一种上肢外骨骼运动学分析与奇异性消除方法.pdf

第38 卷第1 期 机器人 ROBOT Vol.38, No.1 2016 年1 月 Jan., 2016 DOI ：10.13973/ki.robot.2016.0033 一种上肢外骨骼运动学分析与奇异性消除方法 1 1 2 1 肖永飞 ，王学林 ，李志海 ，赵永国 （1. 山东省科学院自动化研究所山东省机器人与制造自动化技术重点实验室，山东济南 250013 ； 2. 中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳 110016） 摘 要：为合理确定上肢外骨骼机械臂的物理参数，评估其运动性能，提出一种人体上肢运动空间的准确建 模方法，并针对人体上肢自身的生理特点，给出自运动流形的优化求解以及外骨骼上肢机构奇异性消除方法．首 先，通过分析人体上肢解剖结构，建立胸锁骨关节、盂肱关节以及肘关节等角度与末端位置的等效运动学模型， 进而准确模拟上肢运动范围内的可达空间．其次，依据上肢冗余自由度导致的自运动特点，以上肢负载能力最大 为约束条件，求解运动流形中的最佳姿态．最后，根据所建模型分析上肢的奇异姿态，给出可避免奇异性的外骨 骼系统结构配置，从机构设计上避免上肢外骨骼系统运动控制过程奇异性的发生． 关键词：外骨骼机构；上肢运动；精确模型；自运动流形；奇异性 中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1002-0446(2016)-01-0033-08 A Method of Kinematic Analysis and Singularity Elimination for Upper-limb Exoskeleton XIAO Yongfei 1 ，WANG Xuelin 1 ，LI Zhihai 2 ，ZHAO Yongguo 1 (1. Provincial Key Laboratory of Robot and Manufacturing Automation Technology, Institute of Automation, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250013, China; 2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China) Abstract: In order to determine the physical parameters of upper-limb exoskeleton mechanism and evaluate its motion performance, a precise modeling method is proposed to deduce the motion space of human upper-limb. Depending on the physiological characteristics of human upper limb, the self-motion manifold is optimized and a method to avoid the singularity of upper limb exoskeleton mechanism is introduced. Firstly, the anatomical structure of upper limb is analyzed. The equivalent kinematic model including the