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一種視動融合的輪椅機械手控制系統研究

添加時間:2021/11/29 來源:未知 作者:樂楓
本文針對老年人和殘疾人中肢體殘疾程度較高的人群,研究設計了一 種輪椅機械手控制系統,能夠輔助他們完成日常生活中簡單的任務操作,達到幫助他們提高自理能力的目的。
以下為本篇論文正文:

  摘 要

  隨著社會的發展,世界各國的人口老齡化問題日益嚴重,而由于各種疾病或事故造成的肢體殘疾,喪失基本的獨立生活能力的殘疾人數量也在不斷增加,因此,老年人和殘疾人的人口數量越來越多,對他們的護理工作給家庭和社會都造成了巨大的負擔。同 時伴隨著科技的進步,關于助老助殘機器人技術方面的研究也日漸突出,并且也越來越多樣化和智能化。本文針對老年人和殘疾人中肢體殘疾程度較高的人群,研究設計了一 種輪椅機械手控制系統,能夠輔助他們完成日常生活中簡單的任務操作,達到幫助他們提高自理能力的目的。

  首先,研究設計了一種繩傳動機械臂的結構并安裝在輪椅移動平臺上,完成輪椅機械手結構的搭建。通過對套索式柔性繩傳動方式的研究,設計了機械臂的關節結構和對應的驅動機構,這使得機械臂關節的驅動電機可以在臂體之外利用繩傳動的原理實現驅動動力的傳遞,從而大大減輕了機械臂的自身重量,增加了操作的靈活性。

  然后,根據輪椅機械手系統的結構形式進行運動學建模分析?紤]到輪椅機械手系 統在結構上的運動特性,基于旋量理論對輪椅機械手系統建立統一的運動學模型,并完 成輪椅機械手的正逆運動學的建模和求解;同時針對輪椅機械手的結構推導對應的雅克比矩陣,針對機械臂的結構進行運動學的仿真和工作空間的分析,為輪椅機械手的運動控制奠定基礎。

  其次,針對輪椅機械手系統的目標任務,研究設計輪椅機械手對應的運動控制系統,主要由上位機、控制器、驅動器等硬件以及開發的控制程序等軟件組成。輪椅機械手系統通過將人體生物視覺與機器視覺進行結合完成對空間目標物體的發現識別與定位,進 而實現對輪椅機械手進行目標操作任務的運動控制;并且基于程序開發環境 Qt Creator 和 LabVIEW 研究設計輪椅機械手的控制系統,同時制定控制結構層級之間的通信協議,實現控制數據的通訊傳輸,從而完成對輪椅機械手系統的整體運動控制。

  最后,根據研究設計的輪椅機械手系統完成實驗驗證與分析。通過設計針對輪椅機械手系統結構的實驗以及針對輪椅機械手機器視覺系統的目標定位操作過程和人機交互系統運動控制過程的實驗,對輪椅機械手控制系統的綜合性能進行相應的實驗驗證。

  實驗結果表明輪椅機械手能夠完成目標操作的要求,可以實現助老助殘的任務功能。

  關鍵詞:輪椅機械手;繩傳動;人機交互;機器視覺;運動控制

  Abstract

  With the development of the society, the problem of the aging population around the world is becoming more and more serious, and the number of the disabled who have lost their basic independent living capacity is increasing due to physical disabilities caused by various diseases or accidents. The population of the elderly and the disabled is increasing, which has caused the great burden about their nursing work to family and society. At the same time, with the advancement of science and technology, the research on robotics for helping the elderly and the disabled has become increasingly prominent, persified and intelligent. Aiming at the elderly and the disabled people with high degree of disabilities, this paper describes a wheelchair manipulator system which can assist them to complete simple tasks in daily life and achieve the purpose of helping them to improve self-care ability.

  Firstly, a lightweight robotic arm based on rope-driven was researched and manufactured to be installed on the platform, and the overall hardware structure of the wheelchair manipulator was built. Based on the study of the tendon-sheath transmission, the structure of the mechanical arm and the corresponding driving mechanism are designed. The design allows the driving motor of the mechanical joint to realize the transmission of driving power outside the arm-body using the principle of rope-driven, thereby greatly reducing the weight of the mechanical arm and increasing the flexibility of operation.

  Secondly, the kinematic modeling analysis which is based on the structural form of the wheelchair manipulator system is performed. Based on the structure of the wheelchair manipulator and the screw theory, the unified kinematics model is established to complete the forward and reverse kinematics analysis of the wheelchair manipulator system. At the same time, the corresponding Jacobian matrix, the kinematics simulation and the analysis of

  workspace are carried out for the structure of the wheelchair manipulator system, which lays the foundation for the wheelchair manipulator's motion controlling.

  Thirdly, according to the target of wheelchair manipulator control, the control system is studied and designed. It is mainly composed of hardware such as host computer, controller, driver and software developed by the program system. By combining human biological vision and machine vision, the control system is designed for the wheelchair manipulator that can complete the discovery, recognition and positioning of the objects in space in order to realize the movement of the wheelchair manipulator to grasp the object. And the controllable program is designed for the wheelchair manipulator system that is based on the Qt Creator and LabVIEW, at the same time the protocol is formulated to realize the communication between the various layers. This completes the overall movement of control for wheelchair manipulator system.

  Finally, the corresponding experimental analysis is carried out for the wheelchairmanipulator system. Some experiments were designed for the structure of wheelchair manipulator and for the process of position and for the movement of the human-robotinteraction. The experimental results show that the wheelchair manipulator can fulfill the requirements of the operation to realize the function of helping the elderly and the disabled.

  Key Words: Wheelchair manipulator; rope-driven; human-robot interaction; machine vision; control of motion

輪椅機械手控制系統

  目 錄

  第一章 緒 論

  1.1 引言

  機器人作為一種可以自動執行工作任務的裝置,能夠代替或者輔助人類完成一定的任務操作。隨著社會的發展和科技的進步,機械、通信、自動控制、集成電路、傳感器、嵌入式以及人工智能等等這些能夠應用于機器人開發方面的相關技術變得越來越成熟,因此,關于機器人系統的研究得到了廣泛的關注,并且通過多種關鍵技術的相互結合,進行智能化機器人系統的研究設計也變得越來越普遍。

  根據機器人在應用領域所完成任務的特點,可以將機器人分成不同的種類,其中能 夠針對人類或儀器設備執行特殊任務的服務型機器人,一直以來都是機器人技術發展過程中研究和投入的重點方向。而可以實現輔助老年人和殘疾人去完成日常生活操作的助老助殘機器人作為一種具有特殊功能用途的服務型機器人,因其獨特的任務需求以及當前社會發展面臨的老齡化問題已經成為服務型機器人領域的一個研究熱點,能夠完成輔助功能任務的輪椅機械手系統便是助老助殘服務型機器人的一種。

  1.2 背景意義及來源

  1.2.1 研究背景和意義

  我國作為世界上人口最多的國家,老齡化和殘疾已經成為不得不面對的重大社會問題。自從計劃生育政策實施以來,我國老年人口數量持續增加,在2000年中國65歲以上老年人口比例就已經突破了7%,完全符合了聯合國所規定的國家步入老齡化社會的標 準[1].截至2017年底,我國65歲以上老年人口接近1.6億人,占據了全世界大約20%的老年人口,有學者預測到2050年我國65歲老年人口數將會達到3.9億,全國老年人口比例將達到30%,雖然老齡化是社會經濟發展的必然趨勢,但我國人口老齡化的趨勢卻在不斷地加快[2].另外根據中國殘聯統計數據顯示,我國現有殘疾人口大約有8500萬,其中由于各種疾病和事故造成的肢體殘疾人口已達到2400萬,而且每年都將會新增200萬喪失勞動能力的中風病人[3].對于那些肢體行動能力缺失的殘障和老年人士使得看似簡單的如吃飯、喝水、開關門、洗臉等日常生活動作都變得異常困難,所以他們在生活上需要各種輔助設備來提高他們自理能力以更好地融入社會。

  隨著社會科學技術的進步和各種機械電子設備的發展,助老助殘機器人作為一種生 活輔助產品,在解決殘障人士及老年人生活中的一些困難方面發揮著重要的作用,像輔助行走機器人、娛樂機器人、攙扶機器人和輪椅機器人等等,都是幫助老年人和殘疾人來提高生活質量的產品[4].這其中在輪椅上裝備小型機械臂組成的輪椅機器人就是一款用于在生活中輔助肢體行動不便老年人和殘疾人的機器設備,這樣通過組裝而成的輪椅機械手除了能完成基本的移動任務,還具有對日常物品進行簡單操作的能力[5].由于裝備了機械臂的輪椅機器人系統能夠具有在非結構化家庭環境下的行走能力、任意物體抓取能力以及多通道人機交互能力,因此可以一定程度地實現代替護工來幫助肢體行動不便的老人和殘疾人完成服務任務的功能;因為這些方面的原因,這種輪椅機器人系統已 經成為康復領域的研究熱點之一[6-8].而當前能夠完成助老助殘任務的輪椅機器人系統在運動控制方面,大多數采用的還是基于人手操縱的方式來實現的,這種系統的方式比 較適用于那些殘疾程度較輕、肢體能動性相對高并且意識較好的輕度殘障人群,但是對于那些殘疾程度較高,肢體能動性較低的重度殘障人群就無法滿足基本的靈活操作,因此缺少更加廣泛的適用性。隨著新型人機交互技術以及機器視覺技術的應運而生,輪椅機器人的控制方式也變得更加多元化,比如:利用語音識別技術進行控制的輪椅機器人; 根據人臉器官的相對位置和器官的狀態變化實現控制的輪椅機器人;以及通過利用人體自身產生的生物電信號來實現控制的輪椅機器人。

  本文研究設計了一種基于視動融合運動控制的輪椅機械手系統,實現了較為智能化 的人機交互方式完成對輪椅機械手的非肢體接觸式的運動控制,為助老助殘設備的人機自然交互問題提供一種解決途徑,從而可以輔助那些殘疾程度高、肢體行動能力差的老年人和殘障人士完成一些常見的生活操作,這對于提高有肢體行動障礙人群的自理能力來幫助他們更好地融入社會具有重要意義。

  1.2.2 研究的來源

  論文研究來源于山東省自然科學基金,項目名稱為"人體視覺與輪椅機械手協同視動融合機理研究",項目編號為:ZR2017MF023.

  1.3 國內外研究現狀

  由于能夠實現助老助殘任務功能的輪椅機械手系統具有極其重要和獨特的社會服 務價值,所以對于輪椅機械手系統相關方面的國內外研究已經越來越多,并且主要集中在輪椅機械手系統上機械臂的結構和輪椅機器人控制系統方面的研究。本文對輪椅機械手控制系統的研究過程中,通過研制一種輕型輪椅機械臂與輪椅組成輪椅機械手結構,在此基礎上探索人體與輪椅機械手協同運動的視動融合控制方法,構建基于目標發現的人體生物視覺和機器視覺相結合的空間位置估計與空間定位模型,形成一種更為自然的人機交互方式,實現對輪椅機械手系統的運動控制。根據論文的研究內容,針對輪椅機械手系統所涉及相關技術的國內外研究現狀進行歸納總結。

  1.3.1 輪椅機械臂的研究現狀

  通過在輪椅這個移動平臺上安裝可以完成特殊功能的機械臂,從而組成輪椅機械手 的機械結構形式,輪椅機械手屬于一種用在助老助殘方面的輔助機器設備,由于它結合了輪椅與機械臂的共同特點,可以有效的幫助那些肢體行動不便的老年人和殘疾人提高生活自理能力。自從 20 世紀 60 年代美國建造的"Rancho Golden"機械臂以來,輪椅與機械臂組成的輪椅機械手結構便得到了廣泛的關注[9].因此,世界上許多國家的科研單位已經開始致力于輪椅機械臂的開發,一些國家在這方面的研發中起步相對比較早,取得了比較突出的成果。

  目前,荷蘭 Exact Dynamics 研發的 MANUS 機械手臂[10]如圖 1.1 所示,是一款非 常成熟的機械臂結構。這款機械臂的結構中具有六個自由度,而且機械臂整體結構的重 量上達到了 13kg,機械臂關節的驅動電機安裝在相應位置來完成運動控制,而機械臂關節運動的動力是采用多重傳動和多重錐齒輪傳動的方式來提供,機械臂的腕部結構則是采用差速齒輪的方式傳遞動力。該機械臂具有完善的控制系統,操作簡單便捷,能夠在助老助殘方面完成很多操作任務,由于其各方面均具有良好的兼容性,因此能夠安裝在大部分輪椅機器人上。

  一個名為 POCUS 項目的研究中將 MANUS 機械手臂安裝在輪椅機器人上,通過在 MANUS 機械手臂的基礎上研究患腦癱兒童和青年的適應性,它采用了一種多功能適應性的配置方法,將最小的輸入信號用于開關量的限時響應中,并以順序的方式控制機 械手爪的運動[11].這款輪椅機器人如圖 1.2 所示。

  日本,在借鑒了 MANUS 機械手臂研究經驗的基礎上同樣也研發了一種輕型機械臂,如圖 1.3 所示是日本研發的 RAPUD 輕型機械臂,并將其安裝在電動輪椅組裝成輪椅機器人[12-14].該機械臂結構設計輕巧靈活,機械臂的臂體采用樹脂材料進行設計,減 少了機械臂的重量,使其僅有 6kg.這款機械手臂擁有七個運動自由度,手臂的末端執行機構是一個具有夾持功能的機械手爪,其最大可以抓取的重量為 0.5kg,機械臂的支撐底座的高度為 75 cm,而且機械手臂上還采用了一種能夠實現線性伸縮的結構代替機械臂腰部旋轉關節的運動方式,使機械臂的操作性得到了一定的提高,使用者可以很方便的操作輪椅機械臂來完成相應的任務。

  此外,美國醫療康復領域在助老助殘方面為行動不便的人也研發了一款被稱為WMRA 的輪椅機械手臂,如圖 1.4 所示。這個輪椅機械手臂在結構上擁有七個可以轉動的關節,同時在轉動關節上安裝了直流伺服電機并且配置諧波齒輪減速機實現對關節的驅動,雖然該輪椅機械臂在操作運動方面靈活性較好,但是由于電機與減速機全部是安裝在機械臂的臂體上,使得其自重過高,輪椅機械臂的機械結構也過于復雜[15,16].

  因為輪椅機械臂作為助老助殘服務型機器人方面的重要分支,所以在國內也獲得了廣泛的關注和研究,雖然國內相關方面的研究相比較而言起步時間較晚,但也取得了一些比較突出的研究成果。比如采用嵌入式計算機作為控制核心的智能輪椅控制系統,它可以接受語音控制指令,也可以用操縱桿進行控制,而且能夠接受搖桿信號和按鈕操作信號,使用者可通過語音遠程控制輪椅機械臂來實現對物體的抓取[17].如圖 1.5 所示為該智能輪椅機器人的實物樣機。

  華南理工大學也研究設計了一種遙控式的助老助殘輪椅機械臂,這款輪椅機械臂上采用了一種串行對稱的帶-繩連接進行驅動的機械臂結構,為了減輕輪椅上機械臂的自重,通過利用同步帶和繩索連接的方式將動力傳到運動關節。同時,這種輪椅機械臂控制系統是基于DSP+FPGA的組合作為其核心處理器,利用無線手柄向系統發送無線串口指令,對該輪椅機械臂的整體系統實現無線遙控的操作控制,完成輔助的工作任務[18-20].

  如圖1.6所示為華南理工大學研制的輪椅機械臂結構圖。

  由于能夠實現助老助殘任務功能的輪椅機械臂在結構設計中比較普遍存在的結構形式是將機械臂的驅動電機安裝在運動關節的位置上,這種的結構形式使機械臂的結構復雜,體積質量大,同時還增加了機械臂的轉動慣量。論文研究中在滿足基本操作任務的前提下,針對輪椅機械臂的結構復雜、自重過大等問題,研制一款結構簡單且重量輕巧的輪椅機械臂結構。

  1.3.2 人機交互方式的研究現狀

  人機交互技術已經成為助老助殘服務型機器人研究方面的重要運動控制方式,最開始在輔助服務型機器人上應用的人機交互技術主要體現在操縱桿控制、方向盤控制、按鍵控制和觸摸屏控制等方式來實現輪椅機器人的運動控制;這種方式只適用于那些殘疾度較輕、肢體能動性相對較高并且意識較好的輕度殘障人群,而對于那些殘疾度較高, 肢體能動性低的重度殘障人群就無法滿足其適用性[21].隨著新型人機交互技術的應運而生,對輪椅機器人的運動控制方式已經變得更加多元化,出現了可以滿足重度殘障人群實現對輪椅機器人操作控制的交互方式;這其中主要有語音識別、手勢識別、生物電信號識別以及人體姿態動作識別的人機交互方式。在這些非肢體直接接觸的新型人機交互方式中最為突出的是生物電信號識別和人體頭/面部動作姿態識別的人機交互方式。

  基于生物電信號的人機交互方式是利用人身體上產生的生物電信號,通過采集分析處理實現對生物電信號的特征識別,然后建立基于生物電信號的控制系統,完成對執行機構的運動控制。對于生物電信號的人機交互方式上主要有腦電信號和眼電信號,腦電信號是人體大腦皮層產生的一種生物電信號,而眼電信號是由于人眼睛中的角膜結構與視網膜結構在新陳代謝方面存在一定的速度差異而產生的一種電勢差信號。 在基于腦電信號進行人機交互方面的研究,涂建成等[22]以一種電動輪椅為實驗對象,利用腦電信號設計了相應的控制方案。通過腦電信號采集輔助軟件,采集了低頭、抬頭、鼓氣、吞咽、深呼吸、伸舌 6 個動作狀態下的腦電信號,用小波包變換的一些方法進行特征提取和識別,實現輪椅前進、后退、左轉、右轉和停止 5 種基本運動控制。

  北京工業大學的梅意城進行了基于腦機接口技術的手臂康復方面的研究,通過研究在病人顱內植入電極采集腦電信號來進行意念控制機械手臂運動,并利用腦電信號控制機械手完成"石頭、剪刀、布"等肢體動作等,證實了用大腦思維活動能夠獲取對多自由度機械手臂操作過程的驅動參數和運動狀態參數,實現大腦思維對機械臂的直接控制[23].大連交通大學王喜梅進行了腦電波控制的智能輪椅控制系統設計的研究,實現了對輪椅的腦電波和操縱桿兩種控制模式的互換[24].杭州電子科技大學蔡新波進行了基于腦電信號 的電動輪椅控制方法研究,主要研究了通過運動場思維場景產生的腦電信號來控制電動輪椅[25].基于腦電信號的智能輪椅控制系統流程如圖 1.7 所示。

  在基于眼電信號進行人機交互方面的研究,賀巧玲等[26]通過對眼電信號的采集分析處理,建立了基于眼電圖的仿生機械臂的空間運動位置反饋系統,實現了利用眼電信號對仿生機械臂的運動控制。意大利比薩大學通過研究達到對上、下、左、右四類眼部的掃視動作進行識別,從而開發出了一種人機交互系統,將眼電信號轉化控制指令來控制 屏幕光標的移動,最終通過眨眼動作來表示確定,經過實驗證明了眼電信號在人機交互領域的實用性,可以給殘障人士帶來很多便利[27].張毅等[28] 通過采用多種混合式的生 物信號的方式,提出了一種應用于輪椅設備的運動控制系統,在這個系統中利用咀嚼動 作產生的肌電信號來控制輪椅的前進和停止,同時利用左右眨眼動作產生的電信號來控制左轉和右轉。杭州電子科技大學的羅志增團隊利用數據采集電極帽來完成對眼電信號的采集,并通過對有意識和無意識的眼電信號進行區分,實現了對眼睛掃視和眨動等九個動作信號的特征識別與分析,設計了一個基于有意識眼電信號的電動輪椅控制方案,實現了利用眼電信號對輪椅的運動控制[29,30].安徽大學的王君[31]通過研究眼電信號的特征提取與識別算法,提出了基于線性預測技術(LPC)的信號特征提取,構建了基于眼 電信號的人機交互系統,實現了利用眼電信號對機械手臂的運動控制,其基于眼電信號的人機交互系統如圖1.8所示。

  在實現助老助殘功能任務的人機交互系統中基于人體頭部姿態識別的人機交互方式的應用主要有三種表現形式:根據對人臉器官相對位置的姿態變化的判斷和通過跟蹤人體面部器官的狀態變化形式達到一種對人體頭部姿態動作情況的識別,這兩種頭部姿態識別的方式主要是應用機器視覺技術對面部器官的圖像采集和處理,通過判斷圖像中器官的狀態和位置情況來實現的識別過程;還有一種是在頭部周圍安放傳感器等設備檢測頭部動作變化的差異進行頭部姿態識別的方式。

  Hu等[32]提出了一種根據人臉器官在姿態變化中的相對位置來控制輪椅進行運動的人機交互方式,比如根據唇部的位置變化控制輪椅運動的方式;Adachi等[33]通過跟蹤人體眼睛、鼻子、嘴唇等特征點的研究,來確定人臉的轉動方向,從而控制輪椅的前進、后退、左右轉;Nguyen等[34]使用眼電圖技術實施了對眼睛注視情況的跟蹤利用眼睛轉動的角度實現輪椅運動控制。張毅等[35]提出了一種基于唇形的智能輪椅人機交互方法,利用攝像頭采集唇部圖像,使用adaboost算法在視頻幀中實時、準確地檢測唇部,然后通過離散余弦變換提取唇部特征,從而定義了五種不同的唇形,通過唇部做出這五種唇部動作來控制輪椅執行相應的動作,能夠實現使用者在噪雜的環境中與輪椅機器人進行穩 定地的人機交互。嚴峻[36]建立了一種人機接口方式,根據乘坐者上體重心在椅面的二維投影坐標變化來實現對乘坐者期望運動方向及速度的控制;王耀飛[37]提出了一種基于鼻子相對位置變化進行人體頭部姿態識別的技術,并利用圖像處理技術識別出鼻子位置,然后根據人體功能學特征中鼻子在人臉中的相對位置關系來判定人的頭部姿勢,再由頭 部姿勢的不同動作進行智能設備的控制;翁磊[38]提出了一種根據側面人臉的狀態識別頭 部運動姿態的方法,通過安裝攝像頭完成對人臉側面的檢測,從而識別頭部運動的姿態達到對輪椅的控制。同時通過在人體頭部周圍安放傳感器等設備檢測頭部動作變化的差 異來實現對輪椅進行運動控制的方向也有一些相關研究,比如在人體頭部后面安裝激光測距儀,然后通過反饋的數據生成障礙地圖,并且進行一定的數據轉化形成控制命令, 實現對輪椅機器人的控制;還有利用傳感器采集人體頭部運動過程中的加速度信號,再通過相應的信號處理產生控制命令,實現對輪椅的運動控制[39-41].

  在助老助殘方面對于非肢體接觸式人機交互方式的研究概述中,最主要的新型人機交互方式可以分為三大類分別是基于語音識別、基于生物電信號和基于圖像處理技術的人機交互方式,這些人機交互方式中均存在著受環境干擾影響比較大的缺點,論文研究中通過利用人體頭部運動姿態反應出的人體視線運動方向信息,構建了一種人體視線運動方向的估計跟蹤及目標發現機制,實現人與輪椅機械手系統更加自然的交互方式。

  1.3.3 機器視覺方面的研究現狀

  在人體這個生物系統中,依據人的眼睛實現一種視覺的反饋可以讓人們感知身體周圍的環境,并由人的大腦根據反饋的視覺信息做出適當的判斷,然后支配人的身體執行一定的動作,形成了人體視覺與肢體動作的協調運動過程。然而由于機器視覺可以通過計算機來模擬人的視覺功能,并利用電子化的模式感知和理解周圍環境的圖像,也就是從客觀物體中提取能使機器理解的圖像信息,并根據獲得的信息用來進行實際的檢測、測量和控制等。在機器人系統中通過利用機器視覺達到對人體視覺的仿生,從而也可以形成一種視覺與運動的協調融合過程。在一個機器人系統中,對于機器視覺的應用就是將視覺數據作為系統的信息輸入,進而對這些輸入信息進行相應的處理得到便于應用的反饋數據,所以機器視覺的主要功能為識別物體獲得信息數據,將識別的結果作為下一步動作的信息指南,如定位、抓取和導航避障等[42]. 伴隨著機器人技術的飛速的發展,各行各業均有對機器人的應用需求,所以機器人承擔的任務已經變得復雜多樣,由于機器視覺作為信息反饋的裝置,能夠實現對環境進行非接觸式的測量感知,同時也能夠獲得更多的信息量,從而可以提高機器人系統操作的靈活性和準確性,所以機器視覺在機器人系統的研究設計中具有不可替代的作用[43].

  因此,在基于機器視覺技術開發機器人系統方面的相關研究已經變得越來越多,比如:

  法國的Aldebaran Robotics公司研究設計的一款能夠雙足行走的人形智能機器人NAO,這 款機器人具有一定地開發性能夠配置多種傳感器,Muller等[44]在機器人NAO的基礎上安 裝視覺傳感器,然后利用邊緣檢測與顏色分割完成對目標物體的識別并建立三維空間模型,實現對機器人運動的導航;Dalibard等[45]在機器人NAO的頂部安裝一種Kinect視覺傳感器,能夠快速的獲取環境的圖像,并通過圖像處理技術得到環境中目標物體和所在場景的三維信息,然后制定機器人的運動姿態完成對目標物體的抓取。美國的一所理工學院也利用機器視覺技術研究開發了一款用于助老助殘的服務型機器人EL-E,通過在這款機器人的云臺上安裝兩個普通相機和一個全維度視覺傳感器,利用機器視覺完成對所 處環境的場景檢測,然后分割出場景中目標物體并進行定位,最后由人指揮機器人完成向目標物體的接近運動和抓取運動[46].朱曉莉等[47]基于機器視覺研究設計了一種家庭服務型機器人316WE,通過在移動機械手式的結構上安裝一個攝像機,由機器視覺根據顏色特征識別環境中目標物體,然后利用小孔成像模型完成位置關系的計算,最后由定位導航系統完成自主移動實現物體的抓取功能。上海大學的研發團隊通過在輪式移動的人形機器人上配置攝像頭和激光傳感器的形式,構建一種立體視覺系統使機器人能夠實現物體識別、運動導航以及自主移動等功能[48]. 在機器人系統中利用機器視覺實現對目標物體的測量定位時對于機器視覺的應用主要分為單目視覺和雙目視覺兩種形式,其中雙目視覺是利用兩個攝像機完成對環境圖像的采集,得到同一時刻不同角度的兩張圖像,通過對采集到的兩張圖像進行處理和計算,從而獲得精確度相對較高的圖像信息,但也存在著環境要求嚴苛、特征匹配難度大、算法復雜和運算時間長等一些缺點;而單目視覺則是利用一個攝像機完成對環境圖像的采集,雖然在精度上較雙目視覺差,但是由于其結構簡單并且圖像處理計算的算法復雜度和應用成本相對較低,因此而受到了廣泛的應用。比如:黃燦等[49]在基于單目視覺的幾何測距算法的基礎上,提出一種可以擬合圓曲線的方法對由視覺獲得的目標位置信息進行降噪處理和分析,從而降低定位過程中的誤差實現對目標物體的測距定位;韓延祥等[50]利用單目視覺在軸向距離測距以及面積計算的基礎上進行了目標圖像特征點的提取,通過利用這種方法來提高測量的精度;尹英杰等[51]針對在平面上對目標物體進行定位和長度測量方面的等問題,提出一種基于單目視覺用于測量并標定平面上目標物體位置的方法;晁志超[52]為提高單目視覺在攝像機光軸方向上的位置測量精度,在攝像機光軸方向上加裝激光測距傳感器進行輔助測距。肖大偉等[53]將單目視覺應用于移動機器人的目標跟蹤任務的基礎上,提出了一種可以克服特征匹配和攝像光軸傾斜問題的單目視覺目標測距方法;于乃功等[54]通過將單目視覺的定位測距的方法應用到雙足機器人中,根據成像和幾何坐標變換原理,提出一種計算目標深度信息的幾何定位測距方法。

  1.4 主要研究內容

  1.4.1 研究內容

  通過對助老助殘輪椅機器設備以及相關技術研究現狀的總結分析,本文針對肢體殘疾程度較高的老年和殘疾群體,研究設計一種視動融合的輪椅機械手控制系統。所研究的輪椅機械手系統是通過將人體生物視覺在操作意圖表達時的運動機理應用到機器視覺對操作目標的發現識別和定位過程中,并實現基于生物視覺和機器視覺來控制輪椅機械手系統進行一定的運動操作,形成了一種由視覺操作意圖表達到操作動作執行的視動融合輪椅機械手控制系統,達到對輪椅機械手系統的非肢體直接操作的運動控制,進而可以實現對那些肢體殘疾程度較高人群的幫助;诖藲w納總結主要研究內容如下:

 。1)整體結構設計與搭建。針對當前普遍存在輪椅機械臂的結構上的問題,研究設計并制作一種輪椅機械臂的機械結構與驅動機構安裝在電動輪椅移動平臺上,組成輪椅機械手系統的整體結構作為研究實驗的平臺。

 。2)運動學分析。由于輪椅機械手是由輪椅移動平臺與輪椅機械臂兩個部分組成,因此,對輪椅機械手系統的結構進行相應的運動學分析并建立數學模型,實現將一個給 定的任務分解為輪椅機械臂的操作運動和輪椅移動平臺的移動運動,解決輪椅機械手系統的協調運動關系。

 。3)控制系統設計。通過構建一種協調運動的人機交互方式,實現一種由人體視覺到機器視覺的目標發現過程,從而達到對輪椅機械手系統的運動控制。然后由機器視 覺通過圖像處理識別出目標物體、獲取目標物的位姿信息同時完成目標物體在空間上的定位,并在此基礎上合理規劃輪椅機械手系統的運動路線以及動作,實現輪椅機械手系統的運動控制完成對目標物體的操作,同時設計一套針對輪椅機械手任務要求的控制系統,開發輪椅機械手系統的人機界面。

 。4)實驗研究與分析。為了驗證所研究設計的輪椅機械手系統整體結構的可靠性與控制系統的穩定性以及輪椅機械手系統目標任務操作的綜合性能進行相關的實驗驗 證與結果分析。

  1.4.2 論文結構

  本文共由六個章節組成,各章節內容的具體安排如下: 第一章,緒論。主要介紹論文的研究背景和來源以及當前相關方面的國內外研究現狀,敘述了本文的選題意義所在并且闡述了論文研究的總體方案設計,同時對論文撰寫的總體結構進行了介紹與研究內容上的簡述。

  第二章,輪椅機械手系統的結構設計。主要是對輪椅機械手系統的整體機械結構的設計和系統平臺的搭建,通過確定輪椅機械手系統的研究設計方案,首先對輪椅機械手的主體結構進行設計,完成繩傳動的輪椅機械臂的結構研制,然后與電動輪椅移動平臺結合組裝成輪椅機械手的結構形式,同時確定輪椅機械手系統的驅動機構,最后完成輪 椅機械手系統整體結構的搭建以及對輪椅機械手的控制系統的結構組成進行介紹。

  第三章,輪椅機械手的運動學分析。主要是對輪椅機械手進行運動學的建模分析,建立輪椅移動平臺和輪椅機械臂對應的運動學模型,并求解輪椅機械手系統的雅克比矩陣,通過運動學分析奠定輪椅機械手系統運動控制的基礎;同時根據機械臂的結構形式在三維運動仿真模型的基礎上對輪椅機械臂的工作空間進行仿真分析。

  第四章,輪椅機械手的控制系統設計。主要是介紹通過構建輪椅機械手系統的人機交互的控制方式,實現輪椅機械手系統中生物視覺與機器視覺的運動協調,完成對空間目標物體的發現識別與定位過程,同時研究設計輪椅機械手系統控制程序,開發系統的人機界面,最終實現輪椅機械手系統的運動控制操作。 第五章,輪椅機械手系統的實驗設計與分析。主要是對所研制的輪椅機械手的整個系統進行了相關的實驗設計與數據分析,實驗結果驗證了輪椅機械手系統整體結構設計的合理性以及可以滿足目標操作的任務要求,能夠實現助老助殘的任務功能。

  第六章,結論與展望。主要是對本文研究論文的工作總結以及對論文研究的創新點進行了歸納整理,并對論文研究的方向做了期許和展望。

  1.5 本章小結

  本章主要介紹了論文的研究背景意義、來源以及對國內外在助老助殘輪椅機器設備和相關技術的研究現狀進行了闡述,其次概括了論文研究的主要內容以及所涵蓋的解決問題的關鍵點,最后對論文撰寫的章節安排進行了表述。

  第二章 輪椅機械手系統的結構設計

  2.1 引言

  2.2 輪椅機械手系統的方案

  2.3 機械臂的結構設計

  2.3.1 機械臂的結構要求與方案

  2.3.2 機械臂的結構模型

  2.3.3 機械臂關節的繩傳動方式

  2.3.4 機械臂末端效應器的結構

  2.4 輪椅機械手結構的設計

  2.4.1 輪椅機械手的移動平臺

  2.4.2 輪椅機械手的結構參數

  2.4.3 輪椅機械手的驅動機構

  2.5 輪椅機械手的控制方案

  2.6 本章小結

  第三章 輪椅機械手的運動學分析

  3.1 引言

  3.2 機器人的運動學分析

  3.2.1 旋量理論運動學分析法

  3.2.2 運動學分析的坐標系

  3.3 移動平臺的運動學分析

  3.4 輪椅機械臂的運動學分析

  3.4.1 輪椅機械臂的運動學正解

  3.4.2 輪椅機械臂的運動學逆解

  3.5 輪椅機械手的雅克比矩陣

  3.6 輪椅機械臂的運動仿真分析

  3.6.1 機械臂的運動學仿真

  3.6.2 機械臂的工作空間分析

  3.7 本章小結

  第四章 輪椅機械手的控制系統設計

  4.1 引言

  4.2 輪椅機械手的人機交互系統

  4.2.1 人機交互的實現方式

  4.2.2 運動姿態信號的采集

  4.2.3 信號數據的處理過程

  4.3 人機交互系統中的視線方向

  4.3.1 視線運動方向的估計

  4.3.2 視線運動方向的識別

  4.3.3 視線運動方向的控制策略

  4.4 輪椅機械手的機器視覺系統

  4.4.1 機器視覺的圖像采集

  4.4.2 目標圖像的處理和識別

  4.4.3 視覺中目標物體的距離

  4.3.4 圖像中目標的空間坐標

  4.5 機器視覺系統中的參數矩陣

  4.5.1 相機設備的外參矩陣

  4.5.2 機器視覺系統的標定

  4.6 輪椅機械手運動控制的實現

  4.6.1 人體視線運動方向的控制

  4.6.2 輪椅機械手的視覺定位模型

  4.6.3 輪椅機械手運動控制的過程

  4.6.4 輪椅機械手系統的控制程序

  4.7 本章小結

  第五章 輪椅機械手系統的實驗與分析

  5.1 引言

  5.2 輪椅機械臂關節的標定實驗

  5.3 視線運動方向的控制實驗

  5.3.1 輪椅機械手的控制指令

  5.3.2 運動控制的測試實驗

  5.4 目標的定位與操作實驗

  5.4.1 機器視覺的目標定位

  5.4.2 目標物體的操作實驗

  5.5 本章小結

  第六章 結論與展望

  6.1 引言

  一種視動融合的輪椅機械手控制系統研究,主要是針對肢體殘疾程度較高人群,研究設計的助老助殘輪椅機械手的運動控制系統,能夠實現一定的輔助任務操作,來幫助老年人和殘疾人完成對日常生活中物品的抓取操作,從而一定程度地提高他們在生活方面的自理能力,幫助他們更好的融入社會。根據輪椅機械手的目標任務確定了論文的研究方向和步驟,首先搭建了輪椅機械手的整體機械結構,同時由其結構特點選擇了對應的驅動控制零部件,從而組裝成了系統研究的硬件平臺;然后針對輪椅機械手結構進行相應的運動學建模分析,為輪椅機械手系統的整體運動控制奠定了基礎,接著開發了輪 椅機械手系統的特定運動控制程序;最后通過將輪椅機械手的硬件結構和軟件程序的結 合,形成能夠實現任務要求的輪椅機械手系統,同時對輪椅機械手系統進行一定的性能驗證實驗,并進行相應的數據整理和分析總結。

  6.2 結論

  6.2.1 論文研究總結

  文中研究設計的基于視動融合的輪椅機械手運動控制系統,主要是服務于老年人、殘疾人等肢體行動能力極差的人群,來輔助他們完成日常生活中的一些操作動作,提高 他們在生活方面的自理能力。在減輕殘疾人家庭的生活負擔方面以及緩解社會中護工短 缺的壓力方面,都具有重要的意義和價值。本文通過對國內外助老助殘輪椅機械手相關研究的分析以及對其關鍵技術的應用情況了解,研制了一款能夠實現助老助殘任務功能的輪椅機械手系統,主要研究工作的成果和結論總結如下:

 。1)基于套索式柔性軟繩傳動原理研究設計了一種利用繩傳動的輪椅機械臂結構。

  輪椅機械手系統的機械臂通過采用套索式柔性軟繩傳動方式達到了遠距離傳遞動力的目的,實現了將機械臂運動關節位置上的驅動電機與機械臂的臂體進行分離安裝的要求。通過這種遠距離動力傳遞的方式,大大減輕了輪椅機械臂的自重,提高了機械臂操作的靈活性,使得機械臂的結構更加輕便且能夠模塊化還具有便攜安裝的性能。因此, 將研制的機械臂安裝在輪椅移動平臺上組裝成了輪椅機械手的結構形式。

 。2)通過分析選型設計搭建了輪椅機械手系統的硬件結構。根據輪椅機械臂是由機械臂本體以及驅動控制機構兩部分組成的結構特點,將機械臂的臂體安裝在輪椅移動平臺的左前側,而相應的驅動控制機構則是安裝在輪椅移動平臺的后面;其中驅動控制機構中包括了機械臂關機驅動電機、機械臂繩傳動的連接結構以及控制器等一些硬件設備,這里的控制器使用的是歐姆龍PLC作為系統的下位機,并與上位機之間通過串口通訊進行控制命令的數據傳輸,實現對動作執行的運動控制。

 。3)基于旋量理論的運動學分析方法對輪椅機械手系統進行運動學模型的建立。

  旋量理論可以從全局坐標系下描述機器人的剛體運動,能夠很好地避免D-H參數法中的一些缺陷。因此,在旋量理論的基礎上對輪椅機械手的結構形式建立參數模型,然后進 行相應的運動學分析和計算,得到助老助殘輪椅機械手的運動學數學方程,完成正逆運動學的求解,同時推導輪椅機械手的雅克比矩陣判斷其運動過程中的奇異構形問題。最 后,運用MATLAB編譯環境中的機器人工具箱對輪椅機械臂的結構進行了運動學的仿真分析,根據仿真結果與計算求解結果的對比,完成相互之間結果正確性的驗證,接著在輪椅機械臂的三維仿真模型的基礎上對其進行工作空間的描述與分析,從而奠定了輪椅機械手系統運動控制的基礎。

 。4)基于人體視覺與肢體動作在任務執行過程中的相互配合機理,建立輪椅機械手系統的視動融合運動控制過程。輪椅機械手系統運用人機交互技術和機器視覺技術,形成一種生物視覺到機器視覺的目標發現過程,通過將視覺系統反饋的操作意圖轉換成對輪椅機械手的運動控制命令,達到視覺與動作融合的控制策略。輪椅機械手的人機交互系統方面是利用一種姿態傳感器通過固定在使用者的頭部來完成對人體視線運動方向變化信號的采集、處理和識別,從而形成輪椅機械手系統的控制指令,實現與輪椅機 械手系統的人機交互;輪椅機械手的視覺系統方面是利用機器視覺技術完成對空間中目 標物體的發現、識別與定位,然后在人機交互系統的配合模式下,實現對輪椅機械手系統的移動和抓取操作的運動任務控制,最終達到一種對輪椅機械手系統的視動融合運動控制,實現助老助殘的任務功能。 (5)通過設計實驗對輪椅機械手的整體系統進行實驗驗證與結果分析。根據所研 制的輪椅機械手系統,首先,針對輪椅機械臂的繩傳動關節進行傳動關系的標定實驗,驗證結構設計的可靠性;然后,分別對輪椅機械手的人機交互系統和機器視覺系統進行一定的操作實驗,完成對人機交互運動控制以及基于視覺的目標發現識別和定位的測試實驗,驗證控制系統程序設計的準確性;最后,整理與分析實驗數據歸納總結成果。

  6.2.2 論文研究創新點

  本文所研究的輪椅機械手系統是面向肢體殘疾程度較高的老年和殘疾人群來完成助老助殘任務操作,屬于一種能夠實現生活輔助的服務型機器人,主要創新點如下:

 。1)基于套索式柔性軟繩傳動原理研究設計了一種繩傳動輪椅機械臂結構,實現了機械臂驅動機構與機械臂上運動關節的分離安裝,達到減輕機械臂自重,增加操作靈 活性的目的。

 。2)基于人體視線運動方向變化信號構建了人體視覺的空間定位模型,并將人體生物視覺注視點與機器視覺的隨動特征相結合,形成了生物視覺與機器視覺協同的目標發現與空間定位關系,從而實現一種對輪椅機械手系統的視覺反饋。

 。3)基于人體視覺與肢體動作完成運動任務的融合操作過程,將視覺反饋與輪椅 機械手系統的抓取運動規劃相結合,構建了生物視覺和機器視覺與輪椅機械手的閉環運 動控制系統,實現人體與輪椅機械手的自然交互的控制過程與動作協調的執行過程。

  6.3 展望

  隨著科學技術的飛速發展,對于能夠輔助老年和殘疾人群的服務型機器人來說一定會朝著更加智能化、功能更加強大的方向發展。本文針對肢體行動能力極差殘疾程度較高的老年人和殘疾人,研究設計的具有助老助殘功能的輪椅機械手系統在一定程度上取得了預設的成果,但是由于當前的一些局限性,所以輪椅機械手系統也存在需要繼續改進和提高的地方,主要包括以下幾個方面:

 。1)基于套索式柔性軟繩傳動原理研究設計的繩傳動輪椅機械臂,是輪椅機械手系統開發的初代輪椅機械臂,在結構和關鍵位置的連接方式上還可以進行更加深入的優 化和提升,同時也可以將這種機械臂的結構形式打造成更加模塊化和輕便易組裝的應用 產品,使其不僅僅可以在助老助殘方面發揮作用,在其他領域也具有一定的應用價值。

 。2)輪椅機械手系統是采用的基于視線運動方向變化信號實現的對人體眼睛視線運動方向的位置估計,可以通過增加傳感器或者結合眼電信號的方式來形成更加精確的對眼睛視線運動方向的跟蹤和判斷。

 。3)輪椅機械手系統在人機交互界面和運動控制的程序中還可以繼續優化,從而 使得系統界面的任務操作更加簡潔明了,同時可以增加系統控制程序的可讀性,方便輪椅機械手系統功能的附加和進一步的完善。

  6.4 本章小結

  本章節主要是對論文研究內容的歸納總結與論文研究情況的展望。首先,概括了本 文的研究過程以及論文撰寫的思路和步驟;然后對本文研究所涉及的關鍵內容進行了全 面的總結和歸納,同時總結描述了論文研究內容的創新點;最后,針對論文研究中的輪椅機械手系統進行了展望,并且期待論文中的相關內容會有進一步地研究和發展。

  致 謝

  論文的研究工作內容是在導師陳乃建老師專業而又精心地指導下完成的,從確定研 究方向,到論文內容開展實施的過程,再到取得的研究成果和論文的撰寫無不傾注老師認真負責的汗水和心血,不僅如此,在我的學業生涯里所取得的每一點一滴的進步都離不開陳老師細心且耐心的幫助和指導,在這里真誠的感謝陳老師在我研究生階段對我學習上的嚴格要求和悉心指導以及生活上無微不至的關懷。并且陳老師嚴謹的治學態度、淵博的專業知識、平易近人的人格魅力,特別是對待科學研究精益求精、實事求是的精神給予我深刻的人生啟迪,更是深深地感染了我值得我不斷地學習。 時光荏苒,日月如梭,回想起來美好的時光總是短暫的,三年的研究生生活如白駒過隙一閃而過,在濟南大學機械工程學院的三年研究生學習過程中,充滿著美好的回憶。 在這研究生學習階段中,從科研學習,到為人處世,無不充滿著令人懷念的美好回憶,在科研方面除了陳老師細致入微的指導外,也得到過其他老師的幫助和指點,在生活上也結交了一起學習成長進步的同學朋友,度過了一個豐富多彩的學習時光。

  感謝艾長勝老師、李國平老師、王玉增老師、孫選老師、趙詩奎老師、劉海寧老師在我論文進展過程中對我的研究內容、論文書寫以及總結匯報的工作提出的寶貴建議,也讓我受益匪淺;還要感謝張金凱老師和李映君老師在我學習過程中提供的有利幫助。 感謝實驗室里一起學習的韓祥東、楊聰、鄭軍海等師兄,孫建波、陳斯、郇正澤等同學以及黃玉林、楊志康、徐興盛、胡志通、趙建等師弟,感謝他們在我研究生生活對我的幫助,也要感謝他們營造出的良好地學習氛圍;還要感謝張來偉師弟、范振師弟、楊家寶師弟在我論文研究實驗過程中提供的幫助和支持,同時特別地感謝高先圣同學和張睿同學在我論文研究探索過程中付出的實踐以及提供的幫助。 在這里我還要感謝我的父母,感謝他們一直以來無怨無悔、不辭辛苦的工作付出,為我的成長和學業保駕護航,他們是我求學道路上奮發努力的最大精神動力,沒有他們的支持與鼓勵我不會一步一步走到現在,感謝他們所有的付出和犧牲。 最后,由衷的感謝在百忙之中抽出時間評閱及提出珍貴意見的各位評審老師們;同 時,真誠地感謝一路走來,所有關心、鼓勵、支持和幫助過我的人!

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