基于用户规划识别的智能轮椅作业臂示教再现方法研究

摘要

安装作业臂的智能轮椅系统是一种新型的助老/助残机器人，它既可作为代步工具，还能辅助残障人士实现日常的操作任务，成为国际上广泛研究的助老助残机器人系统。本文将针对该类机器人研究适合残疾人或其监护人使用的示教再现方法提供操作辅助。
　　由于传统示教方法不能区分示教过程中的有效操作与误操作，对示教操作的准确度要求较高，增加了用户的使用难度，造成了残疾人或其监护人的不便。为解决上述问题，本文提出一种模式识别方法，研究从示教轨迹中提取用以完成任务的有效部分，具体方法如下：首先，通过改进均方速度算法（Mean Squared Velocity，MSV）完成示教轨迹分段；其次，基于最近邻规则识别各轨迹分段，并以规定的标识命名，作为轨迹分段的特征，从而实现示教轨迹的分段与特征提取，并把示教轨迹转化为由轨迹分段组成的串；最后，采用容错串匹配算法，从由轨迹分段组成的串中查找完成任务的特征，实现提取示教轨迹中的有效部分。
　　在智能轮椅的实际使用过程中发现，为完成精确、复杂的轨迹运动，必须由机器人进行大量轨迹规划，或者由用户大量介入进行繁杂操作，以上两种方法皆有较大缺陷。因此，本文提出一种引导用户按示教轨迹操控机器人运动的再现方法，采用一种适应用户的规划识别方法和“人—机器人”协作完成示教再现的方式，建立了描述用户操控指令的贝叶斯网络模型，从而推理用户在操作智能轮椅时的规划和目标。
　　最后，针对基于MSV的模式识别方法、基于贝叶斯网络的规划识别方法，分别进行了仿真分析；建立了物理实验系统，在智能轮椅实验平台上完成基于规划识别的示教再现实验，进一步验证论文相关算法的正确性和有效性。

目录

基于用户规划识别的智能轮椅作业臂示教再现方法研究

RESEACH ON TEACHING AND PLAYBACK MATHOD BASED ON USER PLAN RECOGNITION FOR INTELLIGENT WHEELCHAIR MOUNTED MANIPULATOR

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 机器人示教编程方法研究现状

1.2.1 轨迹级示教编程方法研究现状

1.2.2 任务级示教编程方法研究现状

1.3 智能轮椅机器人操作辅助方式研究现状

1.4 适应用户的规划识别方法研究现状

1.5 研究意义与主要研究内容

第2章 基于有效操作特征提取的示教方法研究

2.1 引言

2.2 基于操作特征提取的示教方法总体研究

2.2.1 示教场景描述与解决方案研究

2.2.2 基于操作特征提取的示教方法总体结构

2.3 有效操作提取方法

2.3.1 有效操作提取方法总体研究

2.3.2 基于改进 MSV 法的示教轨迹分割

2.3.3 基于最近邻规则的示教轨迹分段特征提取

2.3.4 示教轨迹分段序列的优化

2.3.5 基于容错串匹配算法的有效操作提取

2.3.6 其他关键技术

2.4 示教程序生成

2.4.1 坐标变换

2.4.2 任务规划信息

2.5 本章小结

第3章 基于用户规划识别的再现方法

3.1 引言

3.2 基于用户规划识别的示教再现方法总体研究

3.2.1 场景描述与解决方案研究

3.2.2 基于用户规划识别的示教再现方法总体结构

3.3 用户规划的形式化描述与生成

3.3.1 用户任务目标及规划的描述与生成

3.3.2 用户轨迹规划的描述与生成

3.4 规划识别的动态贝叶斯网络

3.4.1 动态贝叶斯网络框架

3.4.2 动态贝叶斯网络更新模型

3.5 用户规划识别方法仿真验证

3.5.1 仿真环境建立

3.5.2 用户规划识别方法仿真结果及分析

3.6 基于用户规划识别的示教再现方式

3.6.1 基于用户规划识别的示教再现方式概念设计

3.6.2 基于用户规划识别的示教再现方式仿真研究及分析

3.7 本章小结

第4章 基于规划识别的示教再现实验研究

4.1 引言

4.2 智能轮椅实验平台改造

4.2.1 智能轮椅实验系统

4.3 面向用户的示教编程方法实验

4.3.1 实验场景规划

4.3.2 示教实验结果与分析

4.3.3 再现实验结果与分析

4.3.4 实验场景规划

4.3.5 实验结果与分析

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢