往往希望得到量纲一指标，为此，定义全局相对可操作度指标来使可操作度指标归一化。定义工作空间中坐标点pi的全局相对可操作度

wui?ii?1,2,?,n (5)

wmax式中，ui为pi点的全局相对可操作度值，wi为pi点的可操作度值，wmax为机器人整个工作空间中的最

ui?0表大可操作度值。可见ui的取值范围为[0, 1]，

ui?1表示该点为工作空间中示该点处于奇异位形；

运动性能最好的点。

对仿人机械臂进行灵活性分析时，用蒙特卡洛法随机选取一组关节角，得到与之对应的末端点的坐标，如此将仿人机械臂的工作空间离散为一系列的坐标点pi(i?1,2,?,n)，对每个pi点进行自运动采样。判断采样得到的所有关节位形的可操作能力，将能力最大的值作为该点的性能指标值。这样就能确定仿人机械臂在整个工作空间的运动能力。

(a) RYRPRR-RP-RRRPRY

4 仿真分析

为了将机械臂在工作空间中的运动灵活性直观

(b) RYRRRP-RP-RRRPRY

20 机械工程学报第49卷第11期

(a) 第一类构型

(d) RRRYRP-RP-RRRPRY

(b) 第二类构型

(e) RPRYRR-RP-RRRPRY

图6 最佳工作空间分布图

(f) RPRRRY-RP-RRRPRY

将人臂不同关节运动手指所能达到的所有位置的集合称为人臂的可达工作空间。在日常生活中只有一部分工作空间被经常使用，将这部分区域称为

[10]

常用工作空间。HOWARD等通过试验得到了人臂常用工作空间的具体分布，他在试验者肘部和腕部附加传感器，记录人在完成日常工作时手臂的位置，根据所得数据绘制了人臂常用工作空间，如图

[10]

所示。

图5 运动灵活性性能分布图表2 仿人机械臂构型分类表

类型第一类第二类第三类

仿人机械臂构型

RPRRRY-RP-RRRPRY、RYRRRP-RP-RRRPRY RYRPRR-RP-RRRPRY、RRRPRY-RP-RRRPRY RPRYRR-RP-RPRPRY、RRRPRY-RP-RRRPRY

(a) 正视图

(b) 侧视图

图7 人臂常用工作空间

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