智能轮椅的运动学分析点毕业论文.doc
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1、本科毕业论文题 目智能轮椅的运动学分析系自动控制系专 业班 级学 号学生姓名指导教师完成日期毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按
2、照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本
3、学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日注 意 事 项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300字左右)、关键词4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录
4、(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。4.文字、图表要求:1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印4)图表应绘制于无格子的页面上5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装
5、订顺序1)设计(论文)2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写(设计)过程1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完
6、成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)指导教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价:一、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格
7、 不及格二、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)评阅教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日xxxxxx教研室(或答辩小组)及教学系意见教研室(或答辩小组)评价:一、答辩过程1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良
8、 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩: 优 良 中 及格 不及格教研室主任(或答辩小组组长): (签名)年 月 日教学系意见:系主任: (签名)年 月 日摘 要随着我们生活品质的不断提高,智能轮椅对于残障人士的
9、重要性也就体现得越来越明显。所以世界各国对于智能轮椅的研究变得越来越热衷。智能轮椅是具备人工智能的主要由路径规划、运动控制、人机交互三个部分组成的高科技轮椅,它的功能是能够自动行走,记忆地图,避开障碍,与用户交互等。智能轮椅的研究将为残疾人的生活带来极大的便利。本课题主要描述了智能轮椅的路径规划、运动控制、人机交互三个组成模块,并且以国内外典型的例子加以佐证说明。然后,在传统的智能轮椅基础上加装移动机械臂,建立正确的移动机械臂的运动学模型并且对移动机械臂进行正运动学分析以及逆运动学分析,得到机械臂每个关节的矩阵表达式。最后,运用基于Matlab软件的机器人工具箱来测试建立移动机械臂模型,用我们
10、得到的仿真结果以及计算结果来证明我们之前建立的模型是正确的。 关键词:智能轮椅;移动机械臂; 路径规划;运动学分析;建模ABSTRACTWith the improvement of the quality of our life, the intelligent wheelchair for the disabled becomes more and more important. Thus, the research of the intelligent wheelchair becomes very popular. Different from the normal wheelchai
11、r, the intelligent wheelchair applies artificial intelligence to the control system, such as path planning, motion control, human-computer interaction. Some of them can drive automatically, remember the map,avoid obstacles,talking to the user and so on. The study of the intelligent wheelchair could
12、bring great convenience to the disabled. This paper mainly focuses on the path planning system of the intelligent wheelchair, the move control system and the Human-Computer interaction system .Several domestic and foreign examples are used to illustrate above methods. Then, a mobile manipulator is i
13、nstalled to the intelligent wheelchair, build a kinematics model of the mobile manipulator and we discuss its forward and inversekinematics, we can get the matrix expression of the mechanical arm in each joint.Finally, the MATLAB Robotics Toolbox is used to test the designed mobile manipulator model
14、. Simulation and the calculation results show that the model is true.Key words: Intelligent wheelchair; mobile manipulator; path planning; kinematics analysis; modeling目 录第1章 绪论11.1 研究的背景与意义11.2 国内外智能轮椅究现状11.2.1 国外智能轮椅研究现状11.2.2 国内智能轮椅研究现状31.3 智能轮椅加装移动机械臂41.3.1 MT-ARM机械臂简介41.3.2 安装机械臂的智能轮椅图解51.3.3 意
15、义以及工业化生产憧憬51.4 课题的主要研究内容6第2章 机器人的正逆运动学分析72.1 机器人运动学建模72.1.1 机器人坐标系的建立82.1.2 机器人运动方程的表示82.2 机械臂运动学分析92.2.1 Denavit-Hartenberg建模方法92.2.2 机械臂正运动学分析求解122.2.3 机械臂逆运动学分析求解152.3 D-H表示法的基本问题172.3.1 D-H表示法存在的缺陷172.3.2 解决方法18第3章 智能轮椅的简单路径规划193.1 引言193.2 智能轮椅路径规划模型193.3 A*算法与人工势场法203.3.1 A*算法简介203.3.2 利用人工势场法进
16、行路径规划23第4章 运动学仿真与验证分析28第5章 总结34致 谢35参考文献36第1章 绪论1.1 研究的背景与意义联合国的报告指出,世界人口老龄化进程加速发展,预计在未来 50 年内60 岁以上人口的比例将翻一番,由于各种意外和疾病造成的残障人也在每年增加,他们存在不同程度的能力丧失,如行走、视力、动手及语言等1。因此,用智能轮椅来帮助残疾人行走已经成为一个热门的研究。目前美国、法国、西班牙以及中国等国家都对智能轮椅开展了不同程度的研究,以便智能轮椅拥有能够自动行走,记忆地图,避免碰撞,与用户交互和其他功能。综上所述,智能轮椅的研究不仅能为残障人士带来极大的便利同时能带动材料科学、控制技
17、术、传感器技术、计算机技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、仿生学等等很多学科2。从大的层次来讲,研究智能轮椅最主要依靠的就是机器人技术,首先我们来给机器人下个定义:机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置3。机器人技术作为二十一世纪非常重要的技术,与网络技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术一样,属于高新技术4。智能轮椅的基本结构是在传统轮椅上加装人机界面、控制软件、控制杆以及各种传感器。该传感器可以分为红外线传感器、超声波传感器、用来代替人类感知功能的声学传感器等。超声波及红外线传感器常用来探测障碍物体及不平整路面,因为其廉价、高精度、外界环境影响小的特点
18、越来越多地被用于智能轮椅的探索模块。语音识别功能其实就是利用了声敏传感器感知用户声音的原理再配上语音识别系统,控制装置,就完成了!因为语音控制系统可以解放双手,单靠声音就能达到控制的目的非常适合双手残疾的用户,为智能轮椅开辟了新的篇章。1.2 国内外智能轮椅究现状1986年,从英国研制出第一台智能轮椅开始,直到30年后的今天,智能轮椅的研究一直是津津乐道的话题。现如今,智能轮椅主要作为医疗辅助工具融入了人们的生活。总的来说,智能轮椅的研究发展国外比较迅速,其中以美国为最;我国的智能轮椅项目由于起步较晚因此暂时落后,但是经过科研人员的不懈努力也取得了巨大的成功。1.2.1 国外智能轮椅研究现状1
19、989年法国开始研究VAHM项目,最初的智能轮椅由轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面以及一个用于供用户操作的人机界面组成如图1-1所示1。此轮椅有三种模式。分别为:手动、半自动以及全自动。当切换为手动模式时,用户必须亲自下达指令以及行动任务。当切换成半自动时,用户与轮椅直接分享控制,便于用户及时纠正错误,更好的完成下达的指令。更换全自动模式下,用户只需选定目标,所有都由轮椅掌控,控制时此模式要求高度的准确性,并因此不建议在复杂地形中使用。有人可能要问,只能轮椅为什么要装三种模式,这不是大大增加了制作的成本吗?经过相关人员的调查显示,多功能控制是必须的。手动模式有利于锻炼用户的手部肌肉,避
20、免功能退化;半自动模式能保证系统的稳定性以及降低操作难度;全自动模式更是为双手完全残疾的用户带来了希望。图 1-1 法国VAHM智能轮椅西班牙SLAMO项目始于1996年,其目的是要解决基于用户的个人需求和特殊要求的问题,如图1-2所示1。为了达到预期的目标,专注于深入研究系统的模块化和灵活性,同时也注重人性化设计等方面。例如,设计简单和清晰的界面,重点是让用户能更容易地控制轮椅。在轮椅的行动方面设计成前小后大四个轮子,保证了行进的稳定性与舒适性,另外前轮可以完成大范围的转弯,保证了轮椅入弯的灵活性。该系统由一个全面的环境感知系统,先进的决策导航与控制子系统和人机界面的三个模块组成。用户可以通
21、过语音控制、头部运动、电眼法及操作杆控制,多渠道控制大大增强了人机交互的效率,模块化更是为将来的工业化生产打下了基础。图1-2西班牙SLAMO轮椅21世纪的今天科学技术出现了日新月异的变化。在高科技的推动下,智能轮椅的研究也有了全新的改革。要说先进,那就不能不说美国了。美国的Ambient公司最近开发出了一款高科技的智能轮椅,操作者根本不需要动手或者动口只需在心中想一些关键词就能够指挥它行走。据报道,使用新的传感器的轮椅,通过收集由喉咙到大脑的神经信号来进行工作。这个项目的成功为双手残疾、大脑麻痹等神经问题的病人带来了巨大的突破。即便因为自身的疾病不能控制自己的双手以及其他部分的肌肉,只要用户
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