面向助老助殘的模塊化機(jī)械臂研究.pdf

1、全球老齡化問題日益嚴(yán)重，殘疾人數(shù)量也不斷增加，越來越多的老年人和殘疾人不僅給個人和家庭造成了巨大的負(fù)擔(dān)，還對國家的醫(yī)療和社會保障體系帶來了空前的壓力。另一方面，隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)也得到了極大的發(fā)展，機(jī)器人的用途逐漸從工業(yè)向家庭生活和服務(wù)業(yè)領(lǐng)域滲透，結(jié)構(gòu)也從“一個用戶，一次重新設(shè)計(jì)”向標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化方向發(fā)展。結(jié)合國家“863計(jì)劃”機(jī)器人模塊化單元技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目課題，研制了一種面向助老助殘的模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，安裝在智能輪椅上輔助老年人

2、或殘疾人完成取物、開/關(guān)門等任務(wù)。
　　首先，研制出一種模塊化機(jī)械臂。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊，主要由驅(qū)動和傳動、反饋控制和走線等模塊組成，具有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械、電氣接口，其內(nèi)部電機(jī)、編碼器和制動器采用軸線平行的布置方式，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、輸出力矩大；設(shè)計(jì)了連桿模塊，配合關(guān)節(jié)模塊，可以根據(jù)需求組裝成不同自由度、不同構(gòu)型的機(jī)械臂。
　　然后，對機(jī)械臂的模塊化運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析。通過建立各類模塊統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式，獲得不同構(gòu)型機(jī)械臂

3、的運(yùn)動學(xué)模型，采用構(gòu)形平面匹配的方法，通過姿態(tài)及位置匹配，將機(jī)械臂空間構(gòu)形轉(zhuǎn)換為平面幾何關(guān)系，完成逆運(yùn)動學(xué)求解；設(shè)計(jì)了運(yùn)動學(xué)仿真平臺，針對模塊組成的6自由度構(gòu)型機(jī)械臂，通過D-H法運(yùn)動學(xué)求解及仿真來驗(yàn)證模塊化運(yùn)動學(xué)算法的正確性；推導(dǎo)機(jī)械臂雅可比矩陣，并分析其工作空間，為機(jī)械臂控制奠定基礎(chǔ)。
　　其次，建立模塊化機(jī)械臂控制系統(tǒng)?；诠I(yè)以太網(wǎng)和CAN總線建立開放式分布控制系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、主控計(jì)算機(jī)、控制器、驅(qū)動器等組成；基于VC

4、++6.0和Open Inventor開發(fā)人機(jī)交互平臺，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)械臂的操作命令交互以及虛擬環(huán)境模擬，通過軌跡規(guī)劃和運(yùn)動學(xué)解算實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動控制，制定通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各個控制層之間的通訊；各部分采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，獨(dú)立運(yùn)行，能夠適應(yīng)各種模塊組成的不同構(gòu)型機(jī)械臂控制。
　　最后，進(jìn)行機(jī)械臂控制策略研究和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。采用速度內(nèi)環(huán)和位置外環(huán)雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂軌跡控制，速度環(huán)采用PI控制，位置環(huán)采用PD控制，直線和曲線軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)滿足控制要求；