智能轮椅的运动学分析毕业论文(编辑修改稿)

智能轮椅的运动学分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

臂加装到了智能轮椅上， 将智能轮椅作为一个移动平台 ，利用机械臂来夹取物体，解决用户的需求。 智能轮椅由四个轮子支撑，后面两个大的轮子为驱动轮，轮子的直径之所以设计的比较大 为了提高 轮椅运动时的稳定性，外围包裹的橡胶层也能适当地起到避震以及缓冲的效果，提高了用户使用的舒适性；从动轮具有两个非常灵活的关节，可以实现 360的旋转，保证拐弯时的流利顺畅。 当然了，智能轮椅还配备了能帮助残疾人夹取物体的 MTARM 机械臂以及可以控制机械臂的液晶屏有触屏功能。 智能轮椅的驱动装置位于座底，可以通过安装锂电 池以及电动机来提供动力驱动等等。 由于篇幅的原因，不可能介绍的非常详细，只能 比较粗略地把关键部分展示给大家，希望能为大家了解智能轮椅的结构与功能起到比较大的帮助。 意义以及工业化生产憧憬 由于 机械臂的 广泛 应用 ，使得它 对人类的生产生活做出了巨大的贡献。 在 大多数情况下 ， 使用机器人手臂完全可以达到提高生产效率的目的。 比如说在高危险环境下工作（外太空以及深海等等）我们无需考虑生命保障或安全的需要；而xxxxxx 6 且机械臂在大部分情况下的精确度以及稳定性要比人类可靠得多这一特点在焊接以及汽车制造业中表现得淋漓尽致。 机 械臂加装智能轮椅可以说是一次比较大胆的创新为双手残疾的患者带来了新的希望。 就目前来讲这一课题的研究虽然比较热门但还是处于起步阶段这期间虽然也有不少佳作问世然要想真正工业化量产至少还需要克服以下两个难点：第一装有机械臂的智能轮椅成本太高，一般的患者根本是可望而不可及所以如何在保证其功能的前提下节约成本成了研究人员今后需要认真思考的问题；第二虽然目前机械臂的研究取得了很大的突破，然而它的功能与人手相比终究还是有太多的局限性，所以怎样在原有的基础上增加机械臂的使用功能也成了值得深思的话题。 总而言之，机械臂的研究 不仅能促进人类社会快速稳定的发展而且还能为残疾人带去新的希望，我们相信在不久的将来智能轮椅这四个字一定能够真正地深入人心。 课题的主要研究内容 智能轮椅 加装的 机械臂的运 动学分析，其中包括正逆运动学和 工作空间 研究分析，并建立该移动机械臂正确的 运动规划方案。 本文 主要从 从 机械臂 的 运动学建模 分析、 Matlab 仿真以及 智能轮椅 简单的路径规划这三 部分进行了研究。 本课题正文包括四章： 第一 章：绪论部分，着重 介绍 了研究该课 题 的 背景及 重要 意义。 首先分析了国内外智能轮椅的研究现状 ，接着又从 对智能轮椅加装机械臂这 个角度 分析了 智能轮椅 的 发展趋势以及未来工业化生产的可能性。 第二章： 仔细地 介绍了 关于 机器人 运动学分析 的 DH 法以及正逆运动学分析过程 ，并且求得 运动学的求解方程。 第三章： 使用 DH 建模 法来 建立机械臂 正确 的数学模型。 对 加装在移动平台上的机械臂的 正 逆 运动学 过程 进行了 详细 分析。 第四章：使用基于 Matlab 软件 的机器人工具箱 来模拟机械臂 正逆运动学分析 过程，并且与之前计算过程相比较，从而证明之前计算所得 正逆运动学分析 过程 的正确性。 最后， 总结了本课题研究的 MTARM 机械臂以及智能轮椅路径规划方面的一些结 论以及不足之处，并且对智能轮椅日后工业化生产前景做了简单的分析也提出了接下来需要攻克的难点与要点。 xxxxxx 7 第 2 章 机器人的正逆运动学分析 在这个章节中我们将详细讲述 机器人的正逆运动学分析。 当给定所有关节变量的值时，我们就可以用 所学的 正运动学知识来 计算得到 机器人的末端位置 结果 ；同理如果给定机器人的末端位置， 就需要我们用逆运动学的知识来得到方程的逆确定各个关节的参数。 具体的 过程是先 给 被研究的机械臂 指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节 来进行变换 [7],最后使用 DH 表示法来推导出机器人的正逆运动学方 程并 绘制 出机器人的 DH 参数表。 机器人运动 学建模 DH 模型具有 简单、明了的特征 ，而且它还适用于任何 其他 坐标系的变换如下文中提到的笛卡尔坐标、圆柱坐标、球坐标 等 等。 因此 DH 建模法已经成为了 一种标准的用来解决机器人运动学问题的建模方法。 如图 21 所示为 一款普通机械臂的 转动关节 的 连杆示意图 ，图 22 为关节连杆用 DH 表示 法的 示意图 [7]： 图 21转动关节连杆示意图 xxxxxx 8 图 22关节连杆 DH表示示意图 机器人坐标系的建立 如果我们 想 要 确定机器人在空间的位姿 状态 ， 那么 我们 就 须要建立 一个适当的空间坐标系来确定 机器人 所有关节 的姿态以及位置。 由于机器人有不同的构型，所以为了使过程简化以及方便计算我们建立的坐标系也要选取得当。 一般我们会选用以下 4 种坐标：。 这种坐标又叫做直角坐标适用于通过三个线性关节来运动的机器人，也就是说只能沿 x 、 y 、 z 轴运动，典型的例子就是 IBM7565 机器人。 这样的 坐标系统 最 主要 由 两个线性平移运动和一个旋转运动 构成。 比方 说先沿着 x 轴运动 a 然后 再绕 z 轴旋转  角，最后沿着 z 轴移动距离 b。 这样的 坐标系统 主要包括了 一个线性运动和两个旋转运动。 它的运动顺序 可以分为 为先沿 着 z 轴运动距离 c 其次 再绕 y 轴旋转  角，最后沿 z 轴旋转  角。 分别绕机器人手上的运动坐标系 a 、 o 、 n 轴旋转最为灵活多变，目前我们所接触到的大都是多自由度的链式机器人。 机器人运动方程的表示 通常我们把 被研究的 机器人看作是由一 系列的关节和 连杆组成的 机械。 在分析问题时我们通常会 在每一个关节或者连杆上建立 一个适当的参考坐标系，然后开始从第一个关节转换 到第二个关节，第二个关节 转换 到第三个关节等等以此类推 直到最后一个关节 来进行 具体的 分析，最后 我们可以得到关于 机器人的总体变xxxxxx 9 换矩阵。 基本上我们会把表 述一个 关节 与下一个 关节 间 的 变换的矩阵记为 A。 举个例子来说 1A 的意义就是 表示第一个 关节相对于基座 的位置 , 2A 用来 表示第二个关节相对于第一个关节 的位置， 第二个关节的表达式即为： 2 1 2T AA 以此类推 ， 如果我们想要用 4A 来表示第四个关节的位 置参数就可以列出这样一个表达式： 43214 AAAAT  所以 如果有 有 n 个关节的机器人最终表达式 可以总结 为： nn AAAAT ...321 (21) 本课题使用的移动机械臂具有六个关节和六个自由度所以 6n 代入上面的公式可以得到： 6543216 AAAAAAT  (22) 6T 可以 用来 表示 所研究的 机械臂的最终位姿 的状态。 机械臂运动学分析 关于 移动机械臂的运动学分析 最 主要 的内容具体可以分为 两个部分： 分别为正 运动学分析和 逆运动学分析 过程。 上文中介绍的 主要是一种广义的机器人的运动学分析方法 ，移动机械臂只是其中一个例子，所以 这样的方法依然能够使用。 由于本小节是课题研究的重中之重，为了能让读者能够比较清楚地认识到正逆运动学分析的过程，我们将 重点讲解 DH 建模法 的具体分析过程 以及正逆运动学分析时各 个矩阵的 具体 变换过程。 其最大的优点是化繁为简 ，让人更加简单易懂。 DenavitHartenberg 建模方法 在具体求解机械臂的运动学问题时，一开始我们要对机械臂的每一个关节建立合适的坐标系。 以正运动为例：通 常 我们会 用 DH（ DenavitHartenberg）建模法 来分析 ，它的 主要 优点是能适用于任何机器人 结构 ， 可以忽略 机器人的复杂程度 以及构造次序。 第一步 我们要给 机械臂的 每一个关节制定一个 正确合适的坐标系，然后确定它从第 一个关节到下一个关节来进行变换的 具体 步骤。 我们以图23 为例说明 [7]。 xxxxxx 10 图 23 简单六个自由度机械臂参考坐标 根据右手法则，在第一个关节处建立 z0以及 z1轴，从图中可以看出 z0以及z1轴共面，我们规定  角表示绕 z 轴的旋转角，比如说 图中 z0转到 z1的  值为 /2； d 可以用来 表示在 z 轴上 相邻两条公垂线之间的 的距离 ， 如果相邻 的两个关节 之间 的 z 轴是相交的，那么 我们就可以得到这样一个结论： 它们之间就没有公垂线； a 表示每一条公垂线的长度； 习惯上我们用  来 表示相邻的 两个 z 轴之间的角度，在通常的情况下 只有  和 d 是 变量 其他的都是常量。 计算个关节变换的公式为： 1nA =10000 11111111111111111nnnnnnnnnnnnnnnnndcssascccscasscsc 式中 1nc 为 1cos n 的缩写 ， 1ns 就是 1sin n ， n 是指 关节 的 数 量。 当 n 取 1代入上述公式可以得到： 32T = 2A =10000 22222222222222222dcssascccscasscsc 它的主要意义是可以用来表达关于 机械 臂 的 关节 1 与关节 2 之间的 具体 变换过程。 我们假设 每个变换 的 定义为 1nA ，那么 我们就 可以得 到 其他 用来 表示 具体变化过程 的 A 矩阵。 最后我们可以 用以下公式来表示关于 机械臂的 底座和它的 末端 之间的具体变化过程 为 : TnTTTT nRHR 132211 ...  = AnAAA ...321 我们可以得到这个 机械臂的 DH 参数表 如 所示 ： xxxxxx 11 表 DH参数表 关节序号  /rad d /mm a /mm  /rad 1 1 0 0 90 2 2 0 2a 0 3 3 0 3a 0 4 4 0 4a 90 5 5 0 0 90 6 6 0 0 0 从 DH参数表中将依次选的取 参数代入 上面的 关节变换公式 就 可以得到 1A 到 6A六个矩阵 : 10000010000011111CSSCA 1000010000222222222SaCSCaSCA  1000010000333333333SaCSCaSCA1000001000444444444SaCSCaSCA 10000010000055555CSSCA 10000100000066666CSSCA 在这里 我们得到了 6 个方程，它们 分别代表了机械臂位于我们所 期望 位置时的各个关节角 度的 值，然而需要注意的是这种方法只适用 于最后三个关节交于一个公共点的机械臂，否则就不能用这种方法求解，虽然有这种限制条件但是此方法还是适用于大部分的机械臂。 将上述 1A 到 6A 六个矩阵相乘得到的6543216 AAAAAAT  可以用来描述机械臂最终位姿。 在上式中我们得到 了关于底座和末端执行器之间的总变换过程，可以描述为 ： TnTTTT nRHR 132211 ...  = 654321 AAAAAA (23) 化为矩阵形式可以得到 ： xxxxxx 12 。