【摘 要】
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仿人机械臂是针对上肢截肢患者、偏瘫患者等上肢功能受损群体进行生活辅助非常有效的途径。近年来,仿人机械臂在各个领域受到越来越多的研究者的青睐,当和人类共享工作空间时,机械臂的类人外观和拟人运动能够促进人机交互的任务执行,增强人机协作空间的安全性,提高人机协作任务的效率和性能。如何设计使机构轻便紧凑、高度仿人,以及如何考虑末端姿态与拟人规划关联性,是实现机械臂的类人外观和拟人运动面临的重要挑战。针对上
【基金项目】
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国家自然科学基金联合基金重点项目—“面向偏瘫患者运动辅助的外肢体机器人基础研究”,编号为U1913207,执行年限从2021年1月至2023年12月；
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仿人机械臂是针对上肢截肢患者、偏瘫患者等上肢功能受损群体进行生活辅助非常有效的途径。近年来,仿人机械臂在各个领域受到越来越多的研究者的青睐,当和人类共享工作空间时,机械臂的类人外观和拟人运动能够促进人机交互的任务执行,增强人机协作空间的安全性,提高人机协作任务的效率和性能。如何设计使机构轻便紧凑、高度仿人,以及如何考虑末端姿态与拟人规划关联性,是实现机械臂的类人外观和拟人运动面临的重要挑战。针对上述挑战,本文进行了六自由度仿人机械臂的系统设计并开展了基于仿人机械臂手平台的拟人运动规划的研究,主要工作内容如下:针对仿人机械臂系统要求仿人的外观设计、紧凑的机构以及合适的输出转矩的问题,本文以人体仿生学原理为基础,设计了六自由度仿人机械臂的总体机构方案,优化了驱动方式、传动机构,主体结构使用光敏树脂和铝合金3D打印件,搭建了仿人机械臂-手实物平台。在此基础上,本文对仿人机械臂建立了D-H坐标系,进行了运动学分析与逆运动学分析,为机械臂的轨迹规划和运动控制提供基础。针对仿人机械臂手实现拟人运动规划的问题,招募受试者开展人的手臂运动实验,基于实验数据和轻量级卷积神经网络模块（Moblie Net V2）,提出了一种通过手（末端执行器）的时序位姿预测人臂肘部仰角的非线性回归方法。与几种传统机器学习和主流深度学习的方法对比,所提回归模型在测试集下训练的MSE小于0.01,取得了最优预测结果。在机械臂点对点的运动中,对末端执行器运动过程轨迹进行插值,得到的位姿插值就可以作为神经网络的输入,得到每次插值对应的肘部仰角输出,进而求出机械臂各个关节角的角度,最终实现拟人运动规划。最后,本文基于搭建的实物平台开展了工作空间实验、逆运动学实验和笛卡尔空间下拟人轨迹规划实验。所提方法的有效性通过这些实验得到了验证。
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