雙臂類人型烹飪機器人研究.pdf

1、在一個資源與能源有限、人民生活水平不斷提高、科技日新月異、老齡化問題日益嚴峻的時代，人類生活方式的機器人化與智能化，是未來社會生活發(fā)展的必然趨勢。在未來20～50年的時間內(nèi)，機器人將與目前迅速普及的個人計算機一樣，成為人類不可或缺的最密切的朋友和幫手。機器人將逐步走入人類的日常生活，與人類友好共處，徹底改變這個時代的生活方式。人們每天要花費大量的時間來烹飪菜肴，而且并不是每個人都能烹飪出美味的菜肴，因此能夠自動烹飪出具有專業(yè)烹飪水平菜肴

2、的烹飪機器人是目前最有市場前景的家用服務機器人之一，它能夠把人們從繁重的烹飪家務中解救出來，使人們擁有更多的空余時間，同時又能夠在家里品嘗到專業(yè)廚師所烹飪的菜肴。
　　 隨著計算機科學、控制論、機構(gòu)學和信息科學的交叉與發(fā)展，服務機器人技術的研究與應用日益深入。雙臂類人型烹飪機器人做為一種與飲食科學相結(jié)合的服務機器人，從而代替人類從事繁復的烹飪勞動，對其研究將有助于解決類似服務機器人設計的共性基礎理論問題，具有重要的學術價值與應用

3、價值。目前，針對雙臂類人型烹飪機器人的研究還不成熟，可靠的方案和各種自動烹飪手段還僅停留在初級階段。
　　 本論文來源于國家自然基金:基于仿人行為的雙臂自動烹飪機器人研究(61105101)、博士后基金:雙臂自動烹飪機器人數(shù)字表征及機械再現(xiàn)方法研究、機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室研究基金（MSV-MS-2010-03）和機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室開放研究項目（SKLRS-2010-ZD-06）的資助，主要研究內(nèi)容包括如下幾個方

4、面:
　　 首先介紹了雙臂烹飪機器人的設計思路，在大量調(diào)研與反復實驗的基礎上，對現(xiàn)有的中式菜肴烹飪動作進行分析，并描述典型烹飪工藝動作，合成單一動作成為組合動作，確定烹飪工藝對應的工藝動作，然后對中式烹飪工藝進行功能劃分、定義和標準化，將機器人、計算機、數(shù)據(jù)庫等技術應用于傳統(tǒng)中式烹飪。通過深入研究中式菜肴烹飪的灶上工藝動作特點，創(chuàng)造性地提出了灶上工藝標準動作劃分方法，能實現(xiàn)灶上工藝動作分解或標準動作組合，設計了基于雙臂的烹飪機器

5、人，包含工具臂和鍋具臂，完成大部分的烹飪動作，完成了機器人的系統(tǒng)設計，實現(xiàn)中式烹飪灶上工藝的基本動作，自動再現(xiàn)人工烹飪過程，從而實現(xiàn)中式烹飪的自動化與標準化。
　　 然后，對該機器人的6自由度手臂進行了運動學分析。利用D-H方法為每個連桿建立了坐標系。根據(jù)各個連桿長度與關節(jié)轉(zhuǎn)動范圍計算了手臂的工作空間。利用手臂各個連桿的D-H參數(shù)計算了齊次變換矩陣，從而得到了運動學方程。利用Paul方法求出了運動學逆解。利用矢量積法求出了手臂的

6、雅可比矩陣。通過MATLAB中的一個圓形軌跡仿真驗證了運動學逆解。手臂的運動學方程與雅可比矩陣建立了位置、姿態(tài)、速度從關節(jié)空間到笛卡爾空間的映射，為手臂的控制打下了基礎。運動學逆解也同樣非常有用，使得我們能夠?qū)⒛┒藞?zhí)行器驅(qū)動至我們所需要的位置與姿態(tài)，以便完成一系列指定的動作，例如烹飪中式菜肴等。
　　 之后，提出了一種全新的劃散機構(gòu)，對雙臂機器人的工具臂進行了運動學分析，運用Denavit-Hartenberg法建立了該機構(gòu)的坐

7、標系，得出了其末端端點的軌跡方程和速度、加速度方程，通過仿真分析得知，該機構(gòu)的末端端點任鍋具中心處的運動速度快而在鍋具邊沿處的運動速度慢，其包絡線能夠迅速覆蓋整個鍋具壁面，且末端加速度呈較大的周期性波動，充分模擬了人工劃散。與人工劃散效果的對比實驗表明這種劃散機構(gòu)劃散后的物料具有更低的二粘連率和多粘連率，證明該機構(gòu)能夠滿足苛刻的劃散工藝的要求。
　　 最后，給出了晃鍋運動和翻鍋運動的運動軌跡的規(guī)劃。完成了烹飪機器人鍋具機構(gòu)運動學

8、和動力學仿真、分析和驗證。先介紹了烹飪機器人鍋具運動及其實現(xiàn)方法，對鍋具運動進行運動學分析，通過假設質(zhì)量點m，對其在特定烹飪動作下鍋具內(nèi)進行了運動學和動力學分析，對不同的烹飪動作，進行不同的約束假設，給出了模型，用MATLAB/Simulink進行了質(zhì)量點運動軌跡仿真計算，得到了針對翻鍋和圓周晃的鍋具軌跡規(guī)劃和最優(yōu)化參數(shù)實現(xiàn)。通過大量實驗驗證，表明該方法能高效地復現(xiàn)廚師的烹飪動作，滿足烹飪機器人的鍋具運動要求。
　　 論文所得到

9、的結(jié)果包括四個方面:
　　 (1)研究了“煸炒類”典型中式菜肴雙臂自動烹飪機器人烹飪動作和烹飪工藝的數(shù)字化、標準化方法，提出基于仿人行為的雙臂機器人烹飪過程自動化的智能方法;
　　 (2)設計了雙臂自動烹飪機器人，進行了雙臂自動烹飪機器人的仿生設計理論研究，建立了多自由度雙臂自動烹飪機器人與外部輔助工具軸系的運動學、動力學模型;
　　 (3)基于雙臂烹飪機器人的工具臂，對機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)建模，提出了一種仿人劃散機構(gòu)

10、;
　　 (4)基于雙臂烹飪機器人的鍋具臂，研究了鍋具運動及晃鍋具、翻鍋實現(xiàn)機理，進行了鍋具物料質(zhì)量點m的運動學和動力學分析，得出了鍋具運動軌跡最優(yōu)化實現(xiàn)方法。
　　 本論文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　 1)提出一種主要用于中式菜肴雙臂自動烹飪機器人;
　　 2)基于仿人行為的雙臂自動烹飪機器人的運動學分析;
　　 3)基于雙臂烹飪機器人的工具臂的運動學分析，提出了一種劃散方法;