家庭服务机器人的机械臂控制研究毕业论文

摘要.......................................................... I ABSTRACT ....................................................... I I 目录....................................................... I V 第一章绪论. (1)

1.1 家庭服务机器人研究现状 (1)

1.1.1 家庭服务机器人概况 (1)

1.1.2 家庭服务机器人研究现状及发展趋势 (2)

1.2 机械臂的研究现状 (3)

1.2.1 机械臂运动学研究现状 (4)

1.2.2 机械臂路径规划研究现状 (4)

1.2.3 国外机械臂研究现状 (5)

1.2.4 国机械臂研究现状 (7)

1.3 论文研究容 (9)

1.4 本章小结 (9)

第二章家庭服务机器人平台搭建 (10)

2.1 家庭服务机器人硬件平台 (10)

2.2 家庭服务机器人软件平台 (11)

2.2.1 ROS平台介绍 (12)

2.2.2 ROS平台总体结构 (12)

2.2.3 ROS平台的特点 (14)

2.3 本章小结 (15)

第三章六自由度机械臂运动学模型分析 (16)

3.1 刚体位姿的表示 (16)

3.2 坐标变换 (17)

3.2.1 平移齐次变换 (18)

3.2.2 旋转齐次变换 (19)

3.2.3 复合齐次变换 (22)

3.3 机械臂运动学方程 (23)

3.3.1 连杆坐标系 (23)

3.3.2 连杆参数 (26)

3.3.3 连杆坐标变换 (26)

3.4 机械臂逆运动学 (28)

3.5 本章小结 (29)

第四章六自由度机械臂的避障路径规划 (31)

4.1 无障碍路径规划 (31)

4.1.1 空间直线插补 (31)

4.2 避障路径规划 (33)

4.2.1 障碍空间建模 (34)

4.2.2 路径搜索 (36)

4.3 A*算法 (37)

4.3.1 A*算法原理简介 (37)

4.3.2 A*算法的实现步骤 (37)

4.4 建立障碍空间后路径搜索 (41)

4.5 本章小结 (42)

第五章机械臂运动的仿真实验 (43)

5.1 ROS使用方法 (43)

5.2 机械臂的仿真实验 (44)

5.3 本章小结 (46)

第六章总结与展望 (48)

6.1 总结 (48)

6.2 展望 (48)

参考文献 (49)

致谢 (51)

第一章绪论

进入21世纪，社会将面临一个巨大的问题，就是各个国家老龄化越来越严重，越来越多的老人需要被照顾，并且社会保障、社会服务等的需求也越来越大。因为老龄化的问题，从而也会使青年人的压力越来越大，由于生活节奏的加快和工作上的巨大压力，青年人没有足够的时间和精力来陪伴自己的孩子与父母，因此家庭服务机器人将会有巨大的需求和市场。然而，机器人的工作基本是靠机械臂来操作，为了能让机器人在不同环境中完成各类工作，所以机械臂的研究将对家庭服务机器人的发展有着重大的意义，使家庭服务机器人的功能更加全面和丰富，帮助人类实现更多的用途。

1.1 家庭服务机器人研究现状

1.1.1 家庭服务机器人概况

自从20世纪60年代机器人诞生以来，到现在已经历经了50多年，机器人从第一代的示教再现型机器人，到第二代感觉的机器人，再到第三代服务机器人，服务机器人则是第三代机器人中的典型代表。

国际机器人联合会(International Federation of Robotics， IFR)给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备。服务机器人大致可以分成两大类：一种是提供专业服务的机器人，包括各种现场操控机器人、医疗服务机器人、救援及安全机器人、公共服务机器人、军用机器人等等；另一种是家庭服务机器人，包括提供家务服务、娱乐休闲服务、安全健康服务以及助老助残

等服务的机器人[1]。

家庭服务机器人是为人类服务的机器人，能够代替人完成家庭服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等；所述感知装置将在家庭居住环境感知到的信息传送给控制装置，控制装置指令执行装置做出响应，并进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、物品搬运、家电控制，以及家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。

1.1.2 家庭服务机器人研究现状及发展趋势

目前，家庭服务机器人研究主要有以下四大方向：智能家居、家庭教育娱乐、家庭安全健康和信息服务。

我国服务机器人的研究相较于美国、日本等国家起步较晚，虽然从上世纪90年代中期，我国就已经开始了服务机器人相关技术的研究，但是我国服务机器人市场从2005年前后才开始初具规模。目前，我国开发的家庭服务机器人主要有医疗机器人、智能轮椅机器人、教育、娱乐机器人、清洁机器人等。

清华大学开发了一个7自由度移动式护理机器人，以高位截瘫人员作为护理对象，目标是在无人看护的情况下替患者完成取药、送水、翻书等工作。

中国科学院先进技术研究院把机器人作为重点支持研究方向之一，先后开发了家庭监控机器人（如图1.1）、助行机器人、送菜机器人、小Q娱乐机器人（如图1.2）等服务机器人[2]。

图1.1 中科智酷安防监控机器人图1.2 小Q机器人

在一些发达国家，家庭服务机器人的研究得到快速发展。

德国不来梅大学在2004年推出了智能化更高、人性化更好的FRIENDⅡ，该系统集成了ATMEC Robotic GmbH公司生产的模块化手臂和5指手抓，并利用视觉伺服帮助残疾人操作手臂[1]。

美国iRobot公司推出室地毯和地板清洁机器人，具有污物探测功能，可根据房间地面的具体情况进行有重点的清洁。

在日本，本田公司的双足机器人“ASIMO”，步行时速达3km，几乎与人类相同。索尼QRIO机器人可以漫步、跳舞，做很多高难度动作而且能识别口语并做出回应。三菱重工的家用机器人“Wakamaru”能识别家庭成员的脸部特征，并通过转动脸部和手腕来表现喜怒哀乐。

韩国的“irobi”机器人不仅能念书、唱歌、讲故事，当家里无人的时候，它还可以确认大门是否上锁以及煤气是否关闭。假如有人闯进家门，它还可以将其拍摄下来，给主人发电子[3]。

1.2 机械臂的研究现状

家庭服务机器人在不同的作业环境下工作，需要不同类型的移动机构和作业