护士助手机器人控制及路径规划技术研究

论文摘要

护士助手机器人是一种移动服务机器人。它在医院环境中工作,自主导航,能给病人送各种物品,提高病房的自动化水平;另外,护士助手机器人能替代医护人员进入传染病病房,执行运送药品、喷雾消毒等医护任务,从而保护医护人员和避免交叉感染。本课题结合黑龙江省自然科学基金项目“护士助手机器人基础技术研究”,对涉及的关键技术进行研究。论文首先介绍了护士助手机器人在美国、日本和中国的研究和发展现状。针对护士助手机器人的具体功能,设计了机器人的总体结构、机器人底盘、物品摆放空间的结构和机械手、触摸屏的安装结构,建立了机器人运动学模型和差速驱动数学模型。基于分级递阶控制系统结构,设计了护士助手机器人控制系统。设计了控制系统硬件结构方案,其中主要包括以TMS320F2812为核心的主控制器最小系统设计、总线接口设计、驱动电路设计等。设计开发了基于AVR单片机的电机驱动系统。首先论述了电机选择,然后介绍了电机驱动系统结构,其中主要包括控制器系统设计、直流电机功率驱动模块设计。最后介绍了磁传感器系统、触摸屏人机界面的控制系统设计。针对护士助手机器人导航,提出了基于遗传模拟退火算法的路径规划方法。研究了模拟退火算法在护士助手机器人路径规划中的应用,并对算法中各个参数进行了研究和设置。然后在不同的参数设置情况下,利用MATLAB软件对算法进行了模拟仿真,并对结果进行了比较分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 国内外研究及应用概况
• 1.3.1 国外研究及应用概况
• 1.3.2 中国研究及应用概况
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 结构设计与运动学分析
• 2.1 机器人性能指标及设计要求
• 2.2 机器人总体结构
• 2.2.1 运动方式与底盘结构
• 2.2.2 物品盛放空间
• 2.2.3 触摸屏人机界面
• 2.2.4 机械手
• 2.3 机器人运动学分析
• 2.3.1 简化模型
• 2.3.2 运动学模型
• 2.4 差速驱动数学模型
• 2.4.1 位姿
• 2.4.2 航位推算法
• 2.4.3 差速驱动
• 2.5 本章小结
• 第3章 控制系统设计
• 3.1 分级递阶控制系统结构
• 3.2 控制系统硬件解决方案
• 3.2.1 TMS320F2812最小系统
• 3.2.2 总线接口设计
• 3.2.3 脉冲编码器处理电路设计
• 3.2.4 LMD18200驱动电路设计
• 3.3 电机差速驱动控制系统设计
• 3.3.1 驱动单元设计
• 3.3.2 电机驱动控制系统硬件设计
• 3.4 磁传感器控制系统设计
• 3.4.1 磁传感器
• 3.4.2 磁尺
• 3.4.3 磁钉
• 3.4.4 磁尺传感器信号采集
• 3.5 触摸屏控制系统设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 路径规划技术研究
• 4.1 机器人路径规划
• 4.2 遗传模拟退火算法
• 4.3 基于遗传模拟退火算法的机器人路径规划
• 4.3.1 机器人工作环境模型建立
• 4.3.2 机器人路径规划方法
• 4.4 遗传模拟退火算法的参数设置
• 4.4.1 路径编码方法
• 4.4.2 适应度函数选择
• 4.4.3 遗传算子的选择
• 4.4.4 模拟退火参数设计
• 4.4.5 算法的终止准则
• 4.5 本章小结
• 第5章 路径规划仿真结果与比较分析
• 5.1 不同参数设置的结果比较分析
• 5.1.1 种群规模
• 5.1.2 适应度函数参数
• 5.1.3 交叉率和变异率
• 5.1.4 起始温度参数和温度下降参数
• 5.2 两种算法的仿真结果比较分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A
• 附录B