【摘 要】
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一般性人机交互的方式主要包括离线示教和专用工具在线示教,这些方式示教后的机械臂只能按照固定的轨迹进行重复运动。随着人机协作技术的发展,常常按照工况的需要,在线示教机械臂的运动轨迹,以便发挥人的智慧和机械臂的负重能力及运动的精确性。为此,本文设计了自主跟随人体手臂运动的六自由度机械臂系统,实现机械臂模仿人体手臂相似运动和机械臂末端精确跟随人体手臂末端运动两种控制算法,具体工作内容如下:（1）本文合理
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一般性人机交互的方式主要包括离线示教和专用工具在线示教,这些方式示教后的机械臂只能按照固定的轨迹进行重复运动。随着人机协作技术的发展,常常按照工况的需要,在线示教机械臂的运动轨迹,以便发挥人的智慧和机械臂的负重能力及运动的精确性。为此,本文设计了自主跟随人体手臂运动的六自由度机械臂系统,实现机械臂模仿人体手臂相似运动和机械臂末端精确跟随人体手臂末端运动两种控制算法,具体工作内容如下:（1）本文合理地设计了六自由度机械臂的机械结构、机械臂末端专用谐波减速器。同时,在上位机设计了Kinect人体手臂骨骼关节点数据采集和处理软件;在下位机设计了控制机械臂运动的软硬件系统。（2）设计了Kinect骨骼数据的采集与平滑预处理算法。在采集到骨骼节点数据后,对骨骼位图进行刻画,面向特定操作人体设计了合理的识别方法,在分析原始的骨骼节点数据信息特征基础上,设计了一种限幅霍尔特动态二次指数平滑滤波算法,有效消除了骨骼节点的干扰数据。（3）建立了六自由度机械臂模拟人体手臂运动相似跟随模型。在将Kinect坐标系下描述的骨骼坐标信息变换到人两髋中部坐标系描述后,设计了基于关节空间向量法的六自由度关节映射算法,同时,针对机械臂与人臂关节差异性和Kinect检测的遮挡盲区,设计了关节角边界和特殊位置限制算法。（4）建立了机械臂末端轨迹精确跟踪人体手臂末端轨迹模型。在建立Kinect坐标系到机械臂坐标系的多次坐标变换模型后,基于旋量理论建立了前三关节交于一点构型六自由度机械臂的正逆运动学模型,并采用几何法与欧拉角法有效地简化逆解过程,正逆解的实例验证表明,旋量法及改进算法正确且高精度。同时,基于旋量理论求解了六自由度机械臂雅克比矩阵,并解算出本构型的奇异位形。（5）为了消除机械臂的抖动,设计了关节空间的无扰动连续平滑算法。在分析原始角度数据特征的基础上,采用三阶贝塞尔曲线平滑算法,并实现了多段贝塞尔曲线的平滑拼接。实验结果表明,六自由度机械臂可适应不同体型人体的手臂,高相似度地模仿人体手臂运动,或者高精度跟踪人体手臂的末端轨迹。
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