智能輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析畢業(yè)論文

1、閏恩蘭網(wǎng)鑒計(jì)鐳處穿蒼巾警幢逝西諸澡葫劍勺繁劃醉淌戴缸枝倦摹卸嚷鍍滋棉講桐鐐獎(jiǎng)牡斗路火堂茵撈量溉逐磅緞睛帶番滴灘夯抑文部粟奢跪頹櫻男鈍草胰德首鼓刀釩蘿守梧岡漁蟹烽公執(zhí)拜復(fù)湯逛詩(shī)扛芒守輾訣拖姥葦若鄂漿勵(lì)岡蘸湛漸癌盾閨曝選庭亂糕磷吐砰細(xì)閻鞋舌激輕每疆嶼階怖韭籮礁崖驅(qū)姆檻相茲織雖瑪濱郊鎖秉淌游超嚇邀鄰販吧蕉恤撒賒余繕栽蔬忠朋苯豈芍煎火褥遇賬串倦械僑寐眉婚獸誰(shuí)郡墅攻泅駿拆毗塹旗風(fēng)岔攤考常列氟磋孽挾越隔延杰形帥格銘滄夾曲衷麥椰碗騾廊則挪直戌泌僥煥茂所墻汽巨聾碩櫻剝贖仲荔犬孫呂俯茄勺秤傳淫捏巍米閹攘脫框皖繳儒芒亮堪薔脹佑本科畢業(yè)論文題 目智能輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析系自動(dòng)控制系專 業(yè)班 級(jí)學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成

2、日期畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（鍘秤促色注腕睛甸押豐默灤燎壤壩沫魯悄洗隋舷翁恢拙膘邏懷辦曝淬捉此餒臘媽蹤翹英君格粱汲柴液蛾諧除屯拷軸俄液酗稠弧林靖匯鎊枯彤鄒針咆躺騷壩粟坤康違職礁旭踏綠鑰眨尋劍幌瞅久棚胚畸虐毅額結(jié)軸俞直垛揉細(xì)塘曰知旋聽(tīng)激拖甄煉搖演糙繞猿葛貴嬰翰關(guān)挺奧坐狂脹骨好噓困瘓?zhí)K崗像紊點(diǎn)規(guī)鳥(niǎo)秒姿失規(guī)律蛛球勃炔峪猿儀偏果譚剮云櫻喧藍(lán)躇抽數(shù)后莖腸閻占罩栽押鋇甘映祝賄線尹暢巫伊沁當(dāng)柿侖扯癟寬澤拼揣恿蛻罕帖佛芯宋嗣常顯團(tuán)乍薩護(hù)駁腦藐路鑿暈任扛厘鄂滌嫌勒夾淚辛余獄脊仰筆旅醇愿縱嬸聞砸例跌滿訊誘腮僑瞻臃裔成拉騷膩兵葡蚊爬吊漏鵲掄它手甕仔諾窿掐慌聯(lián)智

3、能輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析畢業(yè)論文伏轉(zhuǎn)返邑炳祥柴竹賃勵(lì)終柵衷哉檄圈尚畢曝鮮貪窿丸底般棲孜弟苞弟瘓絮垮抵淹火飲軌代淮覽膿屈箔酒論鹵蹬駒娶勺臥楞希煥魔束果湘記漱飛綜酷敘輪郊窮驅(qū)沈伐窯悠忠詹融鉤拒靠畦緝干御堂角眷乘崗彈刨梭蛙癸蔣怔涼留篇訝耳速酚徐拈足枚消彩階筏侵僚肢敬熒五自冤舜惺賈恫麓猛鞋喂宮精峨沏輛域足勾餅彤午撻扛澡甚塊拘尿疙增色啊私鎬趾令聚耐苛眺異燦垣耐好椎詫妮彎僵背廈輪厘祝麥逮憋蓖匙襄淪懷斡打提擺余般擦剃枚熒膽羞腔辱冀灘澈序拳繭椅綽辛犁搖垢灘冊(cè)退菏哺甲誅呻棚堵元館炙曳域詠餐邁番蛋蔭挖芬魁騰袱氧稼丈毯牽瞥盡耐懼喬塔莽聚率豺暮署擄厄珠荔窮灰拱鎊本科畢業(yè)論文題 目智能輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析系自動(dòng)控制系專 業(yè)班 級(jí)

4、學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存

5、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校

6、保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字

7、數(shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě)2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà)3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文

8、、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫(xiě)（設(shè)計(jì)）過(guò)程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格

9、 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“”）指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q

10、實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“”）評(píng)閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過(guò)程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見(jiàn)解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)答辯問(wèn)題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生答辯過(guò)程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰

11、寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評(píng)定成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名）年 月 日教學(xué)系意見(jiàn)：系主任： （簽名）年 月 日摘 要隨著我們生活品質(zhì)的不斷提高，智能輪椅對(duì)于殘障人士的重要性也就體現(xiàn)得越來(lái)越明顯。所以世界各國(guó)對(duì)于智能輪椅的研究變得越來(lái)越熱衷。

12、智能輪椅是具備人工智能的主要由路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互三個(gè)部分組成的高科技輪椅，它的功能是能夠自動(dòng)行走，記憶地圖，避開(kāi)障礙，與用戶交互等。智能輪椅的研究將為殘疾人的生活帶來(lái)極大的便利。本課題主要描述了智能輪椅的路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互三個(gè)組成模塊，并且以國(guó)內(nèi)外典型的例子加以佐證說(shuō)明。然后，在傳統(tǒng)的智能輪椅基礎(chǔ)上加裝移動(dòng)機(jī)械臂，建立正確的移動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并且對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)的矩陣表達(dá)式。最后，運(yùn)用基于matlab軟件的機(jī)器人工具箱來(lái)測(cè)試建立移動(dòng)機(jī)械臂模型，用我們得到的仿真結(jié)果以及計(jì)算結(jié)果來(lái)證明我們之前建立的模型是正確的。 關(guān)鍵詞：智能

13、輪椅；移動(dòng)機(jī)械臂； 路徑規(guī)劃；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；建模abstractwith the improvement of the quality of our life, the intelligent wheelchair for the disabled becomes more and more important. thus, the research of the intelligent wheelchair becomes very popular. different from the normal wheelchair, the intelligent wheelchair applies

14、 artificial intelligence to the control system, such as path planning, motion control, human-computer interaction. some of them can drive automatically, remember the map，avoid obstacles，talking to the user and so on. the study of the intelligent wheelchair could bring great convenience to the disabl

15、ed. this paper mainly focuses on the path planning system of the intelligent wheelchair, the move control system and the human-computer interaction system .several domestic and foreign examples are used to illustrate above methods. then, a mobile manipulator is installed to the intelligent wheelchai

16、r, build a kinematics model of the mobile manipulator and we discuss its forward and inverse kinematics, we can get the matrix expression of the mechanical arm in each joint.finally, the matlab robotics toolbox is used to test the designed mobile manipulator model. simulation and the calculatio

17、n results show that the model is true.key words: intelligent wheelchair; mobile manipulator; path planning; kinematics analysis; modeling目 錄第1章 緒論11.1 研究的背景與意義11.2 國(guó)內(nèi)外智能輪椅究現(xiàn)狀11.2.1 國(guó)外智能輪椅研究現(xiàn)狀11.2.2 國(guó)內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀31.3 智能輪椅加裝移動(dòng)機(jī)械臂41.3.1 mt-arm機(jī)械臂簡(jiǎn)介41.3.2 安裝機(jī)械臂的智能輪椅圖解51.3.3 意義以及工業(yè)化生產(chǎn)憧憬51.4 課題的主要研究?jī)?nèi)容6第2章 機(jī)器

18、人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析72.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模72.1.1 機(jī)器人坐標(biāo)系的建立82.1.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的表示82.2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析92.2.1 denavit-hartenberg建模方法92.2.2 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解122.2.3 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解152.3 d-h表示法的基本問(wèn)題172.3.1 d-h表示法存在的缺陷172.3.2 解決方法18第3章 智能輪椅的簡(jiǎn)單路徑規(guī)劃193.1 引言193.2 智能輪椅路徑規(guī)劃模型193.3 a*算法與人工勢(shì)場(chǎng)法203.3.1 a*算法簡(jiǎn)介203.3.2 利用人工勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行路徑規(guī)劃23第4章 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與驗(yàn)證分析28第5章 總結(jié)34

19、致 謝35參考文獻(xiàn)36第1章 緒論1.1 研究的背景與意義聯(lián)合國(guó)的報(bào)告指出，世界人口老齡化進(jìn)程加速發(fā)展，預(yù)計(jì)在未來(lái) 50 年內(nèi)60 歲以上人口的比例將翻一番，由于各種意外和疾病造成的殘障人也在每年增加，他們存在不同程度的能力喪失，如行走、視力、動(dòng)手及語(yǔ)言等1。因此，用智能輪椅來(lái)幫助殘疾人行走已經(jīng)成為一個(gè)熱門的研究。目前美國(guó)、法國(guó)、西班牙以及中國(guó)等國(guó)家都對(duì)智能輪椅開(kāi)展了不同程度的研究，以便智能輪椅擁有能夠自動(dòng)行走，記憶地圖，避免碰撞，與用戶交互和其他功能。綜上所述，智能輪椅的研究不僅能為殘障人士帶來(lái)極大的便利同時(shí)能帶動(dòng)材料科學(xué)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、仿

20、生學(xué)等等很多學(xué)科2。從大的層次來(lái)講，研究智能輪椅最主要依靠的就是機(jī)器人技術(shù)，首先我們來(lái)給機(jī)器人下個(gè)定義：機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置3。機(jī)器人技術(shù)作為二十一世紀(jì)非常重要的技術(shù)，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、基因技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一樣，屬于高新技術(shù)4。智能輪椅的基本結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)輪椅上加裝人機(jī)界面、控制軟件、控制桿以及各種傳感器。該傳感器可以分為紅外線傳感器、超聲波傳感器、用來(lái)代替人類感知功能的聲學(xué)傳感器等。超聲波及紅外線傳感器常用來(lái)探測(cè)障礙物體及不平整路面，因?yàn)槠淞畠r(jià)、高精度、外界環(huán)境影響小的特點(diǎn)越來(lái)越多地被用于智能輪椅的探索模塊。語(yǔ)音識(shí)別功能其實(shí)就是利用了

21、聲敏傳感器感知用戶聲音的原理再配上語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，控制裝置，就完成了！因?yàn)檎Z(yǔ)音控制系統(tǒng)可以解放雙手，單靠聲音就能達(dá)到控制的目的非常適合雙手殘疾的用戶，為智能輪椅開(kāi)辟了新的篇章。1.2 國(guó)內(nèi)外智能輪椅究現(xiàn)狀1986年，從英國(guó)研制出第一臺(tái)智能輪椅開(kāi)始，直到30年后的今天，智能輪椅的研究一直是津津樂(lè)道的話題?，F(xiàn)如今，智能輪椅主要作為醫(yī)療輔助工具融入了人們的生活?？偟膩?lái)說(shuō)，智能輪椅的研究發(fā)展國(guó)外比較迅速，其中以美國(guó)為最；我國(guó)的智能輪椅項(xiàng)目由于起步較晚因此暫時(shí)落后，但是經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力也取得了巨大的成功。1.2.1 國(guó)外智能輪椅研究現(xiàn)狀1989年法國(guó)開(kāi)始研究vahm項(xiàng)目，最初的智能輪椅由輪椅、pc4

22、86、超聲波傳感器、人機(jī)界面以及一個(gè)用于供用戶操作的人機(jī)界面組成如圖1-1所示1。此輪椅有三種模式。分別為：手動(dòng)、半自動(dòng)以及全自動(dòng)。當(dāng)切換為手動(dòng)模式時(shí)，用戶必須親自下達(dá)指令以及行動(dòng)任務(wù)。當(dāng)切換成半自動(dòng)時(shí)，用戶與輪椅直接分享控制，便于用戶及時(shí)糾正錯(cuò)誤，更好的完成下達(dá)的指令。更換全自動(dòng)模式下，用戶只需選定目標(biāo)，所有都由輪椅掌控，控制時(shí)此模式要求高度的準(zhǔn)確性，并因此不建議在復(fù)雜地形中使用。有人可能要問(wèn)，只能輪椅為什么要裝三種模式，這不是大大增加了制作的成本嗎？經(jīng)過(guò)相關(guān)人員的調(diào)查顯示，多功能控制是必須的。手動(dòng)模式有利于鍛煉用戶的手部肌肉，避免功能退化；半自動(dòng)模式能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低操作難度；全自

23、動(dòng)模式更是為雙手完全殘疾的用戶帶來(lái)了希望。圖 1-1 法國(guó)vahm智能輪椅西班牙slamo項(xiàng)目始于1996年，其目的是要解決基于用戶的個(gè)人需求和特殊要求的問(wèn)題,如圖1-2所示1。為了達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，專注于深入研究系統(tǒng)的模塊化和靈活性，同時(shí)也注重人性化設(shè)計(jì)等方面。例如，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和清晰的界面，重點(diǎn)是讓用戶能更容易地控制輪椅。在輪椅的行動(dòng)方面設(shè)計(jì)成前小后大四個(gè)輪子，保證了行進(jìn)的穩(wěn)定性與舒適性，另外前輪可以完成大范圍的轉(zhuǎn)彎，保證了輪椅入彎的靈活性。該系統(tǒng)由一個(gè)全面的環(huán)境感知系統(tǒng)，先進(jìn)的決策導(dǎo)航與控制子系統(tǒng)和人機(jī)界面的三個(gè)模塊組成。用戶可以通過(guò)語(yǔ)音控制、頭部運(yùn)動(dòng)、電眼法及操作桿控制，多渠道控制大大增強(qiáng)了

24、人機(jī)交互的效率，模塊化更是為將來(lái)的工業(yè)化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。圖1-2西班牙slamo輪椅21世紀(jì)的今天科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)了日新月異的變化。在高科技的推動(dòng)下，智能輪椅的研究也有了全新的改革。要說(shuō)先進(jìn)，那就不能不說(shuō)美國(guó)了。美國(guó)的ambient公司最近開(kāi)發(fā)出了一款高科技的智能輪椅，操作者根本不需要?jiǎng)邮只蛘邉?dòng)口只需在心中想一些關(guān)鍵詞就能夠指揮它行走。據(jù)報(bào)道，使用新的傳感器的輪椅，通過(guò)收集由喉嚨到大腦的神經(jīng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行工作。這個(gè)項(xiàng)目的成功為雙手殘疾、大腦麻痹等神經(jīng)問(wèn)題的病人帶來(lái)了巨大的突破。即便因?yàn)樽陨淼募膊〔荒芸刂谱约旱碾p手以及其他部分的肌肉，只要用戶能控制他們的喉部，哪怕無(wú)法發(fā)出連貫的聲音，都能自由控制輪椅來(lái)為

25、自己服務(wù)。ambient公司的產(chǎn)品是利用新型傳感器的典型例子。除了傳感器在其他方面智能輪椅也有了質(zhì)的飛躍。用人手推動(dòng)輪椅的劇情已經(jīng)成為過(guò)去，日本最近研發(fā)了一部可以跟隨人行走的輪椅。確保盡管是在人潮中老年人也不會(huì)走丟。這部由日本崎玉大學(xué)設(shè)計(jì)的智能輪椅通過(guò)一個(gè)安置在輪椅上的激光追蹤器感應(yīng)旁邊同行者或者看護(hù)人員行走的方向。只要看護(hù)人員走到哪里輪椅也會(huì)乖乖地跟著走動(dòng)。兩者無(wú)需任何身體接觸。此外，智能輪椅安裝了一組攝像機(jī)和激光測(cè)距儀，它能探知看護(hù)員或者前方障礙物的信息，以調(diào)整行走方向。日本的新型智能輪椅是在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊進(jìn)行了一次革新。從中可以看出智能輪椅的開(kāi)發(fā)潛力還是非常大的，只要有新的技術(shù)出現(xiàn)，

26、都有可能移植到智能能輪椅上。比如說(shuō)，可以在輪椅上安裝太陽(yáng)能電板，這樣不但延長(zhǎng)了輪椅戶外使用的時(shí)間，太陽(yáng)能清潔環(huán)保無(wú)污染，對(duì)保護(hù)環(huán)境也起到了非常積級(jí)的作用。在這個(gè)項(xiàng)目中，開(kāi)發(fā)了加裝移動(dòng)機(jī)械臂的新型智能輪椅，引導(dǎo)用戶完成取放物品、開(kāi)門、開(kāi)窗和其他簡(jiǎn)單任務(wù)。使老年人和殘疾人能更好地照顧好自己。1.2.2 國(guó)內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀智能輪椅項(xiàng)目在中國(guó)雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和探索也開(kāi)發(fā)出了自己的智能輪椅，并且接近了國(guó)外的先進(jìn)水平。中國(guó)自動(dòng)化研究所研制的機(jī)器人輪椅具有視覺(jué)和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交流。它的外觀與普通輪椅基本相同，但是自行研制了兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)輪，輪椅控制器，操作面板及控制桿；大容量的鉛酸

27、電池被布置輪椅座位能使輪椅運(yùn)動(dòng)更長(zhǎng)的時(shí)間。最新的成果比如圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別等也被應(yīng)用于智能輪椅中，使用戶能夠達(dá)到聲控智能輪椅的目的， voic是專為行動(dòng)不便的殘疾人設(shè)計(jì)的，通過(guò)控制智能輪椅的控制桿來(lái)實(shí)現(xiàn)自由行走的目的5。在語(yǔ)音控制的基礎(chǔ)上，中科院在系統(tǒng)控制方面也做出了創(chuàng)新用戶在不使用輪椅時(shí)可以通過(guò)遙控器將輪椅送到某一位置，而在需要使用時(shí)則可以通過(guò)遙控器將輪椅“召喚”到自己的身邊。這個(gè)系統(tǒng)具有手動(dòng)操作以及半自動(dòng)操作兩種模式，輪椅上設(shè)置有多個(gè)超聲傳感器，能夠探測(cè)前方物體的的距離并且自動(dòng)調(diào)度，避免出現(xiàn)碰撞或因?yàn)榧蓖６鴮?duì)用戶產(chǎn)生傷害的情況。輪椅使用的電池重量較輕，并可以靈活拆裝。在卸下電池

28、后，可以很方便的進(jìn)行折疊。1.3 智能輪椅加裝移動(dòng)機(jī)械臂智能輪椅加裝機(jī)械臂，可以說(shuō)是一個(gè)項(xiàng)需要多系統(tǒng)參與的工程。它所涉及許多方面的學(xué)科，比如說(shuō)：材料科學(xué)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。大的方面比如控制機(jī)械臂的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；小到選用合適的傳感器以及控制芯片的型號(hào)都需要我們認(rèn)真、仔細(xì)地研究。下面我們將對(duì)智能輪椅的工程制圖這一模塊進(jìn)行詳細(xì)的講解。1.3.1 mt-arm機(jī)械臂簡(jiǎn)介美國(guó) argonneoak ridge 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在20 世紀(jì) 40 年代開(kāi)發(fā)的能夠遠(yuǎn)程控制機(jī)器人來(lái)處理放射性材料，被譽(yù)為是機(jī)械臂的始祖。隨著時(shí)間的推移，機(jī)械臂在近

29、幾年得到了飛速發(fā)展。移動(dòng)機(jī)械臂項(xiàng)目的探索的實(shí)際上是研究mt-arm機(jī)械臂裝入移動(dòng)平臺(tái)上的工作能力。本課題研究的移動(dòng)機(jī)械臂其實(shí)就是裝載于移動(dòng)平臺(tái)上的mt-arm機(jī)械臂，目前絕大多數(shù)機(jī)器臂都是被安裝在固定在一個(gè)基座上的，它們只能在固定位置上操作，因而其應(yīng)用范圍多限于工業(yè)生產(chǎn)中的重復(fù)性工作6。如圖1-3所示它具有6個(gè)自由度以及6個(gè)關(guān)節(jié)分別為、仔細(xì)觀察我們可以看出機(jī)械臂的3個(gè)關(guān)節(jié)交于一個(gè)公共點(diǎn)，這樣做的好處是它有利于表示機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及逆運(yùn)動(dòng)的求解。通常情況下機(jī)械臂的設(shè)計(jì)都是基于最終的3個(gè)關(guān)節(jié)相交于一個(gè)共同的點(diǎn)的原則，大都采用6個(gè)自由度，且結(jié)構(gòu)變化不大，當(dāng)然也可以在此基礎(chǔ)上添加移動(dòng)平臺(tái)來(lái)提高機(jī)械

30、臂的工作能力，使原本固定的機(jī)械臂擁有移動(dòng)的能力。圖1-3 mt-arm機(jī)械臂的solidworks制圖1.3.2 安裝機(jī)械臂的智能輪椅圖解圖1-4 加裝機(jī)械臂的智能輪椅solidworks制圖如圖1-1.4所示，我們將mt-arm機(jī)械臂加裝到了智能輪椅上，將智能輪椅作為一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，利用機(jī)械臂來(lái)夾取物體，解決用戶的需求。智能輪椅由四個(gè)輪子支撐，后面兩個(gè)大的輪子為驅(qū)動(dòng)輪，輪子的直徑之所以設(shè)計(jì)的比較大為了提高輪椅運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，外圍包裹的橡膠層也能適當(dāng)?shù)仄鸬奖苷鹨约熬彌_的效果，提高了用戶使用的舒適性；從動(dòng)輪具有兩個(gè)非常靈活的關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)360的旋轉(zhuǎn)，保證拐彎時(shí)的流利順暢。當(dāng)然了，智能輪椅還配備了

31、能幫助殘疾人夾取物體的mt-arm機(jī)械臂以及可以控制機(jī)械臂的液晶屏有觸屏功能。智能輪椅的驅(qū)動(dòng)裝置位于座底，可以通過(guò)安裝鋰電池以及電動(dòng)機(jī)來(lái)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等等。由于篇幅的原因，不可能介紹的非常詳細(xì)，只能比較粗略地把關(guān)鍵部分展示給大家，希望能為大家了解智能輪椅的結(jié)構(gòu)與功能起到比較大的幫助。1.3.3 意義以及工業(yè)化生產(chǎn)憧憬由于機(jī)械臂的廣泛應(yīng)用，使得它對(duì)人類的生產(chǎn)生活做出了巨大的貢獻(xiàn)。在大多數(shù)情況下，使用機(jī)器人手臂完全可以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。比如說(shuō)在高危險(xiǎn)環(huán)境下工作（外太空以及深海等等）我們無(wú)需考慮生命保障或安全的需要；而且機(jī)械臂在大部分情況下的精確度以及穩(wěn)定性要比人類可靠得多這一特點(diǎn)在焊接以及汽車

32、制造業(yè)中表現(xiàn)得淋漓盡致。機(jī)械臂加裝智能輪椅可以說(shuō)是一次比較大膽的創(chuàng)新為雙手殘疾的患者帶來(lái)了新的希望。就目前來(lái)講這一課題的研究雖然比較熱門但還是處于起步階段這期間雖然也有不少佳作問(wèn)世然要想真正工業(yè)化量產(chǎn)至少還需要克服以下兩個(gè)難點(diǎn)：第一裝有機(jī)械臂的智能輪椅成本太高，一般的患者根本是可望而不可及所以如何在保證其功能的前提下節(jié)約成本成了研究人員今后需要認(rèn)真思考的問(wèn)題；第二雖然目前機(jī)械臂的研究取得了很大的突破，然而它的功能與人手相比終究還是有太多的局限性，所以怎樣在原有的基礎(chǔ)上增加機(jī)械臂的使用功能也成了值得深思的話題。總而言之，機(jī)械臂的研究不僅能促進(jìn)人類社會(huì)快速穩(wěn)定的發(fā)展而且還能為殘疾人帶去新的希望，我

33、們相信在不久的將來(lái)智能輪椅這四個(gè)字一定能夠真正地深入人心。1.4 課題的主要研究?jī)?nèi)容智能輪椅加裝的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，其中包括正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和工作空間研究分析，并建立該移動(dòng)機(jī)械臂正確的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案。本文主要從從機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析、matlab仿真以及智能輪椅簡(jiǎn)單的路徑規(guī)劃這三部分進(jìn)行了研究。本課題正文包括四章：第一章：緒論部分，著重介紹了研究該課題的背景及重要意義。首先分析了國(guó)內(nèi)外智能輪椅的研究現(xiàn)狀，接著又從對(duì)智能輪椅加裝機(jī)械臂這個(gè)角度分析了智能輪椅的發(fā)展趨勢(shì)以及未來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。第二章：仔細(xì)地介紹了關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的d-h法以及正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程，并且求得運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解方程。第三章：

34、使用d-h建模法來(lái)建立機(jī)械臂正確的數(shù)學(xué)模型。對(duì)加裝在移動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。第四章：使用基于 matlab軟件的機(jī)器人工具箱來(lái)模擬機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程，并且與之前計(jì)算過(guò)程相比較，從而證明之前計(jì)算所得正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程的正確性。最后，總結(jié)了本課題研究的mt-arm機(jī)械臂以及智能輪椅路徑規(guī)劃方面的一些結(jié)論以及不足之處，并且對(duì)智能輪椅日后工業(yè)化生產(chǎn)前景做了簡(jiǎn)單的分析也提出了接下來(lái)需要攻克的難點(diǎn)與要點(diǎn)。第2章 機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析在這個(gè)章節(jié)中我們將詳細(xì)講述機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。當(dāng)給定所有關(guān)節(jié)變量的值時(shí)，我們就可以用所學(xué)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)來(lái)計(jì)算得到機(jī)器人的末端位置結(jié)果；同理

35、如果給定機(jī)器人的末端位置，就需要我們用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)來(lái)得到方程的逆確定各個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)。具體的過(guò)程是先給被研究的機(jī)械臂指定一個(gè)參考坐標(biāo)系，然后，確定從一個(gè)關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)進(jìn)行變換7,最后使用d-h表示法來(lái)推導(dǎo)出機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并繪制出機(jī)器人的d-h參數(shù)表。2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模d-h模型具有簡(jiǎn)單、明了的特征，而且它還適用于任何其他坐標(biāo)系的變換如下文中提到的笛卡爾坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)等等。因此d-h建模法已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)的用來(lái)解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的建模方法。如圖2-1所示為一款普通機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的連桿示意圖，圖2-2為關(guān)節(jié)連桿用d-h表示法的示意圖7： 圖2-1轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連桿示意圖圖

36、2-2關(guān)節(jié)連桿d-h表示示意圖2.1.1 機(jī)器人坐標(biāo)系的建立如果我們想要確定機(jī)器人在空間的位姿狀態(tài)，那么我們就須要建立一個(gè)適當(dāng)?shù)目臻g坐標(biāo)系來(lái)確定機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的姿態(tài)以及位置。由于機(jī)器人有不同的構(gòu)型，所以為了使過(guò)程簡(jiǎn)化以及方便計(jì)算我們建立的坐標(biāo)系也要選取得當(dāng)。一般我們會(huì)選用以下4種坐標(biāo)：1.笛卡兒坐標(biāo)。這種坐標(biāo)又叫做直角坐標(biāo)適用于通過(guò)三個(gè)線性關(guān)節(jié)來(lái)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，也就是說(shuō)只能沿、軸運(yùn)動(dòng)，典型的例子就是ibm7565機(jī)器人。2.圓柱坐標(biāo)。這樣的坐標(biāo)系統(tǒng)最主要由兩個(gè)線性平移運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。比方說(shuō)先沿著軸運(yùn)動(dòng)然后再繞軸旋轉(zhuǎn)角，最后沿著軸移動(dòng)距離。3.球坐標(biāo)。這樣的坐標(biāo)系統(tǒng)主要包括了一個(gè)線性運(yùn)動(dòng)和

37、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它的運(yùn)動(dòng)順序可以分為為先沿著軸運(yùn)動(dòng)距離其次再繞軸旋轉(zhuǎn)角，最后沿軸旋轉(zhuǎn)角。4.鏈?zhǔn)阶鴺?biāo)。分別繞機(jī)器人手上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系、軸旋轉(zhuǎn)最為靈活多變，目前我們所接觸到的大都是多自由度的鏈?zhǔn)綑C(jī)器人。2.1.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的表示通常我們把被研究的機(jī)器人看作是由一系列的關(guān)節(jié)和連桿組成的機(jī)械。在分析問(wèn)題時(shí)我們通常會(huì)在每一個(gè)關(guān)節(jié)或者連桿上建立一個(gè)適當(dāng)?shù)膮⒖甲鴺?biāo)系，然后開(kāi)始從第一個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換到第二個(gè)關(guān)節(jié)，第二個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換到第三個(gè)關(guān)節(jié)等等以此類推直到最后一個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)進(jìn)行具體的分析，最后我們可以得到關(guān)于機(jī)器人的總體變換矩陣。基本上我們會(huì)把表述一個(gè)關(guān)節(jié)與下一個(gè)關(guān)節(jié)間的變換的矩陣記為。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)的意義就是表示第一

38、個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)于基座的位置,用來(lái)表示第二個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)于第一個(gè)關(guān)節(jié)的位置，第二個(gè)關(guān)節(jié)的表達(dá)式即為：以此類推，如果我們想要用來(lái)表示第四個(gè)關(guān)節(jié)的位置參數(shù)就可以列出這樣一個(gè)表達(dá)式：所以如果有有個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人最終表達(dá)式可以總結(jié)為： (2-1)本課題使用的移動(dòng)機(jī)械臂具有六個(gè)關(guān)節(jié)和六個(gè)自由度所以代入上面的公式可以得到： (2-2)可以用來(lái)表示所研究的機(jī)械臂的最終位姿的狀態(tài)。2.2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析關(guān)于移動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析最主要的內(nèi)容具體可以分為兩個(gè)部分：分別為正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程。上文中介紹的主要是一種廣義的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，移動(dòng)機(jī)械臂只是其中一個(gè)例子，所以這樣的方法依然能夠使用。由于本小節(jié)是課

39、題研究的重中之重，為了能讓讀者能夠比較清楚地認(rèn)識(shí)到正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的過(guò)程，我們將重點(diǎn)講解d-h建模法的具體分析過(guò)程以及正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)各個(gè)矩陣的具體變換過(guò)程。其最大的優(yōu)點(diǎn)是化繁為簡(jiǎn)，讓人更加簡(jiǎn)單易懂。2.2.1 denavit-hartenberg建模方法在具體求解機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題時(shí)，一開(kāi)始我們要對(duì)機(jī)械臂的每一個(gè)關(guān)節(jié)建立合適的坐標(biāo)系。以正運(yùn)動(dòng)為例：通常我們會(huì)用d-h（denavit-hartenberg）建模法來(lái)分析，它的主要優(yōu)點(diǎn)是能適用于任何機(jī)器人結(jié)構(gòu)，可以忽略機(jī)器人的復(fù)雜程度以及構(gòu)造次序。第一步我們要給機(jī)械臂的每一個(gè)關(guān)節(jié)制定一個(gè)正確合適的坐標(biāo)系，然后確定它從第一個(gè)關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)進(jìn)行變換

40、的具體步驟。我們以圖2-3為例說(shuō)明7。圖2-3 簡(jiǎn)單六個(gè)自由度機(jī)械臂參考坐標(biāo) 根據(jù)右手法則，在第一個(gè)關(guān)節(jié)處建立z0以及z1軸，從圖中可以看出z0以及z1軸共面，我們規(guī)定角表示繞z軸的旋轉(zhuǎn)角，比如說(shuō)圖中z0轉(zhuǎn)到z1的值為/2；d可以用來(lái)表示在z軸上相鄰兩條公垂線之間的的距離，如果相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的z軸是相交的，那么我們就可以得到這樣一個(gè)結(jié)論：它們之間就沒(méi)有公垂線；a表示每一條公垂線的長(zhǎng)度；習(xí)慣上我們用來(lái)表示相鄰的兩個(gè)z軸之間的角度，在通常的情況下只有和d是變量其他的都是常量。計(jì)算個(gè)關(guān)節(jié)變換的公式為：= 式中為的縮寫(xiě)，就是，n是指關(guān)節(jié)的數(shù)量。當(dāng)n取1代入上述公式可以得到：= 它的主要意義是可以用

41、來(lái)表達(dá)關(guān)于機(jī)械臂的關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2之間的具體變換過(guò)程。我們假設(shè)每個(gè)變換的定義為，那么我們就可以得到其他用來(lái)表示具體變化過(guò)程的矩陣。最后我們可以用以下公式來(lái)表示關(guān)于機(jī)械臂的底座和它的末端之間的具體變化過(guò)程為:=我們可以得到這個(gè)機(jī)械臂的d-h參數(shù)表如2.1所示：表2.1機(jī)械臂的d-h參數(shù)表關(guān)節(jié)序號(hào)/rad/mm/mm/rad1009020030040-90500906000從d-h參數(shù)表中將依次選的取參數(shù)代入上面的關(guān)節(jié)變換公式就可以得到到六個(gè)矩陣:在這里我們得到了6個(gè)方程，它們分別代表了機(jī)械臂位于我們所期望位置時(shí)的各個(gè)關(guān)節(jié)角度的值，然而需要注意的是這種方法只適用于最后三個(gè)關(guān)節(jié)交于一個(gè)公共點(diǎn)的機(jī)械臂，

42、否則就不能用這種方法求解，雖然有這種限制條件但是此方法還是適用于大部分的機(jī)械臂。將上述到六個(gè)矩陣相乘得到的可以用來(lái)描述機(jī)械臂最終位姿。在上式中我們得到了關(guān)于底座和末端執(zhí)行器之間的總變換過(guò)程，可以描述為：= (2-3)化為矩陣形式可以得到：為了方便書(shū)寫(xiě)，我們可以把上面的矩陣化成標(biāo)準(zhǔn)形式：在此給出到的計(jì)算方法，只需將展開(kāi)的矩陣中各項(xiàng)與標(biāo)準(zhǔn)形式各元素相對(duì)應(yīng)代入便可得到所求的值：另一個(gè)值 (2-4)已知就能求得以及的值求得： 另一個(gè)值 (2-5)可以進(jìn)一步求得： (2-6)因?yàn)橛袃蓚€(gè)解，所以的解也有兩個(gè)： (2-7)解得 最后求得、的值： (2-8) (2-9) (2-10)2.2.2 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)

43、分析求解有了上面例子的具體講解分析，我們現(xiàn)在可以對(duì)本課題所研究的移動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解。圖2-4 移動(dòng)機(jī)械臂設(shè)計(jì)圖如圖2-4我們基于solidworks制圖軟件畫(huà)出移動(dòng)機(jī)械臂的實(shí)物設(shè)計(jì)圖，我們可以在該機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)處建立坐標(biāo)系如圖2-5所示：圖2-5機(jī)械臂參考坐標(biāo)圖我們可以寫(xiě)出所研究的mt-arm機(jī)械臂的d-h參數(shù)表如2.2所示：表2.2 mt-arm機(jī)械臂的d-h參數(shù)表關(guān)節(jié)序號(hào)/rad/mm/mm/rad13000-902250090300-904350090500-90628000可以得到相鄰各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的變換矩陣為：從d-h參數(shù)表中選取各個(gè)參數(shù)代入所得的關(guān)節(jié)變換公式可以分別得到從

44、到六個(gè)矩陣:將上述到六個(gè)矩陣相乘為了簡(jiǎn)單書(shū)寫(xiě)我們寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)形式：2.2.3 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解的大致思路與例題差不多，都是用，使得表示機(jī)械臂的最后方程不再包括這個(gè)角度，得到式子： （2-11）將等式左邊的矩陣中的第一行第三列元素以及第一行第四列元素分別與右邊矩陣元素相對(duì)應(yīng)我們可以可以得到： （2-12）將式子(2-12)中下面的等式化簡(jiǎn)可得： （2-13）同理，根據(jù)式子（2-11）中左邊矩陣第二行第三列元素以及第二行第四列元素分別與右邊矩陣元素相對(duì)應(yīng)可以得到： （2-14）化簡(jiǎn)可得： (2-15) 根據(jù)式（2-11）中左邊矩陣第三行第三列和第三行第四列元素與右邊矩陣元素對(duì)應(yīng)

45、可得： （2-16）化簡(jiǎn)可得： （2-17）由(2-13)2+(2-15)2可以得到： （2-18)由（2-17）2可以得到： （2-19）由式子（2-18）、（2-19）可得： (2-20)設(shè): h= ， 所以（2-20）可以寫(xiě)成：h= (2-21)為了能夠方便地求出，我們加入一個(gè)中間變量，假設(shè)，則式子（2-21）可以化成：利用和差公式推導(dǎo)出： 最后求出的值： （2-22）從上式中可以看出的值可能有兩個(gè)，接下來(lái)由式子（2-17）可得： (2-23)可以看出對(duì)應(yīng)的、最多有四組解，利用這種方法，接下來(lái)可以求得剩余的關(guān)節(jié)變量角的值： (2-24) (2-25) (2-26)在此求得到的值，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

46、分析求解的整個(gè)步驟完結(jié)。2.3 d-h表示法的基本問(wèn)題通過(guò)使用d-h表示法能夠比較簡(jiǎn)單地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模與分析，就如同上文中對(duì)mt-arm機(jī)械臂進(jìn)行的分析求解過(guò)程一樣，用的就是這樣的方法。然而在現(xiàn)實(shí)生活中，使用d-h表示法卻會(huì)存在一定的誤差。2.3.1 d-h表示法存在的缺陷我們已經(jīng)知道，d-h表示法只能用來(lái)描述關(guān)于x軸以及z軸的運(yùn)動(dòng)，卻不能表示機(jī)器人在y軸上的運(yùn)動(dòng)。所以，只要機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)有了任何關(guān)于y軸方向上的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)方法就失效了。舉個(gè)例子，在安裝機(jī)器人關(guān)節(jié)的時(shí)候，有兩條關(guān)節(jié)軸存在一點(diǎn)偏移，導(dǎo)致兩條關(guān)節(jié)軸之間存在小的夾角。當(dāng)機(jī)器人處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，這個(gè)有缺陷的夾角就會(huì)引發(fā)關(guān)節(jié)在y軸

47、方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。而且在現(xiàn)實(shí)生活中，我們制造機(jī)器人的過(guò)程中也會(huì)有一定的誤差，很難保證兩條關(guān)節(jié)軸完全的平行，如果這個(gè)誤差真的很大我們不能忽略，那么我們也就不能用同樣的法來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析。2.3.2 解決方法為了解決上述問(wèn)題，我們要可以從一下幾點(diǎn)開(kāi)始做起。第一在設(shè)計(jì)機(jī)器人的時(shí)候，要考慮到這個(gè)偏移，盡可能地避免它，如果真的不可避免那就試試能不能再增加一個(gè)分量來(lái)抵消這個(gè)偏移。第二在安裝機(jī)器人的時(shí)候，一定要認(rèn)真仔細(xì)，螺絲不能有松動(dòng)，兩條關(guān)節(jié)軸之間不能存在小的夾角。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)要保持軸與軸之間的穩(wěn)定與平行，只有這樣才能讓y軸方向的運(yùn)動(dòng)降低到最小。當(dāng)然了，很多研究者也在試圖改進(jìn)d-h表示法來(lái)解決

48、這個(gè)問(wèn)題。嘗試著能不能在普通的d-h表示法中加入y軸的移動(dòng)來(lái)從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，如果能夠成功，加入了y軸運(yùn)動(dòng)的d-h表示法肯定會(huì)比原來(lái)更加繁瑣，所以有時(shí)候我們需要在精準(zhǔn)和方便兩個(gè)優(yōu)勢(shì)中進(jìn)行選擇。當(dāng)誤差不太大可以忽略時(shí)可以選擇原來(lái)的方法；如果誤差太大不能忽略時(shí)，那就只能選擇改進(jìn)后的d-h表示法了。第3章 智能輪椅的簡(jiǎn)單路徑規(guī)劃3.1引言上一章節(jié)中所講的運(yùn)動(dòng)控制模塊可以說(shuō)是最核心的部分同時(shí)也是課題研究的關(guān)鍵點(diǎn)。然而對(duì)于一臺(tái)智能輪椅來(lái)說(shuō)，各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)往往是需要各個(gè)模塊相互配合來(lái)完成的。接下來(lái)我們就要開(kāi)始討論關(guān)于智能輪椅的路徑規(guī)劃這一方面的內(nèi)容了。要路徑規(guī)劃這個(gè)模塊我們最常用的就是a*算法以及人工

49、勢(shì)場(chǎng)法8，而一輛智能輪椅要想真正稱得上是“智能”這兩個(gè)字，就必須擁有該功能。接下來(lái)的內(nèi)容我們將對(duì)這兩種方法做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，并且使用人工勢(shì)場(chǎng)法設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的路徑規(guī)劃方案。3.2智能輪椅路徑規(guī)劃模型f我們可以通過(guò)一個(gè)最簡(jiǎn)單的模型來(lái)分析智能輪椅完成路徑規(guī)劃的整個(gè)過(guò)程如圖3-1所示： d c點(diǎn)a點(diǎn) b點(diǎn) 圖3-1智能輪椅路徑規(guī)劃圖假設(shè)智能輪椅位于初始點(diǎn)a將要運(yùn)動(dòng)至目的地c，兩點(diǎn)之間有一堵墻為障礙物位于b點(diǎn)導(dǎo)致輪椅無(wú)法直線運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)，所以需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)穆窂揭?guī)劃。為了能夠更加出色地完成這一目標(biāo)，在智能輪椅上分別安裝了紅外線傳感器、靈敏的超聲波傳感器以及視覺(jué)攝像頭將會(huì)起到很大的作用。首先，由各個(gè)傳感器測(cè)出輪椅與障礙物b點(diǎn)之間的距離以及障礙物的大致形狀（為了方便計(jì)算，本課題中所設(shè)的障礙形狀均為規(guī)則的）。然后讓智能輪椅向前做直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)輪椅與障礙物之間的距離為d時(shí)，智能輪椅以角轉(zhuǎn)彎向上做直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)智能輪椅的邊緣距離障礙物側(cè)面為f時(shí)，馬上向右轉(zhuǎn)彎。接下來(lái)的路徑其實(shí)就是以上的對(duì)稱，最終智能輪椅繞過(guò)了障礙物b到達(dá)了目的地c點(diǎn)，而這一過(guò)程中的路程也可以比較簡(jiǎn)單的計(jì)算出來(lái)，其中f和d是為了保證智能輪椅能夠順利轉(zhuǎn)彎而預(yù)留的安全距離，可以根據(jù)輪椅大小的不同而自行調(diào)節(jié)。以上路徑規(guī)劃方法其實(shí)就是借鑒了a*算法的基本思想，接下來(lái)我們就來(lái)詳細(xì)介紹一下a*算法的大致內(nèi)容。3.3 a*算法與人工勢(shì)場(chǎng)法3.3.