面向任務(wù)的助老助殘智能輪椅機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃.pdf

1、隨著中國社會老齡化日趨嚴(yán)重，助老助殘問題已成為一個(gè)重大的社會問題。而助老助殘智能輪椅機(jī)器人，是一種在智能輪椅上安裝輔助作業(yè)臂的服務(wù)機(jī)器人，它結(jié)合了輪椅的移動性和輔助作業(yè)臂的操作能力，可以很大程度的輔助老年人和殘疾人的日常生活，保證他們在脫離看護(hù)情況下的基本生存能力。而現(xiàn)有的輪椅用機(jī)械臂控制方式均是手動操作桿操作，且輪椅和機(jī)械臂是兩個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，給使用者帶來了很大的認(rèn)知負(fù)荷。因此有必要對輪椅和機(jī)械臂作為整體進(jìn)行智能控制研究。本課題針對

2、助老助殘機(jī)器人整體控制的需求，將2自由度的智能輪椅和6自由度JACO機(jī)械臂集成為8自由度的冗余系統(tǒng)，對其運(yùn)動規(guī)劃方法進(jìn)行了研究。又對助老助殘機(jī)器人要完成的10項(xiàng)日常任務(wù)進(jìn)行了合理的運(yùn)動規(guī)劃，根據(jù)任務(wù)操作特點(diǎn)在關(guān)節(jié)空間下對各項(xiàng)子任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃方法研究。具體研究內(nèi)容如下：
　　首先，選擇了加拿大Kinova公司生產(chǎn)的JACO機(jī)械臂為平臺，建立了JACO機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析；針對JACO機(jī)械臂腕部三個(gè)關(guān)節(jié)非正交的特

3、點(diǎn)，提出了一種基于多項(xiàng)式代數(shù)消元法的6R非正交機(jī)械臂的逆解求解方法；分析了JACO機(jī)械臂的工作空間，并以可操作度為指標(biāo)確定機(jī)械臂的最優(yōu)安裝位置。
　　然后，針對具有非完整約束的2自由度智能輪椅和6自由度串聯(lián)機(jī)械臂集成的8自由度冗余機(jī)器人系統(tǒng)，建立其運(yùn)動學(xué)模型并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，利用改進(jìn)的最小范數(shù)解法，以避免關(guān)節(jié)極限位置為目標(biāo)函數(shù)，提出了8自由度冗余系統(tǒng)的逆解優(yōu)化算法，并對算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從而為助老助殘機(jī)器人整體控制提供了理論

4、基礎(chǔ)。
　　最后，針對機(jī)器人需要完成的日常任務(wù)，開展了機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃研究。首先建立了助老助殘機(jī)器人任務(wù)完成滿意度評價(jià)指標(biāo)，定義了機(jī)器人需要完成的10項(xiàng)日常任務(wù)，建立了機(jī)器人系統(tǒng)的基本動作庫，并根據(jù)動作庫將復(fù)雜的日常任務(wù)分解為基本動作的組合；然后在關(guān)節(jié)空間下對子任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并提出了基于時(shí)間-沖擊最優(yōu)的軌跡規(guī)劃算法，并以按開關(guān)任務(wù)為例，對軌跡優(yōu)化算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了10項(xiàng)日常任務(wù)的運(yùn)動規(guī)劃。最終以喝水任務(wù)試驗(yàn)研究為例，驗(yàn)證