[發明專利]一種附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃方法

在審

• 申請號: 202010717874.4
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111844040A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 金龍;謝正泰;李帥;劉梅
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃方法，包括如下步驟：1)根據附帶機械臂的電動輪椅的結構，得到附帶機械臂的電動輪椅的數學模型；2)根據步驟1)的數學模型對附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃進行冗余度解析，建立二次型優化方案；3)將步驟2)的二次型優化方案轉化為二次規劃；4)將步驟3)的二次規劃用數值算法(即二次規劃求解器)進行求解；5)根據步驟4)中得到求解結果對附帶機械臂的電動輪椅進行控制。本發明能夠同時對電動輪椅和機械臂進行協調運動控制，使附帶機械臂的電動輪椅能夠高效地完成給定任務。

技術領域

本發明涉及附帶機械臂的電動輪椅運動規劃及控制領域，具體涉及一種附帶機械臂的電動輪椅的逆運動學求解方法。

背景技術

附帶機械臂的電動輪椅由電動輪椅和安裝在電動輪椅上的一個機械臂組成，機械臂可安裝在電動輪椅的扶手末端來保證使用者的安全和足夠的活動空間。殘疾患者能夠通過附帶機械臂的電動輪椅完成一些受身體機能限制而無法完成的動作，從而可以在一定程度上減輕殘疾患者的負擔，提高殘疾患者的生活質量。近年來，附帶機械臂的電動輪椅作為一種重要的服務機器人已經進入人們的生活中，其輔助機械臂可以很好的幫助老年人及殘疾患者從事一些日常生活活動，如開門、倒水等，為他們提供了方便、舒適的生活。然而，電動輪椅和機械臂的結合對附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃帶來了更大的難度。對此，本發明提出了一種附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃方法，同時實現電動輪椅和機械臂的協調運動控制，使得附帶機械臂的電動輪椅能夠高效地完成給定任務。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃方法，能夠解決電動輪椅和機械臂的協調運動控制問題，使得附帶機械臂的電動輪椅能夠高效地完成給定任務。

為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案予以實現：

1、一種附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃方法包括如下步驟：

1)根據附帶機械臂的電動輪椅的結構，得到附帶機械臂的電動輪椅的數學模型；

2)根據步驟1)的數學模型對附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃進行冗余度解析，建立二次型優化方案；

3)將步驟2)的二次型優化方案轉化為二次規劃；

4)將步驟3)的二次規劃用數值算法(即二次規劃求解器)進行求解；

5)根據步驟4)中得到求解結果對附帶機械臂的電動輪椅進行控制。

步驟1)中，附帶機械臂的電動輪椅的數學模型被表示為其中，p表示機械臂末端執行器的位置，f(·)表示非線性映射函數，表示電動輪椅和機械臂的聯合關節角度，表示機械臂末端執行器的速度，表示電動輪椅和機械臂的聯合雅可比矩陣，表示電動輪椅和機械臂的聯合關節速度，f(·)和由帶機械臂的電動輪椅的機械結構所決定。

步驟2)中，二次型優化方案被表示為：設計的最小化性能指標為電動輪椅和機械臂的聯合速度向量的二次函數，受約束于電動輪椅和機械臂的聯合雅可比等式、聯合關節角度極限、聯合關節角速度極限，即為最小化受約束于其中為待優化的運動性能指標，為聯合雅可比等式，上標T表示矩陣的轉置操作，M表示非零系數矩陣，q表示非零系數向量，且M和q由待優化的目標所決定，表示機械臂末端執行器的期望速度，表示電動輪椅和機械臂的聯合關節角度極限，表示聯合關節角度的上下限，表示電動輪椅和機械臂的聯合關節角速度極限，表示聯合關節角速度的上下限。

步驟3)中，將上述二次型優化方案轉化為一個二次規劃，即最小化受約束于其中α^±為電動輪椅和機械臂的聯合關節約束的上下界，它們的第i個元素被分別定義為i表示關節序號，正常數k_α用來調節和保證聯合關節速度有足夠大的可行域。

步驟4)中，將上述二次規劃通過二次規劃求解器進行求解，從而得到附帶機械臂的電動輪椅的運動規劃的最優解。