目前，工业机器人普遍应用于结构化环境中的特定作业，因此，它主要采用示教的方法，固化控制程序，以保证操作具有较高的重复精度，但与此同时操作能力和与人协作能力受到严格的限制。情感机器人则要具有良好的适应性和自主性以满足不同环境下的不同作业要求，尤其需要具有与人安全协作的能力，因此，情感机器人腰臂机构的研究尤为重要。
1.机构综合
研制情感机器人腰臂机构的基本出发点是实现与人类上肢相似的操作功能和工作空间范围，并能安全可靠地与人类协作，最终使情感机器人在各种环境中具有高度的灵活性、自主性和适应性。腰臂机构综合是实现最终目标的重要基础，合理的自由度配置是实现情感机器人操作灵活性以及适应人类日常生活环境的重要保证。长期以来，人们一直致力于机器人机构综合的研究，与之相应的运动学评价标准层出不穷。机器人的机构综合普遍遵循下列原则：
1）具有最优的工作空间和良好的通用性。最优的工作空间是指机器人对人类生活环境和不确定环境的适应性，良好的通用性是指完成多种工作任务的可能性。
2）能够很好地消除奇异位置。奇异位置分为工作空间内部奇异和工作空间边界奇异，采用冗余自由度机构是消除工作空间内部奇异位形的有效方法。
3）有利于避开障碍物。安全避开工作空间内部的障碍物是保证机器人运动灵活性的重要条件。
4）保证结构设计合理。机器人手臂的承载与自重比是机器人性能的重要评价指标之一，机器人手臂关节驱动方式和驱动装置的选择对手臂自重有很大影响，手臂的自由度配置决定着关节的驱动方式和驱动装置的选择。
2.运动学问题
机器人运动学逆解问题在机器人运动学及控制中占有重要地位。情感机器人腰臂机构作为冗余自由度的机械系统，其运动学逆问题非常复杂，要建立通用算法相当困难。目前，常用的冗余机构逆运动学求解方法有Paul提出的解析法、Fu K.S提出的几何法、Milonkovic V.Huang提出的迭代法、Dinesh Manocha和John.F.Canny提出的符号及数值方法等，其中，迭代法较为常见，但仍存在计算量大、计算结果不精确等问题。情感机器人冗余手臂具有实现光滑轨迹、回避奇异、回避障碍等优点，同时，也存在采用迭代法求近似逆解的问题。机器人控制的目的在于快速准确，采用迭代法求近似逆解给情感机器人冗余手臂的实时控制带来困难，求出机器人运动学逆解的封闭解是实现机器人实时控制的重要条件。P.Dahm采用几何方法得到一种7-DOF冗余手臂的封闭解，从而在降低计算量的同时提高了计算精度。
3.动力学问题
机器人动力学问题主要包括机器人动力学模型的建立和相关实现技术的研究。动力学模型不仅可以用来计算关节的驱动力矩，控制机器人的运动，而且为运动规划过程提供了重要依据。目前，常用的动力学建模方法包括拉格朗日动力学方程、牛顿-欧拉递推动力学方程和凯恩动力学方程。实现技术包括情感机器人连续稳定行走、上下楼梯以及手臂最佳姿态的实时控制技术；识别和模仿人运动状态并进行机器人运动规划和轨迹跟踪的技术；机器人自身和外界碰撞监测以及对碰撞等干扰的自我调节技术等。此外，多传感器的信息融合技术、机器人控制系统开发和体系结构问题都需要进行更加深入的研究。
4.双臂运动学与行为研究
情感机器人的双臂协调作业需要解决运动轨迹规划、协调控制算法、操作力或力矩控制以及视觉感知与作业的交互等问题。运动轨迹规划主要实现双臂作业中无碰撞条件下的路径规划、不同形位的传速性能以及协调运动。操作力控制主要研究手臂不同形位的力学性能，TsunecYoshikawa，Sukhan Lee，Yoshio Yamamoto和Xiaoping Yun等人利用可操作度和力的可操作度指标对双臂的协调作业进行了评价。
近几年来，仿人双臂机器人成为智能机器人领域的又一研究热点。1997年，吴晖等研究了两个SCARA机器人的避碰问题，但没有考虑到机器人上下臂的碰撞问题；1999年，钱东海等运用动态规划法对沿特定路径运动的双臂进行时间最优轨迹规划，但其讨论并不是针对严格意义上的协调运动；2001年，陈安军等针对双臂机器人协调运动，给出了基于最小载荷分配的关节轨迹规划和基于最小关节广义驱动力的轨迹规划；2002年，陈峰等运用主、从臂理论，提出了从臂根据主臂规划好的轨迹，进行碰撞检测，然后采用人工智能中的A∗搜索算法搜索出从臂的最优无碰撞轨迹，A∗搜索算法不断利用节点发生器产生节点，并不断利用代价函数选择从起始点到目标节点所要经过的最优节点。
日本本田技研公司自1986年开始从事情感机器人的研究，主要解决“自在步行”控制和起立与坐下，招手致意等行为。(www.xing528.com)
日本宝制造所公司研制的“梦想神力01”，通过手机可以遥控该机器人为客人斟酒。
上海交通大学设计的双臂机器人可以进行倒水、拧螺钉、处理危险品等日常行为。
机械手避碰超声传感器是合肥智能机械研究所的科技成果。该成果是以双机械手协调运行避碰为背景的多探头超声测距防碰系统，主要面向机器人控制专题的双臂协调安全而设计的，可实现对作业中机械手周围物体监测、识别、预警等功能。
此外，哈尔滨工业大学、国防科技大学、清华大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能情感机器人的研制工作。
5.7-DOF仿人臂控制系统
随着机器人技术在核工业、空间技术及科学试验等特殊领域应用范围的不断拓展，复杂的作业环境对机器人灵活性、可操作性等提出了更高的要求。非冗余机械臂在这方面无法满足要求，而七自由度仿人臂和多自由度灵巧手可以在不确定的复杂环境中工作，如空间站及核电厂维护、核武器装配、放射性手术治疗等。美国国家航空航天局的研究机构具体分析了太空作业的具体要求，决定在空间站上安装七自由度仿人手臂和多自由度灵巧手，用以替代航天飞机上的六自由度机械臂完成空间站的建设及维护、与航天飞机之间交换货物等工作。除此之外，加拿大、德国以及日本等发达国家的航天机构都在积极进行相关技术的研究与开发。
目前，仿人臂和多自由度灵巧手已经成为机器人学的一个研究方向。仿人手及仿人单臂（以下简称仿人臂）乃至于仿人双臂一体机器人的研究对于实现核工业、空间站以及其他远程遥控作业都有十分重要的意义。
自1983年以来，Robotics Research Corporation一直致力于7-DOF仿人臂的研究，先后研制开发了K-1207i、K-1607i系列仿人单臂和KB-2017仿人双臂，其中仿人单臂被NASA等许多外国科学院所用于仿人臂的研究。这些仿人臂控制系统用计算机信号系统、电子系统安装在控制盒内，通过高性能柔性电缆与模块相连。目前KB-2017仿人双臂已应用于空间雷达站、轨道替换单元以及遥控表面检查中。
日本MITI机械工程试验室研究开发了JARM-10、JARM-25、JARM-100、JART-25系列的七自由度仿人臂。
1997年，日本早稻田大学Sugano实验室开发了一种带有13-DOF灵巧手的仿人臂7-DOF MIA ARM。该机械臂采用了一种被称作MIA（Mechanical Impedance Adjuster）的机械元件，这种元件具有高度的顺从性（High compliance），因此，由它构成的机械手可用在人与机械臂协调工作的环境中。
倍受关注的是，由NASA出资6亿美元，加拿大MD Robotics等多家公司联合研制了用于空间站的移动式服务系统（MSS）。该系统2001年正式起用，主要用于空间站的建设及维护、与航天飞机之间的交换货物等工作。该系统由专用灵巧手（SPDM），移动基础系统（MBS）及空间站遥控操作臂系统（SSRMS）三部分组成。其中SSRMS为7-DOF仿人臂（Canadarm2），与1981年投入使用的6-DOF机械臂（Canadarm）相比，Canadarm2的体积更大、智能程度更高。它能够完成Canadarm无法完成的工作，实现像蛇一样运动到空间站的任意部位。
此外，Schilling Development Incorporate等多家公司，针对极限作业下的远程遥控系统研制出一种七自由度仿人臂。该仿人臂的控制系统设计具有相当的开放性。在仿人臂的研制方面，美国、日本和加拿大走在前列，英国、瑞典、挪威、澳大利亚等国家也都在开展这项技术的研究，我国关于冗余度机械臂技术的研究起步较晚。1993年，北京航空航天大学研制了BUAA-RR型7-DOF仿人臂样机。1996年哈尔滨工业大学与674厂联合研制了用于自行火炮弹丸自动装填作业的155HP-1机械臂，它是七个自由度（其中一个为移动关节）机械臂，并带有三个自由度机械手，可在较小的装填作业空间里进行作业。
6.外观与结构优化
随着科学技术的发展，新能源、新材料不断涌现，减小尺寸、减轻重量及外观拟人化成为仿人机器人设计的重要课题。作为一个多关节多自由度的复杂系统，在实现预期功能的前提下，机器人必须有一个结构紧凑、配置合理的机械本体。本田公司的P2机器人身高1820mm，体重210kg，P3机器人的身高1600mm，体重130kg，而ASIMO的身高仅为1200mm，体重降至45kg。机器人主要包括电源系统、传动系统、传感系统及控制系统四部分。为了便于机器人的大范围作业，电源系统通常采用自身携带直流电池方式，由于电源占机器人自重的很大部分，根据调节机器人重心和优化结构的需要，常把电池置于机器人胸部或移动车体内。传感系统包括关节传感器、姿态传感器和力传感器，其中，行程开关和光电编码器组成关节传感器检测关节转角，实现关节的位置与速度控制。倾角仪具有体积小、重量轻的特点，作为姿态传感器进行姿态平衡控制，通常倾角仪置于机器人重心附近比较便于控制。加速度传感器和腕部六维力传感器用于检测关节受力情况。情感机器人外观和结构的优化无疑对它的商品化以及服务于人类日常生活具有重要意义。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
