一种视动融合的轮椅机械手控制系统研究

　　摘 要

　　随着社会的发展，世界各国的人口老龄化问题日益严重，而由于各种疾病或事故造成的肢体残疾，丧失基本的独立生活能力的残疾人数量也在不断增加，因此，老年人和残疾人的人口数量越来越多，对他们的护理工作给家庭和社会都造成了巨大的负担。同 时伴随着科技的进步，关于助老助残机器人技术方面的研究也日渐突出，并且也越来越多样化和智能化。本文针对老年人和残疾人中肢体残疾程度较高的人群，研究设计了一 种轮椅机械手控制系统，能够辅助他们完成日常生活中简单的任务操作，达到帮助他们提高自理能力的目的。

　　首先，研究设计了一种绳传动机械臂的结构并安装在轮椅移动平台上，完成轮椅机械手结构的搭建。通过对套索式柔性绳传动方式的研究，设计了机械臂的关节结构和对应的驱动机构，这使得机械臂关节的驱动电机可以在臂体之外利用绳传动的原理实现驱动动力的传递，从而大大减轻了机械臂的自身重量，增加了操作的灵活性。

　　然后，根据轮椅机械手系统的结构形式进行运动学建模分析。考虑到轮椅机械手系 统在结构上的运动特性，基于旋量理论对轮椅机械手系统建立统一的运动学模型，并完 成轮椅机械手的正逆运动学的建模和求解；同时针对轮椅机械手的结构推导对应的雅克比矩阵，针对机械臂的结构进行运动学的仿真和工作空间的分析，为轮椅机械手的运动控制奠定基础。

　　其次，针对轮椅机械手系统的目标任务，研究设计轮椅机械手对应的运动控制系统，主要由上位机、控制器、驱动器等硬件以及开发的控制程序等软件组成。轮椅机械手系统通过将人体生物视觉与机器视觉进行结合完成对空间目标物体的发现识别与定位，进 而实现对轮椅机械手进行目标操作任务的运动控制；并且基于程序开发环境 Qt Creator 和 LabVIEW 研究设计轮椅机械手的控制系统，同时制定控制结构层级之间的通信协议，实现控制数据的通讯传输，从而完成对轮椅机械手系统的整体运动控制。

　　最后，根据研究设计的轮椅机械手系统完成实验验证与分析。通过设计针对轮椅机械手系统结构的实验以及针对轮椅机械手机器视觉系统的目标定位操作过程和人机交互系统运动控制过程的实验，对轮椅机械手控制系统的综合性能进行相应的实验验证。

　　实验结果表明轮椅机械手能够完成目标操作的要求，可以实现助老助残的任务功能。

　　关键词：轮椅机械手；绳传动；人机交互；机器视觉；运动控制

　　Abstract

　　With the development of the society, the problem of the aging population around the world is becoming more and more serious, and the number of the disabled who have lost their basic independent living capacity is increasing due to physical disabilities caused by various diseases or accidents. The population of the elderly and the disabled is increasing, which has caused the great burden about their nursing work to family and society. At the same time, with the advancement of science and technology, the research on robotics for helping the elderly and the disabled has become increasingly prominent, persified and intelligent. Aiming at the elderly and the disabled people with high degree of disabilities, this paper describes a wheelchair manipulator system which can assist them to complete simple tasks in daily life and achieve the purpose of helping them to improve self-care ability.

　　Firstly, a lightweight robotic arm based on rope-driven was researched and manufactured to be installed on the platform, and the overall hardware structure of the wheelchair manipulator was built. Based on the study of the tendon-sheath transmission, the structure of the mechanical arm and the corresponding driving mechanism are designed. The design allows the driving motor of the mechanical joint to realize the transmission of driving power outside the arm-body using the principle of rope-driven, thereby greatly reducing the weight of the mechanical arm and increasing the flexibility of operation.

　　Secondly, the kinematic modeling analysis which is based on the structural form of the wheelchair manipulator system is performed. Based on the structure of the wheelchair manipulator and the screw theory, the unified kinematics model is established to complete the forward and reverse kinematics analysis of the wheelchair manipulator system. At the same time, the corresponding Jacobian matrix, the kinematics simulation and the analysis of

　　workspace are carried out for the structure of the wheelchair manipulator system, which lays the foundation for the wheelchair manipulator's motion controlling.

　　Thirdly, according to the target of wheelchair manipulator control, the control system is studied and designed. It is mainly composed of hardware such as host computer, controller, driver and software developed by the program system. By combining human biological vision and machine vision, the control system is designed for the wheelchair manipulator that can complete the discovery, recognition and positioning of the objects in space in order to realize the movement of the wheelchair manipulator to grasp the object. And the controllable program is designed for the wheelchair manipulator system that is based on the Qt Creator and LabVIEW, at the same time the protocol is formulated to realize the communication between the various layers. This completes the overall movement of control for wheelchair manipulator system.

　　Finally, the corresponding experimental analysis is carried out for the wheelchairmanipulator system. Some experiments were designed for the structure of wheelchair manipulator and for the process of position and for the movement of the human-robotinteraction. The experimental results show that the wheelchair manipulator can fulfill the requirements of the operation to realize the function of helping the elderly and the disabled.

　　Key Words: Wheelchair manipulator; rope-driven; human-robot interaction; machine vision; control of motion

　　目 录

　　第一章 绪 论

　　1.1 引言

　　机器人作为一种可以自动执行工作任务的装置，能够代替或者辅助人类完成一定的任务操作。随着社会的发展和科技的进步，机械、通信、自动控制、集成电路、传感器、嵌入式以及人工智能等等这些能够应用于机器人开发方面的相关技术变得越来越成熟，因此，关于机器人系统的研究得到了广泛的关注，并且通过多种关键技术的相互结合，进行智能化机器人系统的研究设计也变得越来越普遍。

　　根据机器人在应用领域所完成任务的特点，可以将机器人分成不同的种类，其中能 够针对人类或仪器设备执行特殊任务的服务型机器人，一直以来都是机器人技术发展过程中研究和投入的重点方向。而可以实现辅助老年人和残疾人去完成日常生活操作的助老助残机器人作为一种具有特殊功能用途的服务型机器人，因其独特的任务需求以及当前社会发展面临的老龄化问题已经成为服务型机器人领域的一个研究热点，能够完成辅助功能任务的轮椅机械手系统便是助老助残服务型机器人的一种。

　　1.2 背景意义及来源

　　1.2.1 研究背景和意义

　　我国作为世界上人口最多的国家，老龄化和残疾已经成为不得不面对的重大社会问题。自从计划生育政策实施以来，我国老年人口数量持续增加，在2000年中国65岁以上老年人口比例就已经突破了7%,完全符合了联合国所规定的国家步入老龄化社会的标 准[1].截至2017年底，我国65岁以上老年人口接近1.6亿人，占据了全世界大约20%的老年人口，有学者预测到2050年我国65岁老年人口数将会达到3.9亿，全国老年人口比例将达到30%,虽然老龄化是社会经济发展的必然趋势，但我国人口老龄化的趋势却在不断地加快[2].另外根据中国残联统计数据显示，我国现有残疾人口大约有8500万，其中由于各种疾病和事故造成的肢体残疾人口已达到2400万，而且每年都将会新增200万丧失劳动能力的中风病人[3].对于那些肢体行动能力缺失的残障和老年人士使得看似简单的如吃饭、喝水、开关门、洗脸等日常生活动作都变得异常困难，所以他们在生活上需要各种辅助设备来提高他们自理能力以更好地融入社会。

　　随着社会科学技术的进步和各种机械电子设备的发展，助老助残机器人作为一种生 活辅助产品，在解决残障人士及老年人生活中的一些困难方面发挥着重要的作用，像辅助行走机器人、娱乐机器人、搀扶机器人和轮椅机器人等等，都是帮助老年人和残疾人来提高生活质量的产品[4].这其中在轮椅上装备小型机械臂组成的轮椅机器人就是一款用于在生活中辅助肢体行动不便老年人和残疾人的机器设备，这样通过组装而成的轮椅机械手除了能完成基本的移动任务，还具有对日常物品进行简单操作的能力[5].由于装备了机械臂的轮椅机器人系统能够具有在非结构化家庭环境下的行走能力、任意物体抓取能力以及多通道人机交互能力，因此可以一定程度地实现代替护工来帮助肢体行动不便的老人和残疾人完成服务任务的功能；因为这些方面的原因，这种轮椅机器人系统已 经成为康复领域的研究热点之一[6-8].而当前能够完成助老助残任务的轮椅机器人系统在运动控制方面，大多数采用的还是基于人手操纵的方式来实现的，这种系统的方式比 较适用于那些残疾程度较轻、肢体能动性相对高并且意识较好的轻度残障人群，但是对于那些残疾程度较高，肢体能动性较低的重度残障人群就无法满足基本的灵活操作，因此缺少更加广泛的适用性。随着新型人机交互技术以及机器视觉技术的应运而生，轮椅机器人的控制方式也变得更加多元化，比如：利用语音识别技术进行控制的轮椅机器人； 根据人脸器官的相对位置和器官的状态变化实现控制的轮椅机器人；以及通过利用人体自身产生的生物电信号来实现控制的轮椅机器人。

　　本文研究设计了一种基于视动融合运动控制的轮椅机械手系统，实现了较为智能化 的人机交互方式完成对轮椅机械手的非肢体接触式的运动控制，为助老助残设备的人机自然交互问题提供一种解决途径，从而可以辅助那些残疾程度高、肢体行动能力差的老年人和残障人士完成一些常见的生活操作，这对于提高有肢体行动障碍人群的自理能力来帮助他们更好地融入社会具有重要意义。

　　1.2.2 研究的来源

　　论文研究来源于山东省自然科学基金，项目名称为"人体视觉与轮椅机械手协同视动融合机理研究",项目编号为：ZR2017MF023.

　　1.3 国内外研究现状

　　由于能够实现助老助残任务功能的轮椅机械手系统具有极其重要和独特的社会服 务价值，所以对于轮椅机械手系统相关方面的国内外研究已经越来越多，并且主要集中在轮椅机械手系统上机械臂的结构和轮椅机器人控制系统方面的研究。本文对轮椅机械手控制系统的研究过程中，通过研制一种轻型轮椅机械臂与轮椅组成轮椅机械手结构，在此基础上探索人体与轮椅机械手协同运动的视动融合控制方法，构建基于目标发现的人体生物视觉和机器视觉相结合的空间位置估计与空间定位模型，形成一种更为自然的人机交互方式，实现对轮椅机械手系统的运动控制。根据论文的研究内容，针对轮椅机械手系统所涉及相关技术的国内外研究现状进行归纳总结。

　　1.3.1 轮椅机械臂的研究现状

　　通过在轮椅这个移动平台上安装可以完成特殊功能的机械臂，从而组成轮椅机械手 的机械结构形式，轮椅机械手属于一种用在助老助残方面的辅助机器设备，由于它结合了轮椅与机械臂的共同特点，可以有效的帮助那些肢体行动不便的老年人和残疾人提高生活自理能力。自从 20 世纪 60 年代美国建造的"Rancho Golden"机械臂以来，轮椅与机械臂组成的轮椅机械手结构便得到了广泛的关注[9].因此，世界上许多国家的科研单位已经开始致力于轮椅机械臂的开发，一些国家在这方面的研发中起步相对比较早，取得了比较突出的成果。

　　目前，荷兰 Exact Dynamics 研发的 MANUS 机械手臂[10]如图 1.1 所示，是一款非 常成熟的机械臂结构。这款机械臂的结构中具有六个自由度，而且机械臂整体结构的重 量上达到了 13kg,机械臂关节的驱动电机安装在相应位置来完成运动控制，而机械臂关节运动的动力是采用多重传动和多重锥齿轮传动的方式来提供，机械臂的腕部结构则是采用差速齿轮的方式传递动力。该机械臂具有完善的控制系统，操作简单便捷，能够在助老助残方面完成很多操作任务，由于其各方面均具有良好的兼容性，因此能够安装在大部分轮椅机器人上。

　　一个名为 POCUS 项目的研究中将 MANUS 机械手臂安装在轮椅机器人上，通过在 MANUS 机械手臂的基础上研究患脑瘫儿童和青年的适应性，它采用了一种多功能适应性的配置方法，将最小的输入信号用于开关量的限时响应中，并以顺序的方式控制机 械手爪的运动[11].这款轮椅机器人如图 1.2 所示。

　　日本，在借鉴了 MANUS 机械手臂研究经验的基础上同样也研发了一种轻型机械臂，如图 1.3 所示是日本研发的 RAPUD 轻型机械臂，并将其安装在电动轮椅组装成轮椅机器人[12-14].该机械臂结构设计轻巧灵活，机械臂的臂体采用树脂材料进行设计，减 少了机械臂的重量，使其仅有 6kg.这款机械手臂拥有七个运动自由度，手臂的末端执行机构是一个具有夹持功能的机械手爪，其最大可以抓取的重量为 0.5kg,机械臂的支撑底座的高度为 75 cm,而且机械手臂上还采用了一种能够实现线性伸缩的结构代替机械臂腰部旋转关节的运动方式，使机械臂的操作性得到了一定的提高，使用者可以很方便的操作轮椅机械臂来完成相应的任务。

　　此外，美国医疗康复领域在助老助残方面为行动不便的人也研发了一款被称为WMRA 的轮椅机械手臂，如图 1.4 所示。这个轮椅机械手臂在结构上拥有七个可以转动的关节，同时在转动关节上安装了直流伺服电机并且配置谐波齿轮减速机实现对关节的驱动，虽然该轮椅机械臂在操作运动方面灵活性较好，但是由于电机与减速机全部是安装在机械臂的臂体上，使得其自重过高，轮椅机械臂的机械结构也过于复杂[15,16].

　　因为轮椅机械臂作为助老助残服务型机器人方面的重要分支，所以在国内也获得了广泛的关注和研究，虽然国内相关方面的研究相比较而言起步时间较晚，但也取得了一些比较突出的研究成果。比如采用嵌入式计算机作为控制核心的智能轮椅控制系统，它可以接受语音控制指令，也可以用操纵杆进行控制，而且能够接受摇杆信号和按钮操作信号，使用者可通过语音远程控制轮椅机械臂来实现对物体的抓取[17].如图 1.5 所示为该智能轮椅机器人的实物样机。

　　华南理工大学也研究设计了一种遥控式的助老助残轮椅机械臂，这款轮椅机械臂上采用了一种串行对称的带-绳连接进行驱动的机械臂结构，为了减轻轮椅上机械臂的自重，通过利用同步带和绳索连接的方式将动力传到运动关节。同时，这种轮椅机械臂控制系统是基于DSP+FPGA的组合作为其核心处理器，利用无线手柄向系统发送无线串口指令，对该轮椅机械臂的整体系统实现无线遥控的操作控制，完成辅助的工作任务[18-20].

　　如图1.6所示为华南理工大学研制的轮椅机械臂结构图。

　　由于能够实现助老助残任务功能的轮椅机械臂在结构设计中比较普遍存在的结构形式是将机械臂的驱动电机安装在运动关节的位置上，这种的结构形式使机械臂的结构复杂，体积质量大，同时还增加了机械臂的转动惯量。论文研究中在满足基本操作任务的前提下，针对轮椅机械臂的结构复杂、自重过大等问题，研制一款结构简单且重量轻巧的轮椅机械臂结构。

　　1.3.2 人机交互方式的研究现状

　　人机交互技术已经成为助老助残服务型机器人研究方面的重要运动控制方式，最开始在辅助服务型机器人上应用的人机交互技术主要体现在操纵杆控制、方向盘控制、按键控制和触摸屏控制等方式来实现轮椅机器人的运动控制；这种方式只适用于那些残疾度较轻、肢体能动性相对较高并且意识较好的轻度残障人群，而对于那些残疾度较高， 肢体能动性低的重度残障人群就无法满足其适用性[21].随着新型人机交互技术的应运而生，对轮椅机器人的运动控制方式已经变得更加多元化，出现了可以满足重度残障人群实现对轮椅机器人操作控制的交互方式；这其中主要有语音识别、手势识别、生物电信号识别以及人体姿态动作识别的人机交互方式。在这些非肢体直接接触的新型人机交互方式中最为突出的是生物电信号识别和人体头/面部动作姿态识别的人机交互方式。

　　基于生物电信号的人机交互方式是利用人身体上产生的生物电信号，通过采集分析处理实现对生物电信号的特征识别，然后建立基于生物电信号的控制系统，完成对执行机构的运动控制。对于生物电信号的人机交互方式上主要有脑电信号和眼电信号，脑电信号是人体大脑皮层产生的一种生物电信号，而眼电信号是由于人眼睛中的角膜结构与视网膜结构在新陈代谢方面存在一定的速度差异而产生的一种电势差信号。 在基于脑电信号进行人机交互方面的研究，涂建成等[22]以一种电动轮椅为实验对象，利用脑电信号设计了相应的控制方案。通过脑电信号采集辅助软件，采集了低头、抬头、鼓气、吞咽、深呼吸、伸舌 6 个动作状态下的脑电信号，用小波包变换的一些方法进行特征提取和识别，实现轮椅前进、后退、左转、右转和停止 5 种基本运动控制。

　　北京工业大学的梅意城进行了基于脑机接口技术的手臂康复方面的研究，通过研究在病人颅内植入电极采集脑电信号来进行意念控制机械手臂运动，并利用脑电信号控制机械手完成"石头、剪刀、布"等肢体动作等，证实了用大脑思维活动能够获取对多自由度机械手臂操作过程的驱动参数和运动状态参数，实现大脑思维对机械臂的直接控制[23].大连交通大学王喜梅进行了脑电波控制的智能轮椅控制系统设计的研究，实现了对轮椅的脑电波和操纵杆两种控制模式的互换[24].杭州电子科技大学蔡新波进行了基于脑电信号 的电动轮椅控制方法研究，主要研究了通过运动场思维场景产生的脑电信号来控制电动轮椅[25].基于脑电信号的智能轮椅控制系统流程如图 1.7 所示。

　　在基于眼电信号进行人机交互方面的研究，贺巧玲等[26]通过对眼电信号的采集分析处理，建立了基于眼电图的仿生机械臂的空间运动位置反馈系统，实现了利用眼电信号对仿生机械臂的运动控制。意大利比萨大学通过研究达到对上、下、左、右四类眼部的扫视动作进行识别，从而开发出了一种人机交互系统，将眼电信号转化控制指令来控制 屏幕光标的移动，最终通过眨眼动作来表示确定，经过实验证明了眼电信号在人机交互领域的实用性，可以给残障人士带来很多便利[27].张毅等[28] 通过采用多种混合式的生 物信号的方式，提出了一种应用于轮椅设备的运动控制系统，在这个系统中利用咀嚼动 作产生的肌电信号来控制轮椅的前进和停止，同时利用左右眨眼动作产生的电信号来控制左转和右转。杭州电子科技大学的罗志增团队利用数据采集电极帽来完成对眼电信号的采集，并通过对有意识和无意识的眼电信号进行区分，实现了对眼睛扫视和眨动等九个动作信号的特征识别与分析，设计了一个基于有意识眼电信号的电动轮椅控制方案，实现了利用眼电信号对轮椅的运动控制[29,30].安徽大学的王君[31]通过研究眼电信号的特征提取与识别算法，提出了基于线性预测技术（LPC）的信号特征提取，构建了基于眼 电信号的人机交互系统，实现了利用眼电信号对机械手臂的运动控制，其基于眼电信号的人机交互系统如图1.8所示。

　　在实现助老助残功能任务的人机交互系统中基于人体头部姿态识别的人机交互方式的应用主要有三种表现形式：根据对人脸器官相对位置的姿态变化的判断和通过跟踪人体面部器官的状态变化形式达到一种对人体头部姿态动作情况的识别，这两种头部姿态识别的方式主要是应用机器视觉技术对面部器官的图像采集和处理，通过判断图像中器官的状态和位置情况来实现的识别过程；还有一种是在头部周围安放传感器等设备检测头部动作变化的差异进行头部姿态识别的方式。

　　Hu等[32]提出了一种根据人脸器官在姿态变化中的相对位置来控制轮椅进行运动的人机交互方式，比如根据唇部的位置变化控制轮椅运动的方式；Adachi等[33]通过跟踪人体眼睛、鼻子、嘴唇等特征点的研究，来确定人脸的转动方向，从而控制轮椅的前进、后退、左右转；Nguyen等[34]使用眼电图技术实施了对眼睛注视情况的跟踪利用眼睛转动的角度实现轮椅运动控制。张毅等[35]提出了一种基于唇形的智能轮椅人机交互方法，利用摄像头采集唇部图像，使用adaboost算法在视频帧中实时、准确地检测唇部，然后通过离散余弦变换提取唇部特征，从而定义了五种不同的唇形，通过唇部做出这五种唇部动作来控制轮椅执行相应的动作，能够实现使用者在噪杂的环境中与轮椅机器人进行稳 定地的人机交互。严峻[36]建立了一种人机接口方式，根据乘坐者上体重心在椅面的二维投影坐标变化来实现对乘坐者期望运动方向及速度的控制；王耀飞[37]提出了一种基于鼻子相对位置变化进行人体头部姿态识别的技术，并利用图像处理技术识别出鼻子位置，然后根据人体功能学特征中鼻子在人脸中的相对位置关系来判定人的头部姿势，再由头 部姿势的不同动作进行智能设备的控制；翁磊[38]提出了一种根据侧面人脸的状态识别头 部运动姿态的方法，通过安装摄像头完成对人脸侧面的检测，从而识别头部运动的姿态达到对轮椅的控制。同时通过在人体头部周围安放传感器等设备检测头部动作变化的差 异来实现对轮椅进行运动控制的方向也有一些相关研究，比如在人体头部后面安装激光测距仪，然后通过反馈的数据生成障碍地图，并且进行一定的数据转化形成控制命令， 实现对轮椅机器人的控制；还有利用传感器采集人体头部运动过程中的加速度信号，再通过相应的信号处理产生控制命令，实现对轮椅的运动控制[39-41].

　　在助老助残方面对于非肢体接触式人机交互方式的研究概述中，最主要的新型人机交互方式可以分为三大类分别是基于语音识别、基于生物电信号和基于图像处理技术的人机交互方式，这些人机交互方式中均存在着受环境干扰影响比较大的缺点，论文研究中通过利用人体头部运动姿态反应出的人体视线运动方向信息，构建了一种人体视线运动方向的估计跟踪及目标发现机制，实现人与轮椅机械手系统更加自然的交互方式。

　　1.3.3 机器视觉方面的研究现状

　　在人体这个生物系统中，依据人的眼睛实现一种视觉的反馈可以让人们感知身体周围的环境，并由人的大脑根据反馈的视觉信息做出适当的判断，然后支配人的身体执行一定的动作，形成了人体视觉与肢体动作的协调运动过程。然而由于机器视觉可以通过计算机来模拟人的视觉功能，并利用电子化的模式感知和理解周围环境的图像，也就是从客观物体中提取能使机器理解的图像信息，并根据获得的信息用来进行实际的检测、测量和控制等。在机器人系统中通过利用机器视觉达到对人体视觉的仿生，从而也可以形成一种视觉与运动的协调融合过程。在一个机器人系统中，对于机器视觉的应用就是将视觉数据作为系统的信息输入，进而对这些输入信息进行相应的处理得到便于应用的反馈数据，所以机器视觉的主要功能为识别物体获得信息数据，将识别的结果作为下一步动作的信息指南，如定位、抓取和导航避障等[42]. 伴随着机器人技术的飞速的发展，各行各业均有对机器人的应用需求，所以机器人承担的任务已经变得复杂多样，由于机器视觉作为信息反馈的装置，能够实现对环境进行非接触式的测量感知，同时也能够获得更多的信息量，从而可以提高机器人系统操作的灵活性和准确性，所以机器视觉在机器人系统的研究设计中具有不可替代的作用[43].

　　因此，在基于机器视觉技术开发机器人系统方面的相关研究已经变得越来越多，比如：

　　法国的Aldebaran Robotics公司研究设计的一款能够双足行走的人形智能机器人NAO,这 款机器人具有一定地开发性能够配置多种传感器，Muller等[44]在机器人NAO的基础上安 装视觉传感器，然后利用边缘检测与颜色分割完成对目标物体的识别并建立三维空间模型，实现对机器人运动的导航；Dalibard等[45]在机器人NAO的顶部安装一种Kinect视觉传感器，能够快速的获取环境的图像，并通过图像处理技术得到环境中目标物体和所在场景的三维信息，然后制定机器人的运动姿态完成对目标物体的抓取。美国的一所理工学院也利用机器视觉技术研究开发了一款用于助老助残的服务型机器人EL-E,通过在这款机器人的云台上安装两个普通相机和一个全维度视觉传感器，利用机器视觉完成对所 处环境的场景检测，然后分割出场景中目标物体并进行定位，最后由人指挥机器人完成向目标物体的接近运动和抓取运动[46].朱晓莉等[47]基于机器视觉研究设计了一种家庭服务型机器人316WE,通过在移动机械手式的结构上安装一个摄像机，由机器视觉根据颜色特征识别环境中目标物体，然后利用小孔成像模型完成位置关系的计算，最后由定位导航系统完成自主移动实现物体的抓取功能。上海大学的研发团队通过在轮式移动的人形机器人上配置摄像头和激光传感器的形式，构建一种立体视觉系统使机器人能够实现物体识别、运动导航以及自主移动等功能[48]. 在机器人系统中利用机器视觉实现对目标物体的测量定位时对于机器视觉的应用主要分为单目视觉和双目视觉两种形式，其中双目视觉是利用两个摄像机完成对环境图像的采集，得到同一时刻不同角度的两张图像，通过对采集到的两张图像进行处理和计算，从而获得精确度相对较高的图像信息，但也存在着环境要求严苛、特征匹配难度大、算法复杂和运算时间长等一些缺点；而单目视觉则是利用一个摄像机完成对环境图像的采集，虽然在精度上较双目视觉差，但是由于其结构简单并且图像处理计算的算法复杂度和应用成本相对较低，因此而受到了广泛的应用。比如：黄灿等[49]在基于单目视觉的几何测距算法的基础上，提出一种可以拟合圆曲线的方法对由视觉获得的目标位置信息进行降噪处理和分析，从而降低定位过程中的误差实现对目标物体的测距定位；韩延祥等[50]利用单目视觉在轴向距离测距以及面积计算的基础上进行了目标图像特征点的提取，通过利用这种方法来提高测量的精度；尹英杰等[51]针对在平面上对目标物体进行定位和长度测量方面的等问题，提出一种基于单目视觉用于测量并标定平面上目标物体位置的方法；晁志超[52]为提高单目视觉在摄像机光轴方向上的位置测量精度，在摄像机光轴方向上加装激光测距传感器进行辅助测距。肖大伟等[53]将单目视觉应用于移动机器人的目标跟踪任务的基础上，提出了一种可以克服特征匹配和摄像光轴倾斜问题的单目视觉目标测距方法；于乃功等[54]通过将单目视觉的定位测距的方法应用到双足机器人中，根据成像和几何坐标变换原理，提出一种计算目标深度信息的几何定位测距方法。

　　1.4 主要研究内容

　　1.4.1 研究内容

　　通过对助老助残轮椅机器设备以及相关技术研究现状的总结分析，本文针对肢体残疾程度较高的老年和残疾群体，研究设计一种视动融合的轮椅机械手控制系统。所研究的轮椅机械手系统是通过将人体生物视觉在操作意图表达时的运动机理应用到机器视觉对操作目标的发现识别和定位过程中，并实现基于生物视觉和机器视觉来控制轮椅机械手系统进行一定的运动操作，形成了一种由视觉操作意图表达到操作动作执行的视动融合轮椅机械手控制系统，达到对轮椅机械手系统的非肢体直接操作的运动控制，进而可以实现对那些肢体残疾程度较高人群的帮助。基于此归纳总结主要研究内容如下：

　　（1）整体结构设计与搭建。针对当前普遍存在轮椅机械臂的结构上的问题，研究设计并制作一种轮椅机械臂的机械结构与驱动机构安装在电动轮椅移动平台上，组成轮椅机械手系统的整体结构作为研究实验的平台。

　　（2）运动学分析。由于轮椅机械手是由轮椅移动平台与轮椅机械臂两个部分组成，因此，对轮椅机械手系统的结构进行相应的运动学分析并建立数学模型，实现将一个给 定的任务分解为轮椅机械臂的操作运动和轮椅移动平台的移动运动，解决轮椅机械手系统的协调运动关系。

　　（3）控制系统设计。通过构建一种协调运动的人机交互方式，实现一种由人体视觉到机器视觉的目标发现过程，从而达到对轮椅机械手系统的运动控制。然后由机器视 觉通过图像处理识别出目标物体、获取目标物的位姿信息同时完成目标物体在空间上的定位，并在此基础上合理规划轮椅机械手系统的运动路线以及动作，实现轮椅机械手系统的运动控制完成对目标物体的操作，同时设计一套针对轮椅机械手任务要求的控制系统，开发轮椅机械手系统的人机界面。

　　（4）实验研究与分析。为了验证所研究设计的轮椅机械手系统整体结构的可靠性与控制系统的稳定性以及轮椅机械手系统目标任务操作的综合性能进行相关的实验验 证与结果分析。

　　1.4.2 论文结构

　　本文共由六个章节组成，各章节内容的具体安排如下： 第一章，绪论。主要介绍论文的研究背景和来源以及当前相关方面的国内外研究现状，叙述了本文的选题意义所在并且阐述了论文研究的总体方案设计，同时对论文撰写的总体结构进行了介绍与研究内容上的简述。

　　第二章，轮椅机械手系统的结构设计。主要是对轮椅机械手系统的整体机械结构的设计和系统平台的搭建，通过确定轮椅机械手系统的研究设计方案，首先对轮椅机械手的主体结构进行设计，完成绳传动的轮椅机械臂的结构研制，然后与电动轮椅移动平台结合组装成轮椅机械手的结构形式，同时确定轮椅机械手系统的驱动机构，最后完成轮 椅机械手系统整体结构的搭建以及对轮椅机械手的控制系统的结构组成进行介绍。

　　第三章，轮椅机械手的运动学分析。主要是对轮椅机械手进行运动学的建模分析，建立轮椅移动平台和轮椅机械臂对应的运动学模型，并求解轮椅机械手系统的雅克比矩阵，通过运动学分析奠定轮椅机械手系统运动控制的基础；同时根据机械臂的结构形式在三维运动仿真模型的基础上对轮椅机械臂的工作空间进行仿真分析。

　　第四章，轮椅机械手的控制系统设计。主要是介绍通过构建轮椅机械手系统的人机交互的控制方式，实现轮椅机械手系统中生物视觉与机器视觉的运动协调，完成对空间目标物体的发现识别与定位过程，同时研究设计轮椅机械手系统控制程序，开发系统的人机界面，最终实现轮椅机械手系统的运动控制操作。 第五章，轮椅机械手系统的实验设计与分析。主要是对所研制的轮椅机械手的整个系统进行了相关的实验设计与数据分析，实验结果验证了轮椅机械手系统整体结构设计的合理性以及可以满足目标操作的任务要求，能够实现助老助残的任务功能。

　　第六章，结论与展望。主要是对本文研究论文的工作总结以及对论文研究的创新点进行了归纳整理，并对论文研究的方向做了期许和展望。

　　1.5 本章小结

　　本章主要介绍了论文的研究背景意义、来源以及对国内外在助老助残轮椅机器设备和相关技术的研究现状进行了阐述，其次概括了论文研究的主要内容以及所涵盖的解决问题的关键点，最后对论文撰写的章节安排进行了表述。

　　第二章 轮椅机械手系统的结构设计

　　2.1 引言

　　2.2 轮椅机械手系统的方案

　　2.3 机械臂的结构设计

　　2.3.1 机械臂的结构要求与方案

　　2.3.2 机械臂的结构模型

　　2.3.3 机械臂关节的绳传动方式

　　2.3.4 机械臂末端效应器的结构

　　2.4 轮椅机械手结构的设计

　　2.4.1 轮椅机械手的移动平台

　　2.4.2 轮椅机械手的结构参数

　　2.4.3 轮椅机械手的驱动机构

　　2.5 轮椅机械手的控制方案

　　2.6 本章小结

　　第三章 轮椅机械手的运动学分析

　　3.1 引言

　　3.2 机器人的运动学分析

　　3.2.1 旋量理论运动学分析法

　　3.2.2 运动学分析的坐标系

　　3.3 移动平台的运动学分析

　　3.4 轮椅机械臂的运动学分析

　　3.4.1 轮椅机械臂的运动学正解

　　3.4.2 轮椅机械臂的运动学逆解

　　3.5 轮椅机械手的雅克比矩阵

　　3.6 轮椅机械臂的运动仿真分析

　　3.6.1 机械臂的运动学仿真

　　3.6.2 机械臂的工作空间分析

　　3.7 本章小结

　　第四章 轮椅机械手的控制系统设计

　　4.1 引言

　　4.2 轮椅机械手的人机交互系统

　　4.2.1 人机交互的实现方式

　　4.2.2 运动姿态信号的采集

　　4.2.3 信号数据的处理过程

　　4.3 人机交互系统中的视线方向

　　4.3.1 视线运动方向的估计

　　4.3.2 视线运动方向的识别

　　4.3.3 视线运动方向的控制策略

　　4.4 轮椅机械手的机器视觉系统

　　4.4.1 机器视觉的图像采集

　　4.4.2 目标图像的处理和识别

　　4.4.3 视觉中目标物体的距离

　　4.3.4 图像中目标的空间坐标

　　4.5 机器视觉系统中的参数矩阵

　　4.5.1 相机设备的外参矩阵

　　4.5.2 机器视觉系统的标定

　　4.6 轮椅机械手运动控制的实现

　　4.6.1 人体视线运动方向的控制

　　4.6.2 轮椅机械手的视觉定位模型

　　4.6.3 轮椅机械手运动控制的过程

　　4.6.4 轮椅机械手系统的控制程序

　　4.7 本章小结

　　第五章 轮椅机械手系统的实验与分析

　　5.1 引言

　　5.2 轮椅机械臂关节的标定实验

　　5.3 视线运动方向的控制实验

　　5.3.1 轮椅机械手的控制指令

　　5.3.2 运动控制的测试实验

　　5.4 目标的定位与操作实验

　　5.4.1 机器视觉的目标定位

　　5.4.2 目标物体的操作实验

　　5.5 本章小结

　　第六章 结论与展望

　　6.1 引言

　　一种视动融合的轮椅机械手控制系统研究，主要是针对肢体残疾程度较高人群，研究设计的助老助残轮椅机械手的运动控制系统，能够实现一定的辅助任务操作，来帮助老年人和残疾人完成对日常生活中物品的抓取操作，从而一定程度地提高他们在生活方面的自理能力，帮助他们更好的融入社会。根据轮椅机械手的目标任务确定了论文的研究方向和步骤，首先搭建了轮椅机械手的整体机械结构，同时由其结构特点选择了对应的驱动控制零部件，从而组装成了系统研究的硬件平台；然后针对轮椅机械手结构进行相应的运动学建模分析，为轮椅机械手系统的整体运动控制奠定了基础，接着开发了轮 椅机械手系统的特定运动控制程序；最后通过将轮椅机械手的硬件结构和软件程序的结 合，形成能够实现任务要求的轮椅机械手系统，同时对轮椅机械手系统进行一定的性能验证实验，并进行相应的数据整理和分析总结。

　　6.2 结论

　　6.2.1 论文研究总结

　　文中研究设计的基于视动融合的轮椅机械手运动控制系统，主要是服务于老年人、残疾人等肢体行动能力极差的人群，来辅助他们完成日常生活中的一些操作动作，提高 他们在生活方面的自理能力。在减轻残疾人家庭的生活负担方面以及缓解社会中护工短 缺的压力方面，都具有重要的意义和价值。本文通过对国内外助老助残轮椅机械手相关研究的分析以及对其关键技术的应用情况了解，研制了一款能够实现助老助残任务功能的轮椅机械手系统，主要研究工作的成果和结论总结如下：

　　（1）基于套索式柔性软绳传动原理研究设计了一种利用绳传动的轮椅机械臂结构。

　　轮椅机械手系统的机械臂通过采用套索式柔性软绳传动方式达到了远距离传递动力的目的，实现了将机械臂运动关节位置上的驱动电机与机械臂的臂体进行分离安装的要求。通过这种远距离动力传递的方式，大大减轻了轮椅机械臂的自重，提高了机械臂操作的灵活性，使得机械臂的结构更加轻便且能够模块化还具有便携安装的性能。因此， 将研制的机械臂安装在轮椅移动平台上组装成了轮椅机械手的结构形式。

　　（2）通过分析选型设计搭建了轮椅机械手系统的硬件结构。根据轮椅机械臂是由机械臂本体以及驱动控制机构两部分组成的结构特点，将机械臂的臂体安装在轮椅移动平台的左前侧，而相应的驱动控制机构则是安装在轮椅移动平台的后面；其中驱动控制机构中包括了机械臂关机驱动电机、机械臂绳传动的连接结构以及控制器等一些硬件设备，这里的控制器使用的是欧姆龙PLC作为系统的下位机，并与上位机之间通过串口通讯进行控制命令的数据传输，实现对动作执行的运动控制。

　　（3）基于旋量理论的运动学分析方法对轮椅机械手系统进行运动学模型的建立。

　　旋量理论可以从全局坐标系下描述机器人的刚体运动，能够很好地避免D-H参数法中的一些缺陷。因此，在旋量理论的基础上对轮椅机械手的结构形式建立参数模型，然后进 行相应的运动学分析和计算，得到助老助残轮椅机械手的运动学数学方程，完成正逆运动学的求解，同时推导轮椅机械手的雅克比矩阵判断其运动过程中的奇异构形问题。最 后，运用MATLAB编译环境中的机器人工具箱对轮椅机械臂的结构进行了运动学的仿真分析，根据仿真结果与计算求解结果的对比，完成相互之间结果正确性的验证，接着在轮椅机械臂的三维仿真模型的基础上对其进行工作空间的描述与分析，从而奠定了轮椅机械手系统运动控制的基础。

　　（4）基于人体视觉与肢体动作在任务执行过程中的相互配合机理，建立轮椅机械手系统的视动融合运动控制过程。轮椅机械手系统运用人机交互技术和机器视觉技术，形成一种生物视觉到机器视觉的目标发现过程，通过将视觉系统反馈的操作意图转换成对轮椅机械手的运动控制命令，达到视觉与动作融合的控制策略。轮椅机械手的人机交互系统方面是利用一种姿态传感器通过固定在使用者的头部来完成对人体视线运动方向变化信号的采集、处理和识别，从而形成轮椅机械手系统的控制指令，实现与轮椅机 械手系统的人机交互；轮椅机械手的视觉系统方面是利用机器视觉技术完成对空间中目 标物体的发现、识别与定位，然后在人机交互系统的配合模式下，实现对轮椅机械手系统的移动和抓取操作的运动任务控制，最终达到一种对轮椅机械手系统的视动融合运动控制，实现助老助残的任务功能。 （5）通过设计实验对轮椅机械手的整体系统进行实验验证与结果分析。根据所研 制的轮椅机械手系统，首先，针对轮椅机械臂的绳传动关节进行传动关系的标定实验，验证结构设计的可靠性；然后，分别对轮椅机械手的人机交互系统和机器视觉系统进行一定的操作实验，完成对人机交互运动控制以及基于视觉的目标发现识别和定位的测试实验，验证控制系统程序设计的准确性；最后，整理与分析实验数据归纳总结成果。

　　6.2.2 论文研究创新点

　　本文所研究的轮椅机械手系统是面向肢体残疾程度较高的老年和残疾人群来完成助老助残任务操作，属于一种能够实现生活辅助的服务型机器人，主要创新点如下：

　　（1）基于套索式柔性软绳传动原理研究设计了一种绳传动轮椅机械臂结构，实现了机械臂驱动机构与机械臂上运动关节的分离安装，达到减轻机械臂自重，增加操作灵 活性的目的。

　　（2）基于人体视线运动方向变化信号构建了人体视觉的空间定位模型，并将人体生物视觉注视点与机器视觉的随动特征相结合，形成了生物视觉与机器视觉协同的目标发现与空间定位关系，从而实现一种对轮椅机械手系统的视觉反馈。

　　（3）基于人体视觉与肢体动作完成运动任务的融合操作过程，将视觉反馈与轮椅 机械手系统的抓取运动规划相结合，构建了生物视觉和机器视觉与轮椅机械手的闭环运 动控制系统，实现人体与轮椅机械手的自然交互的控制过程与动作协调的执行过程。

　　6.3 展望

　　随着科学技术的飞速发展，对于能够辅助老年和残疾人群的服务型机器人来说一定会朝着更加智能化、功能更加强大的方向发展。本文针对肢体行动能力极差残疾程度较高的老年人和残疾人，研究设计的具有助老助残功能的轮椅机械手系统在一定程度上取得了预设的成果，但是由于当前的一些局限性，所以轮椅机械手系统也存在需要继续改进和提高的地方，主要包括以下几个方面：

　　（1）基于套索式柔性软绳传动原理研究设计的绳传动轮椅机械臂，是轮椅机械手系统开发的初代轮椅机械臂，在结构和关键位置的连接方式上还可以进行更加深入的优 化和提升，同时也可以将这种机械臂的结构形式打造成更加模块化和轻便易组装的应用 产品，使其不仅仅可以在助老助残方面发挥作用，在其他领域也具有一定的应用价值。

　　（2）轮椅机械手系统是采用的基于视线运动方向变化信号实现的对人体眼睛视线运动方向的位置估计，可以通过增加传感器或者结合眼电信号的方式来形成更加精确的对眼睛视线运动方向的跟踪和判断。

　　（3）轮椅机械手系统在人机交互界面和运动控制的程序中还可以继续优化，从而 使得系统界面的任务操作更加简洁明了，同时可以增加系统控制程序的可读性，方便轮椅机械手系统功能的附加和进一步的完善。

　　6.4 本章小结

　　本章节主要是对论文研究内容的归纳总结与论文研究情况的展望。首先，概括了本 文的研究过程以及论文撰写的思路和步骤；然后对本文研究所涉及的关键内容进行了全 面的总结和归纳，同时总结描述了论文研究内容的创新点；最后，针对论文研究中的轮椅机械手系统进行了展望，并且期待论文中的相关内容会有进一步地研究和发展。

　　致 谢

　　论文的研究工作内容是在导师陈乃建老师专业而又精心地指导下完成的，从确定研 究方向，到论文内容开展实施的过程，再到取得的研究成果和论文的撰写无不倾注老师认真负责的汗水和心血，不仅如此，在我的学业生涯里所取得的每一点一滴的进步都离不开陈老师细心且耐心的帮助和指导，在这里真诚的感谢陈老师在我研究生阶段对我学习上的严格要求和悉心指导以及生活上无微不至的关怀。并且陈老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、平易近人的人格魅力，特别是对待科学研究精益求精、实事求是的精神给予我深刻的人生启迪，更是深深地感染了我值得我不断地学习。 时光荏苒，日月如梭，回想起来美好的时光总是短暂的，三年的研究生生活如白驹过隙一闪而过，在济南大学机械工程学院的三年研究生学习过程中，充满着美好的回忆。 在这研究生学习阶段中，从科研学习，到为人处世，无不充满着令人怀念的美好回忆，在科研方面除了陈老师细致入微的指导外，也得到过其他老师的帮助和指点，在生活上也结交了一起学习成长进步的同学朋友，度过了一个丰富多彩的学习时光。

　　感谢艾长胜老师、李国平老师、王玉增老师、孙选老师、赵诗奎老师、刘海宁老师在我论文进展过程中对我的研究内容、论文书写以及总结汇报的工作提出的宝贵建议，也让我受益匪浅；还要感谢张金凯老师和李映君老师在我学习过程中提供的有利帮助。 感谢实验室里一起学习的韩祥东、杨聪、郑军海等师兄，孙建波、陈斯、郇正泽等同学以及黄玉林、杨志康、徐兴盛、胡志通、赵建等师弟，感谢他们在我研究生生活对我的帮助，也要感谢他们营造出的良好地学习氛围；还要感谢张来伟师弟、范振师弟、杨家宝师弟在我论文研究实验过程中提供的帮助和支持，同时特别地感谢高先圣同学和张睿同学在我论文研究探索过程中付出的实践以及提供的帮助。 在这里我还要感谢我的父母，感谢他们一直以来无怨无悔、不辞辛苦的工作付出，为我的成长和学业保驾护航，他们是我求学道路上奋发努力的最大精神动力，没有他们的支持与鼓励我不会一步一步走到现在，感谢他们所有的付出和牺牲。 最后，由衷的感谢在百忙之中抽出时间评阅及提出珍贵意见的各位评审老师们；同 时，真诚地感谢一路走来，所有关心、鼓励、支持和帮助过我的人！

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