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仿人机器人代表了当今机器人研究领域的最高水平,外形和动作都与人类高度相似的仿人机器人更容易被人类接受。目前仿人机器人外形上已经与人类非常相似,并且仿人机器人“双腿”运动的仿人水平已经与人类双腿十分接近,但其“双臂”与人类双臂相比还相距甚远,因此近年来的研究热点已经由下半身的双腿“仿人行走”转移到了更具有应用价值的上半身的双臂“仿人操作”。 国外许多研究机构和机器人生产商都对仿人机器人投入大量的研究精力并取得了一定的研究成果,然而国内在这方面的研究还很有限,多数研究倾向于以完成操作任务为目标,没有考虑机器人操作动作本身的似人特性。在这样的背景下,本文对仿人机器人手臂的似人运动规划进行了初步的探索。 由于机器人操作动作的似人程度是含有一定主观成分的,所以本文的研究重点之一就是如何寻找一个能够被广泛认可的、相对客观的并且可以量化进行计算比较的似人程度评价标准。应用人体工程学是一门研究人体运动规律的科学,它对人体手臂运动规律的研究对仿人机器人的手臂控制具有重要指导意义。本文采用应用人体工程学中的快速上肢评估(RULA)准则来评价机器人构型的似人程度,RULA准则将似人程度这样一个主观的概念以一种客观的量化的标准进行分类,是一种简单易行并且受到广泛认同的评价方法。本文以RULA准则为主,并结合其他相关的手臂运动规律和机器人运动性能指标,对仿人机器人手臂进行似人运动轨迹规划,规划过程分为静态构型规划和动态运动规划两个部分。 静态构型规划依据具体的操作任务规划机器人操作的“关键点”操作构型,主要包括运动轨迹的起点、终点和转折点。规划方法以机器人面对指定操作任务沿指定方向的操作测度最大为优化目标、以机器人操作构型的似人程度为约束条件,在多目标约束规划问题模型下求解“关键点”操作构型。 动态运动规划依据静态构型规划出的机器人在“关键点”处的操作构型和人类运动轨迹的速度、加速度特性规划机器人运动轨迹:以关键操作点的机器人构型为基础,在模仿人类手臂动作速度、加速度特点的情况下规划机器人手臂的运动轨迹,包括速度运动曲线、加速度运动曲线等。 本文以日本安川公司Motoman SDA10D仿人机器人和日本三菱公司PA10机器人为实验对象,具体介绍了静态构型规划和动态运动规划在不同情况下的应用过程和规划结果,仿真和实验结果表明,对于日常生活中常见的抓取任务,使用本文的方法规划出的机器人抓取结果,在完成任务的前提下,具有非常好的似人运动特性。