中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究

1、中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究 山東建筑大學碩士學位論文題目中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究“”資助項目.“”資助項目.計:學位論文頁表 格個插 圖幅評閱人:指導(dǎo)教師:學院院長:學位論文完成日期:蘭原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所提交的學位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨立進行研究取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,論文中不舍其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得山東建筑大學或其他教育機構(gòu)的學位證書而使用過的材料。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人承擔本聲明的法律責任。/歲、.學位論文作者簽名:重壟竺日期學位論文使用授權(quán)聲明本學位論文作者完全了解山東

2、建筑大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定,即:山東建筑大學有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學位論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)山東建筑大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或其它手段保存、匯編學位論文。保密論文在解密后遵守此聲明。學位論文作者簽名: 曾腳哆嘲絲、/,。簽 名導(dǎo) 師山東建筑大學碩士學位論文摘要隨著社會的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,老年人口在我國總?cè)丝谥兴嫉谋壤絹碓酱?截至年底,中國老年人口數(shù)量已達到.億,占總?cè)丝诘?%,人口老齡化問題已成為我國社會發(fā)展面臨的突出問題之一。針對日益增多的老年人對康復(fù)護理服務(wù)的急迫需求,

3、國家在“十一五規(guī)劃”中對助老助殘系列“服務(wù)機器人”進行了立項,中醫(yī)按摩機器人便是其中的一種。它是以中醫(yī)推拿技術(shù)為理論指導(dǎo),為治療中老年人腰腿部退行性病變而專門開發(fā)的康復(fù)理療設(shè)備。中醫(yī)按摩機器人投入臨床應(yīng)用,可以在一定程度上緩解我國人口老齡化造成的服務(wù)資源短缺問題。按摩機器人采用雙臂結(jié)構(gòu),對增加按摩手法,豐富按摩形式,提升按摩效果等各方面都有重要意義。對雙臂協(xié)調(diào)控制問題的研究,可以保證控制系統(tǒng)的運行更加安全、平穩(wěn)、智能。開發(fā)的第一代中醫(yī)按摩機器人雙臂控制間尚存在一些問題待解決,針對這一問題本文展開了深入研究。本文首先對約束條件下按摩雙臂的運動學問題分析,隨后采用空間法和搜索算法,完成了機械臂的路

4、徑規(guī)劃。通過對按摩手法建模和分析,制定了雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的方案。在第一代中醫(yī)按摩機器人運動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,完成了按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計的系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)實現(xiàn)雙臂在執(zhí)行按摩手法前的穴位定位工作,也可以控制按摩雙臂無碰撞的執(zhí)行掌按、指按、叩擊、震動、熱敷種中醫(yī)療法。本文主要研究內(nèi)容如下:、介紹了中醫(yī)按摩機器人的研究概況和總體結(jié)構(gòu),對按摩機器人總控系統(tǒng)的各功能模塊進行了闡述。、對按摩雙臂進行運動學分析,完成了約束條件下雙臂的運動學正逆解的計算。根據(jù)按摩機器人的機械結(jié)構(gòu)及參數(shù),利用.建模法,為兩支機械臂建立了.坐標系,求取了機械臂的.參數(shù),解決了機械臂的正逆運動學問題。采用“包圍盒”的方

5、法為機械臂建立簡化模型,通過計算兩支機械臂模型各連桿之間的距離,檢測雙臂是否發(fā)生碰撞,然后對所求的運動學逆解進行取舍優(yōu)化,得出了約束條件下雙臂的運動學逆解。、為機械臂建空間,采用。搜索算法,完成了機械臂的路徑規(guī)劃問題,用對結(jié)果進行了仿真。分析了按摩機器人雙臂的運動特點,將雙臂間的協(xié)調(diào)控制問題轉(zhuǎn)換為雙臂的路徑規(guī)劃問題。將雙臂按照運動優(yōu)先級劃分為甲臂和乙臂,首先規(guī)劃好運動優(yōu)山東建筑大學碩士學位論文先級高的機械臂甲臂的路徑,隨后為另一只機械臂乙臂建立空間,把甲臂映射到乙臂中形成障礙物空間,采用搜索算法在乙臂的自由空間中搜索一條最優(yōu)路徑,對所設(shè)計的路徑規(guī)劃方法進行了程序的實現(xiàn),最后對雙臂的協(xié)調(diào)運動過程

6、進行了仿真。、完成了按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計。綜合上文所做的運動學分析和路徑規(guī)劃研究,通過對按摩機器人各種按摩手法的建模與分析,完成了中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計。最后對按摩流程中上位機的相關(guān)界面進行了展示。、針對本文所做的關(guān)于按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究工作進行了總結(jié),列出了研究中有待改進的方面,對中醫(yī)按摩機器人等康復(fù)理療型服務(wù)機器人的未來發(fā)展進行了展望。關(guān)鍵詞:中醫(yī)按摩機器人,雙臂協(xié)調(diào),路徑規(guī)劃,運動學,空間法,搜索算法,碰撞檢測山東建筑大學碩士學位論文 . , , . .% , ,.”.” .”, . . ? ,.?. , 木.? , ? . . .?, :. 廿,.

7、 山東建筑大學碩士學位論文. . .,. ”, ,. . . .,. ; 木 . . ?. . , . . . . ,: ,.,?山東建筑大學碩士學位論文目錄摘要?第章緒論.引言.服務(wù)型機器人的研究現(xiàn)狀?.國外服務(wù)機器人研究現(xiàn)狀?.國內(nèi)服務(wù)機器人研究現(xiàn)狀.本文的研究的目的和意義?.本文的主要研究內(nèi)容.第章中醫(yī)按摩機器人系統(tǒng)介紹.中醫(yī)按摩機器人概況?.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹?.床體部分?.按摩機械臂.總控系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)介紹一?一.總控系統(tǒng)的功能模塊介紹一.運動控制器及外圍電路?一.動力驅(qū)動模塊?.傳感器模塊.電源模塊?.上位機模塊.本章小結(jié)?一.第章中醫(yī)按摩機器人雙臂的運動學建模與分析.單機械臂的運動

8、學建模?一.坐標系的建立規(guī)則.按摩雙臂.坐標系的建立?.求取參數(shù).運動學正解分析?.山東建筑大學碩士學位論文.按摩機器人單機械臂的逆運動學求解?.常用的逆運動學求解方法介紹.單機械臂的逆運動學求解.雙臂的運動學逆解分析?.空間兩線段間的距離的計算方法?.雙臂模型的運動學問題分析.本章小結(jié).第章機器人雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究.雙臂的路徑規(guī)劃方法?.基于空間的路徑規(guī)劃方法?.空間法簡介?.建立空間的主要方法.機械臂碰撞檢測方法.基于空間的路徑搜索方法.機械臂無碰撞路徑規(guī)劃的研究?一.乙機械臂空間的建立.分析乙臂無碰撞狀態(tài)一.無碰撞狀態(tài)庫.?.棗搜索法?.在無碰撞庫中搜索.整個的流程設(shè)計?. 仿真.問題

9、描述?.單機械臂運動的仿真?一.雙臂協(xié)調(diào)運動仿真?.本章小結(jié).第章中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的實現(xiàn).按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案的設(shè)定?.推拿手法的建模與分析?.山東建筑大學碩士學位論文.雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案的設(shè)定?.控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)?.主程序?.復(fù)位程序?.示教程序?.定位模塊.安全保護模塊程序?.按摩手法執(zhí)行模塊?.上位機界面?.小結(jié)?.第章總結(jié)與展望.本文總結(jié)?.研究中的不足與展望.參考文獻?.后記?一攻讀碩士學位期間的科研成果?.山東建筑大學碩士學位論文山東建筑大學碩士學位論文第章緒論.引言隨著社會的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,老年人口在我國總?cè)丝谥兴嫉谋壤絹碓酱?

10、人口老齡化己成為我國社會發(fā)展面臨的突出問題之一。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至年底,中國老年人口數(shù)量已達到.億,比上年增加了萬,占總?cè)丝诘?%;在年,中國老年人口數(shù)量將突破億大關(guān),達到.億,老齡化水平將增至.%:預(yù)計到年,我國老年人口數(shù)量將達到峰值.億,占總?cè)丝跀?shù)量的.%,屆時,每個人當中就會有個歲以上的老人【一。隨著老年人各種生理機能的逐步減退,其健康狀況與生活自理能力也逐年下降。然而,現(xiàn)階段我國的醫(yī)療服務(wù)體系尚不完善,醫(yī)療資源相對短缺。不斷增長的老年人群對康復(fù)護理服務(wù)的急迫需求與當今有限的醫(yī)療供給能力之間的矛盾日益突出。沉重的護老養(yǎng)老負擔給社會和家庭帶來了巨大的壓力。研發(fā)高性能的康復(fù)護理型機器人,為老

11、年人帶來健康與快樂已變的刻不容緩。中醫(yī)推拿又稱按摩,是我國傳統(tǒng)醫(yī)學的重要結(jié)晶之一。它以中醫(yī)的臟腑、經(jīng)絡(luò)學說為理論基礎(chǔ),通過在人體的某些穴位處實施特定的按摩手法,來調(diào)節(jié)機體的生理、病理狀況,達到治療疾病,強健身體的效果。推拿作為一種純凈的物理療法,其適應(yīng)癥是廣泛的。對運動系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等系統(tǒng)疾病都有一定的療效,特別是針對腰椎問盤突出癥、頸椎病等關(guān)節(jié)性疾病有明顯療效。中醫(yī)推拿師工作圖如圖.所示。圖.中醫(yī)推拿師工作圖從各大醫(yī)院和療養(yǎng)院的情況來看,推拿療法的實施還僅僅是由有經(jīng)驗的推拿師來進行。推拿是項異常繁重的體力勞動,推拿師在整個按摩療程中耗費的體力非常大,待按摩流程結(jié)束后,按摩師通常都會汗流浹背:

12、另外,推拿師的個人水平和經(jīng)驗對按摩治療的山東建筑大學碩士學位論文實際效果影響很大,即使是同一個按摩師操作,在不同的時刻,也可能會產(chǎn)生不同的治療效果;最關(guān)鍵的,相對于整個老年人康復(fù)服務(wù)需求市場來說,現(xiàn)有的按摩師數(shù)量是遠遠不夠的。為了能夠更好的滿足老年人對康復(fù)護理服務(wù)需求,也為了減輕按摩技師的體力負擔,國內(nèi)外許多學者對能夠?qū)崿F(xiàn)按摩功能的機器人進行了大量的研究。目前問世的此類機器人多半是能夠?qū)崿F(xiàn)一定按摩功能的按摩器和按摩椅。它們只能實現(xiàn)對人體特定部位的單一按摩手法,按摩效果也僅體現(xiàn)在緩解疲勞,放松身體的層次【咧。以中醫(yī)推拿理論為指導(dǎo),能夠替代中醫(yī)推拿按摩師工作的機器人卻鮮有報道。把這一具有良好療效的

13、純物理療法發(fā)揚光大,開發(fā)出以此理論為指導(dǎo)的按摩機器人已成為國內(nèi)科技工作者的殷切期望。中醫(yī)按摩機器人為服務(wù)機器人的一種,是針對中老年人的慢性疾病和退行性機體形變的臨床需求而研制開發(fā)的康復(fù)保健設(shè)糾丌。本課題將在兩代中醫(yī)按摩機器人研究實踐的基礎(chǔ)上】,通過對機械臂的運動學分析和雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究,綜合自動化控制、傳感器、機電一體化、通信等技術(shù),完成中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計。中醫(yī)按摩機器人采用雙臂按摩,可以更加逼真的模仿按摩師的動作,按摩形式更加豐富,按摩效果更好。雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究,使運動控制系統(tǒng)的性能更加可靠,按摩的流程更加智能。中醫(yī)按摩機器人投入臨床應(yīng)用,可以在一定程度上緩解我

14、國人口老齡化造成的服務(wù)資源短缺問題。.服務(wù)型機器人的研究現(xiàn)狀隨著機械制造、計算機、信息處理、通信、網(wǎng)絡(luò)、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展,服務(wù)機器人技術(shù)也得到了飛速突破。服務(wù)機器人有望成為繼個人電腦之后,第二個對人們的生活方式產(chǎn)生巨大改變的產(chǎn)品。無論是在日本、韓國,還是在美國、歐洲,服務(wù)機器人技術(shù)都在蓬勃發(fā)展中。其中以日本的服務(wù)機器人種類最為繁多,技術(shù)也最為先進。近年來,在國家相關(guān)政策的扶持下,無論是在技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)方面,我國的服務(wù)機器人也得到了快速發(fā)展。通過企業(yè)和科研單位共同合作的方式,自主創(chuàng)新,已有了許多自己的品牌?？祻?fù)理療型機器人,作為服務(wù)機器人的一種,也得到了長足的發(fā)展。此領(lǐng)域的機器人主要有上下肢

15、康復(fù)訓練機器人,陪護機器人,護理機器人,中醫(yī)按摩機器人等。下面將對國內(nèi)外康復(fù)理療型機器人的最新研究現(xiàn)狀進行介紹。.國外服務(wù)機器人研究現(xiàn)狀上下肢康復(fù)訓練機器人是研究最多的一種,主要通過機器人帶動手腳活動不便的患者做相應(yīng)的運動,以達到鍛煉肌肉,恢復(fù)肢體運動機能的目的。比較有代表性的是瑞士山東建筑大學碩士學位論文聯(lián)邦洛桑理工學院研制的“刑”機器人,它有兩個機械臂組成的矯形器,可以在電機的驅(qū)動下帶動患者下肢進行運動,通過機械臂上安裝的傳感器反饋運動的強度,還可以通過實時調(diào)節(jié)電流強度來刺激腿部肌肉的神經(jīng)。此款機器人對由于脊髓損傷而引起的下肢運動功能損傷患者有很好的療效【?。 機器人如圖.所示。圖.下肢康

16、復(fù)型機器人日本早稻田大學的教授研發(fā)明了可用于面部按摩的機器人。這個機器人可以通過固定在機械臂末端的按摩球在人體的面部皮膚上滾動,并根據(jù)傳感器采集的實時數(shù)據(jù)進行按摩力度的調(diào)整,對患有下頜錯位、口腔干燥、吞咽困難等病癥的患者進行治療。目前這款機器人已投入使用【。早稻田大學研發(fā)的面部按摩機器人如圖.所示。圖.面部按摩機器人日本東京大學研制了一種新的智能機器人,該機器人高厘米,重公斤,可以舉起公斤的重物。這種機器人可以輕柔的抱起病人,從病床上移至輪椅上或?qū)⑤喴紊系牟∪艘浦敛〈采?特別適合于行動不便、癱瘓的患者進行翻身、移動等生活護理。該款護理機器人如圖.所示。山東建筑大學碩士學位論文圖.護理機器人松下

17、研發(fā)出一款可以護理頭部頭皮的洗發(fā)專用機器人?“頭部護理機器人”。這種洗發(fā)機器人從年開始研發(fā)。使用者仰面而躺,機器人啟動之后,安裝在頭部左右以及頸部的個“按摩球”,就會像手指一樣輕輕的為使用者按摩。根據(jù)傳感器控制按摩的力度,使機器人能夠恰如其分的掌握使用者希望的力度,使使用者感到舒適,同時,為使用者加水和洗發(fā)液為他們洗頭】。松下開發(fā)的頭部護理機器人如圖.所示。圖.頭部護理機器人.國內(nèi)服務(wù)機器人研究現(xiàn)狀與日本、美國等國家相比,我國在服務(wù)機器人領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚。在服務(wù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動性能方面,與國外特別是日本有很大差距。目前,國內(nèi)研發(fā)的大部分機器人所使用的關(guān)鍵元器件,如運動控制器、高精度伺服電

18、機、精密傳感器等都需要進口山東建筑大學碩士學位論文。但綜合來看,我國的服務(wù)機器人發(fā)展速度還是非常迅猛的。在康復(fù)理療型機器人研究方面,我國也有許多科技成果。哈爾濱工程大學【、嘉興二院康復(fù)醫(yī)學中心【踟、上海交通大學【引、中國科學皖等研究機構(gòu)都對上下肢康復(fù)型機器人做了研究。此類機器人可以帶動患者的下肢運動,幫助癱瘓患者練習行走。圖.為我國某公司自主研發(fā)的上肢康復(fù)性機器人。圖.我國自主研發(fā)的上肢康復(fù)型機器人江蘇大學的馬履中教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)了基于三自由度并聯(lián)機構(gòu)新型串并聯(lián)中醫(yī)推拿機器人,這款按摩機器人只有一個按摩臂,能夠?qū)崿F(xiàn)掌揉,掌按,掌推,滾動等多種按摩手法【。實物圖如圖.所示。圖.江蘇大學研制的中

19、醫(yī)按摩機器人山東建筑大學機器人研究所,在國家”計劃”中”助老護老型服務(wù)機器人的系列課題中,承擔了中醫(yī)按摩機器人課題的研究,經(jīng)過三年多的努力,已取得了突破性的進展。中醫(yī)按摩機器人的研究已經(jīng)歷經(jīng)兩代一,項目二期已于年月通過了國家科技部的驗收,達到國際領(lǐng)先水平。山東建筑大學機器人研究所研制的兩代中醫(yī)按摩機器人樣山東建筑大學碩士學位論文機如圖.和圖.所示。圖.山東建筑大學研制的第一代中醫(yī)按摩機器人圖.山東建筑大學研制的第二代中醫(yī)拔摩機器人.本文的研究的目的和意義中醫(yī)按摩機器人,是綜合運用機械制造、計算機、自動控制、通信、傳感器等技術(shù),以中醫(yī)推拿理論為指導(dǎo),為解決老年人退行性病變問題而研制的的康復(fù)理療設(shè)

20、備【】。目前已研發(fā)的第二代按摩機器人目前可以實現(xiàn)掌揉、掌按、掌推、捏拿、叩擊等數(shù)十種按山東建筑大學碩士學位論文摩手法。與第一代按摩機器人相比,第二代按摩機器人在結(jié)構(gòu)、性能方面都有了很大提升。但第二代按摩機器人采用的是單機械臂結(jié)構(gòu),這就限制了其能實現(xiàn)的按摩手法,也限制了其按摩性能的提升。第一代中醫(yī)按摩機器人雖然具有雙臂結(jié)構(gòu),但為了避免同時按摩時兩支機械臂碰撞,規(guī)劃按摩任務(wù)時做了明顯的分工,一支機械臂負責給患者腰部及背部按摩,另一支機械臂負責給患者腿部按摩:這樣的設(shè)計是不完善的,因為很多時候為了取得較好的按摩效果,是需要兩只手同時動作的,比如給患者背部兩側(cè)同時做掌推或叩擊動作,或者實現(xiàn)必須兩只手配

21、合完成的按摩手法,比如搓,抻,扳等手法。目前的控制系統(tǒng)并不能很好的滿足上述功能的需要。無論是在提高按摩效率方面考慮,還是從增加按摩手法,擴大按摩范圍考慮,研究一套中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)都是非常必要的。本課題來源于服務(wù)機器人領(lǐng)域的兩個國家項目,項目名稱分別為“中醫(yī)按摩機器人的研究”和“中醫(yī)按摩機器人”,項目編號依次為.和.。本文主要針對該項目中的雙臂協(xié)調(diào)部分進行研究,引入合適的雙臂協(xié)調(diào)控制算法,設(shè)計并完善相應(yīng)的雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),保證按摩雙臂可以協(xié)調(diào)的完成其按摩手法。所提出的雙臂協(xié)調(diào)控制算法也可以應(yīng)用到其他雙臂機器人領(lǐng)域。因此,本課題的研究具有較強的現(xiàn)實和理論意義。.本文的主要研究內(nèi)容本文

22、針對中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進行了深入研究,主要內(nèi)容如下:、通過權(quán)威調(diào)查數(shù)據(jù),分析了我國老齡化問題的嚴峻性?；谖覈?wù)業(yè)發(fā)展相對滯后,醫(yī)療資源相對短缺的現(xiàn)狀,以中醫(yī)推拿理論為指導(dǎo)的中醫(yī)器按摩機器人的開發(fā)對發(fā)展扶老助老行業(yè),緩解社會和家庭的壓力有重要意義。介紹了國內(nèi)外醫(yī)療康復(fù)保健機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài),闡述了對中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行研究的目的及意義。、對中醫(yī)按摩機器人的整體結(jié)構(gòu),特別是按摩機器人運動控制系統(tǒng)進行了詳細介紹。首先對中醫(yī)按摩機器人的總體概況進行了簡單的說明,隨后對中醫(yī)按摩機器人的整體結(jié)構(gòu)進行了介紹。最后,對中醫(yī)按摩機器人的控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)論述。、對

23、按摩雙臂進行運動學分析,完成了約束條件下雙臂的運動學正逆解的計算。根據(jù)按摩機器人的機械結(jié)構(gòu)及參數(shù),利用.建模法,為兩支機械臂建立了.坐標系,求取了機械臂臂的?參數(shù),解決了機械臂的正逆運動學問題。山東建筑大學碩士學位論文針對按摩機器人雙臂的運動學逆解問題,采用包絡(luò)的方法為機械臂建立簡化模型,通過分析計算兩支機械臂各連桿之間的距離,檢測雙臂是否發(fā)生碰撞,然后對所求的運動學逆解進行取舍優(yōu)化,解決了約束條件下雙臂的運動學逆解分析。、對機械臂建立空間,采用搜索算法,完成了機械臂的路徑規(guī)劃問題。分析了按摩機器人雙臂的運動特點,將雙臂間的協(xié)調(diào)控制問題轉(zhuǎn)換為雙臂的路徑規(guī)劃問題。將雙臂按照運動優(yōu)先級劃分為甲臂和

24、乙臂,首先規(guī)劃好運動優(yōu)先級高的機械臂甲臂的路徑,隨后為另一只機械臂乙臂建立空間,把甲臂映射到乙臂中形成障礙物空間,采用搜索算法在乙臂的自由空間中搜索一條最優(yōu)路徑,對所設(shè)計的路徑規(guī)劃方法進行了程序的實現(xiàn),最后對雙臂的協(xié)調(diào)運動過程進行了仿真。、綜合上文所做的運動學分析和路徑規(guī)劃研究,通過對按摩機器人各種按摩手法的建模與分析,完成了中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計。最后對按摩流程中上位機的相關(guān)界面進行了展示。、針對本文所做的關(guān)于按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究工作進行了總結(jié),列出了關(guān)于本課題研究的不足之處,最后對中醫(yī)按摩機器人等康復(fù)理療型服務(wù)機器人的未來發(fā)展進行了展望。山東建筑大學碩士學位論文第

25、章中醫(yī)按摩機器人系統(tǒng)介紹以中醫(yī)推拿技術(shù)為理論依據(jù),綜合機械制造、自動控制、計算機、通信等技術(shù)研制了中醫(yī)按摩機器人【。本課題是在第一代中醫(yī)按摩機器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的深入的研究。本章將對中醫(yī)按摩機器人的整體結(jié)構(gòu)及其組成進行簡要介紹。對中醫(yī)按摩機器人控制系統(tǒng)的各功能模塊進行詳細論述。.中醫(yī)按摩機器人概況中醫(yī)按摩機器人是山東建筑大學機器人研究所和康泰實業(yè)有限公司、山東省中醫(yī)藥大學共同開發(fā)的一款以中醫(yī)按摩理論為指導(dǎo),面向中老年人腰腿關(guān)節(jié)退行性病變的康復(fù)理療型機器人,是國家“十一五”高新技術(shù)發(fā)展規(guī)戈計劃先進制造技術(shù)領(lǐng)域“服務(wù)機器人”重點項目的的杰出成果之一。它可以實現(xiàn)對人體背部及腿部穴位的掌按、指按

26、、掌揉、指揉、掌推、叩擊、捏拿、震動、熱敷等九種療法。此款按摩機器人已有兩代相繼問世,第一代按摩機器人采用雙臂結(jié)構(gòu),研發(fā)和生產(chǎn)成本比較高,在雙臂協(xié)調(diào)控制上存在技術(shù)上的欠缺,鑒于上述考慮,開發(fā)研究了采用單機械臂結(jié)構(gòu)的第二代按摩機器人,機械結(jié)構(gòu)簡練,控制系統(tǒng)穩(wěn)定,外觀更具親和力【丌。第二代按摩機器人樣機在療養(yǎng)院進行了半年多的試運行,獲得了眾多老年體驗者的一致好評。在年月,該項目順利通過了國家科技部的驗收,獲得了專家評委的高度評價,已達到國際領(lǐng)先水平。 “中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究”這一課題就是在兩代按摩機器人開發(fā)實踐的基礎(chǔ)上展開的研究。下面將對中醫(yī)按摩機器人整體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行介

27、紹。.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹中醫(yī)按摩機器人主要由以下三大部分組成:床體部分、按摩機械臂、總控系統(tǒng)。下面對各部分進行一一介紹。.床體部分床體部分上面裝配有支撐架,是按摩機械臂的承載機構(gòu),也是實施按摩時的人體承重機構(gòu)。在床體的首尾部分都有定位槽,可以在一定程度上對按摩患者進行定位。.按摩機械臂中醫(yī)按摩機器人配有兩個按摩機械臂,每個按摩臂由機械臂和按摩手兩部分組成。機械臂用來實現(xiàn)穴位的定位,并配合按摩手完成相應(yīng)的按摩手法。機械臂由五個伺服電機驅(qū)動,可以控制按摩臂通過相關(guān)關(guān)節(jié)的平動和轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)按摩臂沿床體長、寬、高三個方向運動,通過腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動按摩手的旋轉(zhuǎn)。其中,機械臂在寬方向的移動通過兩擺動關(guān)節(jié)和以平動關(guān)

28、節(jié)的協(xié)同運動完成。按摩手通過腕部關(guān)節(jié)與機械臂相連接,是按摩手山東建筑大學碩士學位論文法的直接執(zhí)行模塊。按摩手部分含有叩擊電機、捏拿電機、手指彎曲電機、震動電機四個電機,除叩擊電機為步進電機外,其它的三個都是普通直流電機。按摩手在執(zhí)行不同的按摩手法時,可以在運動控制器的相關(guān)指令下,調(diào)整本身的姿態(tài)。手指和手腕處配有力傳感器,負責將按摩力度信息反饋到主控器,實現(xiàn)對按摩力的實時控。圖.為按摩機械臂的實物圖。圖.按摩機械臂的實物圖。.總控系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)介紹中醫(yī)按摩機器人總控系統(tǒng)包括控制柜和觸摸式控制臺,是中醫(yī)按摩機器人系統(tǒng)的核心部分,負責按摩機械臂的任務(wù)規(guī)劃,控制機械臂完成按摩過程?？刂乒褡鳛榭刂葡到y(tǒng)電

29、氣部件的載體和保護層,控制柜在整個系統(tǒng)中作用舉足輕重。它的完善設(shè)計是保證內(nèi)部電氣設(shè)備正常運行的必備條件。中醫(yī)按摩機器人的控制柜是綜合考慮機械防震,器件散熱和電磁干擾各方面因素,結(jié)合內(nèi)部器件所要求的防護等級而設(shè)計的【】?？刂乒竦膶嵨飯D如圖.和圖.所示。山東建筑大學碩士學位論文圖.控制柜圖外觀實物圖圖.控制柜內(nèi)部電氣布局圖令觸摸式控制臺觸摸式控制臺是整個按摩機器人系統(tǒng)的頂層控制機構(gòu),由上位機和觸摸屏兩部分組成。上位機主要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運動的統(tǒng)籌,規(guī)劃,其功能主要是通過上位機程序來實現(xiàn)。觸摸屏用來實現(xiàn)人機交互。觸摸式控制臺實物圖如圖.所示:圖.觸模式控制臺實物圖山東建筑大學碩士學位論文總控系統(tǒng)的功能

30、模塊介紹上一小節(jié)在機械結(jié)構(gòu)的層次對總控系統(tǒng)進行了簡單的介紹,下面從功能的角度,把中醫(yī)按摩機器人總控系統(tǒng)分為運動控制器模塊、動力驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源管理模塊、上位機模塊五部/.。控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖.所示。編碼器傳感器模塊罐 伺南由?一么?電源模塊圖.按摩機器人總控系統(tǒng)框圖.運動控制器及外圍電路運動控制器是控制系統(tǒng)的核心模塊,它負責與上位機的交互,控制相關(guān)電機實現(xiàn)各公司開發(fā)種按摩手法。中醫(yī)按摩機器人控制系統(tǒng)采用的 是英國的基于微處理技術(shù)的高精密數(shù)字運動控制器。它具有位的處理器,的主頻及的內(nèi)存,可以確保中醫(yī)按摩機人對實時性和穩(wěn)定性方面的要求。實物圖如圖.所示:圖. 實物圖山東建筑大學碩士

31、學位論文具有基于機的總線和支持、等多種通信方式。帶有可編程的的數(shù)字/和模擬輸入口、比例閥/伺服閥。將運動控制和邏輯算法的有機結(jié)合:可以輕松實現(xiàn)多種運動形式,如直線、圓弧、螺旋線插補等:具有強大的運算處理能力:除包含普通算數(shù)運算和邏輯運算外,還具有三角函數(shù)等其他函數(shù)運算:多任務(wù)并行執(zhí)行功能:將復(fù)雜程序分成幾個子任務(wù)來同時執(zhí)行,使復(fù)雜運動過程控制變得簡單明了;響應(yīng)速度快:指令執(zhí)行速度可達微秒級。系統(tǒng)中會用到模擬量輸入和數(shù)字量的輸入輸出,需要對模塊進行擴展。模擬量輸入模塊采用公司的模塊,此模塊可以為運動控制器提供路模擬量擴展輸入接口。采集的信號范圍為. ,精度為位。數(shù)字量/模塊采用模塊,為運動控制器

32、提供路的開關(guān)量/接口。每個數(shù)字通道都是可編程的,既可以用作輸入,也可以用作輸出。.動力驅(qū)動模塊動力驅(qū)動模塊主要由兩只機械臂的十個伺服電機的驅(qū)動器,兩個叩擊電機的驅(qū)動器,還有驅(qū)動普通電機的控制器組成。動力驅(qū)動模塊負責驅(qū)動電機運動,以實現(xiàn)按摩手位姿的調(diào)整。.傳感器模塊傳感器相當于人的感官組織,它負責將環(huán)境信息反饋給控制器。在本機器人控制系統(tǒng)中用到位置反饋和力反饋兩種。其中,與伺服電機相連的編碼器負責反饋按摩機械臂的位置信息,而接近開關(guān)則用來對各動力機構(gòu)的極限運動狀況進行檢測,來實現(xiàn)對于各個運動環(huán)節(jié)限位的反饋,并將觸發(fā)信號傳遞給運動控制器。按摩時力度過小則達不到效果,力度過大就會對病人產(chǎn)生傷害,所以

33、必須對按摩力度進行控制。力度傳感器用于按摩力度的采集,將采集的力度信息傳輸給的模擬量擴展單元。根據(jù)反饋的結(jié)果,調(diào)整按摩的力度,保證按摩的效果并防止對病人的物理損傷?；颊呤亲钪苯拥捏w驗者,能最真切最快速的感受到按摩的效果。每個人的承受限度不同,舒適度也不同,為了確?；颊叩娜松戆踩?在系統(tǒng)中加入了一個安全手柄,由患者自己握在手里,當出現(xiàn)各種狀況時,通過按動手柄,來停止系統(tǒng)的運行,最大限度的山東建筑大學碩士學位論文保證系統(tǒng)的安全性能。.電源模塊安全穩(wěn)定的電源供給是保證控制系統(tǒng)各模塊能夠順利運行的必要前提。在中醫(yī)按摩機器人雙臂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中,需要用到交流,直流兩種電源。為防止用電設(shè)備出現(xiàn)過載、短路及欠

34、壓等等異常狀況,在電源的進線處設(shè)置斷路器等用電保護裝置。當用電設(shè)備發(fā)生異常時,電源管理模塊會第一時間采取斷電措施,最大限度的杜絕安全事故。.上位機模塊上位機模塊主要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運動的統(tǒng)籌,規(guī)劃。是總控系統(tǒng)的最項層決策機構(gòu)。其具體的實現(xiàn)過程在第五章進行介紹。.本章小結(jié)本章對中醫(yī)按摩機器人的整體結(jié)構(gòu),特別是按摩機器人運動控制系統(tǒng)進行了詳細介紹。首先對中醫(yī)按摩機器人的總體概況進行了簡單的說明,隨后對中醫(yī)按摩機器人的整體結(jié)構(gòu)進行了介紹。最后,對中醫(yī)按摩機器人的總控系統(tǒng)進行了系統(tǒng)論述。山東建筑大學碩士學位論文第章中醫(yī)按摩機器人雙臂的運動學建模與分析對按摩雙臂的運動學建模與分析是對中醫(yī)按摩機器人進行雙臂

35、協(xié)調(diào)控制研究的一個理論基礎(chǔ)。它主要解決機械臂各關(guān)節(jié)的運動變量與機械臂末端位姿的對應(yīng)關(guān)系這一問題。雙機械臂的運動學問題既具有和單機械臂運動學相同的一面,也具有其獨有的特征。在本章,首先將針對兩個單臂進行建模,分別對他們進行運動學分析,求取其運動學正逆解。隨后,將聯(lián)合雙臂的運動學約束條件,對所求得的運動學逆解進行取舍,獲得雙臂協(xié)調(diào)運動條件下的運動學逆解,為下一步開展雙臂協(xié)調(diào)運動控制算法的設(shè)計工作做好準備。.單機械臂的運動學建模年,和在他們發(fā)表的一篇論文中提出了一種針對機械臂進行運動學研究的方法。在文中定義了對機械臂表示的方法和建模的步驟,推導(dǎo)出了機械臂的運動學方程。這種.建模方法可以很輕松的實現(xiàn)對

36、任何構(gòu)型的機器人的連桿和關(guān)節(jié)的表示,也可以方便的用于直角坐標、歐拉角坐標、坐標、圓柱坐標、球坐標等多種坐標變換中,已成為研究人員進行機械臂運動學研究的標準方法【。為每個關(guān)節(jié)建立一個坐標系,然后從基坐標變換到第一個關(guān)節(jié),再從第一個關(guān)節(jié)到第二個關(guān)節(jié),依次進行變換,直到變換到最后一個關(guān)節(jié),把這些變換相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣通過矩陣右乘的方式結(jié)合起來,就是機器人的總變換矩陣。.坐標系的建立規(guī)則對于確定的機械臂,各關(guān)節(jié)坐標系并不是唯一的。建立的坐標系不同,求得的.參數(shù)也將不同。下面明確在本文中建立坐標系所采用的方法:中間連桿坐標系的建立方法【】坐標系的軸與關(guān)節(jié)軸?共線,指向任意選定。坐標系的軸與連桿的公垂線重合,

37、指向由關(guān)節(jié)?到關(guān)節(jié),當一.時,取墨一。,.。坐標系的軸咒一按右手法則規(guī)定,即?卜。再一。坐標系?的原點一,取在。和刁一,的交點上:相交時,原點取在兩軸交點上, 原點取在使當?shù)笈c 當,與卜。平行時,諺的地方。圖.中畫出了連桿一和連桿坐標系和的設(shè)定位姿。山東建筑大學碩士學位論文軸圖. 中間連桿.坐標系的建立方法示意圖首、末連桿坐標系的建立方法【基坐標系與基座固接,固定不動,常用它來描述操作臂其它連桿的運動?；鴺讼翟瓌t上可以任意規(guī)定,但是為了簡單方便起見,總是規(guī)定,當?shù)谝粋€關(guān)節(jié)變量為零時,與重合。這種規(guī)定隱含:,。當?shù)谝粋€關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時,;第一關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)時,儡。末端連桿坐標系的規(guī)定與基坐標系

38、相似。對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),取工。使得當幺時, 以的矗與,卜。重合,的原點。選在使地方;對于移動關(guān)節(jié),的設(shè)定使幺,且當 以, %與剃重合。末端執(zhí)行機構(gòu)坐標系的建立規(guī)則為了方便的理解末端執(zhí)行機構(gòu)在基坐標中的姿態(tài),它的坐標系用三個相互垂直的單位向量刀,口表示。用表示法線向量,表示指向表示接近向量。在按摩機器人中,由于執(zhí)行不同的按摩手法時,其末端執(zhí)行機構(gòu)是不同的。比如當掌按時它的末端執(zhí)行機構(gòu)是掌心,而當指按是它的末端執(zhí)行機構(gòu)是食指指尖。所以在建立末端執(zhí)行機構(gòu)坐標系的時候,它的指向向量和接近向量所表示的具體意義也是有差異的。而這種差異最明顯的將體現(xiàn)在.參數(shù)不同上,這一點在下面求取.參數(shù)時再做說明。山東建筑大學

39、碩士學位論文.按摩雙臂.坐標系的建立按照預(yù)定好的方案,對按摩雙臂的運動學問題研究分兩步進行。首先是對按摩雙臂的運動學進行單獨的分析。然后根據(jù)兩臂間的運動學約束關(guān)系,對它們的運動學問題進行進一步的研究。如上所述,為按摩機器人的兩只機械手臂分別建立.坐標系,下面以右臂為例,依據(jù)其結(jié)構(gòu)特點,為它建立.模型。中醫(yī)按摩機器人機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖如圖.所示:圖. 中醫(yī)按摩機器人機械臂的的結(jié)構(gòu)示意圖首先定義右臂的初始位置,利用.建模方法建立基坐標系以及各個關(guān)節(jié)坐標系。.表示機械臂的基坐標系, .一依次表示關(guān)節(jié)到關(guān)節(jié)的坐標系。按摩手結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,當采用不同的按摩手法時其末端執(zhí)行器的形態(tài)是不同的,這里,為末端執(zhí)行

40、機構(gòu)建立坐標系的時候,已執(zhí)行掌按手法時為例進行分析。根據(jù)末端執(zhí)行器在執(zhí)行掌按手法時的位姿特征,充分理解胛,三個向量表示的物理意義,為其建立坐標系.。另外,為了后面章節(jié)研究的方便,為整個按摩機器人建立世界坐標系。其位置選在按摩床的右后角的位置。完整的.坐標系如圖.所示。山東建筑大學碩士學位論文引 . 西.“、?誓吼云氣一圖.中醫(yī)按摩機器人右臂的坐標系.求取參數(shù)根據(jù)所建立的連桿坐標系,連桿參數(shù)可以通過以下方式求得:?為連桿?連桿長度 ,大小為從到沿一測量的距離,.%一。為和兩關(guān)節(jié)軸線之間的連桿扭角,大寸川到繞一。旋轉(zhuǎn)的角度,其值可正可負。諺兩根公垂線與口?之間的連桿距離,大小為從一。至:沿弓測量的

41、距離,其值可正可負。諺為兩根公垂線口與?之間的連桿轉(zhuǎn)角,大小為一。到繞刁旋轉(zhuǎn)的角度,其值可正可負。按照上述規(guī)則,根據(jù)建立的.坐標系,結(jié)合機械臂的機械參數(shù),求得按摩臂的?參數(shù),其?參數(shù)表如表.所示:山東建筑大學碩士學位論文表. 中醫(yī)按摩機器人右臂的.參數(shù)表關(guān)節(jié)序號 取值范圍? 磁一。 。 西。 。以 。島統(tǒng)。 。繡 。 。.運動學正解分析關(guān)節(jié)坐標系相對于的變換卜稱為連桿變換。卜與口,%一。, 珥和諺這四個連桿參數(shù)有關(guān)。因此,可以把連桿變換卜分解為四個基本的子變換問題,其中每個子變換只依賴于一個連桿參數(shù)。連桿變換卜通過坐標系經(jīng)過以下四個子變換得到繞?軸旋轉(zhuǎn)%一;沿?軸移動?;繞,軸旋轉(zhuǎn)/;沿,軸移

42、動。以上每個子變換都是相對于當前坐標系進行的,按照坐標變換與矩陣運算之間的關(guān)系,依次右乘上述變換的四個矩陣,即可得到從當前坐標系到下一個坐標系的轉(zhuǎn)移矩陣。相應(yīng)的轉(zhuǎn)移矩陣計算過程如式.所示:.,%一,?,諺由上式右邊的四個子變換,用諺表示諺,表示,表示,表示可以得到連桿變換卜的通式,卜的通式表示如.式:山東建筑大學碩士學位論文仉一:一 只一 一一 ?.卜一 諺一 一 一 在實際的應(yīng)用中,經(jīng)常使用的是末端裝置相對于參考坐標系的位姿關(guān)系,所以,對于上式需要繼續(xù)進行坐標變換。依據(jù)上一小節(jié)中為末端位姿建立的坐標系和機械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù),得到從末端關(guān)節(jié)到末端按摩裝置間的變換矩陣為:.厶 從基坐標到末端按摩裝置

43、的總變換矩陣為:.;:丁木:丁木,宰;丁木:木;丁將.參數(shù)帶入上式得:一棗 木 幸以?厶木厶厶一 一 ?.宰 一墨木:奎一木一木厶西 式.中表示諺,表示只,表示諺嘭,表示末端執(zhí)行機構(gòu)相對于基坐標的變換矩陣為:/.”: : 口:故其運動學方程為:.按摩機器人單機械臂的逆運動學求解逆運動學分析主要解決已知機械臂末端的位姿,求取機械臂各個關(guān)節(jié)變量的問題。不同于正向運動學問題,逆運動學問題比較復(fù)雜,運動學逆解可能有多組,也可能不存在【。機械手運動學的逆解有封閉解和數(shù)值解兩種,其中,數(shù)值解求解過程計算量大,速度慢,不適于實時控制,而封閉解計算速度快,效率高,適于實時控制。正是由于上述原因,在實際的工程應(yīng)

44、用中,我們總是盡可能的求取運動機構(gòu)的封閉解?？梢宰C明,山東建筑大學碩士學位論文只要滿足以下兩種情況之一的五自由度機械臂的封閉解是一定存在的: 后三個關(guān)節(jié)軸相交于一點;有三個關(guān)節(jié)軸相互平行【。.常用的逆運動學求解方法介紹求解機械臂運動學封閉解的方法有解析法又稱代數(shù)法和幾何法。其中,解析法常用的是分離變量法,一般是通過在運動學方程的兩端分別左乘合適的變換矩陣的逆來實現(xiàn)的。幾何法一般只適用于低自由度機械臂的逆解計算。另外還可以結(jié)合機械臂的結(jié)構(gòu)特征,對機械臂模型進行適當?shù)姆治鎏幚?采用代數(shù)法和幾何法綜合解決。隨著研究的深入,最近又有學者在這一問題上引進了遺傳算法等較新的求解思路】。在運動學逆解問題上,

45、并沒有統(tǒng)一的求解算法。根據(jù)不同的機械臂結(jié)構(gòu)和運動環(huán)境,選擇合適的逆解運算方法,會大大減輕逆解運算的復(fù)雜程度。中醫(yī)按摩機器人采用的是直角坐標式和關(guān)節(jié)坐標式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)【,運動學結(jié)構(gòu)相對簡單,可以運用解析法求取機械臂的運動學逆解。.單機械臂的逆運動學求解對運動學方程兩邊做如下變換得:兩邊分別左乘變換矩陣寧,得到.丁木丁木;丁幸:丁幸一丁宰左邊部分丁夯丁?;丁幸:丁木;?宰 木 幸幸宰三? .一木是 一?%木 宰上一宰一木 右邊部分玎.;丁:一書口 一 定義如下函數(shù):./,。.孤;三愛山東建筑大學碩士學位論文由.式中,得:一刀,;.磚一;一。;利用上面定義的函數(shù),解得:島;.由.式中,得:。,;.;

46、氏;.由.式中,得:.厶木厶宰厶厶,;整理上式可得:.?碰盥魯生姓;解得:島;.故.幺島島;由.式中,得:.木厶一木一木:一西;.:宰木一木;依上述方法可以將各關(guān)節(jié)變量求出。由上面的求解可知系統(tǒng)最多有兩組解。.雙臂的運動學逆解分析機械臂的運動學逆解可有上述方法求得,但是在兩條機械臂同時運動的情況下,則不得不考慮兩只機械臂之間的位置約束,最低限度的要求是不發(fā)生碰撞。所以帶約束的按摩機器人雙臂運動學求解。這樣的情況下及時兩支臂都自己存在運動學逆解,但是在這樣的約束下,雙臂的運動學逆解就可能不存在,或者只存在唯一解。這就需要用避碰的約束條件對分別所求得運動學逆解進行取舍或者尋優(yōu)。通過對機械臂建立適當

47、的模型,山東建筑大學碩士學位論文通過計算兩只按摩臂各連桿之間距離來進行碰撞檢測。下面介紹空間兩線段間距離的計算方法】。.空間兩線段間的距離的計算方法設(shè)空間中有兩條線段和,設(shè)點的坐標為。,。,。,點的坐標為,點的坐標為,點的坐標為,。設(shè)是直線上的一點,點的坐標,】,可以表示為一而.一【毛一當時,位于線段上;當時,位于線段延長線上;當時,位于線段的延長線上。設(shè)是直線上的一點,點的坐標,形可以表示為 一一 .形一如妙啦屯均乙 屯乃乃當,時,位于線段上:當時,位于線段的延長線上;當時,是位于線段延長線上。兩點之間的距離為.尸如萬可西礦砸萬距離的平方為,?】廠一一礦?一一】.,】?一一】要求直線,之間的

48、最短距離,也就是要求,的最小值。山東建筑大學碩士學位論文求,關(guān)于,的偏導(dǎo)數(shù),令偏導(dǎo)數(shù)為,得到.式:。塑業(yè):玉.?:,展開并整理后,得到下列方程組:一一一一一一屯一一一一】一工一一?,?一.一一一一一一一一一一一一?一?一解上面的方程,得到,如果,說明位于線段上,如圖.所示。位于線段上。公垂線段的長度就是線段與線段間的距離。.其中尸?一礦一形如果解得的,不滿足,說明兩直線公垂線段的長度并不是線段和線段之間的距離。如圖.所示。圖.兩線段間的最短距離為公垂線的情形 圖.兩線段間的最短距離不是公垂線的情形這時,可以求點、點與線段的最短距離,點、點與線段的最短距離,其中的最小值即為線段與線段之間的距離。

49、.雙臂模型的運動學問題分析通過分析,通過建立的.坐標系原點基本都位于相鄰連桿的交點位置。而且連桿形狀比較規(guī)則。對于這種情況,對機械臂模型做如下處理。鑒于避碰的實際可能性,結(jié)合機械臂的機械結(jié)構(gòu)特征,對機械臂實際模型進行簡化。省略上下移動關(guān)節(jié),并將機械臂各個連桿視為是各個關(guān)節(jié)的坐標系原點的連線。把個連桿視為圓柱型結(jié)構(gòu),圓柱山東建筑大學碩士學位論文半徑為能夠完全包絡(luò)實際機械臂連桿的最小值。模型示意如圖.所示:圖.按摩機械臂的簡化模型示意圖模型簡易圖如圖.所示:圖.按摩機械臂簡化模型的線段表示形式通過運動學正解的相應(yīng)變換,可以求得相應(yīng)坐標原點的位置。這樣可以確定、四條線段。同理,可以求得左臂的四條相應(yīng)

50、線段,等四條線段。只要求得任意兩條線段間的距離大于半徑之和,則可以確定兩臂的對應(yīng)連桿不會發(fā)生碰撞。線段距離的求解可以按照上面講述的方法進行計算。程序流程圖如圖.:山東建筑大學碩士學位論文開始工分別求取雙臂的運動學逆解判斷雙臂的各連桿是否兩兩碰撞二臣存儲該組逆解土雙臂的無碰撞逆解 無解結(jié)束圖.雙臂的運動學逆解求解流程圖.本章小結(jié)根據(jù)按摩機器人的機械結(jié)構(gòu)及參數(shù),利用.建模法,為兩支機械臂建立了.坐標系,求取了機械臂臂的.參數(shù),解決了機械臂的正逆運動學問題。針對按摩機器人雙臂的運動學逆解問題,采用包絡(luò)的方法為機械臂建立簡化模型,通過分析計算兩支機械臂各連桿之間的距離,檢測雙臂是否發(fā)生碰撞,然后對所求的運動學逆解進行取舍優(yōu)化,解決了約束條件下雙臂的運動學逆解分析。山東建筑大學碩士學位論文第章機器人雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究雙臂協(xié)調(diào)控制是指兩臂在一定的控制規(guī)則下,雙臂能夠相互協(xié)調(diào)無碰撞的完成各自的動作,或者相互配合協(xié)調(diào)的共同完成一項任務(wù)。在中醫(yī)按摩機器人執(zhí)行按摩任務(wù)的時候,多數(shù)情況下兩只按摩臂是需要同時工作的。兩只按