置于姿态可调轮椅座椅上的五自由度机械臂设计
发布时间：2021-02-02 14:55
随着助老助残机器人技术的不断发展,老年人和肢体障碍患者的生活质量明显提高。但是,由于现如今大多数机器人安装在固定位置,这就导致它的服务范围有限。为了解决这一问题,本课题设计了一款置于座椅位姿可调轮椅上的服务机械臂,该机械臂将轮椅的移动性、轮椅座椅位姿的可调性与机械臂的灵活性紧密结合起来,保证肢体障碍患者在无人看护的情况下也能完成一定的日常操作,课题的具体研究内容如下:1.根据轮椅用机械臂的设计准则确定了机械臂的自由度数和关节机构构型,并利用UG软件建立机械臂的虚拟样机。建立轮椅机械臂的运动学模型,根据D-H法得到机械臂的运动学正逆解,并用矢量积分法推导出机械臂的雅克比矩阵,基于蒙特卡洛法分析了轮椅机械臂的工作空间。2.将座椅具有调角和调高两种功能的轮椅简化为3自由度机构,建立了轮椅机械臂系统的运动学模型;并利用齐次变换矩阵和D-H参数法相结合的方式推导出了座椅两种调姿状态下轮椅机械臂系统的运动学方程;之后对此冗余轮椅机械臂系统的运动学逆解进行仿真验证。3.对机械臂进行受力分析。根据机械臂连杆间力的传递关系及达朗贝尔原理推导出机械臂的静力学及动态静力学方程,并求解出在不同工况下机械臂各关...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国残疾人口按类分布图
置于姿态可调轮椅座椅上的五自由度机械臂设计2现如今助老/助残机器人已发展到如辅助腿脚不便人群出行的智能轮椅产品；帮助患慢性病老年人、生活不能自理病人的护理床产品；帮助残障人士及肢体退化老年人进行康复训练的康复臂等多种类型的机器人。而本课题开发一款安装于座椅位姿可调轮椅上的机械臂，它能够代替人手完成一些常见的日常动作，如吃饭、喝水、开门等，而基于轮椅座椅位姿的可调性，机械臂的运动范围也得到了极大的提高。综合以上分析，再结合目前轮椅用机械臂的研究现状及机器人相关理论，对这种安装于座椅位姿可调轮椅上的机械臂的技术研究具有巨大的社会意义和经济价值，应用前景广阔。1.2国内外轮椅机器人研究现状轮椅机器人的设计目的是将辅助机械臂安装于轮椅一侧，用于帮助残疾人和老年人移动，而机械臂可以代替人手辅助轮椅乘坐者完成一些日常生活中基本的取物类动作，提高他们的生活自理能力，鉴于它巨大的实用价值，国内外很多学者对这种基于移动平台的机器人进行了相关研究。区别于固定基座的机械臂，轮椅机械臂结合了移动平台和多自由度机械臂的双重优点，既可以像移动机器人那样在一个更广阔的空间内活动，又可以灵活地进行取物操作。这种基于移动平台的机器人虽然优点众多，但是由于其自身结构的复杂性以及较高的人机交互性，给相关研究人员带来了很大的挑战。针对轮椅机器人的研究，欧美国家的研究起步较早，早在上个世纪六十年代就出现了第一台轮椅机器人CASE[5]，之后就展开了关于轮椅机器人的大量研究。（a）（b）（c）图1.2Manus机械臂及其应用在众多研究中，较为成功的有荷兰ExactDynamics公司研制的Manus机械臂[6]，如图1.2(a)所示，该机械臂共有7个自由度，包括6自由度的臂身旋转关节和1个自
河北工业大学硕士学位论文3由度的末端执行器，此机械臂机构紧凑、运动灵活，手臂单元整体重量仅为13公斤，臂展长度能够达到900mm，它安装在一个可旋转伸缩的手臂基座上并由电机驱动，传动系统由多重带传动和多重锥齿轮传动组成，末端执行器为腱绳驱动的两指手系统。由于Manus机械臂出色的可移植性，因此被应用到多款轮椅机器人中,如图1.2(b)、(c)所示，Manus机械臂可以代替人手完成关灯、倒水等操作。西班牙马德里卡洛斯III大学研发的Mats[7]轮椅机械臂，如图1.3所示，该轮椅机械臂具有5个自由度，重量仅为11公斤，但是臂展能够达到1.3m。该机械臂的自主性良好，仅需电源供电。此外该机械臂安装在一个半环性导轨上，可以根据需要来充当人体的左右手臂。图1.3Mats机械臂JACO[8]机械臂是加拿大Kinova公司研制的一款轮椅用机械臂产品，如图1.4所示。图1.4JACO机械臂该机械臂是六自由度的串联机械臂，末端执行器为一款具有三根手指的多自由度
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国人口老龄化的特征趋势及对经济增长的潜在影响[J]. 郑伟,林山君,陈凯. 数量经济技术经济研究. 2014(08)
[2]基于主成分分析法的机械臂运动灵活性性能综合评价[J]. 赵京,李立明,尚红,胡卫建. 机械工程学报. 2014(13)
[3]腱传动仿人手指机构的设计与分析[J]. 卜夺夺,周建军,马天文. 机电工程. 2012(03)
[4]真空机器人轨迹规划研究[J]. 邹风山,曲道奎,徐方. 组合机床与自动化加工技术. 2011(10)
[5]轮腿式移动机器人越障运动学建模与仿真[J]. 刘佳,李春书,许丽华,尹淑彦. 机械设计. 2011(08)
[6]装备机械臂的智能轮椅研究[J]. 杨军,陈卫东,王景川,高雪官,顿向明. 上海电机学院学报. 2008(02)
[7]作业型助老/助残机器人系统的研究[J]. 姚玉峰,王展,周磊. 机械设计. 2008(02)
[8]空间3R机器人工作空间分析[J]. 徐文福,李立涛,梁斌,李成,强文义. 宇航学报. 2007(05)
[9]6自由度水下机器人动力学分析与运动控制[J]. 边宇枢,高志慧,贠超. 机械工程学报. 2007(07)
[10]六自由度Stewart平台四维工作空间搜索方法[J]. 傅绍文,姚郁. 哈尔滨工业大学学报. 2007(01)
博士论文
[1]两栖仿生机器蟹模型建立与步行足协调控制技术研究[D]. 王立权.哈尔滨工程大学 2003
硕士论文
[1]面向任务的助老助残智能轮椅机器人运动规划[D]. 刘忠贺.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于NX的爬楼轮椅虚拟样机仿真分析[D]. 武凯.河北工业大学 2016
[3]六自由度机械臂关节模块化技术研究[D]. 强欢.北京理工大学 2015
[4]三分支机器人模块化关节的设计[D]. 何永强.北京邮电大学 2011
[5]基于欠驱动机构的仿人机器人手爪研究[D]. 李涛.中国科学技术大学 2009
[6]助老助残智能轮椅机械臂的研究[D]. 王展.哈尔滨工业大学 2008
[7]钱江一号焊接机器人运动学研究及仿真分析[D]. 程永伦.浙江大学 2008
本文编号：3014885
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国残疾人口按类分布图
置于姿态可调轮椅座椅上的五自由度机械臂设计2现如今助老/助残机器人已发展到如辅助腿脚不便人群出行的智能轮椅产品；帮助患慢性病老年人、生活不能自理病人的护理床产品；帮助残障人士及肢体退化老年人进行康复训练的康复臂等多种类型的机器人。而本课题开发一款安装于座椅位姿可调轮椅上的机械臂，它能够代替人手完成一些常见的日常动作，如吃饭、喝水、开门等，而基于轮椅座椅位姿的可调性，机械臂的运动范围也得到了极大的提高。综合以上分析，再结合目前轮椅用机械臂的研究现状及机器人相关理论，对这种安装于座椅位姿可调轮椅上的机械臂的技术研究具有巨大的社会意义和经济价值，应用前景广阔。1.2国内外轮椅机器人研究现状轮椅机器人的设计目的是将辅助机械臂安装于轮椅一侧，用于帮助残疾人和老年人移动，而机械臂可以代替人手辅助轮椅乘坐者完成一些日常生活中基本的取物类动作，提高他们的生活自理能力，鉴于它巨大的实用价值，国内外很多学者对这种基于移动平台的机器人进行了相关研究。区别于固定基座的机械臂，轮椅机械臂结合了移动平台和多自由度机械臂的双重优点，既可以像移动机器人那样在一个更广阔的空间内活动，又可以灵活地进行取物操作。这种基于移动平台的机器人虽然优点众多，但是由于其自身结构的复杂性以及较高的人机交互性，给相关研究人员带来了很大的挑战。针对轮椅机器人的研究，欧美国家的研究起步较早，早在上个世纪六十年代就出现了第一台轮椅机器人CASE[5]，之后就展开了关于轮椅机器人的大量研究。（a）（b）（c）图1.2Manus机械臂及其应用在众多研究中，较为成功的有荷兰ExactDynamics公司研制的Manus机械臂[6]，如图1.2(a)所示，该机械臂共有7个自由度，包括6自由度的臂身旋转关节和1个自
河北工业大学硕士学位论文3由度的末端执行器，此机械臂机构紧凑、运动灵活，手臂单元整体重量仅为13公斤，臂展长度能够达到900mm，它安装在一个可旋转伸缩的手臂基座上并由电机驱动，传动系统由多重带传动和多重锥齿轮传动组成，末端执行器为腱绳驱动的两指手系统。由于Manus机械臂出色的可移植性，因此被应用到多款轮椅机器人中,如图1.2(b)、(c)所示，Manus机械臂可以代替人手完成关灯、倒水等操作。西班牙马德里卡洛斯III大学研发的Mats[7]轮椅机械臂，如图1.3所示，该轮椅机械臂具有5个自由度，重量仅为11公斤，但是臂展能够达到1.3m。该机械臂的自主性良好，仅需电源供电。此外该机械臂安装在一个半环性导轨上，可以根据需要来充当人体的左右手臂。图1.3Mats机械臂JACO[8]机械臂是加拿大Kinova公司研制的一款轮椅用机械臂产品，如图1.4所示。图1.4JACO机械臂该机械臂是六自由度的串联机械臂，末端执行器为一款具有三根手指的多自由度
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国人口老龄化的特征趋势及对经济增长的潜在影响[J]. 郑伟,林山君,陈凯. 数量经济技术经济研究. 2014(08)
[2]基于主成分分析法的机械臂运动灵活性性能综合评价[J]. 赵京,李立明,尚红,胡卫建. 机械工程学报. 2014(13)
[3]腱传动仿人手指机构的设计与分析[J]. 卜夺夺,周建军,马天文. 机电工程. 2012(03)
[4]真空机器人轨迹规划研究[J]. 邹风山,曲道奎,徐方. 组合机床与自动化加工技术. 2011(10)
[5]轮腿式移动机器人越障运动学建模与仿真[J]. 刘佳,李春书,许丽华,尹淑彦. 机械设计. 2011(08)
[6]装备机械臂的智能轮椅研究[J]. 杨军,陈卫东,王景川,高雪官,顿向明. 上海电机学院学报. 2008(02)
[7]作业型助老/助残机器人系统的研究[J]. 姚玉峰,王展,周磊. 机械设计. 2008(02)
[8]空间3R机器人工作空间分析[J]. 徐文福,李立涛,梁斌,李成,强文义. 宇航学报. 2007(05)
[9]6自由度水下机器人动力学分析与运动控制[J]. 边宇枢,高志慧,贠超. 机械工程学报. 2007(07)
[10]六自由度Stewart平台四维工作空间搜索方法[J]. 傅绍文,姚郁. 哈尔滨工业大学学报. 2007(01)
博士论文
[1]两栖仿生机器蟹模型建立与步行足协调控制技术研究[D]. 王立权.哈尔滨工程大学 2003
硕士论文
[1]面向任务的助老助残智能轮椅机器人运动规划[D]. 刘忠贺.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于NX的爬楼轮椅虚拟样机仿真分析[D]. 武凯.河北工业大学 2016
[3]六自由度机械臂关节模块化技术研究[D]. 强欢.北京理工大学 2015
[4]三分支机器人模块化关节的设计[D]. 何永强.北京邮电大学 2011
[5]基于欠驱动机构的仿人机器人手爪研究[D]. 李涛.中国科学技术大学 2009
[6]助老助残智能轮椅机械臂的研究[D]. 王展.哈尔滨工业大学 2008
[7]钱江一号焊接机器人运动学研究及仿真分析[D]. 程永伦.浙江大学 2008
本文编号：3014885
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