【文章內(nèi)容簡介】 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 ，利用機(jī)械臂來夾取物體，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，智能輪椅還配備了能幫助殘疾人夾取物體的 MTARM 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，可以通過安裝鋰電 池以及電動(dòng)機(jī)來提供動(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。 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 。比如說在高危險(xiǎn)環(huán)境下工作（外太空以及深海等等）我們無需考慮生命保障或安全的需要；而xxxxxx 6 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是一次比較大膽的創(chuàng)新為雙手殘疾的患者帶來了新的希望。就目前來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)人類社會快速穩(wěn)定的發(fā)展而且還能為殘疾人帶去新的希望，我們相信在不久的將來智能輪椅這四個(gè)字一定能夠真正地深入人心。 課題的主要研究內(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。 首先分析了國內(nèi)外智能輪椅的研究現(xiàn)狀 ，接著又從 對智能輪椅加裝機(jī)械臂這 個(gè)角度 分析了 智能輪椅 的 發(fā)展趨勢以及未來工業(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 DH 法以及正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過程 ，并且求得 運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解方程 。 第三章： 使用 DH 建模 法來 建立機(jī)械臂 正確 的數(shù)學(xué)模型。對 加裝在移動(dòng)平臺上的機(jī)械臂的 正 逆 運(yùn)動(dòng)學(xué) 過程 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 來模擬機(jī)械臂 正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 過程，并且與之前計(jì)算過程相比較，從而證明之前計(jì)算所得 正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 過程 的正確性 。 最后， 總結(jié)了本課題研究的 MTARM 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，并且對智能輪椅日后工業(yè)化生產(chǎn)前景做了簡單的分析也提出了接下來需要攻克的難點(diǎn)與要點(diǎn) 。 xxxxxx 7 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)知識來 計(jì)算得到 機(jī)器人的末端位置 結(jié)果 ；同理如果給定機(jī)器人的末端位置， 就需要我們用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識來得到方程的逆確定各個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)。具體的 過程是先 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) 來進(jìn)行變換 [7],最后使用 DH 表示法來推導(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 DH 參數(shù)表。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 學(xué)建模 DH 模型具有 簡單、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 DH 建模法已經(jīng)成為了 一種標(biāo)準(zhǔn)的用來解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的建模方法 。 如圖 21 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 22 為關(guān)節(jié)連桿用 DH 表示 法的 示意圖 [7]： 圖 21轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連桿示意圖 xxxxxx 8 圖 22關(guān)節(jié)連桿 DH表示示意圖 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，所以為了使過程簡化以及方便計(jì)算我們建立的坐標(biāo)系也要選取得當(dāng)。一般我們會選用以下 4 種坐標(biāo)： 。這種坐標(biāo)又叫做直角坐標(biāo)適用于通過三個(gè)線性關(guān)節(jié)來運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，也就是說只能沿 x 、 y 、 z 軸運(yùn)動(dòng)，典型的例子就是 IBM7565 機(jī)器人。 。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 說先沿著 x 軸運(yùn)動(dòng) a 然后 再繞 z 軸旋轉(zhuǎn) ? 角，最后沿著 z 軸移動(dòng)距離 b 。 。這樣的 坐標(biāo)系統(tǒng) 主要包括了 一個(gè)線性運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它的運(yùn)動(dòng)順序 可以分為 為先沿 著 z 軸運(yùn)動(dòng)距離 c 其次 再繞 y 軸旋轉(zhuǎn) ? 角，最后沿 z 軸旋轉(zhuǎn) ? 角。 。分別繞機(jī)器人手上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 a 、 o 、 n 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。 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。在分析問題時(shí)我們通常會 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xxxxxx 9 換矩陣。 基本上我們會把表 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 A 。 舉個(gè)例子來說 1A 的意義就是 表示第一個(gè) 關(guān)節(jié)相對于基座 的位置 , 2A 用來 表示第二個(gè)關(guān)節(jié)相對于第一個(gè)關(guān)節(jié) 的位置， 第二個(gè)關(guān)節(jié)的表達(dá)式即為： 2 1 2T AA? 以此類推 ， 如果我們想要用 4A 來表示第四個(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： 43214 AAAAT ? 所以 如果有 有 n 個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人最終表達(dá)式 可以總結(jié) 為： nn AAAAT ...321? (21) 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 6?n 代入上面的公式可以得到： 6543216 AAAAAAT ? (22) 6T 可以 用來 表示 所研究的 機(jī)械臂的最終位姿 的狀態(tài) 。 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)是課題研究的重中之重，為了能讓讀者能夠比較清楚地認(rèn)識到正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的過程，我們將 重點(diǎn)講解 DH 建模法 的具體分析過程 以及正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)各 個(gè)矩陣的 具體 變換過程 。其最大的優(yōu)點(diǎn)是化繁為簡 ，讓人更加簡單易懂 。 DenavitHartenberg 建模方法 在具體求解機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題時(shí)，一開始我們要對機(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 用 DH（ DenavitHartenberg）建模法 來分析 ，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)來進(jìn)行變換的 具體 步驟。我們以圖23 為例說明 [7]。 xxxxxx 10 圖 23 簡單六個(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 圖中 z0轉(zhuǎn)到 z1的 ? 值為? /2； d 可以用來 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： 它們之間就沒有公垂線； a 表示每一條公垂線的長度； 習(xí)慣上我們用 ? 來 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： 1?nA =???????????????????????????????10000 11111111111111111nnnnnnnnnnnnnnnnndcssascccscasscsc?????????????? 式中 1?nc? 為 1cos ?n? 的縮寫 ， 1?ns? 就是 1sin ?n? ， 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： 32T = 2A =??????????????10000 22222222222222222dcssascccscasscsc?????????????? 它的主要意義是可以用來表達(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 變換過程。我們假設(shè) 每個(gè)變換 的 定義為 1?nA ，那么 我們就 可以得 到 其他 用來 表示 具體變化過程 的 A 矩陣。最后我們可以 用以下公式來表示關(guān)于 機(jī)械臂的 底座和它的 末端 之間的具體變化過程 為 : TnTTTT nRHR 132211 ... ?? = AnAAA ...321 我們可以得到這個(gè) 機(jī)械臂的 DH 參數(shù)表 如 所示 ： xxxxxx 11 表 DH參數(shù)表 關(guān)節(jié)序號 ? /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 從 DH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 1A 到 6A六個(gè)矩陣 : ??????????????10000010000011111????CSSCA???????????? ??1000010000222222222??????SaCSCaSCA ???????????? ??1000010000333333333??????SaCSCaSCA???????????????1000001000444444444??????SaCSCaSCA ??????????????10000010000055555????CSSCA???????????? ??10000100000066666????CSSCA 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，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 1A 到 6A 六個(gè)矩陣相乘得到的6543216 AAAAAAT ? 可以用來描述機(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程，可以描述為 ： TnTTTT nRHR 132211 ... ?? = 654321 AAAAAA (23) 化為矩陣形式可以得到 ： xxxxxx 12 ???????????????????????????????????