雙臂類人型烹飪機(jī)器人研究.pdf

1、在一個(gè)資源與能源有限、人民生活水平不斷提高、科技日新月異、老齡化問題日益嚴(yán)峻的時(shí)代，人類生活方式的機(jī)器人化與智能化，是未來社會(huì)生活發(fā)展的必然趨勢(shì)。在未來20～50年的時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人將與目前迅速普及的個(gè)人計(jì)算機(jī)一樣，成為人類不可或缺的最密切的朋友和幫手。機(jī)器人將逐步走入人類的日常生活，與人類友好共處，徹底改變這個(gè)時(shí)代的生活方式。人們每天要花費(fèi)大量的時(shí)間來烹飪菜肴，而且并不是每個(gè)人都能烹飪出美味的菜肴，因此能夠自動(dòng)烹飪出具有專業(yè)烹飪水平菜肴

2、的烹飪機(jī)器人是目前最有市場(chǎng)前景的家用服務(wù)機(jī)器人之一，它能夠把人們從繁重的烹飪家務(wù)中解救出來，使人們擁有更多的空余時(shí)間，同時(shí)又能夠在家里品嘗到專業(yè)廚師所烹飪的菜肴。
　　 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)和信息科學(xué)的交叉與發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用日益深入。雙臂類人型烹飪機(jī)器人做為一種與飲食科學(xué)相結(jié)合的服務(wù)機(jī)器人，從而代替人類從事繁復(fù)的烹飪勞動(dòng)，對(duì)其研究將有助于解決類似服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的共性基礎(chǔ)理論問題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用

3、價(jià)值。目前，針對(duì)雙臂類人型烹飪機(jī)器人的研究還不成熟，可靠的方案和各種自動(dòng)烹飪手段還僅停留在初級(jí)階段。
　　 本論文來源于國(guó)家自然基金:基于仿人行為的雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人研究(61105101)、博士后基金:雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人數(shù)字表征及機(jī)械再現(xiàn)方法研究、機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金（MSV-MS-2010-03）和機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目（SKLRS-2010-ZD-06）的資助，主要研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方

4、面:
　　 首先介紹了雙臂烹飪機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，在大量調(diào)研與反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的中式菜肴烹飪動(dòng)作進(jìn)行分析，并描述典型烹飪工藝動(dòng)作，合成單一動(dòng)作成為組合動(dòng)作，確定烹飪工藝對(duì)應(yīng)的工藝動(dòng)作，然后對(duì)中式烹飪工藝進(jìn)行功能劃分、定義和標(biāo)準(zhǔn)化，將機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)中式烹飪。通過深入研究中式菜肴烹飪的灶上工藝動(dòng)作特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了灶上工藝標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作劃分方法，能實(shí)現(xiàn)灶上工藝動(dòng)作分解或標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作組合，設(shè)計(jì)了基于雙臂的烹飪機(jī)器

5、人，包含工具臂和鍋具臂，完成大部分的烹飪動(dòng)作，完成了機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)中式烹飪?cè)钌瞎に嚨幕緞?dòng)作，自動(dòng)再現(xiàn)人工烹飪過程，從而實(shí)現(xiàn)中式烹飪的自動(dòng)化與標(biāo)準(zhǔn)化。
　　 然后，對(duì)該機(jī)器人的6自由度手臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。利用D-H方法為每個(gè)連桿建立了坐標(biāo)系。根據(jù)各個(gè)連桿長(zhǎng)度與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍計(jì)算了手臂的工作空間。利用手臂各個(gè)連桿的D-H參數(shù)計(jì)算了齊次變換矩陣，從而得到了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。利用Paul方法求出了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。利用矢量積法求出了手臂的

6、雅可比矩陣。通過MATLAB中的一個(gè)圓形軌跡仿真驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程與雅可比矩陣建立了位置、姿態(tài)、速度從關(guān)節(jié)空間到笛卡爾空間的映射，為手臂的控制打下了基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解也同樣非常有用，使得我們能夠?qū)⒛┒藞?zhí)行器驅(qū)動(dòng)至我們所需要的位置與姿態(tài)，以便完成一系列指定的動(dòng)作，例如烹飪中式菜肴等。
　　 之后，提出了一種全新的劃散機(jī)構(gòu)，對(duì)雙臂機(jī)器人的工具臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，運(yùn)用Denavit-Hartenberg法建立了該機(jī)構(gòu)的坐

7、標(biāo)系，得出了其末端端點(diǎn)的軌跡方程和速度、加速度方程，通過仿真分析得知，該機(jī)構(gòu)的末端端點(diǎn)任鍋具中心處的運(yùn)動(dòng)速度快而在鍋具邊沿處的運(yùn)動(dòng)速度慢，其包絡(luò)線能夠迅速覆蓋整個(gè)鍋具壁面，且末端加速度呈較大的周期性波動(dòng)，充分模擬了人工劃散。與人工劃散效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明這種劃散機(jī)構(gòu)劃散后的物料具有更低的二粘連率和多粘連率，證明該機(jī)構(gòu)能夠滿足苛刻的劃散工藝的要求。
　　 最后，給出了晃鍋運(yùn)動(dòng)和翻鍋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。完成了烹飪機(jī)器人鍋具機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)

8、和動(dòng)力學(xué)仿真、分析和驗(yàn)證。先介紹了烹飪機(jī)器人鍋具運(yùn)動(dòng)及其實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)鍋具運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過假設(shè)質(zhì)量點(diǎn)m，對(duì)其在特定烹飪動(dòng)作下鍋具內(nèi)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)不同的烹飪動(dòng)作，進(jìn)行不同的約束假設(shè)，給出了模型，用MATLAB/Simulink進(jìn)行了質(zhì)量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真計(jì)算，得到了針對(duì)翻鍋和圓周晃的鍋具軌跡規(guī)劃和最優(yōu)化參數(shù)實(shí)現(xiàn)。通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方法能高效地復(fù)現(xiàn)廚師的烹飪動(dòng)作，滿足烹飪機(jī)器人的鍋具運(yùn)動(dòng)要求。
　　 論文所得到

9、的結(jié)果包括四個(gè)方面:
　　 (1)研究了“煸炒類”典型中式菜肴雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人烹飪動(dòng)作和烹飪工藝的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化方法，提出基于仿人行為的雙臂機(jī)器人烹飪過程自動(dòng)化的智能方法;
　　 (2)設(shè)計(jì)了雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人，進(jìn)行了雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人的仿生設(shè)計(jì)理論研究，建立了多自由度雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人與外部輔助工具軸系的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型;
　　 (3)基于雙臂烹飪機(jī)器人的工具臂，對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)建模，提出了一種仿人劃散機(jī)構(gòu)

10、;
　　 (4)基于雙臂烹飪機(jī)器人的鍋具臂，研究了鍋具運(yùn)動(dòng)及晃鍋具、翻鍋實(shí)現(xiàn)機(jī)理，進(jìn)行了鍋具物料質(zhì)量點(diǎn)m的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得出了鍋具運(yùn)動(dòng)軌跡最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法。
　　 本論文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　 1)提出一種主要用于中式菜肴雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人;
　　 2)基于仿人行為的雙臂自動(dòng)烹飪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;
　　 3)基于雙臂烹飪機(jī)器人的工具臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，提出了一種劃散方法;