中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究

1、中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文題目中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究“”資助項(xiàng)目.“”資助項(xiàng)目.計(jì):學(xué)位論文頁(yè)表 格個(gè)插 圖幅評(píng)閱人:指導(dǎo)教師:學(xué)院院長(zhǎng):學(xué)位論文完成日期:蘭原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所提交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,論文中不舍其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果,也不包含為獲得山東建筑大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位證書而使用過(guò)的材料。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人承擔(dān)本聲明的法律責(zé)任。/歲、.學(xué)位論文作者簽名:重壟竺日期學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本學(xué)位論文作者完全了解山東

2、建筑大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即:山東建筑大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)山東建筑大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或其它手段保存、匯編學(xué)位論文。保密論文在解密后遵守此聲明。學(xué)位論文作者簽名: 曾腳哆嘲絲、/,。簽 名導(dǎo) 師山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著社會(huì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,老年人口在我國(guó)總?cè)丝谥兴嫉谋壤絹?lái)越大,截至年底,中國(guó)老年人口數(shù)量已達(dá)到.億,占總?cè)丝诘?%,人口老齡化問(wèn)題已成為我國(guó)社會(huì)發(fā)展面臨的突出問(wèn)題之一。針對(duì)日益增多的老年人對(duì)康復(fù)護(hù)理服務(wù)的急迫需求,

3、國(guó)家在“十一五規(guī)劃”中對(duì)助老助殘系列“服務(wù)機(jī)器人”進(jìn)行了立項(xiàng),中醫(yī)按摩機(jī)器人便是其中的一種。它是以中醫(yī)推拿技術(shù)為理論指導(dǎo),為治療中老年人腰腿部退行性病變而專門開(kāi)發(fā)的康復(fù)理療設(shè)備。中醫(yī)按摩機(jī)器人投入臨床應(yīng)用,可以在一定程度上緩解我國(guó)人口老齡化造成的服務(wù)資源短缺問(wèn)題。按摩機(jī)器人采用雙臂結(jié)構(gòu),對(duì)增加按摩手法,豐富按摩形式,提升按摩效果等各方面都有重要意義。對(duì)雙臂協(xié)調(diào)控制問(wèn)題的研究,可以保證控制系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全、平穩(wěn)、智能。開(kāi)發(fā)的第一代中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂控制間尚存在一些問(wèn)題待解決,針對(duì)這一問(wèn)題本文展開(kāi)了深入研究。本文首先對(duì)約束條件下按摩雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析,隨后采用空間法和搜索算法,完成了機(jī)械臂的路

4、徑規(guī)劃。通過(guò)對(duì)按摩手法建模和分析,制定了雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的方案。在第一代中醫(yī)按摩機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,完成了按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)雙臂在執(zhí)行按摩手法前的穴位定位工作,也可以控制按摩雙臂無(wú)碰撞的執(zhí)行掌按、指按、叩擊、震動(dòng)、熱敷種中醫(yī)療法。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:、介紹了中醫(yī)按摩機(jī)器人的研究概況和總體結(jié)構(gòu),對(duì)按摩機(jī)器人總控系統(tǒng)的各功能模塊進(jìn)行了闡述。、對(duì)按摩雙臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,完成了約束條件下雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解的計(jì)算。根據(jù)按摩機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及參數(shù),利用.建模法,為兩支機(jī)械臂建立了.坐標(biāo)系,求取了機(jī)械臂的.參數(shù),解決了機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。采用“包圍盒”的方

5、法為機(jī)械臂建立簡(jiǎn)化模型,通過(guò)計(jì)算兩支機(jī)械臂模型各連桿之間的距離,檢測(cè)雙臂是否發(fā)生碰撞,然后對(duì)所求的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行取舍優(yōu)化,得出了約束條件下雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。、為機(jī)械臂建空間,采用。搜索算法,完成了機(jī)械臂的路徑規(guī)劃問(wèn)題,用對(duì)結(jié)果進(jìn)行了仿真。分析了按摩機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),將雙臂間的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換為雙臂的路徑規(guī)劃問(wèn)題。將雙臂按照運(yùn)動(dòng)優(yōu)先級(jí)劃分為甲臂和乙臂,首先規(guī)劃好運(yùn)動(dòng)優(yōu)山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文先級(jí)高的機(jī)械臂甲臂的路徑,隨后為另一只機(jī)械臂乙臂建立空間,把甲臂映射到乙臂中形成障礙物空間,采用搜索算法在乙臂的自由空間中搜索一條最優(yōu)路徑,對(duì)所設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行了程序的實(shí)現(xiàn),最后對(duì)雙臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

6、進(jìn)行了仿真。、完成了按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。綜合上文所做的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和路徑規(guī)劃研究,通過(guò)對(duì)按摩機(jī)器人各種按摩手法的建模與分析,完成了中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后對(duì)按摩流程中上位機(jī)的相關(guān)界面進(jìn)行了展示。、針對(duì)本文所做的關(guān)于按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究工作進(jìn)行了總結(jié),列出了研究中有待改進(jìn)的方面,對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人等康復(fù)理療型服務(wù)機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:中醫(yī)按摩機(jī)器人,雙臂協(xié)調(diào),路徑規(guī)劃,運(yùn)動(dòng)學(xué),空間法,搜索算法,碰撞檢測(cè)山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 . , , . .% , ,.”.” .”, . . ? ,.?. , 木.? , ? . . .?, :. 廿,.

7、 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文. . .,. ”, ,. . . .,. ; 木 . . ?. . , . . . . ,: ,.,?山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要?第章緒論.引言.服務(wù)型機(jī)器人的研究現(xiàn)狀?.國(guó)外服務(wù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀?.國(guó)內(nèi)服務(wù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀.本文的研究的目的和意義?.本文的主要研究?jī)?nèi)容.第章中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)介紹.中醫(yī)按摩機(jī)器人概況?.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹?.床體部分?.按摩機(jī)械臂.總控系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹一?一.總控系統(tǒng)的功能模塊介紹一.運(yùn)動(dòng)控制器及外圍電路?一.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊?.傳感器模塊.電源模塊?.上位機(jī)模塊.本章小結(jié)?一.第章中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析.單機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)

8、學(xué)建模?一.坐標(biāo)系的建立規(guī)則.按摩雙臂.坐標(biāo)系的建立?.求取參數(shù).運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析?.山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文.按摩機(jī)器人單機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解?.常用的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法介紹.單機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解.雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析?.空間兩線段間的距離的計(jì)算方法?.雙臂模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析.本章小結(jié).第章機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究.雙臂的路徑規(guī)劃方法?.基于空間的路徑規(guī)劃方法?.空間法簡(jiǎn)介?.建立空間的主要方法.機(jī)械臂碰撞檢測(cè)方法.基于空間的路徑搜索方法.機(jī)械臂無(wú)碰撞路徑規(guī)劃的研究?一.乙機(jī)械臂空間的建立.分析乙臂無(wú)碰撞狀態(tài)一.無(wú)碰撞狀態(tài)庫(kù).?.棗搜索法?.在無(wú)碰撞庫(kù)中搜索.整個(gè)的流程設(shè)計(jì)?. 仿真.問(wèn)題

9、描述?.單機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的仿真?一.雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)仿真?.本章小結(jié).第章中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案的設(shè)定?.推拿手法的建模與分析?.山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文.雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案的設(shè)定?.控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)?.主程序?.復(fù)位程序?.示教程序?.定位模塊.安全保護(hù)模塊程序?.按摩手法執(zhí)行模塊?.上位機(jī)界面?.小結(jié)?.第章總結(jié)與展望.本文總結(jié)?.研究中的不足與展望.參考文獻(xiàn)?.后記?一攻讀碩士學(xué)位期間的科研成果?.山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論.引言隨著社會(huì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,老年人口在我國(guó)總?cè)丝谥兴嫉谋壤絹?lái)越大,

10、人口老齡化己成為我國(guó)社會(huì)發(fā)展面臨的突出問(wèn)題之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至年底,中國(guó)老年人口數(shù)量已達(dá)到.億,比上年增加了萬(wàn),占總?cè)丝诘?%;在年,中國(guó)老年人口數(shù)量將突破億大關(guān),達(dá)到.億,老齡化水平將增至.%:預(yù)計(jì)到年,我國(guó)老年人口數(shù)量將達(dá)到峰值.億,占總?cè)丝跀?shù)量的.%,屆時(shí),每個(gè)人當(dāng)中就會(huì)有個(gè)歲以上的老人【一。隨著老年人各種生理機(jī)能的逐步減退,其健康狀況與生活自理能力也逐年下降。然而,現(xiàn)階段我國(guó)的醫(yī)療服務(wù)體系尚不完善,醫(yī)療資源相對(duì)短缺。不斷增長(zhǎng)的老年人群對(duì)康復(fù)護(hù)理服務(wù)的急迫需求與當(dāng)今有限的醫(yī)療供給能力之間的矛盾日益突出。沉重的護(hù)老養(yǎng)老負(fù)擔(dān)給社會(huì)和家庭帶來(lái)了巨大的壓力。研發(fā)高性能的康復(fù)護(hù)理型機(jī)器人,為老

11、年人帶來(lái)健康與快樂(lè)已變的刻不容緩。中醫(yī)推拿又稱按摩,是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的重要結(jié)晶之一。它以中醫(yī)的臟腑、經(jīng)絡(luò)學(xué)說(shuō)為理論基礎(chǔ),通過(guò)在人體的某些穴位處實(shí)施特定的按摩手法,來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體的生理、病理狀況,達(dá)到治療疾病,強(qiáng)健身體的效果。推拿作為一種純凈的物理療法,其適應(yīng)癥是廣泛的。對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等系統(tǒng)疾病都有一定的療效,特別是針對(duì)腰椎問(wèn)盤突出癥、頸椎病等關(guān)節(jié)性疾病有明顯療效。中醫(yī)推拿師工作圖如圖.所示。圖.中醫(yī)推拿師工作圖從各大醫(yī)院和療養(yǎng)院的情況來(lái)看,推拿療法的實(shí)施還僅僅是由有經(jīng)驗(yàn)的推拿師來(lái)進(jìn)行。推拿是項(xiàng)異常繁重的體力勞動(dòng),推拿師在整個(gè)按摩療程中耗費(fèi)的體力非常大,待按摩流程結(jié)束后,按摩師通常都會(huì)汗流浹背:

12、另外,推拿師的個(gè)人水平和經(jīng)驗(yàn)對(duì)按摩治療的山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文實(shí)際效果影響很大,即使是同一個(gè)按摩師操作,在不同的時(shí)刻,也可能會(huì)產(chǎn)生不同的治療效果;最關(guān)鍵的,相對(duì)于整個(gè)老年人康復(fù)服務(wù)需求市場(chǎng)來(lái)說(shuō),現(xiàn)有的按摩師數(shù)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了能夠更好的滿足老年人對(duì)康復(fù)護(hù)理服務(wù)需求,也為了減輕按摩技師的體力負(fù)擔(dān),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)按摩功能的機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究。目前問(wèn)世的此類機(jī)器人多半是能夠?qū)崿F(xiàn)一定按摩功能的按摩器和按摩椅。它們只能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體特定部位的單一按摩手法,按摩效果也僅體現(xiàn)在緩解疲勞,放松身體的層次【咧。以中醫(yī)推拿理論為指導(dǎo),能夠替代中醫(yī)推拿按摩師工作的機(jī)器人卻鮮有報(bào)道。把這一具有良好療效的

13、純物理療法發(fā)揚(yáng)光大,開(kāi)發(fā)出以此理論為指導(dǎo)的按摩機(jī)器人已成為國(guó)內(nèi)科技工作者的殷切期望。中醫(yī)按摩機(jī)器人為服務(wù)機(jī)器人的一種,是針對(duì)中老年人的慢性疾病和退行性機(jī)體形變的臨床需求而研制開(kāi)發(fā)的康復(fù)保健設(shè)糾丌。本課題將在兩代中醫(yī)按摩機(jī)器人研究實(shí)踐的基礎(chǔ)上】,通過(guò)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究,綜合自動(dòng)化控制、傳感器、機(jī)電一體化、通信等技術(shù),完成中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。中醫(yī)按摩機(jī)器人采用雙臂按摩,可以更加逼真的模仿按摩師的動(dòng)作,按摩形式更加豐富,按摩效果更好。雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究,使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能更加可靠,按摩的流程更加智能。中醫(yī)按摩機(jī)器人投入臨床應(yīng)用,可以在一定程度上緩解我

14、國(guó)人口老齡化造成的服務(wù)資源短缺問(wèn)題。.服務(wù)型機(jī)器人的研究現(xiàn)狀隨著機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)、信息處理、通信、網(wǎng)絡(luò)、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展,服務(wù)機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速突破。服務(wù)機(jī)器人有望成為繼個(gè)人電腦之后,第二個(gè)對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生巨大改變的產(chǎn)品。無(wú)論是在日本、韓國(guó),還是在美國(guó)、歐洲,服務(wù)機(jī)器人技術(shù)都在蓬勃發(fā)展中。其中以日本的服務(wù)機(jī)器人種類最為繁多,技術(shù)也最為先進(jìn)。近年來(lái),在國(guó)家相關(guān)政策的扶持下,無(wú)論是在技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)方面,我國(guó)的服務(wù)機(jī)器人也得到了快速發(fā)展。通過(guò)企業(yè)和科研單位共同合作的方式,自主創(chuàng)新,已有了許多自己的品牌?？祻?fù)理療型機(jī)器人,作為服務(wù)機(jī)器人的一種,也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。此領(lǐng)域的機(jī)器人主要有上下肢

15、康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,陪護(hù)機(jī)器人,護(hù)理機(jī)器人,中醫(yī)按摩機(jī)器人等。下面將對(duì)國(guó)內(nèi)外康復(fù)理療型機(jī)器人的最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。.國(guó)外服務(wù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是研究最多的一種,主要通過(guò)機(jī)器人帶動(dòng)手腳活動(dòng)不便的患者做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng),以達(dá)到鍛煉肌肉,恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)能的目的。比較有代表性的是瑞士山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文聯(lián)邦洛桑理工學(xué)院研制的“刑”機(jī)器人,它有兩個(gè)機(jī)械臂組成的矯形器,可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)患者下肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng),通過(guò)機(jī)械臂上安裝的傳感器反饋運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度,還可以通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度來(lái)刺激腿部肌肉的神經(jīng)。此款機(jī)器人對(duì)由于脊髓損傷而引起的下肢運(yùn)動(dòng)功能損傷患者有很好的療效【?。 機(jī)器人如圖.所示。圖.下肢康

16、復(fù)型機(jī)器人日本早稻田大學(xué)的教授研發(fā)明了可用于面部按摩的機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人可以通過(guò)固定在機(jī)械臂末端的按摩球在人體的面部皮膚上滾動(dòng),并根據(jù)傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行按摩力度的調(diào)整,對(duì)患有下頜錯(cuò)位、口腔干燥、吞咽困難等病癥的患者進(jìn)行治療。目前這款機(jī)器人已投入使用【。早稻田大學(xué)研發(fā)的面部按摩機(jī)器人如圖.所示。圖.面部按摩機(jī)器人日本東京大學(xué)研制了一種新的智能機(jī)器人,該機(jī)器人高厘米,重公斤,可以舉起公斤的重物。這種機(jī)器人可以輕柔的抱起病人,從病床上移至輪椅上或?qū)⑤喴紊系牟∪艘浦敛〈采?特別適合于行動(dòng)不便、癱瘓的患者進(jìn)行翻身、移動(dòng)等生活護(hù)理。該款護(hù)理機(jī)器人如圖.所示。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文圖.護(hù)理機(jī)器人松下

17、研發(fā)出一款可以護(hù)理頭部頭皮的洗發(fā)專用機(jī)器人?“頭部護(hù)理機(jī)器人”。這種洗發(fā)機(jī)器人從年開(kāi)始研發(fā)。使用者仰面而躺,機(jī)器人啟動(dòng)之后,安裝在頭部左右以及頸部的個(gè)“按摩球”,就會(huì)像手指一樣輕輕的為使用者按摩。根據(jù)傳感器控制按摩的力度,使機(jī)器人能夠恰如其分的掌握使用者希望的力度,使使用者感到舒適,同時(shí),為使用者加水和洗發(fā)液為他們洗頭】。松下開(kāi)發(fā)的頭部護(hù)理機(jī)器人如圖.所示。圖.頭部護(hù)理機(jī)器人.國(guó)內(nèi)服務(wù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀與日本、美國(guó)等國(guó)家相比,我國(guó)在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚。在服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)性能方面,與國(guó)外特別是日本有很大差距。目前,國(guó)內(nèi)研發(fā)的大部分機(jī)器人所使用的關(guān)鍵元器件,如運(yùn)動(dòng)控制器、高精度伺服電

18、機(jī)、精密傳感器等都需要進(jìn)口山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文。但綜合來(lái)看,我國(guó)的服務(wù)機(jī)器人發(fā)展速度還是非常迅猛的。在康復(fù)理療型機(jī)器人研究方面,我國(guó)也有許多科技成果。哈爾濱工程大學(xué)【、嘉興二院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心【踟、上海交通大學(xué)【引、中國(guó)科學(xué)皖等研究機(jī)構(gòu)都對(duì)上下肢康復(fù)型機(jī)器人做了研究。此類機(jī)器人可以帶動(dòng)患者的下肢運(yùn)動(dòng),幫助癱瘓患者練習(xí)行走。圖.為我國(guó)某公司自主研發(fā)的上肢康復(fù)性機(jī)器人。圖.我國(guó)自主研發(fā)的上肢康復(fù)型機(jī)器人江蘇大學(xué)的馬履中教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)新型串并聯(lián)中醫(yī)推拿機(jī)器人,這款按摩機(jī)器人只有一個(gè)按摩臂,能夠?qū)崿F(xiàn)掌揉,掌按,掌推,滾動(dòng)等多種按摩手法【。實(shí)物圖如圖.所示。圖.江蘇大學(xué)研制的中

19、醫(yī)按摩機(jī)器人山東建筑大學(xué)機(jī)器人研究所,在國(guó)家”計(jì)劃”中”助老護(hù)老型服務(wù)機(jī)器人的系列課題中,承擔(dān)了中醫(yī)按摩機(jī)器人課題的研究,經(jīng)過(guò)三年多的努力,已取得了突破性的進(jìn)展。中醫(yī)按摩機(jī)器人的研究已經(jīng)歷經(jīng)兩代一,項(xiàng)目二期已于年月通過(guò)了國(guó)家科技部的驗(yàn)收,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。山東建筑大學(xué)機(jī)器人研究所研制的兩代中醫(yī)按摩機(jī)器人樣山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文機(jī)如圖.和圖.所示。圖.山東建筑大學(xué)研制的第一代中醫(yī)按摩機(jī)器人圖.山東建筑大學(xué)研制的第二代中醫(yī)拔摩機(jī)器人.本文的研究的目的和意義中醫(yī)按摩機(jī)器人,是綜合運(yùn)用機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信、傳感器等技術(shù),以中醫(yī)推拿理論為指導(dǎo),為解決老年人退行性病變問(wèn)題而研制的的康復(fù)理療設(shè)

20、備【】。目前已研發(fā)的第二代按摩機(jī)器人目前可以實(shí)現(xiàn)掌揉、掌按、掌推、捏拿、叩擊等數(shù)十種按山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文摩手法。與第一代按摩機(jī)器人相比,第二代按摩機(jī)器人在結(jié)構(gòu)、性能方面都有了很大提升。但第二代按摩機(jī)器人采用的是單機(jī)械臂結(jié)構(gòu),這就限制了其能實(shí)現(xiàn)的按摩手法,也限制了其按摩性能的提升。第一代中醫(yī)按摩機(jī)器人雖然具有雙臂結(jié)構(gòu),但為了避免同時(shí)按摩時(shí)兩支機(jī)械臂碰撞,規(guī)劃按摩任務(wù)時(shí)做了明顯的分工,一支機(jī)械臂負(fù)責(zé)給患者腰部及背部按摩,另一支機(jī)械臂負(fù)責(zé)給患者腿部按摩:這樣的設(shè)計(jì)是不完善的,因?yàn)楹芏鄷r(shí)候?yàn)榱巳〉幂^好的按摩效果,是需要兩只手同時(shí)動(dòng)作的,比如給患者背部?jī)蓚?cè)同時(shí)做掌推或叩擊動(dòng)作,或者實(shí)現(xiàn)必須兩只手配

21、合完成的按摩手法,比如搓,抻,扳等手法。目前的控制系統(tǒng)并不能很好的滿足上述功能的需要。無(wú)論是在提高按摩效率方面考慮,還是從增加按摩手法,擴(kuò)大按摩范圍考慮,研究一套中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)都是非常必要的。本課題來(lái)源于服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的兩個(gè)國(guó)家項(xiàng)目,項(xiàng)目名稱分別為“中醫(yī)按摩機(jī)器人的研究”和“中醫(yī)按摩機(jī)器人”,項(xiàng)目編號(hào)依次為.和.。本文主要針對(duì)該項(xiàng)目中的雙臂協(xié)調(diào)部分進(jìn)行研究,引入合適的雙臂協(xié)調(diào)控制算法,設(shè)計(jì)并完善相應(yīng)的雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),保證按摩雙臂可以協(xié)調(diào)的完成其按摩手法。所提出的雙臂協(xié)調(diào)控制算法也可以應(yīng)用到其他雙臂機(jī)器人領(lǐng)域。因此,本課題的研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)和理論意義。.本文的主要研究?jī)?nèi)容本文

22、針對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了深入研究,主要內(nèi)容如下:、通過(guò)權(quán)威調(diào)查數(shù)據(jù),分析了我國(guó)老齡化問(wèn)題的嚴(yán)峻性?；谖覈?guó)服務(wù)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后,醫(yī)療資源相對(duì)短缺的現(xiàn)狀,以中醫(yī)推拿理論為指導(dǎo)的中醫(yī)器按摩機(jī)器人的開(kāi)發(fā)對(duì)發(fā)展扶老助老行業(yè),緩解社會(huì)和家庭的壓力有重要意義。介紹了國(guó)內(nèi)外醫(yī)療康復(fù)保健機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài),闡述了對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究的目的及意義。、對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu),特別是按摩機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。首先對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的總體概況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說(shuō)明,隨后對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。最后,對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)論述。、對(duì)

23、按摩雙臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,完成了約束條件下雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解的計(jì)算。根據(jù)按摩機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及參數(shù),利用.建模法,為兩支機(jī)械臂建立了.坐標(biāo)系,求取了機(jī)械臂臂的?參數(shù),解決了機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文針對(duì)按摩機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題,采用包絡(luò)的方法為機(jī)械臂建立簡(jiǎn)化模型,通過(guò)分析計(jì)算兩支機(jī)械臂各連桿之間的距離,檢測(cè)雙臂是否發(fā)生碰撞,然后對(duì)所求的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行取舍優(yōu)化,解決了約束條件下雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析。、對(duì)機(jī)械臂建立空間,采用搜索算法,完成了機(jī)械臂的路徑規(guī)劃問(wèn)題。分析了按摩機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),將雙臂間的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換為雙臂的路徑規(guī)劃問(wèn)題。將雙臂按照運(yùn)動(dòng)優(yōu)先級(jí)劃分為甲臂和

24、乙臂,首先規(guī)劃好運(yùn)動(dòng)優(yōu)先級(jí)高的機(jī)械臂甲臂的路徑,隨后為另一只機(jī)械臂乙臂建立空間,把甲臂映射到乙臂中形成障礙物空間,采用搜索算法在乙臂的自由空間中搜索一條最優(yōu)路徑,對(duì)所設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行了程序的實(shí)現(xiàn),最后對(duì)雙臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真。、綜合上文所做的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和路徑規(guī)劃研究,通過(guò)對(duì)按摩機(jī)器人各種按摩手法的建模與分析,完成了中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后對(duì)按摩流程中上位機(jī)的相關(guān)界面進(jìn)行了展示。、針對(duì)本文所做的關(guān)于按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究工作進(jìn)行了總結(jié),列出了關(guān)于本課題研究的不足之處,最后對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人等康復(fù)理療型服務(wù)機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文第

25、章中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)介紹以中醫(yī)推拿技術(shù)為理論依據(jù),綜合機(jī)械制造、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)研制了中醫(yī)按摩機(jī)器人【。本課題是在第一代中醫(yī)按摩機(jī)器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的深入的研究。本章將對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及其組成進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人控制系統(tǒng)的各功能模塊進(jìn)行詳細(xì)論述。.中醫(yī)按摩機(jī)器人概況中醫(yī)按摩機(jī)器人是山東建筑大學(xué)機(jī)器人研究所和康泰實(shí)業(yè)有限公司、山東省中醫(yī)藥大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的一款以中醫(yī)按摩理論為指導(dǎo),面向中老年人腰腿關(guān)節(jié)退行性病變的康復(fù)理療型機(jī)器人,是國(guó)家“十一五”高新技術(shù)發(fā)展規(guī)戈計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域“服務(wù)機(jī)器人”重點(diǎn)項(xiàng)目的的杰出成果之一。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體背部及腿部穴位的掌按、指按

26、、掌揉、指揉、掌推、叩擊、捏拿、震動(dòng)、熱敷等九種療法。此款按摩機(jī)器人已有兩代相繼問(wèn)世,第一代按摩機(jī)器人采用雙臂結(jié)構(gòu),研發(fā)和生產(chǎn)成本比較高,在雙臂協(xié)調(diào)控制上存在技術(shù)上的欠缺,鑒于上述考慮,開(kāi)發(fā)研究了采用單機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的第二代按摩機(jī)器人,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練,控制系統(tǒng)穩(wěn)定,外觀更具親和力【丌。第二代按摩機(jī)器人樣機(jī)在療養(yǎng)院進(jìn)行了半年多的試運(yùn)行,獲得了眾多老年體驗(yàn)者的一致好評(píng)。在年月,該項(xiàng)目順利通過(guò)了國(guó)家科技部的驗(yàn)收,獲得了專家評(píng)委的高度評(píng)價(jià),已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 “中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究”這一課題就是在兩代按摩機(jī)器人開(kāi)發(fā)實(shí)踐的基礎(chǔ)上展開(kāi)的研究。下面將對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介

27、紹。.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹中醫(yī)按摩機(jī)器人主要由以下三大部分組成:床體部分、按摩機(jī)械臂、總控系統(tǒng)。下面對(duì)各部分進(jìn)行一一介紹。.床體部分床體部分上面裝配有支撐架,是按摩機(jī)械臂的承載機(jī)構(gòu),也是實(shí)施按摩時(shí)的人體承重機(jī)構(gòu)。在床體的首尾部分都有定位槽,可以在一定程度上對(duì)按摩患者進(jìn)行定位。.按摩機(jī)械臂中醫(yī)按摩機(jī)器人配有兩個(gè)按摩機(jī)械臂,每個(gè)按摩臂由機(jī)械臂和按摩手兩部分組成。機(jī)械臂用來(lái)實(shí)現(xiàn)穴位的定位,并配合按摩手完成相應(yīng)的按摩手法。機(jī)械臂由五個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),可以控制按摩臂通過(guò)相關(guān)關(guān)節(jié)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)按摩臂沿床體長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向運(yùn)動(dòng),通過(guò)腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)按摩手的旋轉(zhuǎn)。其中,機(jī)械臂在寬方向的移動(dòng)通過(guò)兩擺動(dòng)關(guān)節(jié)和以平動(dòng)關(guān)

28、節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)完成。按摩手通過(guò)腕部關(guān)節(jié)與機(jī)械臂相連接,是按摩手山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文法的直接執(zhí)行模塊。按摩手部分含有叩擊電機(jī)、捏拿電機(jī)、手指彎曲電機(jī)、震動(dòng)電機(jī)四個(gè)電機(jī),除叩擊電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)外,其它的三個(gè)都是普通直流電機(jī)。按摩手在執(zhí)行不同的按摩手法時(shí),可以在運(yùn)動(dòng)控制器的相關(guān)指令下,調(diào)整本身的姿態(tài)。手指和手腕處配有力傳感器,負(fù)責(zé)將按摩力度信息反饋到主控器,實(shí)現(xiàn)對(duì)按摩力的實(shí)時(shí)控。圖.為按摩機(jī)械臂的實(shí)物圖。圖.按摩機(jī)械臂的實(shí)物圖。.總控系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹中醫(yī)按摩機(jī)器人總控系統(tǒng)包括控制柜和觸摸式控制臺(tái),是中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)按摩機(jī)械臂的任務(wù)規(guī)劃,控制機(jī)械臂完成按摩過(guò)程?？刂乒褡鳛榭刂葡到y(tǒng)電

29、氣部件的載體和保護(hù)層,控制柜在整個(gè)系統(tǒng)中作用舉足輕重。它的完善設(shè)計(jì)是保證內(nèi)部電氣設(shè)備正常運(yùn)行的必備條件。中醫(yī)按摩機(jī)器人的控制柜是綜合考慮機(jī)械防震,器件散熱和電磁干擾各方面因素,結(jié)合內(nèi)部器件所要求的防護(hù)等級(jí)而設(shè)計(jì)的【】?？刂乒竦膶?shí)物圖如圖.和圖.所示。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文圖.控制柜圖外觀實(shí)物圖圖.控制柜內(nèi)部電氣布局圖令觸摸式控制臺(tái)觸摸式控制臺(tái)是整個(gè)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的頂層控制機(jī)構(gòu),由上位機(jī)和觸摸屏兩部分組成。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)籌,規(guī)劃,其功能主要是通過(guò)上位機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。觸摸屏用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。觸摸式控制臺(tái)實(shí)物圖如圖.所示:圖.觸模式控制臺(tái)實(shí)物圖山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文總控系統(tǒng)的功能

30、模塊介紹上一小節(jié)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的層次對(duì)總控系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹,下面從功能的角度,把中醫(yī)按摩機(jī)器人總控系統(tǒng)分為運(yùn)動(dòng)控制器模塊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源管理模塊、上位機(jī)模塊五部/.?？刂葡到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖.所示。編碼器傳感器模塊罐 伺南由?一么?電源模塊圖.按摩機(jī)器人總控系統(tǒng)框圖.運(yùn)動(dòng)控制器及外圍電路運(yùn)動(dòng)控制器是控制系統(tǒng)的核心模塊,它負(fù)責(zé)與上位機(jī)的交互,控制相關(guān)電機(jī)實(shí)現(xiàn)各公司開(kāi)發(fā)種按摩手法。中醫(yī)按摩機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的 是英國(guó)的基于微處理技術(shù)的高精密數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器。它具有位的處理器,的主頻及的內(nèi)存,可以確保中醫(yī)按摩機(jī)人對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性方面的要求。實(shí)物圖如圖.所示:圖. 實(shí)物圖山東建筑大學(xué)碩士

31、學(xué)位論文具有基于機(jī)的總線和支持、等多種通信方式。帶有可編程的的數(shù)字/和模擬輸入口、比例閥/伺服閥。將運(yùn)動(dòng)控制和邏輯算法的有機(jī)結(jié)合:可以輕松實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式,如直線、圓弧、螺旋線插補(bǔ)等:具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力:除包含普通算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算外,還具有三角函數(shù)等其他函數(shù)運(yùn)算:多任務(wù)并行執(zhí)行功能:將復(fù)雜程序分成幾個(gè)子任務(wù)來(lái)同時(shí)執(zhí)行,使復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制變得簡(jiǎn)單明了;響應(yīng)速度快:指令執(zhí)行速度可達(dá)微秒級(jí)。系統(tǒng)中會(huì)用到模擬量輸入和數(shù)字量的輸入輸出,需要對(duì)模塊進(jìn)行擴(kuò)展。模擬量輸入模塊采用公司的模塊,此模塊可以為運(yùn)動(dòng)控制器提供路模擬量擴(kuò)展輸入接口。采集的信號(hào)范圍為. ,精度為位。數(shù)字量/模塊采用模塊,為運(yùn)動(dòng)控制器

32、提供路的開(kāi)關(guān)量/接口。每個(gè)數(shù)字通道都是可編程的,既可以用作輸入,也可以用作輸出。.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊主要由兩只機(jī)械臂的十個(gè)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器,兩個(gè)叩擊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器,還有驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)的控制器組成。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)按摩手位姿的調(diào)整。.傳感器模塊傳感器相當(dāng)于人的感官組織,它負(fù)責(zé)將環(huán)境信息反饋給控制器。在本機(jī)器人控制系統(tǒng)中用到位置反饋和力反饋兩種。其中,與伺服電機(jī)相連的編碼器負(fù)責(zé)反饋按摩機(jī)械臂的位置信息,而接近開(kāi)關(guān)則用來(lái)對(duì)各動(dòng)力機(jī)構(gòu)的極限運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行檢測(cè),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于各個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)限位的反饋,并將觸發(fā)信號(hào)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器。按摩時(shí)力度過(guò)小則達(dá)不到效果,力度過(guò)大就會(huì)對(duì)病人產(chǎn)生傷害,所以

33、必須對(duì)按摩力度進(jìn)行控制。力度傳感器用于按摩力度的采集,將采集的力度信息傳輸給的模擬量擴(kuò)展單元。根據(jù)反饋的結(jié)果,調(diào)整按摩的力度,保證按摩的效果并防止對(duì)病人的物理?yè)p傷。患者是最直接的體驗(yàn)者,能最真切最快速的感受到按摩的效果。每個(gè)人的承受限度不同,舒適度也不同,為了確保患者的人身安全,在系統(tǒng)中加入了一個(gè)安全手柄,由患者自己握在手里,當(dāng)出現(xiàn)各種狀況時(shí),通過(guò)按動(dòng)手柄,來(lái)停止系統(tǒng)的運(yùn)行,最大限度的山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文保證系統(tǒng)的安全性能。.電源模塊安全穩(wěn)定的電源供給是保證控制系統(tǒng)各模塊能夠順利運(yùn)行的必要前提。在中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中,需要用到交流,直流兩種電源。為防止用電設(shè)備出現(xiàn)過(guò)載、短路及欠

34、壓等等異常狀況,在電源的進(jìn)線處設(shè)置斷路器等用電保護(hù)裝置。當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生異常時(shí),電源管理模塊會(huì)第一時(shí)間采取斷電措施,最大限度的杜絕安全事故。.上位機(jī)模塊上位機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)籌,規(guī)劃。是總控系統(tǒng)的最項(xiàng)層決策機(jī)構(gòu)。其具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程在第五章進(jìn)行介紹。.本章小結(jié)本章對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu),特別是按摩機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。首先對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的總體概況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說(shuō)明,隨后對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。最后,對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的總控系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)論述。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文第章中醫(yī)按摩機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析對(duì)按摩雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析是對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人進(jìn)行雙臂

35、協(xié)調(diào)控制研究的一個(gè)理論基礎(chǔ)。它主要解決機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變量與機(jī)械臂末端位姿的對(duì)應(yīng)關(guān)系這一問(wèn)題。雙機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題既具有和單機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)相同的一面,也具有其獨(dú)有的特征。在本章,首先將針對(duì)兩個(gè)單臂進(jìn)行建模,分別對(duì)他們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,求取其運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解。隨后,將聯(lián)合雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件,對(duì)所求得的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行取舍,獲得雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,為下一步開(kāi)展雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)工作做好準(zhǔn)備。.單機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模年,和在他們發(fā)表的一篇論文中提出了一種針對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的方法。在文中定義了對(duì)機(jī)械臂表示的方法和建模的步驟,推導(dǎo)出了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。這種.建模方法可以很輕松的實(shí)現(xiàn)對(duì)

36、任何構(gòu)型的機(jī)器人的連桿和關(guān)節(jié)的表示,也可以方便的用于直角坐標(biāo)、歐拉角坐標(biāo)、坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)等多種坐標(biāo)變換中,已成為研究人員進(jìn)行機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)方法【。為每個(gè)關(guān)節(jié)建立一個(gè)坐標(biāo)系,然后從基坐標(biāo)變換到第一個(gè)關(guān)節(jié),再?gòu)牡谝粋€(gè)關(guān)節(jié)到第二個(gè)關(guān)節(jié),依次進(jìn)行變換,直到變換到最后一個(gè)關(guān)節(jié),把這些變換相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣通過(guò)矩陣右乘的方式結(jié)合起來(lái),就是機(jī)器人的總變換矩陣。.坐標(biāo)系的建立規(guī)則對(duì)于確定的機(jī)械臂,各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系并不是唯一的。建立的坐標(biāo)系不同,求得的.參數(shù)也將不同。下面明確在本文中建立坐標(biāo)系所采用的方法:中間連桿坐標(biāo)系的建立方法【】坐標(biāo)系的軸與關(guān)節(jié)軸?共線,指向任意選定。坐標(biāo)系的軸與連桿的公垂線重合,

37、指向由關(guān)節(jié)?到關(guān)節(jié),當(dāng)一.時(shí),取墨一。,.。坐標(biāo)系的軸咒一按右手法則規(guī)定,即?卜。再一。坐標(biāo)系?的原點(diǎn)一,取在。和刁一,的交點(diǎn)上:相交時(shí),原點(diǎn)取在兩軸交點(diǎn)上, 原點(diǎn)取在使當(dāng)?shù)笈c 當(dāng),與卜。平行時(shí),諺的地方。圖.中畫出了連桿一和連桿坐標(biāo)系和的設(shè)定位姿。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文軸圖. 中間連桿.坐標(biāo)系的建立方法示意圖首、末連桿坐標(biāo)系的建立方法【基坐標(biāo)系與基座固接,固定不動(dòng),常用它來(lái)描述操作臂其它連桿的運(yùn)動(dòng)?；鴺?biāo)系原則上可以任意規(guī)定,但是為了簡(jiǎn)單方便起見(jiàn),總是規(guī)定,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)關(guān)節(jié)變量為零時(shí),與重合。這種規(guī)定隱含:,。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí),;第一關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí),儡。末端連桿坐標(biāo)系的規(guī)定與基坐標(biāo)系

38、相似。對(duì)于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),取工。使得當(dāng)幺時(shí), 以的矗與,卜。重合,的原點(diǎn)。選在使地方;對(duì)于移動(dòng)關(guān)節(jié),的設(shè)定使幺,且當(dāng) 以, %與剃重合。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系的建立規(guī)則為了方便的理解末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在基坐標(biāo)中的姿態(tài),它的坐標(biāo)系用三個(gè)相互垂直的單位向量刀,口表示。用表示法線向量,表示指向表示接近向量。在按摩機(jī)器人中,由于執(zhí)行不同的按摩手法時(shí),其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不同的。比如當(dāng)掌按時(shí)它的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是掌心,而當(dāng)指按是它的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是食指指尖。所以在建立末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系的時(shí)候,它的指向向量和接近向量所表示的具體意義也是有差異的。而這種差異最明顯的將體現(xiàn)在.參數(shù)不同上,這一點(diǎn)在下面求取.參數(shù)時(shí)再做說(shuō)明。山東建筑大學(xué)

39、碩士學(xué)位論文.按摩雙臂.坐標(biāo)系的建立按照預(yù)定好的方案,對(duì)按摩雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題研究分兩步進(jìn)行。首先是對(duì)按摩雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行單獨(dú)的分析。然后根據(jù)兩臂間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束關(guān)系,對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。如上所述,為按摩機(jī)器人的兩只機(jī)械手臂分別建立.坐標(biāo)系,下面以右臂為例,依據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為它建立.模型。中醫(yī)按摩機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖如圖.所示:圖. 中醫(yī)按摩機(jī)器人機(jī)械臂的的結(jié)構(gòu)示意圖首先定義右臂的初始位置,利用.建模方法建立基坐標(biāo)系以及各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。.表示機(jī)械臂的基坐標(biāo)系, .一依次表示關(guān)節(jié)到關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系。按摩手結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,當(dāng)采用不同的按摩手法時(shí)其末端執(zhí)行器的形態(tài)是不同的,這里,為末端執(zhí)行

40、機(jī)構(gòu)建立坐標(biāo)系的時(shí)候,已執(zhí)行掌按手法時(shí)為例進(jìn)行分析。根據(jù)末端執(zhí)行器在執(zhí)行掌按手法時(shí)的位姿特征,充分理解胛,三個(gè)向量表示的物理意義,為其建立坐標(biāo)系.。另外,為了后面章節(jié)研究的方便,為整個(gè)按摩機(jī)器人建立世界坐標(biāo)系。其位置選在按摩床的右后角的位置。完整的.坐標(biāo)系如圖.所示。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文引 . 西.“、?誓吼云氣一圖.中醫(yī)按摩機(jī)器人右臂的坐標(biāo)系.求取參數(shù)根據(jù)所建立的連桿坐標(biāo)系,連桿參數(shù)可以通過(guò)以下方式求得:?為連桿?連桿長(zhǎng)度 ,大小為從到沿一測(cè)量的距離,.%一。為和兩關(guān)節(jié)軸線之間的連桿扭角,大寸川到繞一。旋轉(zhuǎn)的角度,其值可正可負(fù)。諺兩根公垂線與口?之間的連桿距離,大小為從一。至:沿弓測(cè)量的

41、距離,其值可正可負(fù)。諺為兩根公垂線口與?之間的連桿轉(zhuǎn)角,大小為一。到繞刁旋轉(zhuǎn)的角度,其值可正可負(fù)。按照上述規(guī)則,根據(jù)建立的.坐標(biāo)系,結(jié)合機(jī)械臂的機(jī)械參數(shù),求得按摩臂的?參數(shù),其?參數(shù)表如表.所示:山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文表. 中醫(yī)按摩機(jī)器人右臂的.參數(shù)表關(guān)節(jié)序號(hào) 取值范圍? 磁一。 。 西。 。以 。島統(tǒng)。 。繡 。 。.運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析關(guān)節(jié)坐標(biāo)系相對(duì)于的變換卜稱為連桿變換。卜與口,%一。, 珥和諺這四個(gè)連桿參數(shù)有關(guān)。因此,可以把連桿變換卜分解為四個(gè)基本的子變換問(wèn)題,其中每個(gè)子變換只依賴于一個(gè)連桿參數(shù)。連桿變換卜通過(guò)坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)以下四個(gè)子變換得到繞?軸旋轉(zhuǎn)%一;沿?軸移動(dòng)?;繞,軸旋轉(zhuǎn)/;沿,軸移

42、動(dòng)。以上每個(gè)子變換都是相對(duì)于當(dāng)前坐標(biāo)系進(jìn)行的,按照坐標(biāo)變換與矩陣運(yùn)算之間的關(guān)系,依次右乘上述變換的四個(gè)矩陣,即可得到從當(dāng)前坐標(biāo)系到下一個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣。相應(yīng)的轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算過(guò)程如式.所示:.,%一,?,諺由上式右邊的四個(gè)子變換,用諺表示諺,表示,表示,表示可以得到連桿變換卜的通式,卜的通式表示如.式:山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文仉一:一 只一 一一 ?.卜一 諺一 一 一 在實(shí)際的應(yīng)用中,經(jīng)常使用的是末端裝置相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿關(guān)系,所以,對(duì)于上式需要繼續(xù)進(jìn)行坐標(biāo)變換。依據(jù)上一小節(jié)中為末端位姿建立的坐標(biāo)系和機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù),得到從末端關(guān)節(jié)到末端按摩裝置間的變換矩陣為:.厶 從基坐標(biāo)到末端按摩裝置

43、的總變換矩陣為:.;:丁木:丁木,宰;丁木:木;丁將.參數(shù)帶入上式得:一棗 木 幸以?厶木厶厶一 一 ?.宰 一墨木:奎一木一木厶西 式.中表示諺,表示只,表示諺嘭,表示末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于基坐標(biāo)的變換矩陣為:/.”: : 口:故其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:.按摩機(jī)器人單機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要解決已知機(jī)械臂末端的位姿,求取機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)變量的問(wèn)題。不同于正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題,逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題比較復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解可能有多組,也可能不存在【。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解有封閉解和數(shù)值解兩種,其中,數(shù)值解求解過(guò)程計(jì)算量大,速度慢,不適于實(shí)時(shí)控制,而封閉解計(jì)算速度快,效率高,適于實(shí)時(shí)控制。正是由于上述原因,在實(shí)際的工程應(yīng)

44、用中,我們總是盡可能的求取運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的封閉解。可以證明,山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文只要滿足以下兩種情況之一的五自由度機(jī)械臂的封閉解是一定存在的: 后三個(gè)關(guān)節(jié)軸相交于一點(diǎn);有三個(gè)關(guān)節(jié)軸相互平行【。.常用的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法介紹求解機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)封閉解的方法有解析法又稱代數(shù)法和幾何法。其中,解析法常用的是分離變量法,一般是通過(guò)在運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的兩端分別左乘合適的變換矩陣的逆來(lái)實(shí)現(xiàn)的。幾何法一般只適用于低自由度機(jī)械臂的逆解計(jì)算。另外還可以結(jié)合機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特征,對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治鎏幚?采用代數(shù)法和幾何法綜合解決。隨著研究的深入,最近又有學(xué)者在這一問(wèn)題上引進(jìn)了遺傳算法等較新的求解思路】。在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題上,

45、并沒(méi)有統(tǒng)一的求解算法。根據(jù)不同的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)環(huán)境,選擇合適的逆解運(yùn)算方法,會(huì)大大減輕逆解運(yùn)算的復(fù)雜程度。中醫(yī)按摩機(jī)器人采用的是直角坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)【,運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,可以運(yùn)用解析法求取機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。.單機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程兩邊做如下變換得:兩邊分別左乘變換矩陣寧,得到.丁木丁木;丁幸:丁幸一丁宰左邊部分丁夯丁?;丁幸:丁木;?宰 木 幸幸宰三? .一木是 一?%木 宰上一宰一木 右邊部分玎.;丁:一書口 一 定義如下函數(shù):./,。.孤;三愛(ài)山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文由.式中,得:一刀,;.磚一;一。;利用上面定義的函數(shù),解得:島;.由.式中,得:。,;.;

46、氏;.由.式中,得:.厶木厶宰厶厶,;整理上式可得:.?碰盥魯生姓;解得:島;.故.幺島島;由.式中,得:.木厶一木一木:一西;.:宰木一木;依上述方法可以將各關(guān)節(jié)變量求出。由上面的求解可知系統(tǒng)最多有兩組解。.雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解可有上述方法求得,但是在兩條機(jī)械臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)的情況下,則不得不考慮兩只機(jī)械臂之間的位置約束,最低限度的要求是不發(fā)生碰撞。所以帶約束的按摩機(jī)器人雙臂運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。這樣的情況下及時(shí)兩支臂都自己存在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,但是在這樣的約束下,雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解就可能不存在,或者只存在唯一解。這就需要用避碰的約束條件對(duì)分別所求得運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行取舍或者尋優(yōu)。通過(guò)對(duì)機(jī)械臂建立適當(dāng)

47、的模型,山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文通過(guò)計(jì)算兩只按摩臂各連桿之間距離來(lái)進(jìn)行碰撞檢測(cè)。下面介紹空間兩線段間距離的計(jì)算方法】。.空間兩線段間的距離的計(jì)算方法設(shè)空間中有兩條線段和,設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)為。,。,。,點(diǎn)的坐標(biāo)為,點(diǎn)的坐標(biāo)為,點(diǎn)的坐標(biāo)為,。設(shè)是直線上的一點(diǎn),點(diǎn)的坐標(biāo),】,可以表示為一而.一【毛一當(dāng)時(shí),位于線段上;當(dāng)時(shí),位于線段延長(zhǎng)線上;當(dāng)時(shí),位于線段的延長(zhǎng)線上。設(shè)是直線上的一點(diǎn),點(diǎn)的坐標(biāo),形可以表示為 一一 .形一如妙啦屯均乙 屯乃乃當(dāng),時(shí),位于線段上:當(dāng)時(shí),位于線段的延長(zhǎng)線上;當(dāng)時(shí),是位于線段延長(zhǎng)線上。兩點(diǎn)之間的距離為.尸如萬(wàn)可西礦砸萬(wàn)距離的平方為,?】廠一一礦?一一】.,】?一一】要求直線,之間的

48、最短距離,也就是要求,的最小值。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文求,關(guān)于,的偏導(dǎo)數(shù),令偏導(dǎo)數(shù)為,得到.式:。塑業(yè):玉.?:,展開(kāi)并整理后,得到下列方程組:一一一一一一屯一一一一】一工一一?,?一.一一一一一一一一一一一一?一?一解上面的方程,得到,如果,說(shuō)明位于線段上,如圖.所示。位于線段上。公垂線段的長(zhǎng)度就是線段與線段間的距離。.其中尸?一礦一形如果解得的,不滿足,說(shuō)明兩直線公垂線段的長(zhǎng)度并不是線段和線段之間的距離。如圖.所示。圖.兩線段間的最短距離為公垂線的情形 圖.兩線段間的最短距離不是公垂線的情形這時(shí),可以求點(diǎn)、點(diǎn)與線段的最短距離,點(diǎn)、點(diǎn)與線段的最短距離,其中的最小值即為線段與線段之間的距離。

49、.雙臂模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析通過(guò)分析,通過(guò)建立的.坐標(biāo)系原點(diǎn)基本都位于相鄰連桿的交點(diǎn)位置。而且連桿形狀比較規(guī)則。對(duì)于這種情況,對(duì)機(jī)械臂模型做如下處理。鑒于避碰的實(shí)際可能性,結(jié)合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征,對(duì)機(jī)械臂實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。省略上下移動(dòng)關(guān)節(jié),并將機(jī)械臂各個(gè)連桿視為是各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線。把個(gè)連桿視為圓柱型結(jié)構(gòu),圓柱山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文半徑為能夠完全包絡(luò)實(shí)際機(jī)械臂連桿的最小值。模型示意如圖.所示:圖.按摩機(jī)械臂的簡(jiǎn)化模型示意圖模型簡(jiǎn)易圖如圖.所示:圖.按摩機(jī)械臂簡(jiǎn)化模型的線段表示形式通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的相應(yīng)變換,可以求得相應(yīng)坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。這樣可以確定、四條線段。同理,可以求得左臂的四條相應(yīng)

50、線段,等四條線段。只要求得任意兩條線段間的距離大于半徑之和,則可以確定兩臂的對(duì)應(yīng)連桿不會(huì)發(fā)生碰撞。線段距離的求解可以按照上面講述的方法進(jìn)行計(jì)算。程序流程圖如圖.:山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文開(kāi)始工分別求取雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解判斷雙臂的各連桿是否兩兩碰撞二臣存儲(chǔ)該組逆解土雙臂的無(wú)碰撞逆解 無(wú)解結(jié)束圖.雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求解流程圖.本章小結(jié)根據(jù)按摩機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及參數(shù),利用.建模法,為兩支機(jī)械臂建立了.坐標(biāo)系,求取了機(jī)械臂臂的.參數(shù),解決了機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。針對(duì)按摩機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題,采用包絡(luò)的方法為機(jī)械臂建立簡(jiǎn)化模型,通過(guò)分析計(jì)算兩支機(jī)械臂各連桿之間的距離,檢測(cè)雙臂是否發(fā)生碰撞,然后對(duì)所求的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行取舍優(yōu)化,解決了約束條件下雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析。山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文第章機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究雙臂協(xié)調(diào)控制是指兩臂在一定的控制規(guī)則下,雙臂能夠相互協(xié)調(diào)無(wú)碰撞的完成各自的動(dòng)作,或者相互配合協(xié)調(diào)的共同完成一項(xiàng)任務(wù)。在中醫(yī)按摩機(jī)器人執(zhí)行按摩任務(wù)的時(shí)候,多數(shù)情況下兩只按摩臂是需要同時(shí)工作的。兩只按