助餐机器人轨迹控制与仿真研究

论文摘要

助餐机器人属于服务机器人范畴,它通过模拟正常人进食时餐勺的取餐、送餐和喂餐动作,帮助手残患者进餐。世界上肢体残疾人众多,而这些肢体残疾患者中上肢残疾患者又占有很大比例。因而设计一款实用的助餐机器人来帮助手残患者进食十分重要。本文在分析了现有助餐机器人的优缺点后,把助餐机器人的机械本体设计成旋转餐桌、三自由度助餐机械手和张合餐勺的结构。基于真人用餐的情况,用Simulink和SimMechanics仿真工具对助餐机器人进行了运动空间分析,设计了机器人各部分的合理尺寸。用D-H方法建立了坐标变换矩阵,推算出了助餐机器人运动学方程的正、逆解:并运用MATLAB/Simulink以及SimMechanics对助餐机器人进行了运动学仿真研究,验证了运动学分析的正确性。在基于真人就餐餐勺实际位姿变化的基础上,进行了机器人的助餐全过程轨迹规划。轨迹规划在关节空间中进行,餐勺取餐和喂餐时为CP运动方式,采用三次样条插值法对机器人进行轨迹规划;餐勺复位段、从复位点运动到准备取食点以及送餐段为PTP运动方式,采用普通的三次多项式插值。这两种方式设计的餐勺轨迹光滑平稳。助餐机器人因为服务对象为残疾人,控制逻辑一定要严密,以免发生危险,因而引入有限状态机理论,运用MATLAB/Stateflow对助餐机器人的输入控制时序逻辑进行了建模与仿真,生成了可用于实际控制的时序逻辑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 助餐机器人国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 助餐机器人现状分析及其发展趋势
• 1.4 本文主要研究工作
• 第2章 助餐机器人机构原理及运动空间分析
• 2.1 引言
• 2.2 助餐机器人机构原理
• 2.3 助餐机器人运动空间分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 助餐机器人运动学分析及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 助餐机器人运动学分析
• 3.2.1 助餐机器人运动学正分析
• 3.2.2 助餐机器人运动学逆分析
• 3.3 助餐机器人运动学仿真
• 3.3.1 助餐机器人机构仿真模型
• 3.3.2 助餐机器人运动学正分析仿真
• 3.3.3 助餐机器人运动学逆分析仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 助餐机器人轨迹规划
• 4.1 引言
• 4.2 三弯矩插值方法
• 4.3 助餐机器人总路径规划描述
• 4.4 第一取餐路径轨迹规划
• 4.4.1 AB段轨迹规划
• 4.4.2 BC段轨迹规划
• 4.4.3 CDEFB段轨迹规划
• 4.4.4 BA段轨迹规划
• 4.4.5 轨迹规划后第一取餐路径全过程轨迹
• 4.5 第二三取餐路径轨迹规划
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于Stateflow的机器人控制逻辑分析
• 5.1 引言
• 5.2 系统控制方案
• 5.3 Stateflow及有限状态机简介
• 5.3.1 有限状态机简介
• 5.3.2 Stateflow简介
• 5.4 助餐机器人时序逻辑模块的设计
• 5.4.1 时序逻辑模块总体设计
• 5.4.2 时序逻辑模块相关参数定义
• 5.4.3 助餐各子模块设计
• 5.4.4 时序逻辑曲线生成及分析
• 5.5 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