助老服务机器人及其运动控制研究

论文摘要

目前随着各类残疾人和长期卧床老年人的大量存在,使得助老助残问题越来越引起人们的广泛关注。但是家庭护理面临着护理费用高,劳动强度大,护理条件需要改善等问题,国家863计划先进制造技术领域将“服务机器人”列为重点项目,目的在于研制一批高性价比的助老助残机器人产品。本文在分析各种护理机器人和助老助残机器人的基础上提出了一种可以进行日常护理的助老机器人,可以服务于怀孕的妇女、患有重大疾病行动不方便的病人、老年人以及残疾人等,可以应用与于医院以及福利院等公共场所。助老服务机器人的广泛应用可以为人们带来巨大方便,减轻老年人日常护理工作的负担。本课题首先对系统功能结构进行了阐述,设计了助老服务机器人的总体方案,设计的机器人带有轻型机械臂能够实现取物等功能;其次对机械臂进行运动学分析和仿真,通过工作空间仿真验证了机构的正确性,利用Robotics Toolbox工具箱中的函数进行机械臂关节空间的轨迹规划以及笛卡尔空间的轨迹规划;接着设计了以AVR为核心的移动机构运动控制电路板,详细说明了以DSP为核心的机械臂关节控制器的设计方案,设计了助老服务机器人的感知电路,包括把手上的压力传感器控制电路以及多路超声波传感器测距系统设计,同时对硬件电路进行了调试;最后对运动控制系统软件进行设计,详细介绍了软件的开发环境及开发流程,设计了电机控制主程序及子程序的程序流程图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题来源与研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 助老服务机器人总体方案设计
• 2.1 助老服务机器人移动机构设计
• 2.1.1 移动机构方案确定
• 2.1.2 移动机构的整体结构
• 2.1.3 移动机构电机的选型与计算
• 2.1.4 手柄上力传感器的设计
• 2.1.5 多超声波传感器避障
• 2.2 助老服务机器人机械臂结构设计
• 2.2.1 轻型机械臂手臂结构设计
• 2.2.2 轻型机械臂末端手爪
• 2.2.3 关节电机的选型
• 2.3 助老服务机器人控制系统整体方案
• 2.3.1 控制系统的硬件解决方案
• 2.3.2 总线接口方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 机械臂的运动学仿真和轨迹规划
• 3.1 机械臂运动学仿真分析
• 3.1.1 机械臂的正运动学分析
• 3.1.2 机械臂的逆运动学分析
• 3.2 机械臂的工作空间分析
• 3.2.1 机器人工作空间仿真原理
• 3.2.2 机械臂SimMechanics 建模与仿真
• 3.3 助老服务机器人机械臂的轨迹规划
• 3.3.1 关节空间的轨迹规划
• 3.3.2 笛卡尔空间的轨迹规划
• 3.4 本章小结
• 第4章 助老服务机器人运动控制系统硬件设计
• 4.1 移动机构控制电路设计
• 4.1.1 AVR 电机控制模块
• 4.1.2 电机功率驱动模块
• 4.2 机械臂关节电机控制电路设计
• 4.2.1 机械臂分布式控制系统
• 4.2.2 DSP 最小系统设计
• 4.2.3 机械臂关节电机驱动器
• 4.3 助老服务机器人感知电路设计
• 4.3.1 压力传感器电路设计
• 4.3.2 超声波测距模块电路设计
• 4.4 硬件调试
• 4.5 本章小结
• 第5章 助老服务机器人运动控制软件设计
• 5.1 移动机构运动控制软件设计
• 5.1.1 软件开发环境及流程
• 5.1.2 电机运动控制程序设计
• 5.2 机械臂运动控制软件设计
• 5.2.1 软件开发环境介绍
• 5.2.2 关节电机控制程序
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢