中医按摩机器人双臂协调控制系统研究

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随着社会的飞速发展和人们生活水平的不断提高,老年人口在我国总人口中所占的比例越来越大,截至2012年底,中国老年人口数量已达到1.94亿,占总人口的14.3%,人口老龄化问题已成为我国社会发展面临的突出问题之一。针对日益增多的老年人对康复护理服务的急迫需求,国家在“十一五规划”中对助老助残系列“服务机器人”进行了立项,中医按摩机器人便是其中的一种。它是以中医推拿技术为理论指导,为治疗中老年人腰腿部退行性病变而专门开发的康复理疗设备。中医按摩机器人投入临床应用,可以在一定程度上缓解我国人口老龄化造成的服务资源短缺问题。按摩机器人采用双臂结构,对增加按摩手法,丰富按摩形式,提升按摩效果等各方面都有重要意义。对双臂协调控制问题的研究,可以保证控制系统的运行更加安全、平稳、智能。开发的第一代中医按摩机器人双臂控制间尚存在一些问题待解决,针对这一问题本文展开了深入研究。本文首先对约束条件下按摩双臂的运动学问题分析,随后采用C空间法和A*搜索算法,完成了机械臂的路径规划。通过对按摩手法建模和分析,制定了双臂协调控制系统的方案。在第一代中医按摩机器人运动控制系统的基础上,完成了按摩机器人双臂协调控制系统的设计。设计的系统可以协调实现双臂在执行按摩手法前的穴位定位工作,也可以控制按摩双臂无碰撞的执行掌按、指按、叩击、震动、热敷5种中医疗法。本文主要研究内容如下:1、介绍了中医按摩机器人的研究概况和总体结构,对按摩机器人总控系统的各功能模块进行了阐述。2、对按摩双臂进行运动学分析,完成了约束条件下双臂的运动学正逆解的计算。根据按摩机器人的机械结构及参数,利用D-H建模法,为两支机械臂建立了D-H坐标系,求取了机械臂的D-H参数,解决了机械臂的正逆运动学问题。采用“包围盒”的方法为机械臂建立简化模型,通过计算两支机械臂模型各连杆之间的距离,检测双臂是否发生碰撞,然后对所求的运动学逆解进行取舍优化,得出了约束条件下双臂的运动学逆解。3、为机械臂建C空间,采用A*搜索算法,完成了机械臂的路径规划问题,用MATLAB对结果进行了仿真。分析了按摩机器人双臂的运动特点,将双臂间的协调控制问题转换为双臂的路径规划问题。将双臂按照运动优先级划分为甲臂和乙臂,首先规划好运动优先级高的机械臂(甲臂)的路径,随后为另一只机械臂(乙臂)建立C空间,把甲臂映射到乙臂中形成障碍物空间,采用A搜索算法在乙臂的自由空间中搜索一条最优路径,对所设计的路径规划方法进行了程序的实现,最后对双臂的协调运动过程进行了MATLAB仿真。4、完成了按摩机器人双臂协调控制系统的设计。综合上文所做的运动学分析和路径规划研究,通过对按摩机器人各种按摩手法的建模与分析,完成了中医按摩机器人双臂协调控制系统的设计。最后对按摩流程中上位机的相关界面进行了展示。5、针对本文所做的关于按摩机器人双臂协调控制系统的研究工作进行了总结,列出了研究中有待改进的方面,对中医按摩机器人等康复理疗型服务机器人的未来发展进行了展望。
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