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，
23、p2z+p2x-(-L2s3s4)2根据01T-106T=12T23T34T45T56T两边的第二行第四列对应相等，有（L1-L2c4）c2-L2c3s4s2=-L0-py（7）解得2=atan2(L1-L2c4，L2c3s4)-atan2-L0-py，（L1-L2c4）2+（L2c3s4）2-（-L0-py）3.1.3 求解关节角5根据23T-112T-101T-106T=34T45T56T两边第三列各行分别对应相等可得 c4s5=c3c2（c1ax+s1az）-s2ay+s3(c1az-s1ax)-s4s5=-c2ay-s2(c1ax+s1az)（8）c5=c3（c1az-s1ax）-s3
24、c2（c1ax+s1az）-s2ay（9）对式（8）中的两个方程分别平方再相加，可以将4进行消元。s5=c3（c2u-s2ay）+s3v2+(-c2ay-s2u)2（10）式中，u=c1ax+s1az；v=c1az-s1ax。联立式（10）和式（9）可以求出5，即5=atan2 c3(c2u-s2ay)+s3v2+(-c2ay-s2u)2，c3v-s3(c2u-s2ay)3.1.4 求解关节角6根据34T-123T-112T-101T-106T=45T56T第二行第一列和第二行第二列分别对应相等得到c4（c2ny+s2m1）-s4c3（c2m1-s2ny）+s3n1=s6c4（c2oy+s2m
25、2）-s4c3(c2m2-s2oy)+s3n2=c6（11）式中，m1=c1nx+s1nz；n1=c1nz-s1nx；m2=c1ox+s1oz；n2=c1oz-s1ox。由式（11）可以求得6=atan2 c4(c2ny+s2m1)-s4c3(c2m1-s2ny)+s3n1,c4(c2oy+s2m2)-s4c3(c2m2-s2oy)+s3n2 经过上述推导出的公式，在给定机械臂末端执行器位姿的情况下可以计算得到8组可能的关节角度。受关节角度限制范围的影响，一般在连续轨迹规划任务中会采用角度变化最小的一组作为逆解。3.2工作空间分析仿人机器人的工作空间是指当机器人执行所有可能动作时，其末端执行器
26、在所处空间能够达到的总体空间体积。为了使仿人机器人能够在车辆驾驶室内模拟驾驶员接打手持电话、抽烟等行为动作，该仿人机械手臂需具有合理的工作空间。本文根据GB/T 100001988102-3，选取仿人机械臂上臂长度L1=324 mm，前臂长度L2=272 mm，手掌中心到腕关节长度L3=154 mm，肩部固定长度L0=84 mm。根据表 4，利用 Matlab robotics toolbox 工具箱建立了仿人机械臂的连杆模型，采用蒙特卡洛法对该模型工作空间进行仿真分析。与解析法和几何法相比，该方法省略了复杂的数学推导和演算过程，易于实现图形化显示功能14。通过仿真得到了仿人机械手臂末端手掌质
27、心的工作空间范围，如图6所示。由图6可知，仿人机械臂末端的手掌质心在x、y、z方向的运动范围分别为-527，704、-789，432、-704，424 mm。（a）Oxz平面（b）Oyz平面（c）Oxy平面100第2期杨亚昆，等：仿人机械手臂结构设计与运动学分析（d）Oxyz三维空间图6机械手臂工作空间Fig.6Workspace of the robot arm4 机械手臂的动力学仿真分析为了验证仿人机械手臂关节电动机选择的合理性，同时保证机械手臂在抓取过程中的运动平稳性，利用Adams软件对机械手臂模型进行仿真分析。首先在SolidWorks中将模型保存成.x_t格式的文件导出，然后将该文
28、件导入到Adams中，通过设置材料属性、添加约束关系和驱动，最后施加外部载荷即可进行仿真。将各关节电动机的驱动类型设为位移模式，驱动函数的设置如表5所示。仿人机械手臂的运动仿真时间设置为10 s。运动轨迹如图7所示。图7中白线为仿人机械臂的末端质心运动轨迹曲线。通过仿真获得末端质心在x、y、z方向上的位移，如图8所示。表5各关节驱动函数Tab.5Driving function of each joint关节位置肩关节1肩关节2肩关节3肘关节腕关节1腕关节2驱动函数1-cos（time*0.2*pi）*36d-1-cos（time*0.2*pi）*10d-1-cos（time*0.2*pi）*
29、10d1-cos（time*0.2*pi）*72d-1-cos（time*0.2*pi）*20d-1-cos（time*0.2*pi）*10d图7仿人机械手臂末端质心运动轨迹Fig.7Motion track of the end centroid of the humanoid robot arm图8末端质心位移曲线Fig.8Displacement curve of the end centroid由图8可知，仿人机械臂末端质心从初始位置运动到终止位置过程中，位移在x方向变化最大值不超过130 mm，y方向变化最大值不超过900 mm，z方向变化最大值不超过520 mm，均在第3.2节仿真
30、得到的工作空间范围内，满足仿人机械臂的运动需求。同时，对仿真后的结果进行处理，求得各关节的角度、角速度和角加速度曲线15，分别如图9图14所示。由图9图14可以看出，各关节从初始位置运动到最终位置后又返回到最初的位置，且该过程中运动速度变化较为平稳。图9肩关节1的角度、角速度和角加速度Fig.9Angle,angular velocity and angular acceleration of shoulder joint 1图10肩关节2的角度、角速度和角加速度Fig.10Angle,angular velocity and angular acceleration of shoulder
31、joint 2图11肩关节3的角度、角速度和角加速度Fig.11Angle,angular velocity and angular acceleration of shoulder joint 3101第48卷图12肘关节的角度、角速度和角加速度Fig.12Angle,angular velocity and angular acceleration of the elbow joint图13腕关节1的角度、角速度和角加速度Fig.13Angle,angular velocity and angular acceleration of wrist joint 1图14腕关节2的角度、角速度和
32、角加速度Fig.14Angle,angular velocity and angular acceleration of wrist joint 2按本节驱动函数的设置，从初始状态运动到最终状态又返回最初状态过程中，各关节的转矩变化情况分别如图15、图16所示。图15肩关节驱动转矩曲线Fig.15Driving torque curve of shoulder joints图16肘和腕关节的驱动转矩曲线Fig.16Driving torque curve of elbow and wrist joints由图15和图16可知仿人机械手臂各关节的转矩变化趋势。其中，肩关节1的最大负载转矩为5 N
33、m，肩关节2的最大负载转矩为21 Nm，肩关节3的最大负载转矩为17 Nm，肘关节的最大负载转矩为7.8 Nm，腕关节1的最大负载转矩为9.6 Nm，腕关节2的最大负载转矩为3 Nm。由图15和图16还可以看出，只有肩部的肩关节2、肩关节3所需要的驱动转矩较大。该结果为结构优化设计和驱动电动机的选型提供了依据。上述分析结果验证了本文选取的3种智能柔性执行器的合理性。各关节电动机的选型如表6所示。5 结论通过对 GB/T 417972022标准的解读分析，针对在长时间重复性测试过程中真人易产生疲劳、厌倦等问题，设计了一款6自由度的仿人机械臂和欠驱动的仿生手。采用改进的D-H参数法建立了机械手臂运
34、动学模型，进行了机械臂的正逆运动学求解分析；利用蒙特卡洛法对机械手臂的工作空间进行分析，获得其在三维空间内的运动范围，验证了机械手臂可以在车辆驾驶室内活动。最后，利用Adams对机械手臂进行了动力学分析，通过在机械臂末端施加外部载荷模拟抓取的物体重力，仿真计算出各关节运动特性曲线和负载特性曲线，并以此为依据，验证了关节柔性执行器选型的合理性，为下一步制作样机奠定了基础。参考文献1李照，舒志兵.基于DSP的驾驶员疲劳实时预警系统设计 J.控制工程，2019，26（1）：92-98.LI Zhao，SHU Zhibing.Design of driver fatigue real-time war
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36、E30减速比10110110110110136输出额定转矩/（Nm）38383813.4313.436.5电动机外径/mm808080707030102第2期杨亚昆，等：仿人机械手臂结构设计与运动学分析LIU Mingzhou，JIANG Qiannan，HU Jing.Driver fatigue detection based on facial geometric features and hand motion features J.Journal of Mechanical Engineering，2019，55（2）：18-26.3ZHAO L，YU Z，CHEN X，et al.
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