面向任务的助老助残智能轮椅机器人运动规划

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1、硕士学位论文面向任务的助老助残智能轮椅机器人运动规划TASKORIENTEDMOTIONPLANNINGOFANINTELLIGENTWHEELCHAIRROBOTFORDISABLEDANDELDERLY刘忠贺哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP241.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文面向任务的助老助残智能轮椅机器人运动规划硕士研究生：刘忠贺导师：黄博教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：船舶与海洋工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTASKORIENTEDMOTIONPLANNINGOFANINTELLIGENTWHEELCHAIRROBOTFORDISABLEDANDELDERLYCandidate：LiuZhongheSupervisor：Prof.HuangBoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mechanica

3、lEngineeringAffiliation：SchoolofNavalArchitectureandOceanEngineeringDateofDefence：June，2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着中国社会老龄化日趋严重，助老助残问题已成为一个重大的社会问题。而助老助残智能轮椅机器人，是一种在智能轮椅上安装辅助作业臂的服务机器人，它结合了轮椅的移动性和辅助作业臂的操作能力，可以很

4、大程度的辅助老年人和残疾人的日常生活，保证他们在脱离看护情况下的基本生存能力。而现有的轮椅用机械臂控制方式均是手动操作杆操作，且轮椅和机械臂是两个独立的控制系统，给使用者带来了很大的认知负荷。因此有必要对轮椅和机械臂作为整体进行智能控制研究。本课题针对助老助残机器人整体控制的需求，将2自由度的智能轮椅和6自由度JACO机械臂集成为8自由度的冗余系统，对其运动规划方法进行了研究。又对助老助残机器人要完成的10项日常任务进行了合理的运动规划，根据任务操作特点在关节空间下对各项子任务进行轨迹规划方法研究。具体研究内容如

5、下：首先，选择了加拿大Kinova公司生产的JACO机械臂为平台，建立了JACO机械臂的运动学模型，并对其进行运动学分析；针对JACO机械臂腕部三个关节非正交的特点，提出了一种基于多项式代数消元法的6R非正交机械臂的逆解求解方法；分析了JACO机械臂的工作空间，并以可操作度为指标确定机械臂的最优安装位置。然后，针对具有非完整约束的2自由度智能轮椅和6自由度串联机械臂集成的8自由度冗余机器人系统，建立其运动学模型并对其进行运动学分析，利用改进的最小范数解法，以避免关节极限位置为目标函数，提出了8自由度冗余系统的逆解

6、优化算法，并对算法进行了仿真验证，从而为助老助残机器人整体控制提供了理论基础。最后，针对机器人需要完成的日常任务，开展了机械臂运动规划研究。首先建立了助老助残机器人任务完成满意度评价指标，定义了机器人需要完成的10项日常任务，建立了机器人系统的基本动作库，并根据动作库将复杂的日常任务分解为基本动作的组合；然后在关节空间下对子任务进行轨迹规划，并提出了基于时间-冲击最优的轨迹规划算法，并以按开关任务为例，对轨迹优化算法进行了仿真验证，实现了10项日常任务的运动规划。最终以喝水任务试验研究为例，验证了对日常任务的运动

7、规划方法的正确性和可行性。关键词：助老助残；机械臂；冗余自由度；运动学分析；轨迹规划-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththeagingofChinese,assistinghandicappedorelderlypeoplehasbecomeanimportantissuetoberesolved.Theintelligentwheelchairservicerobotforthedisabledandelderlyisarobotthatanintelligentwheelchaire

8、quippedwithamanipulator.Therobotcombinesthemobilityofthewheelchairandmanipulabilityoftherobotarmthatassisttheactivitiesofdailylivingforthedisabledandelderlyandinsuretheirbasicviabilityint