由人體解剖學[1]可知，人體上肢的運動主要由肩關節、肘關節和腕關節的相對運動來實現。?依據人體上肢的駕駛動作分析和機器人機構學原理[2]，可將人體上肢系統簡化為由3?個連桿(上臂、前臂和手腕)?組成的鉸鏈機構。可用上臂水平屈伸、上臂側舉上臂旋轉、前臂彎曲和手腕彎曲(見圖1)?表達的5自由度來建立人體上肢運動模型。若以A1、A2、A3、A4、A5?分別代表5自由度，則通過這些自由度
動作就可實現人體上肢對操作域空間目標(操控元件)?的拾取(操作)。其A1?～?A3?的動作可以實現肩部球面副運動，A4?動作可實現肘部手臂的運動，A5?動作可實現腕部手掌的運動。
根據機器人機構學及其回轉變換矩陣原理[2]，以人體肩部球窩關節中心為坐標原點，?取人體上肢運動空間坐標系(見圖2)，其中坐標系o0?x0?y0?z0?為基礎坐標系，o1?x1?y1?z1～o5?x5?y5?z5?為各局部坐標系；坐標原點o0?、o1?、o2?重合在肩關節處，o3?建立在肘關節上，o4?建立在腕關節上，o5?建立在掌心上；l1?、l2?、l3分別代表人體上臂長、前臂長和掌心距。根據圖2所示的坐標系，采用4?×4?階位姿矩陣Qi?表示初始位置時坐標系oi?x?i?y?i?z?i?在坐標系oi?-?1?xi?-?1?yi?-?1?zi?-?1?中的位姿，則在圖2?初始位置時可以得到相應的4?×4階位姿矩陣Q1?～Q5。從生理學知識及人體的實際動作姿態考慮，本文規定肘關節在x3?o3?z3?平面內與x3?o3?軸呈45°。設A1～A5?繞y0?、z1?、y2?、z3?、z4?的轉動角度依次為θ1～θ5，依據變換矩陣原理，即可得到5?自由度上肢動作的相應回轉變換矩陣T1～T5。上肢關節轉動後的相應坐標系oi?x?i?y?i?z?i?在oi?-?1?xi?-?1?yi?-?1?z?i?-?1中的位姿矩陣Pi可表示為Pi?=?Ti?×Qi，故可得到手部掌心相對於基礎坐標系的位姿矩陣
T?=?T1?×Q1?×T2?×Q?2?×T3?×Q3?×T4?×Q4?×T5?×Q5?(1)
(2)
式中:?n、o、a?分別表示掌心位置矢量的位姿；p代表從基礎坐標系原點指向掌心的矢量。