移动服务机器人机械臂结构设计及其优化研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景与研究的目的和意义本课题在开展研究的过程中得到了机器人技术与系统国家重点实验室（哈尔滨工业大学）自主研究课题基金项目“高端智能服务机器人技术研究平台”(项目编号SKLRS201301B)和国家自然科学基金项目“助老机器人三维人体姿态识别与肢体动作理解研究”(项目编号61273339)的联合资助。近20多年，随着科技的进步和机器人技术的发展，机器人的应用领域在不断地向人们的日常生活延伸，其工作环境不再仅仅局限于冷冰冰的工厂、车间等固定场所，已经进入博物馆、科技馆、医院、家庭和娱乐场所，机器人与

2、人类的关系也越来越密切，产生了服务机器人这一概念[1]。在国外，机器人技术较发达的日本早在上个世纪八十年代就开始了类人服务机器人的研究，希望通过类人服务机器人来代替保姆、护士等为人类提供服务。韩国正推行服务机器人产业化，试图让服务机器人走进普通家庭。我国国务院在2005年12月份发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中将智能服务机器人技术作为未来15年的前沿技术，以服务机器人的应用为重点，希望在设计方法、智能控制等方面取得新的突破[2]。随着我国人口老龄化的加剧，为了给老年人提供更好的照顾，对家政服务人员的需求急剧增加

3、，甚至每年春节期间都会出现用工荒的现象，这种现象推动了助老助残机器人技术的发展，随着助老机器人在家庭、医院等场合的应用和普及，可以有效地缓解人口老龄化带来的家政服务人员供需矛盾。可以说无论是国家对发展高科技的需要，还是市场对助老助残服务机器人的迫切需求，都在不断的推动服务机器人技术及相关产业的发展，促使人们进行更深入的研究。无论是靠移动机构行走的移动服务机器人，还是靠双腿行走的仿人型服务机器人都拥有着像人体手臂一样灵活的双臂，其作业任务主要是依靠其臂协作来完成的，因此机械臂的性能对整个服务机器人最终的动态性能有着重要的影响。如果机械臂机械本体的

4、先天品质很差，要想获得满意的动态性能，则需在控制系统设计过程中付出极高的代价和成本，甚至即使付出高昂的成本也无法实现预期的目标。而国内现在大部分服务机器人机械臂的结构并不是针对服务机器人的特点和应用场合而进行专门的设计，仅仅是凭借经验将工业机器人机械臂的结构移植到服务机器人上。由于服务机器人和工业机器人的应用场合并不完全相同，因此安装有工业机械臂的服务机器人往往存在着机械臂体积过于臃肿、质量过沉、运动不灵活、响应速度慢等缺点，不能满足服务机器人机械臂轻型化、宜人化、灵巧化的要求。因此实现服务机器人机械臂结构的合理化设计，特别是实现其结构-1-万

5、方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文轻量化、高刚度、宜人化、灵巧化的设计，对提高服务机器人机械臂与人类交互过程中的安全性以及作业的灵巧性都有着重要的意义。本课题为实现服务机器人机械臂结构的轻量化、运动的灵巧化、平稳化，根据服务机器人机械臂的特点，首次尝试综合运用人体工程学理论、多体动力学理论、拓扑优化理论、有限元分析理论、基于性能指标的尺寸优化方法等理论和方法进行机械臂的结构设计及性能优化，希望通过本课题的研究获得一种服务机器人机械臂结构轻量化、运动平稳化、灵巧化的解决方案，由传统的经验设计或凭经验移植工业机械臂的方法向基于虚拟样机的先进设计方

6、法转变，最终达到提高产品质量、缩短设计周期、提高开发效率的综合目标。同时机械臂的高刚度轻量化设计为提高机械臂末端手爪的定位精度及快速抓取操作提供了有利条件。因此，本课题具有良好的实际意义。1.2国内外服务机器人及其机械臂简介最近十几年，服务机器人在一些发达国家和地区得到了蓬勃的发展并取得了丰硕的成果，各国相继推出了各种类型的智能服务机器人，但是每个国家的研究重点和侧重方向各不相同，归纳起来主要有如下特点：日本侧重于研究机器人与人类的交互以及对人类动作的模拟，重点研制开发娱乐服务机器人；美国则更倾向于对服务机器人基础技术的研究；德国则更加注重家庭

7、和教育服务机器人的研制；韩国致力于大力推动服务机器人的产业化。ASIMO智能服务机器人是由日本本田公司研制的一款类人型机器人，是第一个真正具有世界影响力的机器人[3]，如图1-1所示。该机器人全身总共有34个自由度，使得其运动非常灵活，可以在步行和奔跑中灵活切换，双臂采用曲面造型结构，每条手臂具有7个自由度，每个手爪具有2个自由度，每只手臂的最大负载为0.5kg，具有视觉和触觉功能，采用视觉和触觉融合的认知技术，能够在视觉引导下，利用双臂协作自主拧开瓶盖倒出饮料，配备语音功能，能听懂音乐并且能够指挥音乐会。本田公司还对ASIMO机器人的性能进行

8、不断的改进，2014年展示的最新版ASIMO每只手具有13个运动轴，运动更加灵活，可以实现手语表演[4]。日本早稻田大学在2007年推出了仿人服务机器