智能轮椅上的机械手运动学分析及轨迹规划.pdf

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1、第27卷第12期2010年12月计算机应用研究ApplicationResearchofComputersVoL27No．12Dec．2010智能轮椅上的机械手运动学分析及轨迹规划张毅，吴育理，罗元(重庆邮电大学智能系统及机器人研究所，重庆400065)摘要：装备了机械手臂的智能轮椅在助老、助残、辅助康复等方面都有重要的研究价值。对装备于智能轮椅的四自由度机械手臂运动学分析以及轨迹规划进行了研究，为机械手臂自主抓取建立了数学模型和理论依据，运用D—H法建立了机器人的运动学方程。提出了基于目标函数的最小功率法，在逆解存在多组解的情况下，选取节约能量的一组

2、解，从而节约了能量。通过仿真实验验证了算法的有效性，为以后的轨迹优化、无碰撞轨迹规划建立基础。关键词：智能轮椅；四自由度机械手臂；运动学；工作空间；轨迹规划中图分类号：TP242．6文献标志码：A文章编号：1001．3695(20lo)12．4578．04doi：12．3969／j．issn．1001-3695．2010．12．053KinematicsanalysisandtrajectoryplanningforarmequippedonintelligentwheelchairZHANGYi，WUYu-li，LUOYuan(ResearchCen

3、terofIntelligentSystem＆Robotic，ChongqingUniversityofPosts＆Telecommunications，Chongqing400065，China)Abstract：Thegrillequippedontheintelligentwheelchairhasfillimportantresearchvalueinmodernseeiety．such8．8helptheelder，disabled，rehabilitation．11lispaperresearchedKinematicsanalysisan

4、dtrajectoryplanningforfourDOFarmequippedonintelligentwheelchair．builtmathematicalmodelandtheoreticalbasisforautomaticgraspofal'in．UsedD．Hmethodto睁tablishtherobot’8kinematicsequationandproposedaHovelminimumpowermethodofobiectivefuncfiontochooseagroupofthesavingenergywithintheinve

5、rseexistingmultiplesolutions．Experimentsresultsshowtheeffectivenessoftllealgorithmanditestablishesabasisofthefuturetrajectoryoptimization。collision-freetrajectoryplanning．Keywords：intelligentwheelchair；fourDOFarm；kinematics；workspace；trajectoryplanning0引言为了给老年人和残障人士提供性能优越的操作工具，帮

6、助他们提高行动自由度，目前许多国家对智能轮椅进行了研究uj。在智能轮椅上加装机械手臂能够抓取物体，实现开冰箱、开门等一些任务，装备轮椅的机械手臂较传统的机械手臂具有重量轻、运动平滑、易控制等特点。考虑到机械臂的重量和工作空间选取4自由度机械手臂。运动学是机械手臂控制的研究基础，研究方法主要有图解法，利用矢量分析、矩阵和二元数等数学工具的解析法，Denavit和Haxtenberg提出使用标准矩阵表示法来表达任意空间机构的运动方程口1，该方法经过Paul等人的适当修正后¨J，被广泛应用于机器人机构的运动学问题。目前机械手臂还大多停留在示教一再现阶段，具有

7、单一的控制命令，这样就会使机械手臂失去环境适应性，错误的操作会带来严重的后果。本文通过外部传感器得出目标物体的位置信息，由逆运动学求解得出机械手的关节变量，控制舵机角度，从而实现准确抓取。然而逆解有可能存在多组解的情况，如何选取最优解就是一个很重要的问题。提出了一个基于目标函数的最小功率法选取逆解值，设定目标函数，把计算的关节角度带入目标函数，值最小的就是最优的关节角度，有效节约了能量消耗。1运动学数学模型建立研究的机械手由四个选择关节和四根连杆组成，根据D-H表示法，给四自由度串联机械手建立连杆坐标系。如图1所示，并填写机器人各关节的D-H参数表，如

8、表l所示。¨2警’墨I}弋当墨I五一I一■j。<夕一／一x。五图1四自由度机械手的简化线图表1