助老助残智能轮椅机械臂的研究

论文摘要

目前机器人领域中,一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现并且迅速发展起来。服务机器人的应用范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。轮椅机器人作为一种重要的服务机器人已经开始进入人们的生活中,其上面的辅助机械手臂可以很好的帮助老年及残障人士从事一些日常生活活动,如开门、倒水等。基于智能轮椅的辅助型机械臂的结构在很大程度上决定了整个系统工作性能。机械臂安装在智能轮椅上,以人为服务对象,决定了这种机械臂重量轻、体积小、外观精致、工作空间大等特点。六自由度的轻型串联机械臂,配以人性化的控制界面,使这种机械手臂很好的代替人手臂完成多种动作。本文结合机器人运动学,及可操作度理论对放置于智能轮椅旁的机械臂进行研究,主要研究内容如下:首先,根据轮椅机械臂刚度要求及工作空间大的特点确定适当的自由度数和关节机构构型,选择合适的机械臂传动方案和整体结构布局。结合机构学分析规划各部分功能结构,包括手爪、腕部、小臂、大臂、底座等功能模块。综合考虑重量,体积等因素,建模整个手臂的具体结构。其次,对机器人的运动学进行分析,建立了机械臂运动学模型。根据D-H法得到机械臂的运动学正解和运动学逆解,并用矢量积分法推导出机械臂雅可比矩阵,利用运动学理论分析绘制了机械臂的工作空间。结合工作空间对大臂和小臂杆长参数进行了尺寸综合得到较优的杆长参数。再次,研究机械臂的工作性能,把机器人性能指标中的可操作度作为研究对象,结合可操作度椭球分析机械臂可操作度的概念,进而基于整个轮椅机械臂系统分析机械臂的可操作度,面向任务划分轮椅机械臂工作空间,相应理论计算工作空间内点的可操作度,并对可操作度大小进行形象的评价标示。应用标示结果分析了轮椅机械臂工作空间中各个区域内的操作能力,用于指导规划和操作,以及对杆件尺寸的校核。最后,设计机械臂的控制系统,鉴于串联机械臂布线困难,选择使用上下位机的分级控制模式,及CAN总线通信方式,这样能使硬件线路相对简单。利用USB-CAN卡,微驱动控制器,自制的接口电路板等搭建基于CAN总线的控制系统硬件电路,基于速度控制的方式利用VC编写控制系统程序。并连接机械部分进行调试,实现机械臂的速度模式运动,在此基础上,进行了实验验证工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及来源
• 1.2 辅助作业机械手臂国内外研究现状
• 1.3 本课题的研究内容
• 第2章 轮椅机械臂机械结构的研究
• 2.1 引言
• 2.2 设计要求
• 2.3 设计准则
• 2.4 机械臂方案设计与分析
• 2.4.1 机器人自由度的分配和结构构型
• 2.4.2 传动系统的布置
• 2.4.3 方案描述
• 2.5 机械臂关节结构
• 2.5.1 紧凑手爪机构设计
• 2.5.2 差速腕部机构设计
• 2.5.3 臂身结构设计
• 2.6 关键部件校核与分析
• 2.7 机械臂整机结构
• 2.8 本章小结
• 第3章 机械臂运动学分析及尺寸综合
• 3.1 引言
• 3.2 机械臂正运动学
• 3.3 机械臂逆运动学
• 3.4 机械臂雅可比矩阵
• 3.5 机械臂操作空间
• 3.6 机械臂杆长尺寸综合
• 3.7 本章小结
• 第4章 机械臂操作性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 机械臂可操作度
• 4.3 轮椅机械臂可操作度及工作空间的划分
• 4.3.1 轮椅机械臂的可操作度
• 4.3.2 轮椅机械臂工作空间划分
• 4.4 轮椅机械臂可操作度计算及分析
• 4.4.1 轮椅机械臂可操作度大小
• 4.4.2 轮椅机械臂可操作度分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 机械臂控制系统设计及实验
• 5.1 引言
• 5.2 机械臂控制系统的基本框架
• 5.3 机械臂控制系统的硬件组成
• 5.4 机械臂控制系统的软件开发
• 5.4.1 各个模块的功能简介
• 5.4.2 进给方式简介
• 5.5 抓取及性能指标实验
• 5.5.1 性能指标实验
• 5.5.2 抓取实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢