基于MATLAB的人体上肢运动分析及仿真

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基于MATLAB的机器人柔性手臂控制系统设计与仿真【毕业作品】

任务书设计题目：基于MATLAB的机器人柔性手臂控制系统设计与仿真1．设计的主要任务及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，在深入了解反馈控制系统工作原理的基础上，掌握机械系统建模、分析及校正环节设计的基本过程；初步掌握运用MATLAB/Simulink相关模块进行控制系统设计与仿真的方法，为学生在毕业后从事机械控制系统设计工作打好基础。

2．设计的基本要求和内容（1）根据已有的机器人柔性手臂系统相关资料，对其结构特点及工作原理进行分析；（2）建立柔性手臂系统的数学模型；（3）应用极点配置对系统进行状态反馈设计；（4）运用MATLAB/SIMULINK对系统进行仿真计算；（5）通过动态仿真设计优化系统参数，对反馈系数K进行确定；3．主要参考文献[1] 刘白燕等编,机电系统动态仿真-基于MATLAB/SIMULINK[M].北京：机械工业出版社,2005.7[2] 王积伟，吴振顺等著，控制工程基础[M].北京：高等教育出版社2001.8[3] （日）末松良一. 机械控制入门[M].北京：科学出版社，2000[4] 徐昕等著. MATLAB工具箱应用指南.北京:电子工业出版社,2000 4．进度安排基于MATLAB的机器人柔性手臂控制系统设计与仿真摘要：机械臂未来的发展趋势是高速、高精度和轻型化、操作灵活的柔性机械臂。

柔性机械臂系统的动力学特点是大范围刚体运动的同时，伴随着柔性臂杆的小幅弹性运动。

柔性臂杆的弹性振动将极大地影响机械臂末端的定位精度。

本设计结合机器人柔性手臂的结构特点，对机器人柔性手臂进行了受力分析，建立了柔性手臂系统的集中参数模型。

对柔性手臂系统的特性、系统的可控制性和可观测性进行了分析，用极点配置求取状态反馈系数K对系统进行反馈。

使柔性手臂系统的振动快速达到稳态,用MATLAB仿真确认控制效果。

关键词：柔性机械臂，控制系统，MATLAB仿真Design and simulation system for flexible manipulator control basedon MATLABAbstract：The trend of the development of mechanical arm is high speed, high precision and light-duty, flexible operation of the flexible manipulator. The dynamics of flexible manipulator system is characterized by a wide range of rigid motion at the same time, with flexible arm slightly elastic movement. The elastic vibration of flexible arm will greatly influence the mechanical arm at the ends of the positioning accuracy. This design with the structure characteristics of a flexible robot arm, has carried on the stress analysis of flexible robot arms, established the lumped parameter model of the flexible arm system. Characteristics of the flexible arm system, system controllability and observability are analyzed, using pole assignment for state feedback coefficient K to feedback system. To make the vibration of the flexible arm system to reach steady state quickly, MATLAB simulation confirm the control effect.Key words：Flexible manipulator, Control system, MATLAB simulation目录1概述 (1)1.1引言 (1)1.2研究目的及意义 (2)1.3国内外柔性机械臂的研究现状 (3)1.3.1柔性臂动力学建模的研究现状 (3)1.3.2柔性机械臂的主动控制 (4)2柔性手臂的建模过程 (5)2.1柔性手臂对机器人的重要性 (5)2.2柔性手臂的试验模型 (6)2.3状态方程的建立 (8)2.3.1集中参数模型 (8)2.3.2系统参数和变量的定义 (8)2.3.3数学模型 (10)3系统的特性分析 (13)3.1实验参数 (13)3.2比例变换 (14)3.3系统矩阵的特征值和手臂的振型 (15)3.4可控制性和可观测性 (20)4用极点配置法进行设计和仿真 (22)4.1状态反馈设计 (22)4.2控制系统设计方法选择 (22)4.3利用仿真确认控制效果 (24)5控制系统的实现 (26)总结 (27)参考文献 (29)致谢 (30)附录 (31)1 概述1.1 引言随着人类科技水平的不断进步，机器人的应用越来越广泛。

基于MATLAB机器人手臂运动仿真

基于MATLAB机器人手臂运动仿真作者：英璐富泽来源：《科学与财富》2017年第24期摘要：文章首先分析了基于MATLAB技术所设计的机器人手臂结构，从主要功能实现区域来开展，在此基础上探讨相关功能实现的力学原理基础，并对MATLAB技术应用中的算法验证进行详细探讨规划，以便达到最理想的使用效果，在机器人手臂功能上也能得到完善，提升手臂运动精准度。

关键词：MATLAB；机器人手臂；运动仿真1、基于MATLAB机器人的手臂结构机器人仿真手臂运动中，组成结构传感器结构，感应器装置、旋转关节以及控制模块，在使用中这几个模块相互配合，将所探测得到的信息向总控制模块反映，从而实现控制能力提升，帮助机器人仿真手臂实现运动功能。

对于不同领域所使用的机器人，仿真手臂结构组成也有很大差异性，要掌握这一差异性，进行更系统化的控制，各个控制区域之间也是需要划分完善的。

一些功能需求中，会要求机器人手臂主动运动，实现生产中所需要的功能，在该手臂运动中，控制系统则是需要功能实现模块。

特殊使用需求的机器人手臂会安装固定装置，将机器人仿真手臂所抓到的货物牢牢固定，以免在传输过程中出现掉落损坏问题，各个结构模块共同组成了功能系统，达到机器人使用需求，配合其他功能共同服务生产需求。

2、机器人手臂运动力学原理机器人手臂中所含有的旋转关节，在使用过程中会根据控制指令来旋转，从而达到手臂的运动效果，旋转关节能运动是采用串联控制方法来实现的，这样在使用中也能达到最佳控制效果。

手臂运动是一个复杂的过程，不但需要机械动能供应，更需要在运动中借助力学原理，来实现对手臂的运动状态控制。

图1中的机器人手臂，该手臂在功能上已经十分完善，可以灵活的抓住货物，运动范围也更灵活便于控制。

整个手臂在力学控制原理中，是分段进行的，每一个手臂结构都会在一个旋转轴控制下使用，根据控制指令以及使用需求来进行调整，各个旋转轴处于不用运动状态下，机器人手臂也能随之运动实现不同的运动状态，做出控制信息中要求的动作。

基于MATLAB的主操作手运动学分析及仿真

西安工程大学学报J o u r n a l o fX i 'a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y 第32卷第2期(总150期)2018年04月V o l .32,N o .2(S u m.N o .150) 文章编号:1674-649X (2018)02-0222-08D O I :10.13338/j.i s s n .1674-649x .2018.02.017 收稿日期:2017-12-18 基金项目:陕西省教育厅专项科研计划项目(16J K 1337) 通信作者:管声启(1971 ),男,西安工程大学副教授,博士,研究方向为机器零件质量检测㊁机器人视觉等.E -m a i l :s i n a 1300841@163.c o m 引文格式:王杰,管声启,曹帅.基于MA T L A B 的主操作手运动学分析及仿真[J ].西安工程大学学报,2018,32(2):222-229. WA N GJ i e ,G U A NS h e n g q i ,C A OS h u a i .K i n e m a t i c a l a n a l y s i s a n d s i m u l a t i o no fm a s t e rm a n i p u l a t o rb a s e do n MA T L A B [J ].J o u r n a l o fX i 'a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,2018,32(2):222-229.基于MA T L A B 的主操作手运动学分析及仿真王杰1,管声启1,曹帅2(1.西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;2.西北工业大学机电学院,陕西西安710072)摘要:为实现对泌尿外科微创手术机器人的远程操作,给出一种用于位姿定位的主操作手结构.首先,根据手术任务确定主操作手的运动形式和自由度;其次,采用改进的D -H 法建立主操作手的运动学模型,分析其正㊁逆运动学和轨迹规划问题;最后,运用MA T L A B 软件对其进行运动学建模和仿真,得到主操作手的关节位移㊁关节速度㊁关节加速度随时间的变化曲线.结果验证了运动学模型的正确性和主操作手参数设计的合理性,为主操作手的进一步研制提供了理论基础.关键词:手术机器人;主操作手;轨迹规划;运动学中图分类号:T P241 文献标识码:A K i n e m a t i c a l a n a l ys i s a n d s i m u l a t i o no fm a s t e r m a n i pu l a t o r b a s e d o n M A T L A B WA N GJ i e 1,G U A N S h e n g qi 1,C A OS h u a i 2(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,X i 'a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ,X i 'a n710048,C h i n a ;2.S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ,X i 'a n710072,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t o r e a l i z e t h e r e m o t e o p e r a t i o n o f am i n i m a l l y i n v a s i v e s u r g i c a l r o b o t f o r u r o l -o g y ,am a s t e rm a n i p u l a t o r s t r u c t u r e f o r p o s i t i o n p o s i t i o n i n g i s p r o p o s e d .F i r s t l y ,t h e s t r u c t u r a l c o n f i g u r a t i o n a n dD O Fo fm a s t e rm a n i p u l a t o r a r e c o n f i r m e d a c c o r d i n g t o t h e s u r g i c a l t a s k .S e c -o n d l y ,t h ek i n e m a t i c sm o d e l o f t h em a s t e rm a n i p u l a t o r i s e s t a b l i s h e dw i t ht h e i m p r o v e dD -H m e t h o da n d t h e p r o b l e m s o f f o r w a r dk i n e m a t i c s ,i n v e r s e k i n e m a t i c s a n d t r a j e c t o r yp l a n n i n g a r e a n a l y z e d .F i n a l l y ,t h ek i n e m a t i c sm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o na r ec a r r i e do u tb y MA T L A Bs o f t -w a r e .T h e j o i n t d i s p l a c e m e n t ,j o i n t v e l o c i t y a n d j o i n t a c c e l e r a t i o nw i t h t i m e o fm a s t e rm a n i p u -l a t o r a r e o b t a i n e d ,w h i c hv e r i f y t h ec o r r e c t n e s so f t h ek i n e m a t i c sm o d e l a n dt h e r a t i o n a l i t y o ft h ed e s i g n p a r a m e t e r s f o rm a s t e rm a n i p u l a t o r .At h e o r e t i c a lb a s i s f o r f u r t h e rd e v e l o pm e n to f m a s t e rm a n i p u l a t o r i s p r o v i d e d .K e y w o r d s :s u r g i c a l r o b o t ;m a s t e rm a n i p u l a t o r ;t r a j e c t o r yp l a n n i n g ;k i n e m a t i c s 0 引言近年来,微创手术成为外科手术的发展趋势,但在传统微创手术中,部分医生的触感较弱㊁精细操作比较困难,手部会不自觉地颤抖和疲劳[1].随着机器人技术在医疗领域的广泛应用,机器人辅助为传统微创手术带来了革命性的转变,不但有效克服了传统微创手术带来的弊端,而且极大拓展了医生的微创手术能力,能够显著缩短手术时间,提高手术质量[2].机器人微创手术凭借其创口小㊁恢复快㊁操作精确㊁医生不易疲劳等优势而逐渐成为外科手术的发展趋势[3-4].微创外科机器人可以自主地将手术器械按医生术前规划好的路径送达病灶位置,在一定程度上减少了手术创伤,消除了手部震颤,还能够降低手术医生的工作强度[5].而主操作手是主从式微创手术机器人的重要组成部分,是医生对手术机器人进行控制的直接界面 ,在手术过程中,操作者要自始至终通过主操作手控制微创手术机器人及手术器械[6].主操作手参数设计是否合理,运动过程是否平稳,会直接影响其灵活度㊁回差㊁惯量㊁安全等性能.主操作手的运动学分析可为后续动力学分析提供可靠的理论依据,是实现主操作手运动控制和轨迹规划的基础,它主要包括正运动学和逆运动学两部分.主操作手的成本较高,对其进行实际操作和研究具有很大的局限性,通过仿真实验对其进行研究分析成为一种选择[7].文献[8-9]利用MA T L A B 软件对力反馈主操作手进行了实际工作空间和灵活度的仿真,并对力反馈模型进行了研究分析;文献[10-11]根据设计指标,对力反馈主操作手进行了建模与研究,并对其主要参数进行了分析与仿真;文献[12]主要对主操作手的设计效率和工作空间狭小问题进行了研究.总之,现阶段研究的用于远程遥控微创手术机器人的主操作手针对性较差,不能完全满足特定的手术需求,缺乏可操作性.本文针对如何实现泌尿外科微创手术机器人在良性前列腺增生(B P H ,b e n i g n p r o s t a t i ch y p e r p l a s i a )微创手术中的远程操作,根据具体手术需求,设计了专用于泌尿外科微创手术机器人系统的主操作手.以提出的专用于泌尿外科微创手术机器人的6自由度主操作手为例,采用改进的D -H 参数法研究分析其正㊁逆运动学问题,并借助MA T L A B 软件对其运动学和末端运动轨迹进行规划和仿真,以实现主操作手设计参数和运动过程满足临床手术对主操作手设计和运动的要求.1 主操作手总体设计1.1主操作手结构形式图1 主操作手结构示意图F i g .1D i a gr a mo f t h em a s t e r m a n i p u l a t o r 通过对手术任务要求的分析,泌尿外科微创手术机器人系统在启动后,需要手术器械进入到人体内寻找主操作手的姿态,使其姿态与主操作手姿态一致.但如果主操作手的姿态与器械的姿态相差太多,就会造成手术器械在人体内的动作幅度过大,很可能会划伤病灶周围的健康组织造成出血给病人带来额外痛苦.因此,正确合理的方式是:在泌尿外科微创手术机器人系统启动后,主操作手主动去寻找手术器械的姿态.而要实现这样的方式,就要求主操作手必须具备3个主动姿态自由度和3个主动位置自由度.在B P H 微创手术中,手术器械的主要运动可分为2种:一种是机器人从手运动确保手术器械定位,另一种是腕部关节旋转确保手术器械定向.具体来说,手术切入点允许手术器械有5个旋转自由度和1个直线自由度,来分别实现俯仰㊁偏航㊁绕自身轴线旋转和沿自身轴线的线性运动,以达到经尿道对前列腺增生部分进行电切除的目的.因此,针对上述目标,设计了一个可实现远程操作该手术机器人进行末端位姿定位的6自由度主操作手,如图1所示,其固连于全方位轮式底盘上,底盘的移动可进一步方便远程操作.322第2期王杰,等:基于MA T L A B 的主操作手运动学分析及仿真图2 主操作手D -H 坐标系F i g .2D -Hc o o r d i n a t e s o f t h e m a s t e rm a n i p u l a t o r 1.2 主操作手位姿描述描述主操作手连杆的位置和姿态是对主操作手进行运动学分析的基础.由于连杆位姿问题可化归为坐标系位姿问题[13],因此,本文通过改进后的D -H [14]法建立主操作手各个关节的参考坐标系,如图2所示.z 为主操作手旋转关节的轴线或移动关节的移动方向沿线,x 为相邻关节轴线之间的公垂线.建立连杆坐标系后就可得出用于定量描述相对位姿的4种D -H 参数,如表1所示.其中a i -1和αi -1表示代表连杆自身结构信息的连杆长度和连杆扭角;θi 和d i 表示代表连杆连接关系信息的关节角和连杆平移量.因为提出的主操作手有5个旋转关节和一个移动关节,且旋转关节轴线都相互垂直,所以表中参数a i -1均为0,参数d i 除了d 3其余都为0.l 3为移动关节的初始伸长量,取l 3=20mm.根据坐标变换理论[14-15],齐次坐标变换矩阵i -1i T 可以描述相邻连杆坐标系{i -1}和{i }的相对位姿关系,反映相邻连杆的空间关系.i -1i T 为4ˑ4阶矩阵,对应由坐标系{i -1}到坐标系{i }的变换,其表达式为i -1i T =c o s θi -s i n θi 0a i -1c o s αi -1s i n θi c o s αi -1c o s θi -s i n αi -1-d i s i n αi -1s i n αi -1s i n θi s i n αi -1c o s θi c o s αi -1d i c o s αi -10001éëêêêêêùûúúúúú=i -1i R 3ˑ3i -1i P 3ˑ101ˑ31éëêêùûúú.(1)式中,i -1i R 3ˑ3为包含相邻连杆相对姿态信息的3ˑ3阶矩阵;i -1i P 3ˑ1为包含相邻连杆相对位置信息的3ˑ1阶矩阵.表1 操作机构D -H 参数表T a b l e 1 D -H p a r a m e t e r s o f t h e o p e r a t i n g me c h a n i s m i αi -1/(ʎ)a i -1/mm d i /mm θi /(ʎ)变量范围19000θ1+90-60ʎ~60ʎ29000θ2+90-60ʎ~60ʎ3-900d 3+i 30(0~230)mm 4000θ4-180ʎ~180ʎ5-9000θ5+90-90ʎ~90ʎ6-9000θ6-180ʎ~180ʎ2 主操作手运动学分析2.1 正运动学分析主操作手的运动学正问题是给定主操作手各连杆参数和关节变量,求解末端连杆坐标系相对于基坐标系的位姿.将表1中的各关节参数代入式(1),可得到相邻连杆之间的坐标转换矩阵01T ,12T ,23T ,34T ,45T ,56T .通过相邻连杆之间坐标转换矩阵,即可求得主操作手末端相对基坐标系的坐标转换矩阵,即该操作机构的末端姿态为06T =01T ㊃12T ㊃23T ㊃34T ㊃45T ㊃56T =n x o x a x p x n y o y a y p y n z o z a z p z 0001éëêêêêêùûúúúúú.(2)式(2)中n x =C 6(S 5(C 1S 4-C 4S 1S 2)-C 2C 5S 1)+S 6(C 1C 4+S 1S 2S 4),n y =C 6(C 5S 2-C 2C 4S 5)-C 2S 4S 6,n z =C 6(S 5(S 1S 4+C 1C 4S 2)+C 1C 2C 5)+S 6(S 1C 4-C 1S 2S 4).ìîíïïïï(3)422 西安工程大学学报第32卷o x =C 6(C 1C 4+S 1S 2S 4)-S 6(S 5(C 1S 4-S 1S 2C 4)-S 1C 2C 5),o y =S 6(C 5S 2-C 2C 4S 5)-C 2S 4S 6,o z =C 6(S 1C 4+C 1S 4S 2)-S 6(S 5(S 1S 4-C 1S 2C 4)-C 1C 2C 5).ìîíïïïï(4)a x =C 5(C 1S 4+S 1S 2C 4)+S 1C 2S 5,a y =S 2S 5+C 2C 4C 5,a z =C 5(S 1S 4+C 1S 2C 4)-C 1C 2C 5.ìîíïïïï(5)p x =(d 3+l 3)S 1C 2,p y =(d 3+l 3)S 2,p z =-(d 3+l 3)C 1C 2.ìîíïïïï(6)式中,S i =s i n θi ,C i =c o s θi ,i ɪ[1,2,4,5,6].设主操作手末端在参考坐标系X 1,Y 1,Z 1中的位置P 1=[0 0 0 1]T ,在基坐标系x y z 中的位置为P =[P z P y P z 1]T ,则可以由式(7)确定末端P 点在基坐标系中的位置.从而得到主操作手末端的位置坐标,如式(8)所示.P =06T ㊃P 1.(7)P x P y P z 1éëêêêêêùûúúúúú=(d 3+l 2)S 1C 2(d 3+l 3)S 2-(d 3+l 3)C 1C 21éëêêêêêùûúúúúú.(8)由式(8)可知,主操作手末端位姿仅和前3个关节变量θ1,θ2,d 3有关,只要给定θ1,θ2,d 3的值,就可以求出主操作手末端在基坐标系中的位置,从而实现对主操作手有效的控制.2.2 逆运动学分析主操作手逆运动学是正运动学的逆过程,即已知主操作手末端的位姿矩阵,对主操作手各关节变量进行求解.由式(8)可知,主操作手末端的位置与腕部参数θ4,θ5,θ6无关,而只和前3个关节变量θ1,θ2,d 3有关,因此,可根据主操作手末端的参考点位置逆解出前3个位置关节变量的表达式,从而减小计算量[16].式(8)给出了主操作手在空间中的位置坐标,则通过对式(8)进行化简求解,即可求解出主操作手的位置变量θ1,θ2,d 3的值.为保证不丢失可能的解用双参量四象限反正切函数[17],对式(8)化简求解可得θ1=a r c t a n 2(x ,z ),(9)θ2=a r c s i n yx 2+y 2+z 2,(10)d 3=x 2+y 2+z 2-l 3.(11)图3 运动学仿真模型F i g .3T h e s i m u l a t i o nm o d e l o f k i n e m a t i c s 3 主操作手运动学仿真3.1 仿真模型的建立MA T L A B 软件具有强大的矩阵计算能力,运用其R o b o t i c t o o l b o x 工具箱,编制简单的算法程序,不仅可以实现对机器人的运动学可视化仿真,还可以快速对手工计算结果正确性进行验证[18].根据表1中的D -H 参数,运用R o b o t i c t o o l b o x 工具箱中的连杆函数指令L i n k 和r o b o t 函数对主操作手进行建模.建立的主操作手运动学仿真模型如图3所示.3.2 正运动学仿真验证为验证主操作手正运动学模型建立的正确性,利用R o b o t i c t o o l b o x 工具箱提供的f k i n e 函数进行实例计算,若计算结果与式(9)得出的结果完全相符合,则说明主操作手的正运动学模型建立正确.在关节变量的变化范围内给定N (N m a x =100)个关节变量和杆件参数,代入运动学方程中进行求解522第2期王杰,等:基于MA T L A B 的主操作手运动学分析及仿真得到末端连杆坐标系相对基坐标系的设定位姿;再将对应的值输入主操作手的轨迹规划器中,直接读取实际的末端位姿.设定位姿和实际位姿的比较如图4所示,分析可知,设定值和实际值大体一致,说明所建立的正运动学模型准确可靠.图4 正运动学仿真结果F i g .4T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s o f f o r w a r dk i n e m a t i c s 3.3 逆运动学仿真验证在常规的逆解验证过程中,由于R o b o t i c t o o l b o x 工具箱提供的逆解函数指令i k i n e 是运用一种数值迭代算法求解运动学逆问题,因此对任意的某一组具体位姿数值,存在由于迭代收敛性质引起的无解或漏解的错误情况,所以本文不采用i k i n e 函数指令全面验证主操作手的逆解,而是将用逆解实例计算结果得到的正运动学解和验证准确的正运动学解进行比较,若两者相比,误差在合理范围内,则逆解公式推导正确.为验证逆运动学方程式(9),式(10)和式(11)的正确性,在主操作手的可达工作范围内给定主操作手末端位姿,代入逆运动学方程中进行实例运算,从而可得主操作手的各关节变量.但需注意的是,在求解主操作手逆运动学时必须充分考虑逆解的存在性,即主操作手末端是否处于主操作手的可达工作空间内[19].因此,对应逆解的实例运算求解是否能顺利进行,取决于用于实例计算的目标点是否位于主操作手的可达工作空间内,且其对应的目标姿态是否能实现.任取5组处于主操作手可达工作空间内的位姿(表2)作为给定位姿进行逆解实例运算,可求得能实现给定位姿的逆解θ1,θ2,d 3,如表3所示.表2 主操作手可达工作空间内的位姿T a b l e 2 T h e p o s i t i o n t h a t t h em a s t e rm a n i p u l a t o r c a n r e a c h i n t h ew o r k s p a c e 组别p x p y p z 1-13.5105 6.1946-11.59392 2.6357-5.6267 -2.35783 21.9092-33.6649-14.60184 102.8947 4.3737-140.71635-108.1641-64.5030-109.1196表3 给定位姿对应的运动学逆解T a b l e 3 T h e i n v e r s ek i n e m a t i c s o f t h e p o s i t i o nc o r r e s p o nd i n g t o p o s i t i o n 组别θ1/(ʎ)θ2/(ʎ)d 3/mm 1-0.8616 0.334818.85012 0.8410-1.0097 6.64573 0.9829-0.907142.73814 0.6314 0.0251174.37755-0.7810-0.3975166.6349进一步的,在MA T L A B 中利用R o b o t i c t o o l b o x 工具箱提供的f k i n e 函数对表3的计算结果进行正运动学计算,可以到5组关节变量对应的位姿矩阵:T 1=-0.40410.78590.4681-13.5108-0.7768-0.0247-0.62926.1938-0.4829-0.61790.6205-11.59400001.0000éëêêêêêùûúúúúú,622 西安工程大学学报第32卷T 2=-0.39150.6035-0.69472.6356-0.77960.18350.5988-5.62670.48880.77600.3986-2.35770001.0000éëêêêêêùûúúúúú,T 3=-0.38750.4723-0.791721.9078-0.83880.17560.5154-33.66570.38250.86370.3281-14.60190001.0000éëêêêêêùûúúúúú,T 4=0.29290.6781-0.6741102.8983-0.92920.0356-0.36794.3764-0.22540.73410.6405-140.71350001.0000éëêêêêêùûúúúúú,T 5=0.11380.80970.5757-108.1629-0.99300.11140.0397-64.5068-0.0319-0.57620.8167-109.11850001.0000éëêêêêêùûúúúúú.通过观察分析可知,5组正解位姿矩阵的最后一列元素和表2中的p x ,p y ,p z 相比较,误差在允许范围内,即用给定位姿的逆解所求得的位姿和给定位姿在理论上是一致的.因此,前述逆运动学分析所得的各关节变量计算公式是正确的.3.4 轨迹规划仿真验证轨迹规划是根据作业任务的要求来事先规定机器人的操作顺序和动作过程,轨迹规划仿真可以更详尽直观地描述机器人的运动过程[20].本文根据主控医生通过内窥镜和三维数字成像技术设计的机器人手术刀的理论运动轨迹,主要对主操作手在关节空间内进行从初始点到目标点运动过程中的轨迹规划,主要研究了主操作手和前3个关节之间的关系.取主操作手末端初始点A 的各关节变量为q A =[-0.5236 1.5708 50 -1.5708 -1.5708 0];目标点B 关节变量为q B =[0.7898 1.1733 166.6349 0.4488 -0.3927 0.5236].仿真时间为5s ,在MA T L A B 中编程并运行,可分别得到主操作手仿真末端轨迹图㊁位移图以及旋转关节J 1,J 2和移动关节J 3的位移变化曲线㊁速度变化曲线㊁加速度变化曲线,如图5~7所示.由仿真图可知,主操作手末端在初始点A 到目标点B 运动过程中连续平稳;旋转关节J 1,J 2,移动关节J 3,位移变化持续稳定;关节J 1,J 2,J 3的速度㊁加速度初末值均为零,且曲线连续光滑,没有突变,说明主操作手在运动过程中比较平稳,整个结构不会产生较大振动.从而说明主操作手连杆参数设计合理,准确可靠. 图5 主操作手仿真末端轨迹图图6 主操作手仿真末端位移图F i g .5T h e e n d t r a j e c t o r y o f s i m u l a t i o n F i g .6T h e e n dd i s pl a c e m e n t s i m u l a t i o no f m a s t e rm a n i p u l a t o r m a s t e rm a n i p u l a t o r 722第2期王杰,等:基于MA T L A B 的主操作手运动学分析及仿真图7 主操作手关节J 1,J 2,J 3的位移㊁速度和加速度变化曲线F i g .7T h e c h a n g e c u r v e o f d i s p l a c e m e n t ,v e l o c i t y a n da c c e l e r a t i o no f J 1,J 2a n d J 3f o rm a s t e rm a n i p u l a t o r 4 结束语针对如何实现泌尿外科微创手术机器人的远程操作,设计一种用于位姿定位的主操作手结构,并结合MA T L A B 软件对其进行分析与验证.首先,根据目标任务,设计了具有6个自由度的主操作手结构;其次,采用改进的D -H 法和坐标变换理论求解主操作手的正运动学问题;在此基础上求解主操作手运动学逆解;最后,运用MA T L A B 软件中的R o b o t i c t o o l b o x 工具箱对主操作手进行运动学建模和仿真,得到主操作手的末端轨迹㊁末端位移以及主要关节的位移㊁速度㊁加速度随时间的变化曲线.结果表明,主操作手参数设计合理,运动学模型建立准确可靠,末端轨迹符合预期要求,为主操作手后期的动力学分析㊁结构优化和运动控制提供了必要依据.参考文献(R e f e r e n c e s ):[1] S H E N T ,N E L S O NCA ,WA R B U R T O NK ,e t a l .D e s i g n a n d a n a l ys i s o f a n o v e l a r t i c u l a t e d d r i v em e c h a n i s mf o rm u l t i -f u n c t i o n a lN O T E S r o b o t [J ].J o u r n a l o fM e c h a n i s m s&R o b o t i c s ,2015,7(1):110041-110048.[2] 王伟,王伟东,董为,等.基于协作空间与灵巧度的机器人辅助微创手术术前规划算法[J ].机器人,2016,38(2):208-216. 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人体上肢运动学动力学建模与仿真技术的研究

收稿日期:2008212206;修改稿收到日期:20092122101基金项目:广东省科技计划项目(2008B010400011);广州市科技支撑计划项目(2008Z12D371);广东省教育部产学研结合项目(2009B090300340)资助1作者简介:袁清珂3(19632),男,博士,教授(E 2mail :qkyuan @ ).第27卷第2期2010年4月　计算力学学报　Chinese Journal of Computational MechanicsVol.27,No.2April 2010文章编号:100724708(2010)022*******人体上肢运动学动力学建模与仿真技术的研究袁清珂3,　骆少明,　唐文艳,　罗小美(广东工业大学机电工程学院,广州510090)摘　要:根据多体动力学原理,以人体解剖学为基础,对人体上肢进行建模,推导了其动力学和运动学方程,建立了人体上肢四刚体四自由度动力学模型,运用多系统动力学软件ADAMS ,结合U G 建模功能,对人体上肢动力学和运动学特性进行了分析计算,对人体上肢收臂翻掌过程的运动进行了仿真,并将计算结果与实测数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。

关键词:人体上肢;动力学;建模方法;仿真技术中图分类号:TP391.9 文献标识码:A1　引言以人体为对象研究其建模方法,对其进行运动学和动力学分析的人体动力学,是仿人机构研究的基础理论学科之一,已在航空、汽车等领域得到了广泛应用。

研究人体动力学的建模与仿真,获取有关运动、力学数据,指导机电产品设计、运动康复器械设计、人体机能恢复等具有重要意义。

本文以人体解剖学为基础,根据多体动力学原理,对人体上肢进行建模,推导了其动力学和运动学方程,建立了人体上肢四刚体四自由度动力学模型,运用多体动力学分析软件ADAMS ,结合U G 建模功能,对人体上肢动力学和运动学特性进行了分析计算,对人体上肢收臂翻掌过程的运动进行了仿真,并将计算结果与实测数据进行了对比。

使用MatlabSimulink实现运动可视化技术

使用MatlabSimulink实现运动可视化技术还在为不知道如何使自己的仿真结果更容易让人接受而烦恼吗？还在为用一条条曲线所表示的运动太过抽象而苦不堪言吗？建个3D模型，使用Matlab平台，投资小，利润高！小本经营，无限回报，赶快继续阅读吧，依托强大的Matlab平台支持，帮你解决仿真过程中遇到的这些烦恼~~试想一下，无论是学术活动还是各种汇报，一个会动的仿真结果和一组组曲线相比哪个更直观，再配以必要的文字、数字说明，相信下面介绍的方法所得到的结果，无论从哪个角度来讲可能都会更具说服力。

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运动可视化使用到的是虚拟现实技术。

虚拟现实(Virtual Reality,VR)顾名思义就是使用电脑模拟一个三维空间，让观察者有身临其境感觉的一项可视化技术。

如果其中物体的运动是受外界控制的，那么就实现了运动的可视化，使运动不再抽象，控制效果也不再是一条条仿真曲线，可以从3D模型的运动中直观地反映出来。

运动可视化技术可以应用于很多领域，如控制中可以用它来反映被控对象的运动情况，机械中借助于外界输入设备（鼠标、操纵杆等）可以观察复杂机械设备的联动情况。

做出来的虚拟现实系统也可以应用于虚拟训练、虚拟地图等场合。

虚拟现实所使用到的语言为VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虚拟现实建模语言。

由于早期的网络使用的语言HTML (HyperText Mark-up Language)无法满足巨大信息量的要求，为了解决这个问题，就应运而生了VRML语言，此处的运动可视化技术是借用VRML 的强大建模的功能，在Matlab平台上实现虚拟现实。

那么下面就介绍一下虚拟现实的实现流程吧从流程图上看，操作过程并不复杂，实际上也是这样的，下面介绍的这样方法，即使没有VRML语言基础也能建立很好的虚拟现实场景。

四自由度上肢康复机器人运动轨迹规划与仿真

ｔｏｒｙＰｌａｎｎｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ４——ＤＯＦ
ＵｐｐｅｒＬｉｍｂＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＲｏｂｏｔ
ＹＡＮＧＬｖ—ｊｉａｎ，ＳＨＥＮＬｉｎ—ｙｏｎｇ，ＤＩＮＧＨａｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｉｓｔｈｅｂａｓｉｓａｎｄｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒｉｔｓｃｏｎｔｒｏ１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｒｏｂｏｔ，ｆｉｒｓｔｌｙｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｓｕｓｉｎｇＤ —Ｈｆｒｏｎｔｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎｏｆａｌｌｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｓａｎｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ．Ａｆｔｅｒｗｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｏｌｕｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｐａｃｅｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈＭｏｎｔｅ— Ｃａｒｌｏｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｎ，ｗｅｕｓｅｄｔｈｅＲｏｂｏｔｉｃｓＴｏｏｌｂｏｘｍｏｄｕｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎＭＡＴ— ＬＡＢｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔ，ｗｈｉｃｈｈａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆａｂｏｖｅ

matlab机械臂模拟正弦运动规律

一、概述机械臂是一种能够模仿人类手臂运动的装置，广泛应用于工业生产线、医疗设备和科学研究等领域。

在机械臂的控制过程中，正弦运动是一种常见的运动模式，它具有周期性和规律性的特点，在很多实际应用中都有重要的作用。

本文将介绍如何使用Matlab软件对机械臂进行正弦运动的模拟与控制。

二、正弦运动的基本原理1. 正弦运动的定义正弦运动是指在运动过程中，物体的位移、速度或加速度随时间变化呈现出正弦曲线的规律。

其数学表达式为：y = A*sin(ωt + φ)。

其中，A表示振幅，ω表示角速度，φ表示相位差，t表示时间。

2. 正弦运动的特点正弦运动具有周期性、规律性和简谐性的特点，可以用于描述很多实际运动的规律。

在机械臂控制中，通过对正弦运动的模拟与控制，可以实现机械臂的精确定位、柔性操作等功能。

三、Matlab软件在机械臂正弦运动模拟中的应用1. Matlab工具箱的使用Matlab提供了丰富的工具箱，包括控制系统工具箱、仿真工具箱等，这些工具箱可以很好地支持机械臂正弦运动的模拟与控制。

在进行机械臂正弦运动模拟时，可以充分利用Matlab提供的工具箱进行快速开发和验证。

2. 机械臂建模在进行机械臂正弦运动模拟之前，首先需要对机械臂进行建模。

利用Matlab的建模工具，可以将机械臂的结构、动力学特性等进行建模，并得到相应的数学模型。

3. 正弦运动控制算法在机械臂正弦运动的控制过程中，需要设计相应的控制算法。

Matlab提供了丰富的控制系统设计工具，可以根据机械臂的数学模型，设计出适合的正弦运动控制算法。

4. 仿真与验证利用Matlab进行机械臂正弦运动的仿真与验证是非常重要的一步。

通过对模型进行仿真，可以验证控制算法的有效性，确保机械臂能够稳定、精确地进行正弦运动。

四、实例分析：利用Matlab对机械臂进行正弦运动模拟以某型号机械臂为例，介绍如何利用Matlab对机械臂进行正弦运动模拟的具体步骤。

1. 机械臂建模利用Matlab的建模工具对该型号机械臂进行建模，包括机械结构、电机特性、传感器等。

基于MATLAB的模块化机器人手臂运动学算法验证及运动仿真

基于MATLAB的模块化机器人手臂运动学算法验证及运动仿真李宪华;郭永存;张军;郭帅【期刊名称】《计算机应用研究》【年(卷),期】2013(030)006【摘要】Aiming at the 6 DOF modular serial robot arm,firstly,this paper established the forward kinematics model of the robot arm after using DH method to describe the workspace,it obtained a group of completely generalized coordinates by employing Euler angle to represent the position and orientation,and analyzed the geometric relationship of the Euler angle.Secondly,for the poor computing capability of SolidWorks with strong 3D model building ability compared with MATLAB,it imported the robot arm 3D model to MATLAB from SolidWorks after programming the interface procedures.At last,not only the correction of forward and inverse kinematics algorithms was validated,but also the simulation of arm movement was achieved.That the kinematics correctness verification and motion simulation provided necessary guarantee for precise positioning and path planning of robot arm.%针对由模块化关节构成的六自由度串联机器人手臂,采用DH法对手臂的操作空间进行了描述,得到了正运动学模型；采用欧拉角表示手臂姿态,得到了包含六个参数的用于表示手臂位姿的完备广义坐标,并对欧拉角的几何关系进行了分析.针对SolidWorks虽然实体建模简洁方便但计算并非其强项的缺点,编写相应接口程序,将建立的手臂三维实体模型保留几何约束关系简化后导入MATLAB软件.基于MATLAB编写正逆运动学算法验证程序以及连杆驱动程序,实现了手臂的仿真运动.通过仿真,不仅更进一步验证了手臂正逆运动学解算的正确性,而且非常直观地看出手臂末端在空间中运行的路径以及各关节的动作情况.机器人手臂正逆运动学算法正确性的验证及运动仿真为手臂的精确定位及其路径规划提供了必要的保证.【总页数】4页(P1682-1684,1704)【作者】李宪华;郭永存;张军;郭帅【作者单位】安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;上海大学CIMS & 机器人中心,上海200444【正文语种】中文【中图分类】TP241【相关文献】1.基于Matlab的模块化机器人运动学仿真 [J], 王胜;程武山2.两类基于MATLAB的Lyapunov与Riccati线性矩阵不等式可行解的算法分析与验证 [J], 薛亚宏3.基于AC800M与Matlab的算法实验平台设计与验证 [J], 于磊;杨国田4.基于MATLAB Robotics Toolbox的可重构模块化\r机器人运动仿真分析 [J], 卢佳佳;毛芳芳;李梅;李雅琼5.基于MATLAB的六轴机械臂运动学分析与验证 [J], 蔚芳鑫;孙明革;周海宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔａｔｕｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｕｐｐｅｒｌｉｍｂ．ＴｈｅｎｔｈｅｙＣａｎ
ｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｌｓｏｔｈｅｙｃａｎｇｅｔｍｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｓｔａｔｕｓａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｓａｎｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｕｐｐｅｒｌｉｍｂ．
Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇｆｏｒｔｙ－ｆｉｖｅｂａｓｉｃａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｕｐｐｅｒｌｉｍｂｉｎｅｖｅｒｙｄａｙｌｉｖｉｎｇａｎｄｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ，ｐｉｃｋｉｎｇｕｐａｎｄｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｔｈｅｓｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ｔｈｅｒｅ
§１．２仿燕杭器入的发展
囊然赛孛静捷耪戳冀多姿多彩鹣形态、茨巧祝敏豹动作活跃于务然器，如柔软弱象鼻子、可以在｛王意譬遂中怒符斡蛇、鬃裔流线型轮露的受类、入类灵巧竣双手窝霹以蓬变好走鲍双足。爨她，鱼然器生物蛉运动行为帮某些机能已经成必机器人学者进行虮器人设计、实瑰其灵活控剃的愍考源泉，爨８０年代中期以来，科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。
在短短４０年戆封趣墨，枧嚣久技术褥到了遂速的发疑，篷瑗了疫焉于不姆领域各具特色蜓机器人，铡如仿人机嚣人、军罴坎器人、水下枕器人、空阐机器人、服务机器人、微型枫器人、机器人化枧爨、枧器人足球等。枧嚣人技术已经应用于许多领域，如机械、电子、仪器设备、工业自动化、半导体、航空航天、生物技术、滕学、危险品及废物处理等。由于人类文明的进步和生活水平的提高，机器人技术在医学方面的应用更为广泛。医学机器人主要包括康复机器人和外科手术机器入。医疗康复领域的一个熏要应用场合就是假肢，它使肢体残疾者阐归社会成为可能。
ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ｈａｓｂｅｅｎｓｅｔｕｐ．
ＵｓｉｎｇｔｈｅｓｋｉｌｌｓｏｆｐｒｏｇｒａｍｍｉｘｉｎｇＶＣａｎｄＭＡＴＬＡＢａｎｄｅｎｇｉｎｅｔｒａｎｓｆｅｒ，ａ
ｋｉｎｅｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｆｉｖｅ—ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｕｐｐｅｒｌｉｍｂｗａｓｓｅｔｕｐ．Ａｎｄｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｃｏｎｓｕｍｅｒｓｏｎｌｙｎｅｅｄｔｏｉｎｐｕｔｔｈｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｐｐｅｒｌｉｍｂ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｄｙｎａｍｉｃｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＭＡＴＬＡＢ
天津科技火学硕士学位论文
第一章绪论
§１。１橇器入技术
机器人怒传统的机构学与璎代嗽子技术耀缮会的产物，也是当代寒耨技术发展的～个重溪内容。人们制造机器人是为了让枧器入来代蛰人媳工｛乍，所以希望机器人能够具有人的劳幼机能。２０世纪５０年代是机器人的萌芽期，其概念是“…个空间机构组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器”。６０年代，美国联合控制公司推出了第一台机器人“尤尼麦特”之后，工业机器入进入成长期，井开始向实用化发展，被用于焊接和喷涂作业中。７０年代，随着计算机和入工智能的发鼹，机器入进入实用化时代，日本结合本国国情发展祝器入产监，一举成为“视器入”王国。８０年代，机器人发展成为具有备种移动机构、通过传惑器控制的孛凡器，工泣机器入进入了普及时代，开始在汽车、奄予等符业得到大羹使用。９０年代纫期，税器入的生产和需求遴入麓潮期，在计算技术帮人工锗髓科学发袋静蒺穑土，开始商智能机器入的方自发震１１】。
ｗｅｒｅｅｉｅ出ｔａｃｔｉｏｎｓＬｅｆｔ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｔｈｅｉｔｅｍｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｒａｎｇｅｏｆｕｐｐｅｒｌｉｍｂｊｏｉｎｔｓ，ａ
ｆｉｖｅ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈＣａｎｃｏｍｐｌｅｔｅｅｖｅｒｙｄａｙａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｓｔｅａｄｏｆｔｈｅｓｅｖｅｎ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｕｐｐｅｒｌｉｍｂａｎｄｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄ’Ｓｎｅｅｄｓｆｏｒｌｏｗｌｙｃｏｓｔｉｎｇ，ｓｋｉｌｌｆｕｌａｎｄｂｅａｕｔｉｆｕｌａｎｄｂｅｉｎｇａｂｌｅｔｏｈａｎｄｌｅｔｈｅｂａｓｉｃｅｖｅｒｙｄａｙ
仿生机器人就是模拟自然界中生物的步｝部形状或某些机能的机器人系统，是由仿生学和机器人学相结合发展起来的。仿生机器人的类型很多，若按其模仿特性进行分类，可分为仿人类肢体和仿非人类生物两种，其中仿人
第一章绪论
类肢体可分为仿人手臂型和仿人双足型，仿非人类生物分为宏型和微型生物耻】。仿生机器人机构的研究大大促进了机器人的发展，其中仿生上肢机构的研究是机器人学发展的主要方向之一。１９８３年美国ＲｏｂｏｔｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ以拟人臂组合化为设想，基于系列关节研制出Ｋ一１６０７等系列７自由度拟人单臂和Ｋ／Ｂ－－２０１７双臂～体机器人，其单臂Ｋ／Ｂ２０１７已用于空间工作站实验。美国ＣＥＤＳａｒｃｏｓ研究公司、贝尔实验室和能源部等联合开发出了仿人臂，其中灵巧臂是液压式１０自由度手臂。１９９５年Ｂｏｌｏｇｎａ大学在ＰＵＭＡ机器人的基础上设计研制出了三指灵巧手的仿人臂系统。
ｕｐｐｅｒｌｉｍｂｆｏｒｔｈｅｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄＯｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｓｅｖｅｎ·ｄｅｇｒｅｅ—ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｄｅｌ．
Ｔｈｅｎｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌｙＣａｎｈｅｌｐｔｈｅｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｂａｓｉｃ
ｅｖｅｒｙｄａｙａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｈａｓｆｅｗｅｒＤＯＦａｎｄａｍｏｒｅｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃａｎｂｅ
ａｖａｉｌａｂｌｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒａｆｉｖｅ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｄｅｌｏｆｈｕｍａｎｕｐｐｅｒｌｉｍｂ，ｗｈｉｃｈＣａｎｆｕｌｆｉｌｌｔｈｅｂａｓｉｃｅｖｅｒｙｄａｙａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｈｕｍａｎｕｐｐｅｒｌｉｍｂｉｎｓｔｅａｄｏｆｔｈｅｓｅｖｅｎ—ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｄｅｌ，ｗａｓｂｕｉｌｔｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔｉｆｙａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｏｆｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｕｐｐｅｒｌｉｍｂａｎｄｗｉｌｌｆａｖｏｒｔｏｐｏｐｕｌａｒｉｚｅａｎｄｅｘｔｅｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｕｐｐｅｒｌｉｍｂ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅ
天津科技大学硕士学位论文基于MATLAB的人体上肢运动分析及仿真姓名：张爱丽申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：张建国
2003.3.1
天津科技大学硕士学位论文
摘要
ｆ七自由度人体上肢模型自由度较多，接近人体上肢的动作机能，但由于每增加一个自由度都需配备相关的驱动装置，使机构的复杂度和成本成倍地增加。当为残疾人设计仿生上肢时，仅需考虑使用者能完成最基本的日常活动，故可以对七自由度上肢模型的几个自由度进行必要的取舍，以得Ｉ！Ｉｉｉ帮
§１．３国内外上肢辅助装置的研究现状
除了开发出用于高科技的灵巧仿人臂之外，仿生人体上肢还有一个重要的研究方向，即开发帮助残疾人和老年人进行日常活动的上肢辅助装置，使其达到日常生活自理的目的，如假肢和智能轮椅的开发。
国际上非常重视仿生上肢机构的研制。上肢辅助装置的开发是从６０年代妇女服用一种安眠药造成胎儿上肢畸形（海豹肢）而迅速发展起来。这批儿童长大后要生活、学习、工作，不得不依靠辅助装置，如动力上肢假肢、动力移动辅助装置等。进入９０年代后，发达国家对辅助装置的开发非常重视，投入了大量的财力和人力。如欧共体为了提高残疾人和老年人的生活质量提出了ＴＩＤＥ
ｍｏｒｅｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔｔｏｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｈｕｍａｎｕｐｐｅｒｌｉｍｂ．ＢｕｔａｓａｄｄｉｎｇｏｎｅＤＯＦｍｅａｎｓｔｏａｄｄａｓｕｉｔｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｄｒｉｖｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｏｕｌｄｂｅｇｅｍｉｎａｔｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅｗｈａｔｗｅｓｈｏｕｌｄｔａｋｅｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｉｓｔｈａｔｔｈｅ
助残疾人完成基本日常活动、自由度更少、机构更加简单的仿生上肢。丁本文
通过实验和理论分析建立了五自由度的上肢模型，该模型能代替七自由度上肢完成日常活动，简化了仿生上肢机构，降低其生产成本。文中还运用ＭＡＴＬＡＢ语言对所建立的五自由度上肢模型进行了运动学和动力学分析及仿
真。
在总结人体上肢４５项基本日常活动的基础上，对这些活动进行了动作分解、提取及过滤，得到８项影响上肢关节活动范围的动作，将其作为实验项目，测得人体上肢在日常活动中的关节活动范围。结合实验结果，建立了能代替七自由度上肢完成日常活动的五自由度上肢模型。该模型能满足残疾人对仿生上肢可完成基本日常活动、成本低、灵巧美观的要求。
ｔｉｍｅｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｆｉｖｅ··ｄｅｇｒｅｅ—ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍｕｐｐｅｒｌｉｍｂｍｏｄｅｌｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｉｎｇＭＡＴＬＡＢ．
ｈａｎｄｉｃａｐｐｅｄｏｎｌｙｎｅｅｄｔｏｈａｎｄｌｅｔｈｅｍｏｓｔｂａｓｉｃａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｉｒｅｖｅｒｙｄａｙｌｉｖｉｎｇ，ｓｏｍｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｍａｙｂｅｔａｋｅｎｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ