面向护理任务的大负载机械臂设计与主被动安全控制
发布时间：2021-04-14 16:01
随着社会老龄化日益加剧,护理人员数量严重不足,因此迫切需要研发能够替代或辅助医护人员完成老人护理工作的机器人。护理机器人与工业机器人不同,其工作环境是动态非结构化的护理环境,工作对象为失能的老人,因此护理机器人的环境感知能力、人机交互的可靠性及安全性成为了研究的难点和热点。基于此,本文研制了一种应用于护理场景下的六自由度机械臂,其结构紧凑、负载大,能够将瘫痪老人从病床上抱起,机械臂表面的皮肤具备触觉感知和接近觉感知功能,结合提出的主被动安全控制方法使得机器人能够安全、可靠地执行护理任务。针对瘫痪病人的搬运任务需求,确定大负载机械臂的构型和性能指标,提出一种基于多级减速的双自由度关节方案,并设计一种结构紧凑的六自由度机械臂,依据设计指标对关键零部件进行选型。建立大负载机械臂的运动学模型,并分析其可达操作空间。为了提高人机交互的安全性,设计一种具有触觉和接近觉感知功能的机械臂皮肤感知系统。分析不同类型的触觉传感器以及接近觉传感器特性并进行选型,依据传感器的工作特性,进行采集电路板的设计和性能测试。设计蜂窝结构的柔性皮肤基体,其不仅保护传感器,而且提高人机接触时舒适性和安全性。依据所设计的机...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“RI-MAN”机器人[10]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-日本理化研究所的OdashimaT等人研发出了一款名叫“RI-MAN”护理机器人，用来协助护理人员完成各种护理工作，其中包括将瘫痪病人从病床上抱起然后转移到轮椅上[10]，如图1-2所示。MukaiT等人在“RI-MAN”的基础上研制出外观设计更加友好的护理机器人“RIBA”，如图1-3所示，其外观像一只白色的北极熊，并且表面包覆的柔性皮肤在与患者接触时候能给人一种舒适安全感。“RIBA”机器人的每个机械臂有7个自由度，其关节采用了差速耦合驱动器机构，使得机械臂在尺寸较小的情况依然可以输出较大的力矩，机器人通过实际测试可以抬升起重达63kg的人。“RIBA”和“RI-MAN”机器人都可以通过融合音频和视频信息来实时搜索特定的人，并基于声音识别功能来理解人的语音。“RIBA”机器人表面包裹着一层触觉传感器，护士可以通过接触机器人表面指引机器人抱起病人的位置、方向和所需的运动速度[11]。图1-2“RI-MAN”机器人[10]图1-3“RIBA”机器人[11]日本早稻田大学IwataH等人研发的一种复杂的人类共生护理机器人“TWENDY-ONE”，具有能够与人友好交流，安全协助和灵巧操纵等功能，如图1-4所示。机器人的结构尺寸参照人体工程学进行设计，使得机器人具有人性化的外观，其每条机械臂都具有7个自由度，装在机械臂末端的机械手具有13个自由度，可以实现稳定抓取和灵巧地操作，使得“TWENDY-ONE”机器人能够在复杂护理环境下进行病人的护理工作。机器人的移动底盘采用全向轮设计，能够在房间进行任意方向运动，此外两自由度腰部关节的设计扩展了机械臂的工作范围，可以拾取到地板上的物体。“TWENDY-ONE”机器人手臂采用片簧和电磁制动系统组成的被动阻抗关节，使得机器人与护理环境中物体接触时产生顺应性，提高了执行任?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-部的后部以及前臂的外部区域都被具有高粘弹性的减震硅树脂材料覆盖，提高了接触的舒适性。机器人的眼睛周围和胸部等处带有LED指示器的机器人内部工作状态，并且可以通过外部传感器进行视觉识别，语音识别和指令生成。目前，“TWENDY-ONE”机器人可以实现多种护理工作，包括支撑病人站立，将病人安全转移到轮椅上，为病人送餐等复杂的护理任务[12]。a)支撑病人站起b)给病人送餐图1-4“TWENDY-ONE”机器人[12]韩国机械与材料研究所的Dong等人研发出了一种双臂“救援”机器人，如图1-5a)所示，目前主要用于战场或者灾区的各种救援活动，它的每一个机械臂有5个自由度，每条手臂能够承受40kg的载荷，其机械臂前三个关节都是电机，蜗轮齿轮和谐波减速器组成，如图1-5b)所示，该关节不仅可以产生较大的扭矩输出，同时因为蜗轮蜗杆传动的无反冲特性，即使由于意外故障而切断电源，机器人也可以稳定地支撑人体，保证了举起患者或重物的安全性[13]。a)机器人整体结构b)关节结构图1-5韩国双臂“救援”机器人及其关节的结构[13]
【参考文献】：
期刊论文
[1]护理机器人技术的研究和发展[J]. 施春迅,丁皓,刘浩宇,杨锦圆. 生物医学工程学进展. 2019(01)
[2]机器人安全性研究现状及发展趋势[J]. 赵京,张自强,郑强,陈殿生,桂顺. 北京航空航天大学学报. 2018(07)
[3]第二代FlightSense的ToF激光测距的工程设计考量[J]. 迎九. 电子产品世界. 2016(09)
[4]国内外饮食护理机器人的发展状况研究[J]. 张祥,喻洪流,雷毅,石萍. 中国康复医学杂志. 2015(06)
[5]六自由度工业机器人手臂正运动学分析与仿真[J]. 李宪华,郭永存,宋韬. 安徽理工大学学报(自然科学版). 2013(02)
[6]机器人在人机交互过程中的安全性研究进展[J]. 吴海彬,杨剑鸣. 中国安全科学学报. 2011(11)
[7]我国助老助残机器人产业与技术发展现状调研[J]. 邓志东,程振波. 机器人技术与应用. 2009(02)
[8]传染病院护士工作的压力分析[J]. 高旭珍. 中国伤残医学. 2008(04)
[9]新型机器人红外传感皮肤信号处理方法的研究[J]. 曹政才,付宜利,王树国,靳保,李恒民,王光国. 光学学报. 2006(05)
[10]触觉传感器述评[J]. 龚雪,张认成,张晓华,黄湘莹. 仪器仪表用户. 2005(05)
博士论文
[1]主从手映射下的机器人柔性电子皮肤全程感知方法研究[D]. 郭小辉.合肥工业大学 2018
硕士论文
[1]基于触觉的协作机器人安全技术研究[D]. 韩春燕.北京交通大学 2018
[2]全方位移动仿人护理机器人运动稳定性研究[D]. 邓利浩.天津工业大学 2016
[3]基于双目视觉的护理机器人抱取功能的实现[D]. 刘俊飞.南京理工大学 2012
本文编号：3137606
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“RI-MAN”机器人[10]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-日本理化研究所的OdashimaT等人研发出了一款名叫“RI-MAN”护理机器人，用来协助护理人员完成各种护理工作，其中包括将瘫痪病人从病床上抱起然后转移到轮椅上[10]，如图1-2所示。MukaiT等人在“RI-MAN”的基础上研制出外观设计更加友好的护理机器人“RIBA”，如图1-3所示，其外观像一只白色的北极熊，并且表面包覆的柔性皮肤在与患者接触时候能给人一种舒适安全感。“RIBA”机器人的每个机械臂有7个自由度，其关节采用了差速耦合驱动器机构，使得机械臂在尺寸较小的情况依然可以输出较大的力矩，机器人通过实际测试可以抬升起重达63kg的人。“RIBA”和“RI-MAN”机器人都可以通过融合音频和视频信息来实时搜索特定的人，并基于声音识别功能来理解人的语音。“RIBA”机器人表面包裹着一层触觉传感器，护士可以通过接触机器人表面指引机器人抱起病人的位置、方向和所需的运动速度[11]。图1-2“RI-MAN”机器人[10]图1-3“RIBA”机器人[11]日本早稻田大学IwataH等人研发的一种复杂的人类共生护理机器人“TWENDY-ONE”，具有能够与人友好交流，安全协助和灵巧操纵等功能，如图1-4所示。机器人的结构尺寸参照人体工程学进行设计，使得机器人具有人性化的外观，其每条机械臂都具有7个自由度，装在机械臂末端的机械手具有13个自由度，可以实现稳定抓取和灵巧地操作，使得“TWENDY-ONE”机器人能够在复杂护理环境下进行病人的护理工作。机器人的移动底盘采用全向轮设计，能够在房间进行任意方向运动，此外两自由度腰部关节的设计扩展了机械臂的工作范围，可以拾取到地板上的物体。“TWENDY-ONE”机器人手臂采用片簧和电磁制动系统组成的被动阻抗关节，使得机器人与护理环境中物体接触时产生顺应性，提高了执行任?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-部的后部以及前臂的外部区域都被具有高粘弹性的减震硅树脂材料覆盖，提高了接触的舒适性。机器人的眼睛周围和胸部等处带有LED指示器的机器人内部工作状态，并且可以通过外部传感器进行视觉识别，语音识别和指令生成。目前，“TWENDY-ONE”机器人可以实现多种护理工作，包括支撑病人站立，将病人安全转移到轮椅上，为病人送餐等复杂的护理任务[12]。a)支撑病人站起b)给病人送餐图1-4“TWENDY-ONE”机器人[12]韩国机械与材料研究所的Dong等人研发出了一种双臂“救援”机器人，如图1-5a)所示，目前主要用于战场或者灾区的各种救援活动，它的每一个机械臂有5个自由度，每条手臂能够承受40kg的载荷，其机械臂前三个关节都是电机，蜗轮齿轮和谐波减速器组成，如图1-5b)所示，该关节不仅可以产生较大的扭矩输出，同时因为蜗轮蜗杆传动的无反冲特性，即使由于意外故障而切断电源，机器人也可以稳定地支撑人体，保证了举起患者或重物的安全性[13]。a)机器人整体结构b)关节结构图1-5韩国双臂“救援”机器人及其关节的结构[13]
【参考文献】：
期刊论文
[1]护理机器人技术的研究和发展[J]. 施春迅,丁皓,刘浩宇,杨锦圆. 生物医学工程学进展. 2019(01)
[2]机器人安全性研究现状及发展趋势[J]. 赵京,张自强,郑强,陈殿生,桂顺. 北京航空航天大学学报. 2018(07)
[3]第二代FlightSense的ToF激光测距的工程设计考量[J]. 迎九. 电子产品世界. 2016(09)
[4]国内外饮食护理机器人的发展状况研究[J]. 张祥,喻洪流,雷毅,石萍. 中国康复医学杂志. 2015(06)
[5]六自由度工业机器人手臂正运动学分析与仿真[J]. 李宪华,郭永存,宋韬. 安徽理工大学学报(自然科学版). 2013(02)
[6]机器人在人机交互过程中的安全性研究进展[J]. 吴海彬,杨剑鸣. 中国安全科学学报. 2011(11)
[7]我国助老助残机器人产业与技术发展现状调研[J]. 邓志东,程振波. 机器人技术与应用. 2009(02)
[8]传染病院护士工作的压力分析[J]. 高旭珍. 中国伤残医学. 2008(04)
[9]新型机器人红外传感皮肤信号处理方法的研究[J]. 曹政才,付宜利,王树国,靳保,李恒民,王光国. 光学学报. 2006(05)
[10]触觉传感器述评[J]. 龚雪,张认成,张晓华,黄湘莹. 仪器仪表用户. 2005(05)
博士论文
[1]主从手映射下的机器人柔性电子皮肤全程感知方法研究[D]. 郭小辉.合肥工业大学 2018
硕士论文
[1]基于触觉的协作机器人安全技术研究[D]. 韩春燕.北京交通大学 2018
[2]全方位移动仿人护理机器人运动稳定性研究[D]. 邓利浩.天津工业大学 2016
[3]基于双目视觉的护理机器人抱取功能的实现[D]. 刘俊飞.南京理工大学 2012
本文编号：3137606
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3137606.html
