助老服务机器人设计及仿人运动研究

针对老年人在日常生活中存在行动不便与认知障碍等问题,设计了一款操作简便、功能丰富的助老服务机器人。为降低助老服务机器人的操作难度,增强用户的体验性,通过建立人体手臂与机器臂的空间关节映射模型,实现了机械臂的仿人运动控制。首先,按照人体手臂与机械臂的结构及自由度分布情况初步建立人机关节映射模型,采用蒙特卡罗方法,对人体手臂和机械臂的工作空间进行仿真分析与对比。然后,针对人体手臂与机械臂在空间结构以及自由度分布上的差异导致的机械臂工作空间较小且无法完全复现人体手臂运动的问题,提出了相应的改进方案,并重新建立了人机关节映射模型;通过Kinect视觉传感器获取人体关节的空间位姿信息,并以人体左肩关节为原点建立人体坐标系,采用空间向量法及基于肘部约束的人臂逆运动学解法求解人体关节的位姿变化。最后,搭建了助老服务机器人仿人运动实验平台,对改进后的人机关节映射模型和相关控制算法的有效性及合理性进行了验证,实验结果表明关节重映射后机械臂能高度还原人体手臂的动作。研究成果对提高机器人的交互能力具有借鉴意义,对降低机器人的操作难度效果明显,也为后续研究更加复杂的仿人运动机器人奠定了基础。