上肢动作建模

由人体解剖学[1]可知，人体上肢的运动主要由肩关节、肘关节和腕关节的相对运动来实现。 依据人体上肢的驾驶动作分析和机器人机构学原理[2]，可将人体上肢系统简化为由3 个连杆(上臂、前臂和手腕) 组成的铰链机构。可用上臂水平屈伸、上臂侧举上臂旋转、前臂弯曲和手腕弯曲(见图1) 表达的5自由度来建立人体上肢运动模型。若以A1、A2、A3、A4、A5 分别代表5自由度，则通过这些自由度

动作就可实现人体上肢对操作域空间目标(操控元件) 的拾取(操作)。其A1 ～ A3 的动作可以实现肩部球面副运动，A4 动作可实现肘部手臂的运动，A5 动作可实现腕部手掌的运动。

  根据机器人机构学及其回转变换矩阵原理[2]，以人体肩部球窝关节中心为坐标原点， 取人体上肢运动空间坐标系(见图2)，其中坐标系o0 x0 y0 z0 为基础坐标系，o1 x1 y1 z1～o5 x5 y5 z5 为各局部坐标系；坐标原点o0 、o1 、o2 重合在肩关节处，o3 建立在肘关节上，o4 建立在腕关节上，o5 建立在掌心上；l1 、l2 、l3分别代表人体上臂长、前臂长和掌心距。根据图2所示的坐标系，采用4 ×4 阶位姿矩阵Qi 表示初始位置时坐标系oi x i y i z i 在坐标系oi - 1 xi - 1 yi - 1 zi - 1 中的位姿，则在图2 初始位置时可以得到相应的4 ×4阶位姿矩阵Q1 ～Q5。从生理学知识及人体的实际动作姿态考虑，本文规定肘关节在x3 o3 z3 平面