助餐機器人樣機研制及控制研究.pdf

1、近年來，由腦中風后遺癥，脊髓損傷，肌肉、神經(jīng)和大腦病變以及自然和人為災害引起的手部功能殘疾患者逐年增多，為了解決我國手部殘疾患者的飲食護理問題，本文對助餐機器人進行了研究。一方面增強手殘患者自主進餐的生活自信心，另一方面將護理人員從繁重的護理工作中釋放出來，解放了社會生產(chǎn)力，對提高我國殘疾人自主就餐水平、促進社會和諧進步具有重要的現(xiàn)實意義。
　　 本文在國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金(08C26212301760)和哈爾濱市創(chuàng)新基金

2、(2009RFKXG009)的資助下，針對如何開發(fā)一款實用、智能、安全、操作簡單靈活的助餐機器人，在助餐機器人的機械結(jié)構(gòu)、人機交互方式、運動規(guī)劃、動力學、控制策略和視覺系統(tǒng)等方面進行了較深入的理論分析和實驗研究。
　　 通過對助餐機器人應用對象的癥狀分析，根據(jù)患者不同殘障程度的需求，設(shè)計了一款由旋轉(zhuǎn)餐桌和帶有勺筷結(jié)合式餐具的助餐機械手組成的助餐機器人，對機器人的機構(gòu)方案、控制方案和人機交互方式進行了總體方案研究。
　　

3、對機器人進行了運動學分析；通過對機器人的助餐路徑規(guī)劃和助餐定向靈活工作空間分析，確定了機器人各連桿參數(shù)及在各助餐路徑標識點機器人末端餐勺位姿參數(shù)；通過對機器人進行餐盤分區(qū)設(shè)計，使四餐盤中所有區(qū)域的食物規(guī)劃到相對機械手的三類不同的取餐位置：對機器人進行了速度平滑的運動規(guī)劃，規(guī)劃的機器人軌跡加速度曲線連續(xù)，速度、位置曲線光滑，為機器人平穩(wěn)助餐的控制系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 利用拉格朗日方程建立了機器人動力學模型，利用MATLAB軟

4、件對助餐機器人進行了動力學特性分析。利用ADAMS軟件建立了基于球形剛體和彈簧阻尼約束的正八面體食物模型，分析了勺筷結(jié)合式餐具和普通餐勺取餐時餐食的動力學特性及餐食盛取率問題，證明勺筷結(jié)合式餐具取餐效率高，取餐更優(yōu)越。為了提高控制精度，除傳統(tǒng)PID控制外，對機器人的整個助餐任務進行了模糊PID控制研究。對接觸環(huán)境作業(yè)的助餐段，進行了阻抗控制研究，得出了阻抗參數(shù)調(diào)整規(guī)律，通過調(diào)整阻抗控制器參數(shù)，可使助餐機器人滿足特定的柔順性，在取餐過程中

5、既不損傷機器人，也不損壞餐盤及餐食。
　　 對助餐機器人視覺系統(tǒng)進行了研究，主要包括食物識別系統(tǒng)和殘疾人頭部識別視覺系統(tǒng)設(shè)計。食物識別系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)模仿人類視覺去辨別餐盤中食物的分布情況，將得到的餐盤食物信息作為上位機信號，控制機器人完成助餐任務；頭部識別視覺系統(tǒng)即通過采集患者的頭部運動信息，作為失語的重度四肢殘疾患者使用機器人的人機交互方式。
　　 研制了助餐機器人樣機，利用dSPACE半物理仿真實驗平臺對助餐機器人樣