[发明专利]一种多关节助老助残轮椅机械臂及其基于旋量理论的运动学建模方法

说明书

本发明公开了一种多关节助老助残轮椅机械臂及其基于旋量理论的运动学建模方法，属于机器人运动学分析方法的研究领域。本发明通过旋量理论的指数矩阵形式进行轮椅机械臂的运动学建模，首先建立初始位姿的基坐标系与工具坐标系，然后由基坐标系与工具坐标系确定轮椅机械臂运动学参数，并完成正运动学模型的建立。再根据轮椅机械臂的结构形式和各关节的运动方式，将轮椅机械臂看作平面两杆机器人的逆运动学形式来实现对机械臂关节运动量的求解，最终完成逆运动学求解分析。本发明通过将几何描述与旋量理论结合的方式，实现了运动学求解算法简化为代数方程组求解的过程，为轮椅机械臂的实时运动控制提供了一种新的更加便捷的建模求解方法。

技术领域

本发明属于助老助残服务型机器人领域以及机器人运动学分析方法的研究领域，具体涉及一种基于绳索传动的轮椅机械臂的结构形式和基于旋量理论的轮椅机械臂的运动学建模步骤。

背景技术

机器人运动学是求解出机器人的各个关节与机器人对应的各刚体之间的运动关系，而旋量理论是用矩阵的指数影射描述刚体的运动。早在19世纪初期，Chasles已经证明：刚体从一个位置到另一个位置的运动可以通过绕某一直线的转动加上沿平行于该直线的移动得到。这种组合运动也被称为螺旋运动（screw motion），这种螺旋运动的无穷小量则被称为运动螺旋。这就是旋量理论描述运动学关系的理论基础，而旋量理论描述刚体运动的基本思想就是用其次坐标来表示刚体运动，并通过矩阵的指数映射关系将运动螺旋变换为相应的螺旋运动。

基于旋量理论研究移动轮椅机械手系统的动力学建模方法，是通过旋量理论的指数矩阵形式进行建模。目前机器人运动学建模方法主要包括D-H法和旋量理论法，相对于D-H法，旋量理论法主要有以下优点：无需在机械手的每个关节处都建立坐标系，只需建立基坐标系与工具坐标系，因为旋量坐标模型本身就包括了各个刚体的空间绝对几何信息，因而可以直接得到整个系统的模型；再者，旋量又包括运动旋量和力旋量，因而可以直观表达机械手运动的几何特点，可简化分析和计算的过程，具有更加明确的几何意义和简洁性。

对机器人的运动学分析研究是实现后续机器人控制与轨迹规划的基础，为进一步简化轮椅机械手的运动学求解模型，本方法将几何描述与旋量理论结合，将运动学求解算法简化为代数方程组求解，为轮椅机械臂的实时运动控制提供了一种新的更加便捷的建模求解方法。

发明内容

针对传统轮椅机械臂的驱动结构复杂、体积和自重偏大以及不方便安装使用于轮椅移动平台上等问题，本发明基于套索式柔性绳索传动机构原理，公开了一种能够实现助老助残任务的轮椅用绳传动机械臂结构，同时通过对该轮椅机械臂的结构以及机械臂绳索传动原理描述的基础上，提出一种基于旋量理论的轮椅机械臂的运动学建模方法。

本发明首先基于套索式绳传动机构的原理，设计了一种在转动关节的运动上利用绳索传动的轮椅机械臂结构，通过这种分离驱动的方式，实现对机械臂的结构、体积、重量以及能耗的优化；该传动的轮椅机械臂是由3个运动关节组成的多自由度机械手，其结构形式属于一种串联开链式的机构，它的3个运动关节中第一个关节是由直线导轨和滑块组成的上下移动关节；本发明中的轮椅机械臂整体结构由一个前轮驱动的电动轮椅移动平台和一个多关节机械臂组装而成，其中机械臂安装在轮椅移动平台左侧驱动轮的正上方，而它是由一个上下移动关节、两个水平转动关节和一个具有一定功能的末端效应器组成；该轮椅机械臂的结构使用了一种直线导轨式的上下移动关节替代了机械臂中的俯仰转动关节的结构形式，这主要是考虑到该轮椅机械手臂的关节采用软绳传递电机动力的驱动形式来达到驱动运动的效果，从而使驱动电机与机械臂的臂体分离，而上下俯仰转动关节必定会使传动绳索由于臂体重力长期处于受拉力的状态，因此，传动软绳受力的一侧随时存在被拽断的危险，所以会降低绳索驱动机构在机械臂整体结构中的可靠性以及应用的稳定性；轮椅机械臂转动关节的驱动机构是基于套索式绳传动机构原理，设计的一种利用绳索传动的分离驱动机构形式，机械臂的转动关节以及机械臂末端效应器的运动均是通过机械臂绳传动机构实现动力的传递，而机械臂驱动控制装置安装在电动轮椅移动平台的背面；该轮椅机械臂有三个运动关节，其结构形式属于一种串联开链式的机构。