1.2 国内外研究现状

1.2.1 仿真平台国内外现状

1.2.2 神经控制算法求解国内外现状

1.3   章节安排

本文目标在于建立一个仿生手的仿真平台，并能结合神经控制算法对模型进 行初步控制。

第一章为绪论。主要介绍了仿生平台研究的背景及意义，分析了国内外仿真 平台及神经控制算法的研究现状。

第二章为仿生手的运动学模型建立。我们分析了人体手臂的生物学原理，将 手臂简化成含有三个刚体的多刚体系统，运用多刚体运动学理论建立了运动学模型。

第三章为仿生手的动力学模型建立。我们分析了人体肌肉的原理，确定了控 制手臂运动的 15 块主要肌肉。对包括接触力、关节约束力在内的环境约束力进 行数学建模。最后基于多刚体动力学的理论，建立了仿生手的动力学模型。

第四章基于 opensim 仿真平台搭建了模型。我们基于 opensim 肌肉骨骼模型 仿真平台，采用 xml 语言，根据第二三章的理论分析建立了模型。

第五章研究了模型的神经控制算法。我们采用 ESN+增强学习的方法来产生 肌肉控制信号，对该方法的理论支撑进行了论述。

第六章通过编程实现了神经控制算法并用程序实现了对模型的初步控制。我 们基于 VS2013 和 opensim 函数库，采用 C++语言，编写了训练程序。我们从运 动控制和输出力控制的角度进行了实验。

2 运动学模型搭建

2.1 手臂自由度分析

为了将手臂模型简化，我们不考虑腕部、前臂的关节，只考虑肩部和肘部的 关节。模型的身体部分被固定，运动部分为为上臂和下臂两部分。简化的手臂拥 有 4 个自由度。其中，肩部有 3 个自由度，肘部有 1 个[12]。

图 2.1  肩部倾斜角

肩部倾斜角，控制手臂在身体侧方位的转动,范围 -180o~0o

图 2.2 肩部俯仰角

肩部俯仰角,  控制手臂在体前体后的转动,  范围 -90o~180o 。

图 2.3  肩部旋转角

肩部旋转角，控制手臂向内或向外的旋转，范围 -90o~20o

图 2.4 肘部夹角

肘部夹角，控制下臂相对上臂的转动，范围 0o~130o 。

2.2 模型坐标系建立

我们假设人体的骨骼是刚体，即骨骼在运动过成中形状不发生变化。为了便 于对模型运动学的处理，我们建立了多刚体运动学模型。如图 2.5 多刚体坐标 系，子刚体 B 相对母刚体 P 发生运动,  刚体之间通过关节连接，建立与母刚体和

子刚体分别固连的基坐标系 P 和运动坐标系 B， 则子刚体相对母刚体的运动可 以通过坐标系之间的位置关系建立[19]。

图 2.5 多刚体坐标系

我们参考了人体解剖学原理，针对我们的运动目标建立了三个连接的刚体: 位置固定的胸部及头部骨骼、上臂骨骼和下臂骨骼。

根据刚体之间几何关系确定坐标系：与胸骨最上端中点固定的基坐标系；原 点在上臂与胸骨连接点上，固定在上臂上的上臂坐标系；原点在下臂与上臂连接 点上，固定在下臂上的下臂坐标系。三个坐标系 Y 轴均为竖直方向、X 轴均为垂 直于面部方向，Z 轴方向根据右手定则确定。初始坐标系方向相同，可以使初始 坐标系的表达变得简单。坐标系示意图见图 2.6。

图 2.6 模型坐标系示意图

（其中绿颜色线代表 X 轴、黄颜色代表 Y 轴、红颜色线代表 Z 轴）