面向任務的助老助殘智能輪椅機器人運動規(guī)劃.pdf

1、隨著中國社會老齡化日趨嚴重，助老助殘問題已成為一個重大的社會問題。而助老助殘智能輪椅機器人，是一種在智能輪椅上安裝輔助作業(yè)臂的服務機器人，它結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情況下的基本生存能力。而現有的輪椅用機械臂控制方式均是手動操作桿操作，且輪椅和機械臂是兩個獨立的控制系統(tǒng)，給使用者帶來了很大的認知負荷。因此有必要對輪椅和機械臂作為整體進行智能控制研究。本課題針對

2、助老助殘機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機械臂集成為8自由度的冗余系統(tǒng)，對其運動規(guī)劃方法進行了研究。又對助老助殘機器人要完成的10項日常任務進行了合理的運動規(guī)劃，根據任務操作特點在關節(jié)空間下對各項子任務進行軌跡規(guī)劃方法研究。具體研究內容如下：
　　首先，選擇了加拿大Kinova公司生產的JACO機械臂為平臺，建立了JACO機械臂的運動學模型，并對其進行運動學分析；針對JACO機械臂腕部三個關節(jié)非正交的特

3、點，提出了一種基于多項式代數消元法的6R非正交機械臂的逆解求解方法；分析了JACO機械臂的工作空間，并以可操作度為指標確定機械臂的最優(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自由度串聯機械臂集成的8自由度冗余機器人系統(tǒng)，建立其運動學模型并對其進行運動學分析，利用改進的最小范數解法，以避免關節(jié)極限位置為目標函數，提出了8自由度冗余系統(tǒng)的逆解優(yōu)化算法，并對算法進行了仿真驗證，從而為助老助殘機器人整體控制提供了理論

4、基礎。
　　最后，針對機器人需要完成的日常任務，開展了機械臂運動規(guī)劃研究。首先建立了助老助殘機器人任務完成滿意度評價指標，定義了機器人需要完成的10項日常任務，建立了機器人系統(tǒng)的基本動作庫，并根據動作庫將復雜的日常任務分解為基本動作的組合；然后在關節(jié)空間下對子任務進行軌跡規(guī)劃，并提出了基于時間-沖擊最優(yōu)的軌跡規(guī)劃算法，并以按開關任務為例，對軌跡優(yōu)化算法進行了仿真驗證，實現了10項日常任務的運動規(guī)劃。最終以喝水任務試驗研究為例，驗證