基于Pro/E的雙擬人臂機器人設計

王春榮，王欣然，夏爾冬，熊昌炯，鄧 娟

(1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設計制造技術福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.綠色鑄鍛及其高端零部件制造福建省2011協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術研究中心，福建 三明 365004)

目前，機器人已經(jīng)成為各個行業(yè)研究的熱點，特別是仿人機器人[1-2]、擬人機械臂[3-4]等領域。Zulkifli等[5]利用多目標優(yōu)化算法對擬人機械臂的運動性能進行了分析，指出改進的神經(jīng)控制器能提供擬人臂的運動性能；劉雷[6]設計了一種五自由度擬人機械臂, 并利用慣性姿態(tài)捕捉算法對其正逆運動學進行分析；田鳳娟[7]利用MATLAB/Simulink對擬人機械臂末端執(zhí)行器的運動學與力學進行分析，得到各個關節(jié)的位置、角速度與角加速度并對機械臂的強度進行了驗證；秦利等[8]設計了一種4自由的混聯(lián)擬人機械臂并利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對其運動軌跡進行了仿真分析；張程等[9]通過Robotics Toolbox工具箱對5自由度擬人機械臂的搬運作業(yè)的軌跡進行了分析，使其能更好的完成搬運作業(yè)。

本文對人臂的構型與運動進行分析，設計一款具有7自由度的擬人機械臂，利用電機驅動與皮帶傳動方式實現(xiàn)機械的運動，并構建雙擬人臂機器人模型。最后，利用Pro/E對雙擬人臂機器人模仿人走路過程中手臂的擺動動作進行了分析，驗證設計的合理性。

1 擬人機械的設計方案

1.1 人臂的運動分析

人臂的七個自由度，使其運動非常靈敏，能準確地運動到任意的指定位置。根據(jù)其的運動機理，可將其劃分為上下臂體、下臂體以及肩、肘、腕3個關節(jié)，其中肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)的自由度分別為3個、1個、3個。根據(jù)調查一般人臂各個關節(jié)的大概運動范圍如表1所示。

表1人臂關鍵運動范圍

1.2 仿人機械臂自由度的確定

物體在空間中的位姿需要由6個參數(shù)進行確定，其中3個位姿參數(shù)，3個方位參數(shù)。仿人機械臂要靈活的運動到空間中的任意位置，需要跟人臂一樣擁有7個自由度，其冗余性大大提高了其靈活性。因此，本文結合對于真實人臂各個關節(jié)的運動分析，對仿人機械臂各個關節(jié)的自由度確定為肩關節(jié)3個，肘關節(jié)2個，腕關節(jié)2個，自由度分配簡圖，如圖1所示。

圖1 仿人機械臂自由度分配

2 仿人機械臂設計

2.1 肩關節(jié)的設計與分析

肩關節(jié)在人臂中是一個非常重要的回轉關節(jié)，其相當于球窩關節(jié)，因此其對擬人機械臂的定位精度與穩(wěn)定性具有直接影響。在擬人機械臂中肩關節(jié)與機器人本體相連，應具有三個自由度來實現(xiàn)其前屈后伸、外展內收以及前旋后旋的三種運動。若利用簡單的球鉸結構設計擬人臂的肩關節(jié)，則難以驅動和承受拉力。通過對人臂機構的研究，本文提出利用三自由度球面并聯(lián)機構融合球鉸機構的改進方式來模擬人臂肩關節(jié)。即將三自由度球面并聯(lián)(3-RRR)機構的球鉸虛約束，并置于并聯(lián)機構的幾何中心上，以克服球鉸機構無法承受拉力的缺點。根據(jù)此建立肩關節(jié)的三維模型如圖2所示。

圖2 肩關節(jié)機構

關節(jié)機構的運動范圍是擬人臂重要的運動參數(shù)，雖然在設計時會給定其理論的運動范圍，但其特殊的外形機構會對其在運動仿真過程造成一定的干涉。根據(jù)肩關節(jié)的運動方式，本文設計擬人臂的肩關節(jié)在X軸、Y軸和Z軸的運動范圍分別為360°、180°、繞Z軸180°。

2.2 肘關節(jié)的設計與分析

雖然肘關節(jié)與肩關節(jié)一樣同屬于球窩關節(jié)，但是肱尺關節(jié)是控制肘關節(jié)上屈、下伸的重要關節(jié)，也正是由于肱尺關節(jié)的影響，使得肘關節(jié)只具有屈伸和旋轉兩種運動方式。因此本文利用十字軸來帶動下臂的運動，使的肘關節(jié)具有翻轉、俯仰的兩個自由度。根據(jù)此建立肘關節(jié)的三維模型如圖3所示。

圖3 肘關節(jié)機構

顯然，結構設計對肘關節(jié)的運動范圍也具有一定的影響，分析圖3肘關節(jié)的結構，可以發(fā)現(xiàn)當其產生幅度較大的俯仰運動時，上臂外部機構與下邊平臺會發(fā)生碰撞。因此合理的設計肘關節(jié)結構能避免邊界限定與杠桿干涉從而增大其運動范圍。本文設計的肘關節(jié)的運動范圍大致為俯仰120°、翻轉360°。

2.3 腕關節(jié)的設計與分析

分析人臂的腕關節(jié)可知，由于尺骨和橈骨的存在使得人臂的腕關節(jié)在水平方向具有偏轉和軸向上微量的移動。腕關節(jié)是實現(xiàn)下臂和手掌的連接，虎克鉸鏈的是一種兩個軸線相互垂直并相交的轉動副，具有兩個轉動自由度，因此本文采用虎克鉸鏈結構來模擬人臂腕關節(jié)的偏轉和俯仰運動，使其完成背伸掌屈、橈偏尺偏的運動，三維模型如圖4所示。

圖4 腕關節(jié)機構

由于虎克鉸鏈的兩個運動方式具有一定的干涉，因此擬人臂腕關節(jié)的運動范圍受制于其制約關系?；⒖算q鏈結構的干涉來源于偏轉和俯仰的過程中受到彼此的第一腕部U形連接塊與第二腕部U形連接塊的制約。通過合理的尺寸設計，是的擬人臂腕部的轉動空間接近于人臂手部的運動空間，本文設計的腕關節(jié)運動范圍為偏轉60°、俯仰70°。

2.4 傳動方式設計與位姿分析

根據(jù)以上所設計的肩關節(jié)、肘關節(jié)以及腕關節(jié)，建立雙擬人機械臂機器人模型，如圖5所示。肩關節(jié)的傳動方式設計為：電機-減速器-輸出軸直接驅動；肘關節(jié)與腕關節(jié)的傳動方式為：電機-減速器-皮帶傳動-輸出軸驅動。

圖5 雙擬人臂機器人

利用D-H方法對擬人機械臂進行位姿分析，表2為擬人機械臂的D-H坐標參數(shù)。

表2擬人臂D-H參數(shù)

根據(jù)表2中的D-H參數(shù)和齊次變換矩陣公式可推導出至的位姿矩陣。因此，可得出擬人機械臂末端執(zhí)行器到機器人基座坐標系下的變換矩陣為：

(1)

3 擬人機械臂的運動仿真

3.1 運動參數(shù)設置

為驗證本文所設計的雙擬人機械臂的合理性，在Proe/E中對雙擬人臂機器人的擺臂運動進行仿真，模仿人走路過程中手臂的擺動。

首先對擬人臂的各個關節(jié)配置運動所需的伺服電機，并對其運行的起止時間、轉速等進行配置，如圖6所示。然后將擬人臂的運動類型設置為“位置”，以對手臂末端的位置進行分析，并設定整個運動過程的時間、幀頻以及最小間隔等參數(shù)，具體設置如圖6所示。

圖6 運動參數(shù)

3.2 運動仿真結果分析

設置完所需的運動參數(shù)之后，分析擬人臂左手臂在前右手臂在后開始做擺臂動作，直至雙擬人臂擺回原來的姿勢。選取末端執(zhí)行器上最外的端點，分析雙擬人臂擺臂過程的軌跡。分析得這一點的軌跡曲線如圖7所示，對應的位置曲線如圖8所示。

圖7 末端執(zhí)行器的軌跡曲線

圖8 末端執(zhí)行器的位置曲線

分析仿真結果可知，本文所設計的具有7自由度的雙擬人臂機器人，運動過程平穩(wěn)、具有較高的靈活性，能產生與人臂運動過程相近的動作。

4 結論

通過對人臂活動機理的研究，分析人臂各個關節(jié)的運動范圍，確定擬人臂三個關節(jié)的自由度與所使用的機械運動副，設計了一款仿人臂外形的擬人機械臂。同時，通過Proe/E仿真表明，所設計的雙擬人臂機器人具有較高的靈活性，能產生與人臂運動過程相近的動作。