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在一个资源与能源有限、人民生活水平不断提高、科技日新月异、老龄化问题日益严峻的时代,人类生活方式的机器人化与智能化,是未来社会生活发展的必然趋势。在未来20~50年的时间内,机器人将与目前迅速普及的个人计算机一样,成为人类不可或缺的最密切的朋友和帮手。机器人将逐步走入人类的日常生活,与人类友好共处,彻底改变这个时代的生活方式。人们每天要花费大量的时间来烹饪菜肴,而且并不是每个人都能烹饪出美味的菜肴,因此能够自动烹饪出具有专业烹饪水平菜肴的烹饪机器人是目前最有市场前景的家用服务机器人之一,它能够把人们从繁重的烹饪家务中解救出来,使人们拥有更多的空余时间,同时又能够在家里品尝到专业厨师所烹饪的菜肴。
随着计算机科学、控制论、机构学和信息科学的交叉与发展,服务机器人技术的研究与应用日益深入。双臂类人型烹饪机器人做为一种与饮食科学相结合的服务机器人,从而代替人类从事繁复的烹饪劳动,对其研究将有助于解决类似服务机器人设计的共性基础理论问题,具有重要的学术价值与应用价值。目前,针对双臂类人型烹饪机器人的研究还不成熟,可靠的方案和各种自动烹饪手段还仅停留在初级阶段。
本论文来源于国家自然基金:基于仿人行为的双臂自动烹饪机器人研究(61105101)、博士后基金:双臂自动烹饪机器人数字表征及机械再现方法研究、机械系统与振动国家重点实验室研究基金(MSV-MS-2010-03)和机器人技术与系统国家重点实验室开放研究项目(SKLRS-2010-ZD-06)的资助,主要研究内容包括如下几个方面:
首先介绍了双臂烹饪机器人的设计思路,在大量调研与反复实验的基础上,对现有的中式菜肴烹饪动作进行分析,并描述典型烹饪工艺动作,合成单一动作成为组合动作,确定烹饪工艺对应的工艺动作,然后对中式烹饪工艺进行功能划分、定义和标准化,将机器人、计算机、数据库等技术应用于传统中式烹饪。通过深入研究中式菜肴烹饪的灶上工艺动作特点,创造性地提出了灶上工艺标准动作划分方法,能实现灶上工艺动作分解或标准动作组合,设计了基于双臂的烹饪机器人,包含工具臂和锅具臂,完成大部分的烹饪动作,完成了机器人的系统设计,实现中式烹饪灶上工艺的基本动作,自动再现人工烹饪过程,从而实现中式烹饪的自动化与标准化。
然后,对该机器人的6自由度手臂进行了运动学分析。利用D-H方法为每个连杆建立了坐标系。根据各个连杆长度与关节转动范围计算了手臂的工作空间。利用手臂各个连杆的D-H参数计算了齐次变换矩阵,从而得到了运动学方程。利用Paul方法求出了运动学逆解。利用矢量积法求出了手臂的雅可比矩阵。通过MATLAB中的一个圆形轨迹仿真验证了运动学逆解。手臂的运动学方程与雅可比矩阵建立了位置、姿态、速度从关节空间到笛卡尔空间的映射,为手臂的控制打下了基础。运动学逆解也同样非常有用,使得我们能够将末端执行器驱动至我们所需要的位置与姿态,以便完成一系列指定的动作,例如烹饪中式菜肴等。
之后,提出了一种全新的划散机构,对双臂机器人的工具臂进行了运动学分析,运用Denavit-Hartenberg法建立了该机构的坐标系,得出了其末端端点的轨迹方程和速度、加速度方程,通过仿真分析得知,该机构的末端端点任锅具中心处的运动速度快而在锅具边沿处的运动速度慢,其包络线能够迅速覆盖整个锅具壁面,且末端加速度呈较大的周期性波动,充分模拟了人工划散。与人工划散效果的对比实验表明这种划散机构划散后的物料具有更低的二粘连率和多粘连率,证明该机构能够满足苛刻的划散工艺的要求。
最后,给出了晃锅运动和翻锅运动的运动轨迹的规划。完成了烹饪机器人锅具机构运动学和动力学仿真、分析和验证。先介绍了烹饪机器人锅具运动及其实现方法,对锅具运动进行运动学分析,通过假设质量点m,对其在特定烹饪动作下锅具内进行了运动学和动力学分析,对不同的烹饪动作,进行不同的约束假设,给出了模型,用MATLAB/Simulink进行了质量点运动轨迹仿真计算,得到了针对翻锅和圆周晃的锅具轨迹规划和最优化参数实现。通过大量实验验证,表明该方法能高效地复现厨师的烹饪动作,满足烹饪机器人的锅具运动要求。
论文所得到的结果包括四个方面:
(1)研究了“煸炒类”典型中式菜肴双臂自动烹饪机器人烹饪动作和烹饪工艺的数字化、标准化方法,提出基于仿人行为的双臂机器人烹饪过程自动化的智能方法;
(2)设计了双臂自动烹饪机器人,进行了双臂自动烹饪机器人的仿生设计理论研究,建立了多自由度双臂自动烹饪机器人与外部辅助工具轴系的运动学、动力学模型;
(3)基于双臂烹饪机器人的工具臂,对机械臂结构参数建模,提出了一种仿人划散机构;
(4)基于双臂烹饪机器人的锅具臂,研究了锅具运动及晃锅具、翻锅实现机理,进行了锅具物料质量点m的运动学和动力学分析,得出了锅具运动轨迹最优化实现方法。
本论文的创新性体现在以下几个方面:
1)提出一种主要用于中式菜肴双臂自动烹饪机器人;
2)基于仿人行为的双臂自动烹饪机器人的运动学分析;
3)基于双臂烹饪机器人的工具臂的运动学分析,提出了一种划散方法;
4)基于双臂烹饪机器人的锅具臂的运动学分析,实现特定烹饪动作。
总之,在原有烹饪机器人的基础上提出的基于仿人行为的双臂自动烹饪机器人可以大大简化烹饪机器人对不同复杂烹饪动作的实现过程,做到真正意义上的烹饪机器人。该机器人的研制成功对其它类型的服务机器人的开发有重要的理论借鉴意义。