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應用 FLOW-3D 於膳食輔助機器人的軌跡規劃設計(避免食物溢出)

 
作 者 :

Yoshifumi Kuriyama, Ken'ichi Yano and Masafumi Hamaguchi

本文出處:

17th IEEE International Conference on Control Applications

Part of 2008 IEEE Multi-conference on Systems and Control
San Antonio , Texas , USA , September 3-5, 2008

近年來,醫療輔助機器人的開發與設計成為一個重要的課題,本篇研究的重點,在於利用 CFD 計算流體力學配合最佳化設計,研究如何取得機器手臂在移動湯匙的過程中,不會造成流體溢出的運動軌跡。

初步設定及模擬比對

機器人本體由六個運動馬達組成,每個馬達的最大運動角素度如下表。

 

湯匙的規格如下圖

 

 

在本研究中搭配使用的 CFD 軟體為 FLOW-3D ,流體的體積為,流體的物理性質如下表。

 

FLOW-3D 的網格尺寸及設定如下所示。

 

在此研究中,湯匙沿著 Y 軸移動,下圖表示其位移量及移動速度。

 

下圖則是以 FLOW-3D 進行模擬之分析結果以及實際機器手臂運動時流體的濺出狀況。

 

Part A. 最佳化的設定流程

本研究的計算流程可以由下列流程圖表示,因此首先必須先定義出相關的參數以及決定初始條件。

 

研究中,移動路徑是由速度曲線積分而得,如下圖。

 

速度曲線可大致分為三個區塊,分別是加速區 、等速區、 以及減速區,而速度曲線可以用七個常數加以描述,如下之方程式。

根據

1.  t = 0
2. t = t1

前述之七個設計常數可為

當 t = t1 時

Part B. 指定最佳化限制

最小移動速度不能夠小於零。

每個馬達的轉動角速度不得大於馬達規格。

移動過程中波濺出的水量必須小於零。

將上述評估方程式以程式計算

 

Part C. 計算結果

 

Part D. 分析結果與實驗比對