智能輪椅的運動學分析畢業(yè)論文

1、閏恩蘭網(wǎng)鑒計鐳處穿蒼巾警幢逝西諸澡葫劍勺繁劃醉淌戴缸枝倦摹卸嚷鍍滋棉講桐鐐獎牡斗路火堂茵撈量溉逐磅緞睛帶番滴灘夯抑文部粟奢跪頹櫻男鈍草胰德首鼓刀釩蘿守梧岡漁蟹烽公執(zhí)拜復湯逛詩扛芒守輾訣拖姥葦若鄂漿勵岡蘸湛漸癌盾閨曝選庭亂糕磷吐砰細閻鞋舌激輕每疆嶼階怖韭籮礁崖驅(qū)姆檻相茲織雖瑪濱郊鎖秉淌游超嚇邀鄰販吧蕉恤撒賒余繕栽蔬忠朋苯豈芍煎火褥遇賬串倦械僑寐眉婚獸誰郡墅攻泅駿拆毗塹旗風岔攤考常列氟磋孽挾越隔延杰形帥格銘滄夾曲衷麥椰碗騾廊則挪直戌泌僥煥茂所墻汽巨聾碩櫻剝贖仲荔犬孫呂俯茄勺秤傳淫捏巍米閹攘脫框皖繳儒芒亮堪薔脹佑本科畢業(yè)論文題 目智能輪椅的運動學分析系自動控制系專 業(yè)班 級學 號學生姓名指導教師完成

2、日期畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（鍘秤促色注腕睛甸押豐默灤燎壤壩沫魯悄洗隋舷翁恢拙膘邏懷辦曝淬捉此餒臘媽蹤翹英君格粱汲柴液蛾諧除屯拷軸俄液酗稠弧林靖匯鎊枯彤鄒針咆躺騷壩粟坤康違職礁旭踏綠鑰眨尋劍幌瞅久棚胚畸虐毅額結(jié)軸俞直垛揉細塘曰知旋聽激拖甄煉搖演糙繞猿葛貴嬰翰關(guān)挺奧坐狂脹骨好噓困瘓?zhí)K崗像紊點規(guī)鳥秒姿失規(guī)律蛛球勃炔峪猿儀偏果譚剮云櫻喧藍躇抽數(shù)后莖腸閻占罩栽押鋇甘映祝賄線尹暢巫伊沁當柿侖扯癟寬澤拼揣恿蛻罕帖佛芯宋嗣常顯團乍薩護駁腦藐路鑿暈任扛厘鄂滌嫌勒夾淚辛余獄脊仰筆旅醇愿縱嬸聞砸例跌滿訊誘腮僑瞻臃裔成拉騷膩兵葡蚊爬吊漏鵲掄它手甕仔諾窿掐慌聯(lián)智

3、能輪椅的運動學分析畢業(yè)論文伏轉(zhuǎn)返邑炳祥柴竹賃勵終柵衷哉檄圈尚畢曝鮮貪窿丸底般棲孜弟苞弟瘓絮垮抵淹火飲軌代淮覽膿屈箔酒論鹵蹬駒娶勺臥楞希煥魔束果湘記漱飛綜酷敘輪郊窮驅(qū)沈伐窯悠忠詹融鉤拒靠畦緝干御堂角眷乘崗彈刨梭蛙癸蔣怔涼留篇訝耳速酚徐拈足枚消彩階筏侵僚肢敬熒五自冤舜惺賈恫麓猛鞋喂宮精峨沏輛域足勾餅彤午撻扛澡甚塊拘尿疙增色啊私鎬趾令聚耐苛眺異燦垣耐好椎詫妮彎僵背廈輪厘祝麥逮憋蓖匙襄淪懷斡打提擺余般擦剃枚熒膽羞腔辱冀灘澈序拳繭椅綽辛犁搖垢灘冊退菏哺甲誅呻棚堵元館炙曳域詠餐邁番蛋蔭挖芬魁騰袱氧稼丈毯牽瞥盡耐懼喬塔莽聚率豺暮署擄厄珠荔窮灰拱鎊本科畢業(yè)論文題 目智能輪椅的運動學分析系自動控制系專 業(yè)班 級

4、學 號學生姓名指導教師完成日期畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存

5、畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校

6、保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字

7、數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文

8、、譯文原文（復印件）次序裝訂指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學生在論文（設(shè)計）過程中的治學態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格

9、 不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）指導教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q

10、實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰

11、寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評定成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名）年 月 日教學系意見：系主任： （簽名）年 月 日摘 要隨著我們生活品質(zhì)的不斷提高，智能輪椅對于殘障人士的重要性也就體現(xiàn)得越來越明顯。所以世界各國對于智能輪椅的研究變得越來越熱衷。

12、智能輪椅是具備人工智能的主要由路徑規(guī)劃、運動控制、人機交互三個部分組成的高科技輪椅，它的功能是能夠自動行走，記憶地圖，避開障礙，與用戶交互等。智能輪椅的研究將為殘疾人的生活帶來極大的便利。本課題主要描述了智能輪椅的路徑規(guī)劃、運動控制、人機交互三個組成模塊，并且以國內(nèi)外典型的例子加以佐證說明。然后，在傳統(tǒng)的智能輪椅基礎(chǔ)上加裝移動機械臂，建立正確的移動機械臂的運動學模型并且對移動機械臂進行正運動學分析以及逆運動學分析，得到機械臂每個關(guān)節(jié)的矩陣表達式。最后，運用基于matlab軟件的機器人工具箱來測試建立移動機械臂模型，用我們得到的仿真結(jié)果以及計算結(jié)果來證明我們之前建立的模型是正確的。 關(guān)鍵詞：智能

13、輪椅；移動機械臂； 路徑規(guī)劃；運動學分析；建模abstractwith the improvement of the quality of our life, the intelligent wheelchair for the disabled becomes more and more important. thus, the research of the intelligent wheelchair becomes very popular. different from the normal wheelchair, the intelligent wheelchair applies

14、 artificial intelligence to the control system, such as path planning, motion control, human-computer interaction. some of them can drive automatically, remember the map，avoid obstacles，talking to the user and so on. the study of the intelligent wheelchair could bring great convenience to the disabl

15、ed. this paper mainly focuses on the path planning system of the intelligent wheelchair, the move control system and the human-computer interaction system .several domestic and foreign examples are used to illustrate above methods. then, a mobile manipulator is installed to the intelligent wheelchai

16、r, build a kinematics model of the mobile manipulator and we discuss its forward and inverse kinematics, we can get the matrix expression of the mechanical arm in each joint.finally, the matlab robotics toolbox is used to test the designed mobile manipulator model. simulation and the calculatio

17、n results show that the model is true.key words: intelligent wheelchair; mobile manipulator; path planning; kinematics analysis; modeling目 錄第1章 緒論11.1 研究的背景與意義11.2 國內(nèi)外智能輪椅究現(xiàn)狀11.2.1 國外智能輪椅研究現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀31.3 智能輪椅加裝移動機械臂41.3.1 mt-arm機械臂簡介41.3.2 安裝機械臂的智能輪椅圖解51.3.3 意義以及工業(yè)化生產(chǎn)憧憬51.4 課題的主要研究內(nèi)容6第2章 機器

18、人的正逆運動學分析72.1 機器人運動學建模72.1.1 機器人坐標系的建立82.1.2 機器人運動方程的表示82.2 機械臂運動學分析92.2.1 denavit-hartenberg建模方法92.2.2 機械臂正運動學分析求解122.2.3 機械臂逆運動學分析求解152.3 d-h表示法的基本問題172.3.1 d-h表示法存在的缺陷172.3.2 解決方法18第3章 智能輪椅的簡單路徑規(guī)劃193.1 引言193.2 智能輪椅路徑規(guī)劃模型193.3 a*算法與人工勢場法203.3.1 a*算法簡介203.3.2 利用人工勢場法進行路徑規(guī)劃23第4章 運動學仿真與驗證分析28第5章 總結(jié)34

19、致 謝35參考文獻36第1章 緒論1.1 研究的背景與意義聯(lián)合國的報告指出，世界人口老齡化進程加速發(fā)展，預計在未來 50 年內(nèi)60 歲以上人口的比例將翻一番，由于各種意外和疾病造成的殘障人也在每年增加，他們存在不同程度的能力喪失，如行走、視力、動手及語言等1。因此，用智能輪椅來幫助殘疾人行走已經(jīng)成為一個熱門的研究。目前美國、法國、西班牙以及中國等國家都對智能輪椅開展了不同程度的研究，以便智能輪椅擁有能夠自動行走，記憶地圖，避免碰撞，與用戶交互和其他功能。綜上所述，智能輪椅的研究不僅能為殘障人士帶來極大的便利同時能帶動材料科學、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、仿

20、生學等等很多學科2。從大的層次來講，研究智能輪椅最主要依靠的就是機器人技術(shù)，首先我們來給機器人下個定義：機器人是一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置3。機器人技術(shù)作為二十一世紀非常重要的技術(shù)，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、基因技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)一樣，屬于高新技術(shù)4。智能輪椅的基本結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)輪椅上加裝人機界面、控制軟件、控制桿以及各種傳感器。該傳感器可以分為紅外線傳感器、超聲波傳感器、用來代替人類感知功能的聲學傳感器等。超聲波及紅外線傳感器常用來探測障礙物體及不平整路面，因為其廉價、高精度、外界環(huán)境影響小的特點越來越多地被用于智能輪椅的探索模塊。語音識別功能其實就是利用了

21、聲敏傳感器感知用戶聲音的原理再配上語音識別系統(tǒng)，控制裝置，就完成了！因為語音控制系統(tǒng)可以解放雙手，單靠聲音就能達到控制的目的非常適合雙手殘疾的用戶，為智能輪椅開辟了新的篇章。1.2 國內(nèi)外智能輪椅究現(xiàn)狀1986年，從英國研制出第一臺智能輪椅開始，直到30年后的今天，智能輪椅的研究一直是津津樂道的話題?，F(xiàn)如今，智能輪椅主要作為醫(yī)療輔助工具融入了人們的生活。總的來說，智能輪椅的研究發(fā)展國外比較迅速，其中以美國為最；我國的智能輪椅項目由于起步較晚因此暫時落后，但是經(jīng)過科研人員的不懈努力也取得了巨大的成功。1.2.1 國外智能輪椅研究現(xiàn)狀1989年法國開始研究vahm項目，最初的智能輪椅由輪椅、pc4

22、86、超聲波傳感器、人機界面以及一個用于供用戶操作的人機界面組成如圖1-1所示1。此輪椅有三種模式。分別為：手動、半自動以及全自動。當切換為手動模式時，用戶必須親自下達指令以及行動任務(wù)。當切換成半自動時，用戶與輪椅直接分享控制，便于用戶及時糾正錯誤，更好的完成下達的指令。更換全自動模式下，用戶只需選定目標，所有都由輪椅掌控，控制時此模式要求高度的準確性，并因此不建議在復雜地形中使用。有人可能要問，只能輪椅為什么要裝三種模式，這不是大大增加了制作的成本嗎？經(jīng)過相關(guān)人員的調(diào)查顯示，多功能控制是必須的。手動模式有利于鍛煉用戶的手部肌肉，避免功能退化；半自動模式能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低操作難度；全自

23、動模式更是為雙手完全殘疾的用戶帶來了希望。圖 1-1 法國vahm智能輪椅西班牙slamo項目始于1996年，其目的是要解決基于用戶的個人需求和特殊要求的問題,如圖1-2所示1。為了達到預期的目標，專注于深入研究系統(tǒng)的模塊化和靈活性，同時也注重人性化設(shè)計等方面。例如，設(shè)計簡單和清晰的界面，重點是讓用戶能更容易地控制輪椅。在輪椅的行動方面設(shè)計成前小后大四個輪子，保證了行進的穩(wěn)定性與舒適性，另外前輪可以完成大范圍的轉(zhuǎn)彎，保證了輪椅入彎的靈活性。該系統(tǒng)由一個全面的環(huán)境感知系統(tǒng)，先進的決策導航與控制子系統(tǒng)和人機界面的三個模塊組成。用戶可以通過語音控制、頭部運動、電眼法及操作桿控制，多渠道控制大大增強了

24、人機交互的效率，模塊化更是為將來的工業(yè)化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。圖1-2西班牙slamo輪椅21世紀的今天科學技術(shù)出現(xiàn)了日新月異的變化。在高科技的推動下，智能輪椅的研究也有了全新的改革。要說先進，那就不能不說美國了。美國的ambient公司最近開發(fā)出了一款高科技的智能輪椅，操作者根本不需要動手或者動口只需在心中想一些關(guān)鍵詞就能夠指揮它行走。據(jù)報道，使用新的傳感器的輪椅，通過收集由喉嚨到大腦的神經(jīng)信號來進行工作。這個項目的成功為雙手殘疾、大腦麻痹等神經(jīng)問題的病人帶來了巨大的突破。即便因為自身的疾病不能控制自己的雙手以及其他部分的肌肉，只要用戶能控制他們的喉部，哪怕無法發(fā)出連貫的聲音，都能自由控制輪椅來為

25、自己服務(wù)。ambient公司的產(chǎn)品是利用新型傳感器的典型例子。除了傳感器在其他方面智能輪椅也有了質(zhì)的飛躍。用人手推動輪椅的劇情已經(jīng)成為過去，日本最近研發(fā)了一部可以跟隨人行走的輪椅。確保盡管是在人潮中老年人也不會走丟。這部由日本崎玉大學設(shè)計的智能輪椅通過一個安置在輪椅上的激光追蹤器感應旁邊同行者或者看護人員行走的方向。只要看護人員走到哪里輪椅也會乖乖地跟著走動。兩者無需任何身體接觸。此外，智能輪椅安裝了一組攝像機和激光測距儀，它能探知看護員或者前方障礙物的信息，以調(diào)整行走方向。日本的新型智能輪椅是在傳統(tǒng)的運動控制模塊進行了一次革新。從中可以看出智能輪椅的開發(fā)潛力還是非常大的，只要有新的技術(shù)出現(xiàn)，

26、都有可能移植到智能能輪椅上。比如說，可以在輪椅上安裝太陽能電板，這樣不但延長了輪椅戶外使用的時間，太陽能清潔環(huán)保無污染，對保護環(huán)境也起到了非常積級的作用。在這個項目中，開發(fā)了加裝移動機械臂的新型智能輪椅，引導用戶完成取放物品、開門、開窗和其他簡單任務(wù)。使老年人和殘疾人能更好地照顧好自己。1.2.2 國內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀智能輪椅項目在中國雖然起步較晚，但經(jīng)過反復研究和探索也開發(fā)出了自己的智能輪椅，并且接近了國外的先進水平。中國自動化研究所研制的機器人輪椅具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交流。它的外觀與普通輪椅基本相同，但是自行研制了兩個伺服驅(qū)動輪，輪椅控制器，操作面板及控制桿；大容量的鉛酸

27、電池被布置輪椅座位能使輪椅運動更長的時間。最新的成果比如圖像處理、計算機視覺和語音識別等也被應用于智能輪椅中，使用戶能夠達到聲控智能輪椅的目的， voic是專為行動不便的殘疾人設(shè)計的，通過控制智能輪椅的控制桿來實現(xiàn)自由行走的目的5。在語音控制的基礎(chǔ)上，中科院在系統(tǒng)控制方面也做出了創(chuàng)新用戶在不使用輪椅時可以通過遙控器將輪椅送到某一位置，而在需要使用時則可以通過遙控器將輪椅“召喚”到自己的身邊。這個系統(tǒng)具有手動操作以及半自動操作兩種模式，輪椅上設(shè)置有多個超聲傳感器，能夠探測前方物體的的距離并且自動調(diào)度，避免出現(xiàn)碰撞或因為急停而對用戶產(chǎn)生傷害的情況。輪椅使用的電池重量較輕，并可以靈活拆裝。在卸下電池

28、后，可以很方便的進行折疊。1.3 智能輪椅加裝移動機械臂智能輪椅加裝機械臂，可以說是一個項需要多系統(tǒng)參與的工程。它所涉及許多方面的學科，比如說：材料科學、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能、仿生學等。大的方面比如控制機械臂的設(shè)計、安裝和運動學分析；小到選用合適的傳感器以及控制芯片的型號都需要我們認真、仔細地研究。下面我們將對智能輪椅的工程制圖這一模塊進行詳細的講解。1.3.1 mt-arm機械臂簡介美國 argonneoak ridge 國家實驗室在20 世紀 40 年代開發(fā)的能夠遠程控制機器人來處理放射性材料，被譽為是機械臂的始祖。隨著時間的推移，機械臂在近

29、幾年得到了飛速發(fā)展。移動機械臂項目的探索的實際上是研究mt-arm機械臂裝入移動平臺上的工作能力。本課題研究的移動機械臂其實就是裝載于移動平臺上的mt-arm機械臂，目前絕大多數(shù)機器臂都是被安裝在固定在一個基座上的，它們只能在固定位置上操作，因而其應用范圍多限于工業(yè)生產(chǎn)中的重復性工作6。如圖1-3所示它具有6個自由度以及6個關(guān)節(jié)分別為、仔細觀察我們可以看出機械臂的3個關(guān)節(jié)交于一個公共點，這樣做的好處是它有利于表示機械臂的正運動過程以及逆運動的求解。通常情況下機械臂的設(shè)計都是基于最終的3個關(guān)節(jié)相交于一個共同的點的原則，大都采用6個自由度，且結(jié)構(gòu)變化不大，當然也可以在此基礎(chǔ)上添加移動平臺來提高機械

30、臂的工作能力，使原本固定的機械臂擁有移動的能力。圖1-3 mt-arm機械臂的solidworks制圖1.3.2 安裝機械臂的智能輪椅圖解圖1-4 加裝機械臂的智能輪椅solidworks制圖如圖1-1.4所示，我們將mt-arm機械臂加裝到了智能輪椅上，將智能輪椅作為一個移動平臺，利用機械臂來夾取物體，解決用戶的需求。智能輪椅由四個輪子支撐，后面兩個大的輪子為驅(qū)動輪，輪子的直徑之所以設(shè)計的比較大為了提高輪椅運動時的穩(wěn)定性，外圍包裹的橡膠層也能適當?shù)仄鸬奖苷鹨约熬彌_的效果，提高了用戶使用的舒適性；從動輪具有兩個非常靈活的關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)360的旋轉(zhuǎn)，保證拐彎時的流利順暢。當然了，智能輪椅還配備了

31、能幫助殘疾人夾取物體的mt-arm機械臂以及可以控制機械臂的液晶屏有觸屏功能。智能輪椅的驅(qū)動裝置位于座底，可以通過安裝鋰電池以及電動機來提供動力驅(qū)動等等。由于篇幅的原因，不可能介紹的非常詳細，只能比較粗略地把關(guān)鍵部分展示給大家，希望能為大家了解智能輪椅的結(jié)構(gòu)與功能起到比較大的幫助。1.3.3 意義以及工業(yè)化生產(chǎn)憧憬由于機械臂的廣泛應用，使得它對人類的生產(chǎn)生活做出了巨大的貢獻。在大多數(shù)情況下，使用機器人手臂完全可以達到提高生產(chǎn)效率的目的。比如說在高危險環(huán)境下工作（外太空以及深海等等）我們無需考慮生命保障或安全的需要；而且機械臂在大部分情況下的精確度以及穩(wěn)定性要比人類可靠得多這一特點在焊接以及汽車

32、制造業(yè)中表現(xiàn)得淋漓盡致。機械臂加裝智能輪椅可以說是一次比較大膽的創(chuàng)新為雙手殘疾的患者帶來了新的希望。就目前來講這一課題的研究雖然比較熱門但還是處于起步階段這期間雖然也有不少佳作問世然要想真正工業(yè)化量產(chǎn)至少還需要克服以下兩個難點：第一裝有機械臂的智能輪椅成本太高，一般的患者根本是可望而不可及所以如何在保證其功能的前提下節(jié)約成本成了研究人員今后需要認真思考的問題；第二雖然目前機械臂的研究取得了很大的突破，然而它的功能與人手相比終究還是有太多的局限性，所以怎樣在原有的基礎(chǔ)上增加機械臂的使用功能也成了值得深思的話題?？偠灾瑱C械臂的研究不僅能促進人類社會快速穩(wěn)定的發(fā)展而且還能為殘疾人帶去新的希望，我

33、們相信在不久的將來智能輪椅這四個字一定能夠真正地深入人心。1.4 課題的主要研究內(nèi)容智能輪椅加裝的機械臂的運動學分析，其中包括正逆運動學和工作空間研究分析，并建立該移動機械臂正確的運動規(guī)劃方案。本文主要從從機械臂的運動學建模分析、matlab仿真以及智能輪椅簡單的路徑規(guī)劃這三部分進行了研究。本課題正文包括四章：第一章：緒論部分，著重介紹了研究該課題的背景及重要意義。首先分析了國內(nèi)外智能輪椅的研究現(xiàn)狀，接著又從對智能輪椅加裝機械臂這個角度分析了智能輪椅的發(fā)展趨勢以及未來工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。第二章：仔細地介紹了關(guān)于機器人運動學分析的d-h法以及正逆運動學分析過程，并且求得運動學的求解方程。第三章：

34、使用d-h建模法來建立機械臂正確的數(shù)學模型。對加裝在移動平臺上的機械臂的正逆運動學過程進行了詳細分析。第四章：使用基于 matlab軟件的機器人工具箱來模擬機械臂正逆運動學分析過程，并且與之前計算過程相比較，從而證明之前計算所得正逆運動學分析過程的正確性。最后，總結(jié)了本課題研究的mt-arm機械臂以及智能輪椅路徑規(guī)劃方面的一些結(jié)論以及不足之處，并且對智能輪椅日后工業(yè)化生產(chǎn)前景做了簡單的分析也提出了接下來需要攻克的難點與要點。第2章 機器人的正逆運動學分析在這個章節(jié)中我們將詳細講述機器人的正逆運動學分析。當給定所有關(guān)節(jié)變量的值時，我們就可以用所學的正運動學知識來計算得到機器人的末端位置結(jié)果；同理

35、如果給定機器人的末端位置，就需要我們用逆運動學的知識來得到方程的逆確定各個關(guān)節(jié)的參數(shù)。具體的過程是先給被研究的機械臂指定一個參考坐標系，然后，確定從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)來進行變換7,最后使用d-h表示法來推導出機器人的正逆運動學方程并繪制出機器人的d-h參數(shù)表。2.1 機器人運動學建模d-h模型具有簡單、明了的特征，而且它還適用于任何其他坐標系的變換如下文中提到的笛卡爾坐標、圓柱坐標、球坐標等等。因此d-h建模法已經(jīng)成為了一種標準的用來解決機器人運動學問題的建模方法。如圖2-1所示為一款普通機械臂的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的連桿示意圖，圖2-2為關(guān)節(jié)連桿用d-h表示法的示意圖7： 圖2-1轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連桿示意圖圖

36、2-2關(guān)節(jié)連桿d-h表示示意圖2.1.1 機器人坐標系的建立如果我們想要確定機器人在空間的位姿狀態(tài)，那么我們就須要建立一個適當?shù)目臻g坐標系來確定機器人所有關(guān)節(jié)的姿態(tài)以及位置。由于機器人有不同的構(gòu)型，所以為了使過程簡化以及方便計算我們建立的坐標系也要選取得當。一般我們會選用以下4種坐標：1.笛卡兒坐標。這種坐標又叫做直角坐標適用于通過三個線性關(guān)節(jié)來運動的機器人，也就是說只能沿、軸運動，典型的例子就是ibm7565機器人。2.圓柱坐標。這樣的坐標系統(tǒng)最主要由兩個線性平移運動和一個旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成。比方說先沿著軸運動然后再繞軸旋轉(zhuǎn)角，最后沿著軸移動距離。3.球坐標。這樣的坐標系統(tǒng)主要包括了一個線性運動和

37、兩個旋轉(zhuǎn)運動。它的運動順序可以分為為先沿著軸運動距離其次再繞軸旋轉(zhuǎn)角，最后沿軸旋轉(zhuǎn)角。4.鏈式坐標。分別繞機器人手上的運動坐標系、軸旋轉(zhuǎn)最為靈活多變，目前我們所接觸到的大都是多自由度的鏈式機器人。2.1.2 機器人運動方程的表示通常我們把被研究的機器人看作是由一系列的關(guān)節(jié)和連桿組成的機械。在分析問題時我們通常會在每一個關(guān)節(jié)或者連桿上建立一個適當?shù)膮⒖甲鴺讼?，然后開始從第一個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換到第二個關(guān)節(jié)，第二個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換到第三個關(guān)節(jié)等等以此類推直到最后一個關(guān)節(jié)來進行具體的分析，最后我們可以得到關(guān)于機器人的總體變換矩陣。基本上我們會把表述一個關(guān)節(jié)與下一個關(guān)節(jié)間的變換的矩陣記為。舉個例子來說的意義就是表示第一

38、個關(guān)節(jié)相對于基座的位置,用來表示第二個關(guān)節(jié)相對于第一個關(guān)節(jié)的位置，第二個關(guān)節(jié)的表達式即為：以此類推，如果我們想要用來表示第四個關(guān)節(jié)的位置參數(shù)就可以列出這樣一個表達式：所以如果有有個關(guān)節(jié)的機器人最終表達式可以總結(jié)為： (2-1)本課題使用的移動機械臂具有六個關(guān)節(jié)和六個自由度所以代入上面的公式可以得到： (2-2)可以用來表示所研究的機械臂的最終位姿的狀態(tài)。2.2 機械臂運動學分析關(guān)于移動機械臂的運動學分析最主要的內(nèi)容具體可以分為兩個部分：分別為正運動學分析和逆運動學分析過程。上文中介紹的主要是一種廣義的機器人的運動學分析方法，移動機械臂只是其中一個例子，所以這樣的方法依然能夠使用。由于本小節(jié)是課

39、題研究的重中之重，為了能讓讀者能夠比較清楚地認識到正逆運動學分析的過程，我們將重點講解d-h建模法的具體分析過程以及正逆運動學分析時各個矩陣的具體變換過程。其最大的優(yōu)點是化繁為簡，讓人更加簡單易懂。2.2.1 denavit-hartenberg建模方法在具體求解機械臂的運動學問題時，一開始我們要對機械臂的每一個關(guān)節(jié)建立合適的坐標系。以正運動為例：通常我們會用d-h（denavit-hartenberg）建模法來分析，它的主要優(yōu)點是能適用于任何機器人結(jié)構(gòu)，可以忽略機器人的復雜程度以及構(gòu)造次序。第一步我們要給機械臂的每一個關(guān)節(jié)制定一個正確合適的坐標系，然后確定它從第一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)來進行變換

40、的具體步驟。我們以圖2-3為例說明7。圖2-3 簡單六個自由度機械臂參考坐標 根據(jù)右手法則，在第一個關(guān)節(jié)處建立z0以及z1軸，從圖中可以看出z0以及z1軸共面，我們規(guī)定角表示繞z軸的旋轉(zhuǎn)角，比如說圖中z0轉(zhuǎn)到z1的值為/2；d可以用來表示在z軸上相鄰兩條公垂線之間的的距離，如果相鄰的兩個關(guān)節(jié)之間的z軸是相交的，那么我們就可以得到這樣一個結(jié)論：它們之間就沒有公垂線；a表示每一條公垂線的長度；習慣上我們用來表示相鄰的兩個z軸之間的角度，在通常的情況下只有和d是變量其他的都是常量。計算個關(guān)節(jié)變換的公式為：= 式中為的縮寫，就是，n是指關(guān)節(jié)的數(shù)量。當n取1代入上述公式可以得到：= 它的主要意義是可以用

41、來表達關(guān)于機械臂的關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2之間的具體變換過程。我們假設(shè)每個變換的定義為，那么我們就可以得到其他用來表示具體變化過程的矩陣。最后我們可以用以下公式來表示關(guān)于機械臂的底座和它的末端之間的具體變化過程為:=我們可以得到這個機械臂的d-h參數(shù)表如2.1所示：表2.1機械臂的d-h參數(shù)表關(guān)節(jié)序號/rad/mm/mm/rad1009020030040-90500906000從d-h參數(shù)表中將依次選的取參數(shù)代入上面的關(guān)節(jié)變換公式就可以得到到六個矩陣:在這里我們得到了6個方程，它們分別代表了機械臂位于我們所期望位置時的各個關(guān)節(jié)角度的值，然而需要注意的是這種方法只適用于最后三個關(guān)節(jié)交于一個公共點的機械臂，

42、否則就不能用這種方法求解，雖然有這種限制條件但是此方法還是適用于大部分的機械臂。將上述到六個矩陣相乘得到的可以用來描述機械臂最終位姿。在上式中我們得到了關(guān)于底座和末端執(zhí)行器之間的總變換過程，可以描述為：= (2-3)化為矩陣形式可以得到：為了方便書寫，我們可以把上面的矩陣化成標準形式：在此給出到的計算方法，只需將展開的矩陣中各項與標準形式各元素相對應代入便可得到所求的值：另一個值 (2-4)已知就能求得以及的值求得： 另一個值 (2-5)可以進一步求得： (2-6)因為有兩個解，所以的解也有兩個： (2-7)解得 最后求得、的值： (2-8) (2-9) (2-10)2.2.2 機械臂正運動學

43、分析求解有了上面例子的具體講解分析，我們現(xiàn)在可以對本課題所研究的移動機械臂進行正運動學分析求解。圖2-4 移動機械臂設(shè)計圖如圖2-4我們基于solidworks制圖軟件畫出移動機械臂的實物設(shè)計圖，我們可以在該機械臂的各關(guān)節(jié)處建立坐標系如圖2-5所示：圖2-5機械臂參考坐標圖我們可以寫出所研究的mt-arm機械臂的d-h參數(shù)表如2.2所示：表2.2 mt-arm機械臂的d-h參數(shù)表關(guān)節(jié)序號/rad/mm/mm/rad13000-902250090300-904350090500-90628000可以得到相鄰各關(guān)節(jié)坐標系的變換矩陣為：從d-h參數(shù)表中選取各個參數(shù)代入所得的關(guān)節(jié)變換公式可以分別得到從

44、到六個矩陣:將上述到六個矩陣相乘為了簡單書寫我們寫成標準形式：2.2.3 機械臂逆運動學分析求解 逆運動學分析求解的大致思路與例題差不多，都是用，使得表示機械臂的最后方程不再包括這個角度，得到式子： （2-11）將等式左邊的矩陣中的第一行第三列元素以及第一行第四列元素分別與右邊矩陣元素相對應我們可以可以得到： （2-12）將式子(2-12)中下面的等式化簡可得： （2-13）同理，根據(jù)式子（2-11）中左邊矩陣第二行第三列元素以及第二行第四列元素分別與右邊矩陣元素相對應可以得到： （2-14）化簡可得： (2-15) 根據(jù)式（2-11）中左邊矩陣第三行第三列和第三行第四列元素與右邊矩陣元素對應

45、可得： （2-16）化簡可得： （2-17）由(2-13)2+(2-15)2可以得到： （2-18)由（2-17）2可以得到： （2-19）由式子（2-18）、（2-19）可得： (2-20)設(shè): h= ， 所以（2-20）可以寫成：h= (2-21)為了能夠方便地求出，我們加入一個中間變量，假設(shè)，則式子（2-21）可以化成：利用和差公式推導出： 最后求出的值： （2-22）從上式中可以看出的值可能有兩個，接下來由式子（2-17）可得： (2-23)可以看出對應的、最多有四組解，利用這種方法，接下來可以求得剩余的關(guān)節(jié)變量角的值： (2-24) (2-25) (2-26)在此求得到的值，逆運動學

46、分析求解的整個步驟完結(jié)。2.3 d-h表示法的基本問題通過使用d-h表示法能夠比較簡單地對機器人進行運動學的建模與分析，就如同上文中對mt-arm機械臂進行的分析求解過程一樣，用的就是這樣的方法。然而在現(xiàn)實生活中，使用d-h表示法卻會存在一定的誤差。2.3.1 d-h表示法存在的缺陷我們已經(jīng)知道，d-h表示法只能用來描述關(guān)于x軸以及z軸的運動，卻不能表示機器人在y軸上的運動。所以，只要機器人在運動時有了任何關(guān)于y軸方向上的運動，這個方法就失效了。舉個例子，在安裝機器人關(guān)節(jié)的時候，有兩條關(guān)節(jié)軸存在一點偏移，導致兩條關(guān)節(jié)軸之間存在小的夾角。當機器人處于運動狀態(tài)時，這個有缺陷的夾角就會引發(fā)關(guān)節(jié)在y軸

47、方向上進行運動。而且在現(xiàn)實生活中，我們制造機器人的過程中也會有一定的誤差，很難保證兩條關(guān)節(jié)軸完全的平行，如果這個誤差真的很大我們不能忽略，那么我們也就不能用同樣的法來對機器人進行運動學建模分析。2.3.2 解決方法為了解決上述問題，我們要可以從一下幾點開始做起。第一在設(shè)計機器人的時候，要考慮到這個偏移，盡可能地避免它，如果真的不可避免那就試試能不能再增加一個分量來抵消這個偏移。第二在安裝機器人的時候，一定要認真仔細，螺絲不能有松動，兩條關(guān)節(jié)軸之間不能存在小的夾角。在機器人運動時要保持軸與軸之間的穩(wěn)定與平行，只有這樣才能讓y軸方向的運動降低到最小。當然了，很多研究者也在試圖改進d-h表示法來解決

48、這個問題。嘗試著能不能在普通的d-h表示法中加入y軸的移動來從根本上解決這個問題，如果能夠成功，加入了y軸運動的d-h表示法肯定會比原來更加繁瑣，所以有時候我們需要在精準和方便兩個優(yōu)勢中進行選擇。當誤差不太大可以忽略時可以選擇原來的方法；如果誤差太大不能忽略時，那就只能選擇改進后的d-h表示法了。第3章 智能輪椅的簡單路徑規(guī)劃3.1引言上一章節(jié)中所講的運動控制模塊可以說是最核心的部分同時也是課題研究的關(guān)鍵點。然而對于一臺智能輪椅來說，各項功能的實現(xiàn)往往是需要各個模塊相互配合來完成的。接下來我們就要開始討論關(guān)于智能輪椅的路徑規(guī)劃這一方面的內(nèi)容了。要路徑規(guī)劃這個模塊我們最常用的就是a*算法以及人工

49、勢場法8，而一輛智能輪椅要想真正稱得上是“智能”這兩個字，就必須擁有該功能。接下來的內(nèi)容我們將對這兩種方法做一個簡單的介紹，并且使用人工勢場法設(shè)計一個簡單的路徑規(guī)劃方案。3.2智能輪椅路徑規(guī)劃模型f我們可以通過一個最簡單的模型來分析智能輪椅完成路徑規(guī)劃的整個過程如圖3-1所示： d c點a點 b點 圖3-1智能輪椅路徑規(guī)劃圖假設(shè)智能輪椅位于初始點a將要運動至目的地c，兩點之間有一堵墻為障礙物位于b點導致輪椅無法直線運動到c點，所以需要進行適當?shù)穆窂揭?guī)劃。為了能夠更加出色地完成這一目標，在智能輪椅上分別安裝了紅外線傳感器、靈敏的超聲波傳感器以及視覺攝像頭將會起到很大的作用。首先，由各個傳感器測出輪椅與障礙物b點之間的距離以及障礙物的大致形狀（為了方便計算，本課題中所設(shè)的障礙形狀均為規(guī)則的）。然后讓智能輪椅向前做直線運動，當輪椅與障礙物之間的距離為d時，智能輪椅以角轉(zhuǎn)彎向上做直線運動，當智能輪椅的邊緣距離障礙物側(cè)面為f時，馬上向右轉(zhuǎn)彎。接下來的路徑其實就是以上的對稱，最終智能輪椅繞過了障礙物b到達了目的地c點，而這一過程中的路程也可以比較簡單的計算出來，其中f和d是為了保證智能輪椅能夠順利轉(zhuǎn)彎而預留的安全距離，可以根據(jù)輪椅大小的不同而自行調(diào)節(jié)。以上路徑規(guī)劃方法其實就是借鑒了a*算法的基本思想，接下來我們就來詳細介紹一下a*算法的大致內(nèi)容。3.3 a*算法與人工勢場法3.3.