本文關鍵詞：重心自調整的全方位運動輪椅機器人技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：輪椅作為老齡人、下肢殘障者以及下肢運動功能較弱者的代步工具,有著巨大的社會需求。隨著科技的發(fā)展,輪椅的功能不斷豐富,相應的技術也不斷得到提升,具有機器人化的高性能多功能輪椅已成為未來的發(fā)展趨勢。靈活及舒適的移動機構和簡潔且智能化控制特點的輪椅機器人技術也成為了當前的研究熱點之一。當前所普遍使用的輪椅,在其上下坡時,椅面的傾斜會給人帶來不舒適感,尤其在大傾角坡面時容易引起傾覆,此時需要其他人協(xié)助才能保證安全。此外,當輪椅使用者在室內走廊進行活動或完成進出電梯等基本活動,以及進行諸如參觀展覽、城市步行街購物等社會活動時,由于移動空間狹窄或活動場所人員密集,經(jīng)常會發(fā)生輪椅轉彎困難的問題。以上兩種問題的原因主要是由于現(xiàn)有的輪椅移動機構一般采用前面兩個支撐輪與后面兩個驅動輪的結構形式,這種設計勢必造成輪椅的回轉半徑大,很難在狹小空間靈活移動,更無法實現(xiàn)全方位移動。鑒于此,本文提出了一種既能在室外寬廣空間自由移動,又適用于狹窄或者擁擠空間,具有重心自調整功能的全方位移動輪椅機器人系統(tǒng)。主要研究內容和取得的成果如下:1)提出一種重心自調整的全方位運動輪椅機器人的系統(tǒng)規(guī)劃,給出了機器人的機構以及控制系統(tǒng)的構建方法和技術實現(xiàn)途徑。在保證輪椅乘坐舒適性的基礎上,實現(xiàn)了輪椅機器人的全方位移動和實時對重心進行自我調整的功能。2)對該輪椅機器人移動平臺的運動學問題展開了深入研究,建立了移動平臺的運動學和動力學方程。在分析單個差動單元的基礎上,探討了整個全方位移動平臺的正逆運動學和動力學問題。此外,研究了全方位移動平臺的軌跡跟蹤控制策略,設計了系統(tǒng)具有較強穩(wěn)定性的軌跡跟蹤控制器。3)研究全方位輪椅機器人的重心自調整系統(tǒng)。對機器人在坡面的穩(wěn)定性條件進行探討,建立了爬坡時的動力學模型�；诩铀俣扔嫼屯勇輧x的測量原理,采用卡爾曼濾波方法對多傳感器信息進行融合,實現(xiàn)了對輪椅的俯仰角度高效準確的測量。最后,提出了重心自調整系統(tǒng),通過執(zhí)行機構對座椅的姿態(tài)進行實時調整,從而保證了輪椅在運動過程中的穩(wěn)定性和協(xié)調性。4)針對在行人較多的非結構化復雜環(huán)境,構建了基于多傳感器檢測的全自主導航避障系統(tǒng)。通過激光掃描儀、攝像機、姿態(tài)參考系統(tǒng)等構成的感知系統(tǒng)對外部環(huán)境進行識別并加以分析,提出在三維環(huán)境中創(chuàng)建二維地圖的方法,并基于此地圖進行自適應蒙特卡羅定位和動態(tài)行人的避讓。5)最后,對研制的重心自調整的全方位運動輪椅機器人進行了實驗研究。包括平面行走實驗、坡面行走實驗、載人行走實驗和非結構環(huán)境下的避障實驗,實驗結果驗證了機器人的移動行走、姿態(tài)重心調整、爬坡性能、載人行走、導航和避障等方面的能力,證明了論文的理論分析和技術方法的合理性及有效性。
【關鍵詞】：全方位運動輪椅機器人 重心自調整方法 軌跡跟蹤 動力學模型 自主導航避障
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH789
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 緒論14-34
• 1.1 課題研究意義14-15
• 1.2 國內外多功能輪椅的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢15-31
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀15-27
• 1.2.2 國內研究現(xiàn)狀27-29
• 1.2.3 多功能輪椅的現(xiàn)狀分析29-31
• 1.3 主要研究內容31-34
• 第二章 全方位輪椅機器人系統(tǒng)構建34-50
• 2.1 機器人機構34-40
• 2.1.1 全方位移動平臺的設計35-39
• 2.1.2 重心自調整機構的設計39-40
• 2.2 機器人控制體系結構40
• 2.3 控制系統(tǒng)硬件構成40-47
• 2.3.1 電機驅動系統(tǒng)42-44
• 2.3.2 機器人傳感器系統(tǒng)44-46
• 2.3.3 操作桿控制系統(tǒng)46-47
• 2.4 控制系統(tǒng)軟件構成47-49
• 2.5 小結49-50
• 第三章 全方位移動平臺的運動學和動力學分析50-63
• 3.1 建模假設條件及參數(shù)說明50-52
• 3.2 全方位移動平臺運動學分析52-57
• 3.2.1 單個差動平臺運動學分析52-54
• 3.2.2 全方位輪椅機器人移動平臺運動學分析54-57
• 3.3 全方位移動平臺動力學分析57-62
• 3.3.1 基于牛頓—歐拉方程的單個差動平臺動力學分析58-60
• 3.3.2 基于牛頓—歐拉方程的全方位移動平臺的動力學分析60-62
• 3.4 小結62-63
• 第四章 全方位移動平臺軌跡跟蹤控制器設計63-77
• 4.1 滑模變結構控制概述63-64
• 4.2 基于基本滑�？刂破鞯能壽E跟蹤64-72
• 4.2.1 移動平臺基本滑�？刂破鞯脑O計64-66
• 4.2.2 基于基本滑模控制器的軌跡跟蹤仿真與分析66-72
• 4.3 考慮干擾的自適應滑�？刂破鞯能壽E跟蹤72-76
• 4.3.1 考慮干擾的自適應滑�？刂破鞯脑O計72-74
• 4.3.2 考慮干擾的自適應滑模控制器的軌跡跟蹤仿真與分析74-76
• 4.4 小結76-77
• 第五章 全方位輪椅機器人的重心自調整系統(tǒng)構建77-99
• 5.1 重心自調整輪椅機器人的爬坡穩(wěn)定性分析77-83
• 5.1.1 穩(wěn)定錐方法77-79
• 5.1.2 機器人爬坡穩(wěn)定性分析79-83
• 5.2 爬坡狀態(tài)下動力學建模83-86
• 5.3 基于多傳感器信息融合技術的輪椅俯仰角測量方法86-95
• 5.3.1 加速度計工作原理87-88
• 5.3.2 陀螺儀的工作原理88-89
• 5.3.3 基于卡爾曼濾波的多傳感器信息融合方法89-95
• 5.4 重心自調整系統(tǒng)的控制95-98
• 5.5 小結98-99
• 第六章 全方位自平衡輪椅機器人的導航技術研究99-113
• 6.1 輪椅機器人導航避障系統(tǒng)99-100
• 6.2 基于單一激光掃描儀的二維地圖創(chuàng)建方法研究100-105
• 6.2.1 環(huán)境的表示方式100-101
• 6.2.2 實時相關掃描匹配器101-103
• 6.2.3 基于蒙特卡羅濾波的環(huán)閉合檢測方法103-105
• 6.3 全方位輪椅機器人的定位方法研究105-109
• 6.3.1 基于Kullback-Leiber Divergence的自適應采樣模型106-107
• 6.3.2 自適應蒙特卡羅定位算法的實現(xiàn)107-109
• 6.4 全方位輪椅機器人的避障技術研究109-111
• 6.4.1 行人的識別與追蹤109
• 6.4.2 動態(tài)虛擬緩沖區(qū)方法在輪椅機器人避障上的應用109-111
• 6.5 小結111-113
• 第七章 機器人系統(tǒng)的實驗研究113-122
• 7.1 機器人實驗系統(tǒng)113
• 7.2 平坦路面行走能力測試113-117
• 7.2.1 在平坦路面直行實驗114
• 7.2.2 在平坦路面斜行實驗114-115
• 7.2.3 機器人越障實驗115-116
• 7.2.4 狹小空間零半徑轉彎實驗116
• 7.2.5 軌跡跟蹤實驗116-117
• 7.3 坡面行走實驗117-119
• 7.4 導航避障實驗119-121
• 7.5 小結121-122
• 結論與展望122-125
• 參考文獻125-141
• 附錄141-144
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單144-146
• 致謝146-147
• 作者簡介147

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