仿人机械手臂结构设计与运动学分析.pdf
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1、2024年 第48卷 第2期Journal of Mechanical Transmission仿人机械手臂结构设计与运动学分析杨亚昆 张小俊 秦 康(河北工业大学 机械工程学院,天津 300401)摘要 针对真人在驾驶员注意力监测系统性能测试中重复性执行单一动作存在易疲劳等问题,设计了一种模拟驾驶员接打手持电话和抽烟等行为动作的仿人机械手臂。首先,基于外骨骼的设计方法,进行机械臂和仿生手的结构设计;然后,利用改进的D-H法建立机械手臂运动学模型,进行正逆运动学求解和工作空间分析,并在Adams软件中对机械手臂进行动力学仿真,获得了其运动特性与负载特性。仿真结果表明,该机械手臂结构设计合理,关
2、节柔性执行器选型满足要求。关键词 机械手臂 结构设计 运动学 工作空间Structural Design and Kinematic Analysis of Humanoid Robot ArmsYang Yakun Zhang Xiaojun Qin Kang(School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)Abstract Aiming at the problem that human beings are prone to fatigue when they rep
3、eatedly perform a single action in the performance test of the driver attention monitoring system,a humanoid robot arm is designed to simulate the drivers behaviors such as answering and making handsets and smoking.Firstly,based on the exoskeleton design method,the structure of the robot arm and the
4、 bionic hand is designed.Secondly,the improved D-H method is used to establish the kinematics model of the manipulator;the forward and inverse kinematics are solved,and the workspace is analyzed;the dynamics simulation of the robot arm is carried out in Adams software to obtain its motion characteri
5、stics and load characteristics.The simulation results show that the structural design of the manipulator is reasonable,and the selection of joint flexible actuators meets the requirements.Key words Robot arm Structural design Kinematics Workspace0 引言随着汽车智能化程度的提升,越来越多的汽车开始搭载各类驾驶辅助系统,与之而来的是,与智能驾驶汽车相关的
6、交通事故也呈逐渐上升趋势。据调查发现,在众多交通事故中因驾驶员疲劳驾驶导致的交通事故占总数的20%左右,占特大交通事故的40%以上1-2。对此,为了提高车辆驾驶的安全性,降低交通事故风险,并加快智能网联汽车相关标准制定工作,相关部门制定了推荐性国家标准 GB/T 417972022,标准中创新性地采用仿人机器人与真人相结合的试验方式,通过仿人机器人分别对驾驶员接打手持电话、抽烟等项目进行重复性测试,验证系统的检出率、准确率及响应时间等关键参数。仿人机器人具有与真人相似的身体外观,可以直接使用为人类设计的工具3。日本国家先进工业科学技术研究所的HRP-4C4仿人机器人具有逼真的头部和逼真的人形。
7、英国Engineered Arts公司52021年发布了一款逼真人形机器人Ameca。Engineered Arts还专门研究了“Mesmer”机器人平台,主要创造娱乐用的人形机器人。在国内,对仿人机器人的研究以高校为主。北京理工大学的Huang等6组建的仿人机器人研究团队陆续研发了多代BHR系列的仿人机器人。中国科学技术大学的机器人团队制作的美女人形机器人“佳佳”具有与真人等比例的样貌7,与人互动时还配以表情和动作。近些年,国内新兴的机器人科技公司开始发力,优必选的家庭服务机器人Walker X具备在常用家庭场景和办公场景的自由活动和服务能力。2022世界机器人大会上,大连蒂文章编号:100
8、4-2539(2024)02-0096-08DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2024.02.01496第2期杨亚昆,等:仿人机械手臂结构设计与运动学分析艾斯公司展示了最新自主研制的“邓丽君”“爱因斯坦”等真实形态的人形机器人。现有的仿人机器人系统庞大、结构复杂,更多应用于服务领域进行引导、介绍等工作。同时,在进行驾驶员注意力监测系统(Driver Attention Monitoring System,DAMS)性能验证试验过程中,监测对象需要长时间重复性执行单一测试动作,易导致真人(监测对象)疲劳、烦躁,从而降低试验效率。针对上述问题,本文设计了一种仿人机械手臂,
9、用于代替真人执行驾驶员的接打手持电话和抽烟等行为动作。该机械手臂分为6自由度机械臂和欠驱动的仿生手两部分。为了验证该机械手臂结构设计的合理性,采用改进的D-H参数法进行机械手臂的运动学分析,利用蒙特卡洛法进行其工作空间分析。最后,通过Adams软件对该机械手臂进行了动力学仿真,为后续制作实体样机做准备。1 驾驶行为动作分析为满足车辆驾驶的安全性要求,全国汽车标准化技术委员会智能网联汽车分技术委员会于2018年启动了DAMS的标准制定工作,并于2019年完成立项,立项号为 20193390-T-339。标准中关于 DAMS试验方法的部分指出,当系统处于激活状态且功能正常时,监测对象保持正常驾驶姿
10、势,完成表1所示的行为动作。进行DAMS的驾驶员识别能力试验时,监测对象为真人;而进行检出率及准确率试验时,监测对象为与真人相似的仿人机器人。由于进行检出率和准确率试验时,监测对象需要重复性地执行表1中的行为动作,所以,用机器人可有效避免真人在试验过程中产生的易疲劳、烦躁等问题,提高试验效率。根据人的手臂关节运动机制,可将其运动分为屈伸、收展、环旋和平动8。在人体运动解剖学中,人的手臂从上到下分为肩关节、大臂、肘关节、前臂和腕关节。其中,肩关节作为人臂中最复杂的关节,是一个类球窝的关节,可以实现屈曲/伸展、外展/内收、环转等运动;肘关节较为简单,是一个单自由度的铰关节,可以实现屈曲/伸展运动;
11、腕关节作为连接手掌的重要关节,由桡骨关节和腕骨关节组成,可以实现前臂的内旋/外旋、腕关节的屈曲/伸展和桡屈/尺屈等运动。本文主要进行仿人机械手臂的设计工作。仿人机械臂在执行驾驶员接打手持电话和抽烟等动作的过程中,涉及的上肢动作有肩部的屈曲/伸展和外展/内收、大臂的内旋/外旋、肘部的屈曲/伸展、前臂的外旋/内旋、腕部的屈曲/伸展共6种。各关节的运动范围如表2所示。表 2各关节运动范围Tab.2Motion range of each joint关节肩部肘部腕部运动形式屈曲/伸展外展/内收外旋/内旋屈曲/伸展外旋/内旋屈曲/伸展范围/()-45,90-20,90-90,900,120-90,90-
12、30,302 仿人机械手臂结构设计为了设计出符合要求的仿人机械手臂,综合考虑功能需求和人体上臂构型,提出了机械手臂的驱表1行为动作单次完整试验定义Tab.1Definition of single complete test of behavior actions序号12345行为动作闭眼打哈欠头部姿态异常接打手持电话抽烟向左转头向右转头抬头低头单次完整试验定义监测对象目视前方保持正常驾驶姿势,然后闭眼,持续闭眼2 s后睁开眼睛监测对象目视前方保持正常驾驶姿势,然后打哈欠,持续张嘴3 s后闭合嘴巴监测对象目视前方保持正常驾驶姿势,头部在0位置(头部方向与车辆行驶方向一致),然后向左转头4550
13、,持续3 s后回到0位置监测对象目视前方保持正常驾驶姿势,头部在0位置(头部方向与车辆行驶方向一致),然后向右转头4550,持续3 s后回到0位置监测对象目视前方保持正常驾驶姿势,头部在0位置(头部方向与车辆行驶方向一致),然后抬头3035,持续3 s后回到0位置监测对象目视前方保持正常驾驶姿势,头部在0位置(头部方向与车辆行驶方向一致),然后低头3035,持续3 s后回到0位置监测对象保持正常驾驶姿势,接打手持电话时(手机不能被手部完全遮挡),手持电话靠近头部持续3 s后将手机放下继续正常驾驶监测对象保持正常驾驶姿势,手夹香烟靠近面部2 cm以内持续2 s后将烟放下继续正常驾驶97第48卷动
14、方式和自由度配置方案,从而进行机械臂和仿生手的结构设计。2.1仿人机械臂结构设计仿人机械臂的结构基于外骨骼的设计方法9。目前已有的机械臂种类繁多,主要在外观结构和传动方式选择上有所不同,本文采用电动机直接驱动关节的方式。基于模块化和轻量化的设计原则,选用闵闼智能的智能柔性执行器(Smart Compliant Actuator,SCA)作为驱动电动机。SCA集新型伺服电动机、高精度减速器、高精度编码器和底层伺服驱动于一体,具有高集成化、高性能、低成本和易使用性等特点,是大多数机器人核心的运动关节执行器。在材料选择上,各关节结构使用铝合金材料。各关节尺寸按照国家标准GB/T 1000019881
15、02-3中统计的人体尺寸基础数值来确定。设计的6自由度机械臂如图1所示。其中,肩关节1模仿肩部的屈曲/伸展运动,肩关节2模仿肩部的外展/内收运动,肩关节3模仿肩部的外旋/内旋运动,腕关节1模仿腕部的外旋/内旋运动,腕关节2模仿腕部的屈曲/伸展运动。2.2仿生手结构设计机械手臂末端执行器是拟人化的、欠驱动的5指仿生手。该仿生手指采用绳索-滑轮的传动方式1148,绳索一端固定在手指末端指尖处,另一端依次穿过各滑轮与驱动电动机相连。此外,在每根手指的关节处均有180的V型扭转弹簧用于手指复位。人手的近指关节和远指关节的运动具有耦合性,而掌骨关节的运动是相对独立的12355。为了降低手指结构复杂性,兼
16、顾手指运动的灵活性,该仿生手将手指的中指节和远指节融合为一体,统称为远指节,最终仿生手指的结构组成简化为远指节和近指节两部分。除拇指外,其余4指两个关节的结构构型和参数分别相同,从而保证了各模块之间的互换性。以食指为例,手指的结构如图2所示。拇指在包络抓取操作中发挥着不可或缺的作用,本文将拇指掌指关节转动自由度的回转轴线设计为竖直位置,与竖直方向布置1150的食指平行。拇指掌指关节回转使用锥齿轮传动方式,中指节与远指节的传动方式和食指一样。拇指的结构如图3所示。图2食指结构Fig.2Forefinger structure图3拇指结构Fig.3Thumb structure综上所述,该仿生手总
17、共有11个关节,由5个有刷直流电动机驱动。考虑到在进行包络抓取过程中,通常只用两根手指就能完成抓取动作12355,因此,在抓取物体过程中,起辅助作用的无名指和小指共用1个电动机驱动,食指和中指各由1个电动机驱动。拇指由2个电动机驱动,其中,掌指关节由一个电动机驱动做回转运动,远指节由另一个电动机驱动做手指弯曲运动。各手指结构尺寸参考 GB/T 1000019881014中统计的人手手指长度。所有微型驱动电动机集成在手掌内部,有较高的空间利用率。表3所示为各手指关键参数,手指的全部机械零件使用高强度树脂3D打印制作,具有各项指数均衡的特点,如高抗冲击性和摔落不易碎裂等。仿生手的整体结构如图4所示
18、。表3手指参数Tab.3Finger parameters名称食指中指无名指小指拇指指节长度/mm32,4932,5132,4932,4927.5,38.5,25手指总长/mm8183818191各关节转角/()050050050050090图1仿人机械臂整体结构Fig.1Integral structure of the humanoid manipulator98第2期杨亚昆,等:仿人机械手臂结构设计与运动学分析图4仿生手实体样机Fig.4Bionic hand solid prototype3 机械手臂的运动学分析3.1机械手臂运动学分析为确定机械手臂运动的位置参数,采用改进的D-H方法
19、建立机械手臂的运动学模型,如图5所示。以机械手臂肩部固定部位为基坐标系,在其余关节处建立各自坐标系,得到机械手臂对应的D-H参数如表4所示。表4仿人机械手臂的D-H参数Tab.4D-H parameters of the humanoid robot armi1234567连杆长度ai-1000000L3连杆转角i-19090-90-90-90900连杆偏距diL00L10L200关节角i123456i范围/()-4590-2090-9090-9045-9090030利用改进的D-H法,得到相邻关节矩阵变换表达式为i-1 iT=c i-s is ic i-1c ic i-10ai-1-s i-
20、1-s i-1dis is i-1c is i-100c i-1c i-1di01(1)式中,s代表sin;c代表cos;i=1,2,7。末端执行器坐标系7相对于肩关节中心坐标系0的坐标转换矩阵为07T=01T12T23T34T45T56T67T=0r70p701(2)式中,0r7为末端执行器的姿态,0r7=r11r12r13r21r22r23r31r32r33;0p7为末端执行器的位置向量,0p7=p1p2p3T。当进行机械手臂正运动学求解时,给定各关节角i(i=1,2,6)的值即可求出机械手臂抓取时末端执行器的位置且求解唯一。但机器人运动学控制通常是在已知末端执行器空间坐标的情况下,求解机
21、械臂各关节角i,即逆运动学求解,求解复杂且存在多解。为了简化求解,将手掌的运动转化为腕部的达点运动13。通过式(2)可以得到07T,则腕部坐标系6在肩关节中心坐标系0的位置为0p6=0p7+0r77p6(3)式中,7p6为腕部坐标系6在末端坐标系7中的位置,7p6=-L300。这样末端执行器的运动转化为求解腕关节的达点运动。其中,06T=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001(4)3.1.1 求解关节角4根据01T-106T=12T23T34T45T56T计算可得 c1px+s1pz=-s2(L1-L2c4)-L2c2c3s4c1pz-s1px=-L2s3s4-L0-py=c
22、2(L1-L2c4)-L2s2c3s4(5)式中,sj代表sin j;cj代表cos j;j=1,2,6。对式(5)等号左右两边分别进行平方处理,再相加得到4=-arccosp2x+p2z+(L0+py)2-L21-L222L1L23.1.2 求解关节角1、2根据01T-106T=12T23T34T45T56T两边的第二行第四列对应相等,有图5机械手臂运动学模型Fig.5Kinematic model of the robot arm99第48卷c1pz-s1px=-L2s3s4(6)为使此方程组有封闭解,先给3设定一个具体数值,从而解得1=atan2(pz,px)-atan2-L2s3s4,
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- 人机 手臂 结构设计 运动学 分析