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1、 畢業(yè)設(shè)計（論文） 老年助行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 王鵬 燕山大學(xué)里仁學(xué)院 2013年 6 月 畢業(yè)設(shè)計（論文） 老年助行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 學(xué) 院： 里仁學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)電4班 學(xué)生 姓名： 王 鵬 學(xué) 號： 091101011519

2、 指導(dǎo) 教師： 邊 輝 答辯 日期： 2013.6.16 燕山大學(xué)里仁學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)院： 里仁學(xué)院 系級教學(xué)單位： 機(jī)械工程系 學(xué) 號 091101011519 學(xué)生 姓名 王鵬 專 業(yè) 班 級 09機(jī)電4班 題 目 題目名稱 老年助行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 題目性質(zhì) 1

3、.理工類：工程設(shè)計 （ √ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）； 理論研究型（ ）；計算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ） 2.文管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ） 題目類型 1.畢業(yè)設(shè)計（ √ ） 2.論文（ ） 題目來源 科研課題（ √ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ） 主 要 內(nèi) 容 確定老年人助行機(jī)器人整體方案； 比較各種方案優(yōu)越性，并選擇一種設(shè)計， 包括（機(jī)械本體結(jié)構(gòu)方案、零部件選取、控制系統(tǒng)方案）； 進(jìn)行機(jī)器人三維實體設(shè)計，造型，計算，仿真模擬； 設(shè)計多重安全保護(hù)

4、措施，增加柔性設(shè)計； 要求機(jī)器人滿足60千克人體起坐、行走等基本運動需求 基 本 要 求 設(shè)計說明書60-70頁，繪圖工作量不小于3張A0 機(jī)械系統(tǒng)整體裝配圖一張A0 機(jī)械系統(tǒng)部件圖一張A1 主要零件圖 參 考 資 料 徐灝,邱宣懷等編，機(jī)械設(shè)計手冊，機(jī)械工業(yè)出版社； 機(jī)器人設(shè)計圖冊，機(jī)械工業(yè)出版社； 張立勛,伊蕾，六連桿助行機(jī)器人生理學(xué)運動規(guī)劃研究, 高技術(shù)通訊； 平偉,頓向明，助行機(jī)器人研究現(xiàn)狀和展望, 機(jī)電一體化 方芳,周武嘯，助行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計，傳感器與微系統(tǒng) 丁學(xué)恭,機(jī)器人控制研究，浙江大學(xué)出版社； 周 次 1～4周 5～8周 9～12

5、周 13～16周 17～18周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 查閱收集資料，提交文獻(xiàn)綜述和開題報報告、外文翻譯；節(jié)點考核 確定機(jī)構(gòu)整體方案，比較各種方案優(yōu)越性，并選取一種合理機(jī)構(gòu)；三維造型并對主要零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。 繪制機(jī)械圖紙，并選取機(jī)器人運動控制器、搭建控制系統(tǒng)；中期考核 完善控制系統(tǒng)，繪制機(jī)械及電氣圖紙。 撰寫論文 制作PPT 準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師：邊輝 職稱： 年 月 日 系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 摘要 智能助行機(jī)器人主要針對行走不便、視弱、盲

6、人等的老年人和殘疾人，以日常生活和工作所需要的行走輔助為主要目標(biāo)。助行機(jī)器人樣機(jī)不但廣泛應(yīng)用與醫(yī)院和療養(yǎng)院，也常常作為家庭老人和殘疾人的康復(fù)設(shè)備。本論文針對目前國內(nèi)外助行機(jī)器人的重量過大、承載能力、不能適應(yīng)室內(nèi)/室外多種地面、輔助導(dǎo)航系統(tǒng)昂貴等不足展開研究，研制了可適應(yīng)室內(nèi)/室外等環(huán)境、便攜式的智能助行機(jī)器人樣機(jī)，主要包括助行機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計、運動學(xué)分析等方面。首先，回顧和總結(jié)了助行機(jī)器人的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，對國內(nèi)外各主要研究機(jī)構(gòu)設(shè)計的助行機(jī)器人進(jìn)行了分析和對比，并介紹了本文研究的主要內(nèi)容。 其次，對機(jī)器人研制目標(biāo)進(jìn)行了分析，討論確定了助行機(jī)器人樣機(jī)的總體設(shè)計方案。從整體上對機(jī)器人機(jī)械設(shè)計

7、的特點和局部結(jié)構(gòu)相關(guān)元件的選擇進(jìn)行研究。根據(jù)作業(yè)環(huán)境的要求、負(fù)載能力，利用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法，通過比較各種傳動方式的優(yōu)缺點，由助行機(jī)器人的底盤機(jī)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，按從下到上的順序相對獨立地利用Pro/E 設(shè)計了助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，最后經(jīng)過分析，設(shè)計出實際樣機(jī)。 再次，建立了該機(jī)器人在平面上的運動學(xué)模型，討論在該模型下幾種基本運動形式的實現(xiàn)條件，還分析齒輪傳動對小車運動學(xué)模型的影響，得出提高小車運動精度可采取的措施。 關(guān)鍵詞：助行機(jī)器人，機(jī)構(gòu)設(shè)計，運動學(xué)分析。 I 目錄 Abstract The intelligent assistant robot mainly aims

8、 at helping the aged and the disabled who are weak-eyed, blind, or have difficulty walking, and itsmain target is to assist in walking for those people during their daily lifeand work time. The assistant robot can not only be widely used inhospitals and nursing home, but also can be used for the reh

9、abilitationequipment for the aged and disabled. The thesis does research on thedisadvantages of the assistant robot at home and abroad at present, which is usually overweighted, with low carrying capacity, unable to walk in both indoor and outside environment, and expensive in auxiliary navigation s

10、ystem. A conveniently portable prototype for assistant robot is designed which can be used in both inside and outside environment, its mainly content includes mechanism design and kinematics analysis. Firstly, the thesis reviews and summarizes the research history and development status of assistan

11、t robot, and does analysis and comparison mainly on assistant robot at home and abroad. Secondly, the research target of assistant robot is analyzed, and the overall design scheme of prototype is discussed and confirmed. The features of mechanism design of robot and the choice on components of modul

12、es are researched as a whole. According to the requirements of work environment, carrying capacity, Using Modern mechanical design method and making comparison on advantages and disadvantages of variable transmission methods, the mechanism of assistant robot is designed by Pro/E, and the design of r

13、obot is started from the chassis mechanism which is from the bottom up independently. Thirdly, the kinematics model of the robot on the flat surface is established, and the conditions to realize 3 forms of motion are discussed under the model. Also, the effect of gear transmission on kinematics mod

14、el is discussed and the measures to improve motion precision are made. Keywords：Assistant robot, Mechanism design, Kinematics analysis. III 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 國外助行機(jī)器人的研究 1 1.2.1 愛爾蘭PAM-AID 助行機(jī)器人 1 1.2.2 美國SmartCane 助行機(jī)器人 2 1.2.3 韓國WAR 助行機(jī)器人 3 1.2.4 日本助行機(jī)

15、器人 4 1.2.5 可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人 4 1.3 國內(nèi)助行機(jī)器人的研究 5 1.3.1 多功能助行機(jī)器人 5 第2章 助行機(jī)器人的總體設(shè)計方案 8 2.1助行機(jī)器人研制目標(biāo) 8 2.1.1適用環(huán)境分析 8 2.1.2使用人群分析 8 2.1.3運行速度 9 2.1.4工作時間和自重 9 2.2助行機(jī)器人的總體方案設(shè)計 9 2.2.1基本方案 9 2.2.2助行機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 10 2.2.3機(jī)構(gòu)設(shè)計分析 11 2.2.4 驅(qū)動方式的選擇 12 2.2.5 助行機(jī)器人的材料選擇 13 2.2.6 助行機(jī)器人的整體控制方案 14 2.3. 現(xiàn)

16、有的助行機(jī)器人的優(yōu)缺點分析 15 2.4. 助行機(jī)器人的設(shè)計方案 16 2.5. 本章小結(jié) 17 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 3.1助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模塊確定 19 3.2. 驅(qū)動元件和傳動元件的選擇 20 3.2.1 驅(qū)動元件的選擇 20 3.2.2 傳動元件的選擇 21 3.3. 底盤模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計 24 3.3.1 底盤模塊的相關(guān)計算與電機(jī)選擇 24 3.3.1.1 驅(qū)動輪的選擇 24 3.3.1.2 非驅(qū)動輪的選擇 24 3.3.1.3 電機(jī)驅(qū)動單元的選擇 24 3.3.2 樣機(jī)重要零部件設(shè)計 26 3.2.2.1、鏈輪鏈條傳動 26 3.2

17、.2.2、固定心軸的設(shè)計 27 3.2.2.3、 懸臂梁的設(shè)計 28 3.3.3 傘齒輪設(shè)計 29 3.3.4 驅(qū)動輪模塊設(shè)計 29 3.3.5 非驅(qū)動輪模塊 30 3.4. 輔助升降機(jī)構(gòu) 30 3.4.1 確定設(shè)計方案 30 3.4.2 絲杠螺母選擇 31 3.4.3 電機(jī)及減速器等的選擇 32 3.4.3.1、功率計算和電機(jī)選擇 32 3.4.3.2、聯(lián)軸器的選用 32 結(jié)論 34 參考文獻(xiàn) 35 致謝 38 附錄1:文獻(xiàn)綜述 39 附錄2:開題報告 45 附錄3:外文翻譯 50 III 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1 課題背景

18、 據(jù)全國老齡辦的研究報告顯示當(dāng)前中國已進(jìn)入快速老齡化階段。在這一階段，中國平均每年將新增596萬老年人口，到2020年，老年人口將達(dá)到2.5億。伴隨老齡化過程最為顯著的特征就是由于身體機(jī)能衰退而引起的行走能力下降，這嚴(yán)重影響了老年人的日常生活質(zhì)量口J。與此相對的是目前廣泛使用的助行設(shè)備(如，拐杖、助步架等)功能比較單一，智能化程度低，安全性和舒適性都不足，無法滿足使用者獨立生活的需求。因此，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的助行設(shè)備領(lǐng)域，設(shè)計更智能更舒適更安全的助行機(jī)器人系統(tǒng)有著必要性。 1.2 國外助行機(jī)器人的研究 1.2.1 愛爾蘭PAM-AID 助行機(jī)器人 愛爾蘭Shane MacNamar

19、a等開發(fā)了叫PAM-AID 的助行器，PAM-AID 的項目是在1994 年與愛爾蘭首都都伯林開展的，項目旨在幫助一些視力和體力不太好的患者步行。由于視力受損而且體力有限極大的限制了一個人的移動自由，其提供了一個更為安全和享受的步行經(jīng)歷。項目由特瑞擬題基金、國家康復(fù)管理委員會和歐盟信息通訊應(yīng)用贊助。這個助行機(jī)器人在2000 年才首次作為商業(yè)用途制造出來，其中有5 個機(jī)器人被美國老兵事務(wù)部購買。機(jī)器人底盤有四個輪子，其中由兩個電機(jī)分別單獨驅(qū)動前輪，而且電機(jī)只負(fù)責(zé)改變輪子轉(zhuǎn)向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。機(jī)器人底盤有四個輪子，其中由兩個電機(jī)分別單獨驅(qū)動前輪，而且電機(jī)只負(fù)

20、責(zé)改變輪子轉(zhuǎn)向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。機(jī)器人帶有自動導(dǎo)航系統(tǒng)，可以有效地在傳感范圍內(nèi)避障，包括靜止和移動的障礙物，能有效地保障用戶的安全。 圖1-1 PAM-AID 1.2.2 美國SmartCane 助行機(jī)器人 這種機(jī)器人的研制主要是為了滿足盲人行走障礙，而不再是在PAM-AID 中所設(shè)計的為了滿足一些實力受損或者體力不好的用戶。盲人如果想使用一般助行器必然會遇到很多困難，為了提供智能輔助行走，感知功能和健康檢測系統(tǒng)，美國Dubowsky 等人于1999 年研發(fā)了PAMM 系統(tǒng)。Smartcane 機(jī)器人只適用于在一般的平地或者小于五度的斜坡上

21、行走，比一般的4 點支 圖1-2 Smartcane助行機(jī)器人 撐拐杖能提供更好的平衡性，而且機(jī)器任課以通過系統(tǒng)地圖，用戶指令，感知的障礙來提供目的地行走指導(dǎo)。機(jī)器人還提供了包括健康檢測功能和與管理員電腦通訊的功能。機(jī)器人的尺寸很緊湊和穩(wěn)定，重量不超過15 公斤,運行速度從0 到0.5m/s，在垂直方向 提供的支撐力為50 公斤，在其他兩個方向提供的支撐力為4 公斤左右。機(jī)器人上帶有電池，可以供給機(jī)器人連續(xù)8 小時運行。機(jī)器人還具有計算功能，足夠滿足機(jī)器人路徑規(guī)劃，控制，健康檢測和通訊功能。機(jī)器人身上帶有聲學(xué)和視覺傳感器，用來檢測障礙物，提供行走輔助。機(jī)器人

22、是通過力覺手柄和聲音來傳遞給機(jī)器人命令的，價格不超過5000 美金，的確是可以作為盲人的經(jīng)濟(jì)實惠的一款機(jī)器人。 1.2.3 韓國WAR 助行機(jī)器人 由韓國理工大學(xué)的Shim等人與2004年研制開發(fā)出WAR（walking assistantrobot）助行機(jī)器人主要是用于幫助老年人在戶外行走的一款有別于以往一般只能在戶內(nèi)比較平坦地形行走的步行機(jī)器人。WAR 助行機(jī)器人不僅具有輔助支撐和行走功能，還具有輔助升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負(fù)載，對一些體力不足的老年人特別有用。這個樣機(jī)還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶的身體，保護(hù)用戶安全，不用擔(dān)心向前傾倒。機(jī)器人高度為

23、1m，并且可以調(diào)整。機(jī)器人還具有障礙物檢測和避讓功能，通過觸摸手柄讓感知用戶意圖。此種助行機(jī)器人比一般助行器輔助行走更簡單，通過GPS/GIS 導(dǎo)航系統(tǒng)來尋找路徑。目前這種機(jī)器人已經(jīng)投入生產(chǎn)，并且已經(jīng)證實具有比較好的助行效果，不過目前并沒有大規(guī)模生產(chǎn)，這種助行機(jī)器人仍舊還需要進(jìn)行很多的改進(jìn)。 圖1-3 WAR 助行機(jī)器人 1.2.4 日本助行機(jī)器人 豐田汽車于2008 年8 月1 日宣布，開發(fā)出了站乘型助行機(jī)器人“Winglet”。 2007 年發(fā)布的坐乘型機(jī)器人“MOBIRO”主要以老年人為對象，而Winglet 則設(shè)想用于較為年輕的人群。不過，二者使用的前提

24、均是人行道 圖1-4 HITACHI 助行機(jī)器人 和樓內(nèi)等適合步行的場所。機(jī)器人的尺寸為:265×464×462mm，重9.9 千克，最高速度6 km/h，充電時間1 小時，可巡航5 km。機(jī)器人采用便攜式設(shè)計。配備有角度傳感器,陀螺傳感器和車輪速度傳感器，可根據(jù)駕駛狀態(tài)用兩個輪子穩(wěn)步行走。前進(jìn)與后退方面，通過檢測身體重心的前后移動來實現(xiàn)。另外，機(jī)體內(nèi)部采用平行鏈構(gòu)造，通過左右移動重心時平行鏈向一側(cè)傾斜來檢測駕駛者的轉(zhuǎn)意向。通過左右車輪轉(zhuǎn)速的不同實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。更換機(jī)體上部的操控桿，可變換成“Type S”、“Type M”以及“Type L”三種類型。Typ

25、e S 和M 為用雙腳夾住機(jī)身不用雙手即可操控、Type L 是用雙手握住操控桿進(jìn)行操控的類型。三種類型均配備有鋰離子充電電池，充滿電需要1 小時。最高速度為6km/h。重量方面，Type S 為9.9kg、Type M 和L 為12.3kg。行駛距離方面，Type S 為5km、Type M 和L 為10km。日本W(wǎng)aseda 大學(xué)于2006 年研發(fā)成功HITACHI 助行機(jī)器人。 1.2.5 可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人 韓國科學(xué)家KyoungchulKong等研發(fā)的可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人。外骨骼式的結(jié)構(gòu)，很好地解決了患肢運動過程中的支撐問題，其硬鋁材質(zhì)的雙邊結(jié)構(gòu)不僅在保持剛性的 前

26、提下大大的減輕了機(jī)器人本體的質(zhì)量，并且為監(jiān)測上肢肌肉運動狀態(tài)時的電極放置提供了便利．機(jī)器人的設(shè)計從解剖學(xué)的角度出發(fā)，模仿人體的上肢運動，并支持恢復(fù)機(jī)體功能的專業(yè)訓(xùn)練治療。機(jī)器人共采用4 個Maxon 電機(jī)來帶動人體踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運動，能夠提供動力給人體，調(diào)節(jié)人體下肢姿態(tài)。其中光電編碼器用來讀取裝置的位置信息，力矩傳感器獲取運動過程中的關(guān)節(jié)力矩變化。此機(jī)器人采用氣動執(zhí)行器來驅(qū)動其升降機(jī)構(gòu)。采用四輪驅(qū)動以提供足夠動力驅(qū)動平臺，必要時可以引導(dǎo)用戶行走。 圖1-5 可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人 1.3 國內(nèi)助行機(jī)器人的研究 1.3.1 多功能助行機(jī)器人

27、 哈爾濱工程大學(xué)的學(xué)生研制出一種多功能助行機(jī)器人。這種助行機(jī)器人實用性強(qiáng)，能幫助截癱患者或行走功能障礙患者進(jìn)行行走功能康復(fù)訓(xùn)練和減重訓(xùn)練，還可作為患者日常生活中的代步工具。它基于繩驅(qū)動、輪驅(qū)動和腿部行走機(jī)構(gòu)共同作用的綜合訓(xùn)練平臺，同時根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡來模擬正常人行走時大腿末端軌跡，最后通過單片機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)腿部行走機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪的協(xié)調(diào)運動控制，總體可實現(xiàn)室內(nèi)外移動、走步訓(xùn)練、起坐等功能，幫助殘疾人實現(xiàn)邁步動作，達(dá)到訓(xùn)練下肢目的。它主要在于提供一種既具有一般輪椅的通用性又能夠幫助截癱患者或行走不便病人圖1-6 多功能助行機(jī)器人

28、 行行走鍛煉、有利于殘疾人自主進(jìn)行腿部康復(fù)訓(xùn)練并能進(jìn)行減重訓(xùn)練、下肢關(guān)節(jié)和肌肉的運動訓(xùn)練等康復(fù)訓(xùn)練功能，起坐、下蹲（坐沙發(fā)、上廁所）等生活技能訓(xùn)練的一種多功能助行機(jī)器人?？梢杂糜谙忍煨酝炔繗埣惨约坝赡X血栓后遺癥、脊髓損傷、腦性麻痹、肌肉萎縮、意外事故等。引起的后天性腿部殘障，截癱或偏癱患者的腿部訓(xùn)練。同時多功能助行機(jī)器人具有動力源，采用雙輪差動驅(qū)動，殘疾人可以隨著機(jī)器人的前行而進(jìn)行走步鍛煉。腿部行走機(jī)構(gòu)根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡模擬人走步時的大腿末端軌跡，隨著機(jī)器人移動，行走機(jī)構(gòu)給殘疾人腿部一定的推力，幫助殘疾人雙腿實現(xiàn)邁步動作，并且滿足正常人行走時

29、雙腿的180°相位差，使殘疾人更好的完成走步訓(xùn)練。我國短時間內(nèi)“銀齡”群體的急劇膨脹對老年人助行器設(shè)計的“質(zhì)”與“量”提出更高的要求。歐美與日本等地區(qū)此類產(chǎn)品的研究起步較早，針對老年人運動障礙程度不同與生活環(huán)境差異，運用現(xiàn)代高科技設(shè)計、研發(fā)各類型老年人助行器。20 世紀(jì)逐漸發(fā)展起來的中國老年人用品市場與歐美市場形成相當(dāng)?shù)姆床?，老年人助行器的開發(fā)與設(shè)計剛剛開始，尚處于培育期，與其中很多是普遍適用型產(chǎn)品，真正為老年人量身定做的助行器種類很少，生產(chǎn)廠家較少，產(chǎn)品種類缺乏，現(xiàn)有產(chǎn)品的安全性與使用效果都很難達(dá)到老年人要求。與國外日美韓相比仍有較大差距，目前來說在國內(nèi)尚沒有形成很有體系的研發(fā)高?；蛘哐芯繂?/p>

30、位，有一些研究仍舊停留在實驗室的階段，還未達(dá)到實用階段，要形成成熟并且能夠讓大眾接受還有一段很遠(yuǎn)的距離。不過隨著國內(nèi)863 計劃重大項目對助行機(jī)器人的重視，國內(nèi)助行機(jī)器人的研發(fā)必將大踏步追趕。由以上的介紹可以看出，目前國內(nèi)外對助行機(jī)器人的研究近年已經(jīng)非常熱門，而且在國外逐餞行成比較系統(tǒng)的研發(fā)系統(tǒng)，甚至部分已經(jīng)進(jìn)入試驗或者試用階段，已經(jīng)得到不少用戶的認(rèn)可。不過在行走支持技術(shù)等領(lǐng)域，需要解決移動靈活性、能源高效化、便攜性和多種路面適用性等技術(shù)難題。在輔助導(dǎo)航技術(shù)方面，需要開發(fā)更準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括定位、路徑規(guī)劃和系統(tǒng)控制，并賦予機(jī)器人學(xué)習(xí)能力，能夠獲取用戶的個性特征，自動適應(yīng)用戶的行為，來提高

31、用戶的舒適度。 41 第2章 助行機(jī)器人總體設(shè)計方案 第2章 助行機(jī)器人的總體設(shè)計方案 2.1助行機(jī)器人研制目標(biāo) 突破助老/助殘機(jī)器人的行走輔助關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合助行任務(wù)的功能要求，實現(xiàn)各項關(guān)鍵技術(shù)的演示驗證，概念樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。本課題將解決總體目標(biāo)中的行走輔助技術(shù)難題，為各類性質(zhì)輔助系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)移動平臺。因此在助行機(jī)器人研制中要充分考慮與操作臂和其它傳感器的集成需要。 2.1.1適用環(huán)境分析 目前情況下，不管是在國外還是在國內(nèi)研制的助行機(jī)器人，大部分都只能在室內(nèi)環(huán)境運行，對地面平整度要求很高，即

32、使少數(shù)可以在室外運行的助行機(jī)器人也還未到很成熟的階段，但是對于使用者來說，一款助行器如果只能在有效而且嚴(yán)格的使用環(huán)境下使用的話，必然沒有什么太大的實用價值。對于使用者來說，一款能夠適用與各種地面，復(fù)雜地形的助行機(jī)器人?？紤]國內(nèi)外這些研究情況結(jié)合這次 863 項目的研究和對國內(nèi)助行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀分析，本次項目打算能夠研制一款助行機(jī)器人，能夠適用于室內(nèi)/室外多種地面的移動模式：采用傳感器檢測路面的角度和輪速的變化，進(jìn)而控制驅(qū)動輪的力矩和速度，無論在室內(nèi)的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶均能獲得平穩(wěn)的行走體驗和高效的能源效率。 2.1.2使用人群分析 部分助行機(jī)器人面向視力受損不過還未完全

33、失明的人，部分面向老年人，主要針對肌肉無力等情況。就目前國外研究情況來看，主要的還是面向殘疾人和一些老年人。本項目研制的助行機(jī)器人主要人群針對行走不便、視弱、盲人等的老年人和殘疾人，以日常生活和工作所需要的行走輔助為主要目標(biāo)。 2.1.3運行速度 一般助行機(jī)器人的速度一般在1m/s 以內(nèi)，速度設(shè)計太快的話，一般需要比較大的電機(jī)而導(dǎo)致負(fù)重太大，而且一般沒必要，因為助行器的作用是輔助人行走， 1m/s 跟人走路的速度其實是差不多的，在之前描述的國內(nèi)外助行機(jī)器人中，大部分機(jī)器人的設(shè)計速度都不快。在本樣機(jī)的研制中，設(shè)計助行器最大速度選為0.5m/s，綜合考慮了樣機(jī)設(shè)計的初級階段和項目組的技術(shù)能力。

34、 2.1.4工作時間和自重 一般助行機(jī)器人都是需要自帶電池，一般情況下電池不能太重，不然助行器會顯得很笨重，大部分助行器的連續(xù)作業(yè)時間不超過10 小時，本樣機(jī)考慮的連續(xù)作業(yè)時間為大概4 小時。助行機(jī)器人一般都比較笨重，對于其普及和家用起到一定限制，少部分助行機(jī)器人深圳達(dá)到100 公斤，顯然對與一般用戶來說有些難以接受。本樣機(jī)的設(shè)計重量為30 公斤，即助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)重量包括電池在內(nèi)不超過30 公斤。 2.2助行機(jī)器人的總體方案設(shè)計 2.2.1基本方案 1) 助行機(jī)器人擬采用便攜式助行器機(jī)構(gòu)設(shè)計，采用人體工學(xué)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料的輕型化選擇，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的便攜性。 2) 適用于室內(nèi)/室外

35、多種地面的移動模式：采用傳感器檢測路面的角度和輪速的變化，進(jìn)而控制驅(qū)動輪的力矩和速度，無論在室內(nèi)的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶均能獲得平穩(wěn)的行走體驗和高效的能源效率； 3) 自定位與導(dǎo)航技術(shù)：圍繞結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境中移動式助老助殘機(jī)器人的自定位和導(dǎo)航難題，研究基于多傳感器（激光雷達(dá)、紅外測距、視覺和GPS 等）的環(huán)境識別與建模方法、基于地圖匹配的自定位方法、基于路標(biāo)（紅外信標(biāo)、RFID 等）的自定位和導(dǎo)航方法； 4) 健康監(jiān)測與報警系統(tǒng)：可以對操作者的健康狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和記錄以無線方式將用戶信息及時傳送給監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療中心，并在操作者發(fā)生意外時自動報警；在一定區(qū)域內(nèi)具有自主

36、導(dǎo)航功能，并可以由監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療中心對操作者進(jìn)行遠(yuǎn)距離實時監(jiān)護(hù)，進(jìn)行遙操作控制，進(jìn)行健康指導(dǎo)。 2.2.2助行機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、工作空間、運動精度、有效負(fù)載、運動特性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等。 1．自由度 自由度是指機(jī)器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途來設(shè)計的，可能少于六個自由度，也可能多于六個自由度。本文所設(shè)計的智能助行機(jī)器人樣機(jī)由于需要完成輔助用戶坐下、站起和行走兩大功能，并且要有足夠的靈活性來繞開障礙物，才能完成輔助助行機(jī)器人的幾大任務(wù)，具體的自由度數(shù)目在以后的章節(jié)中確定。 2．工作空間 工作空間是指機(jī)器人臂桿的

37、末端或手腕中心在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。因為末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。工作空間的形狀和大小是十分重要的。機(jī)器人在執(zhí)行某一作業(yè)時，可能會存在作業(yè)死區(qū)而不能完成任務(wù)。就本文中的助行機(jī)器人樣機(jī)而言，由于其行走和避障等任務(wù)的復(fù)雜性，所以要求其工作范圍在條件允許下盡可能大，這樣才能完成各種助行和輔助坐下站起任務(wù)。 3．有效負(fù)載 有效負(fù)載是指機(jī)器人工作時機(jī)器人能承受的支持力，它表示了機(jī)器人的負(fù)載能力。機(jī)器人的載荷不僅僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，還與機(jī)器人運動的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見，有效負(fù)載是指高速運行

38、時的有效負(fù)載。本文中助行機(jī)器人的作業(yè)對象為人，為了能適應(yīng)大多人的重量，助行機(jī)器人的有效負(fù)載暫且設(shè)定為80 公斤。 4．運動特性 速度和加速度是表明機(jī)器人運動特性的主要指標(biāo)。提高速度可以提高工作效率，因此提高機(jī)器人的加減速能力，保證機(jī)器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。對于本文中的助行機(jī)器人，在沒有負(fù)載時可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\動速度；而在其有負(fù)載時，即人與助行機(jī)器人直接接觸后，為了安全起見，而且考慮人步行速度。總的來說，助行樣機(jī)的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。 5．經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 本項目助行機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則是：不管是考慮機(jī)械設(shè)計的成本，還是導(dǎo)航系統(tǒng)的成本，到

39、都盡量在滿足功能的情況下盡量降低成本，以使得本樣機(jī)以后能朝著市場化、商業(yè)化的步伐前進(jìn)。 2.2.3機(jī)構(gòu)設(shè)計分析 一、底盤機(jī)構(gòu)分析 目前國內(nèi)外的助行機(jī)器人大部分都是由底盤機(jī)構(gòu)和攙扶機(jī)構(gòu)組成。其中助行機(jī)器人的底盤是整個機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本機(jī)構(gòu)，是安裝助行機(jī)器人電機(jī)以及其他各個部件的整體造型，并且接受電機(jī)的動力，主要目的是滿足正常行走并可在不同路面下實現(xiàn)行走。底盤行走機(jī)構(gòu)主要包括前輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)、后輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及四輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)。 1、前輪驅(qū)動機(jī)構(gòu) 愛爾蘭的Shane MacNamara 等開發(fā)的叫PAM-AID 的助行器，底盤也是四個輪子，其中由兩個電機(jī)分別單獨驅(qū)動前輪，而且電機(jī)只負(fù)責(zé)改變輪子轉(zhuǎn)

40、向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。 2、后輪驅(qū)動機(jī)構(gòu) 機(jī)器人采用兩個驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動兩后輪的方式，前輪采用2 萬向輪使得運動方向容易控制，更安全。而后輪驅(qū)動則驅(qū)動力及爬坡等能力都比前輪驅(qū)動好，可以適應(yīng)多種不同道路情況。 3、四輪驅(qū)動機(jī)構(gòu) Y.Hirata 等開發(fā)的Walking Helper，采用電動助步架結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)力傳感器測量用戶施加的力，利用四輪驅(qū)動控制實現(xiàn)全向移動實現(xiàn)行走支持。所以本助行機(jī)器人機(jī)擬采用雙輪驅(qū)動，以提供足夠動力驅(qū)動平臺，必要時可以引導(dǎo)用戶行走。 二、攙扶機(jī)構(gòu)分析 而攙扶機(jī)構(gòu)是助行機(jī)器人輔助人坐下和站起的機(jī)構(gòu)，也可以根據(jù)人身高和動作調(diào)節(jié)助

41、行機(jī)器人的高度。攙扶機(jī)構(gòu)是助行機(jī)器人的一個重要功能，對一個缺乏力量，需要輔助轉(zhuǎn)起來的殘疾人來說非常重要。韓國Hyeon-Min Shim 所開發(fā)的WAR的輔助坐下站立機(jī)構(gòu)是利用電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動的方法調(diào)節(jié)助行器高度。日本Yasuhiro NEMOTO用于提供老年人輔助動力的助行器，采用雙連桿機(jī)構(gòu)，利用兩個電機(jī)控制連桿轉(zhuǎn)動和上升，升降高度可達(dá)40cm，可以用來輔助老年人起床，站立和上廁所等； 2007 年，日本Daisuke Chugo 等開發(fā)的帶輔助站立結(jié)構(gòu)的康復(fù)助行機(jī)器人，采用一個具有高剛性、低成本的平行四桿機(jī)構(gòu)，可以用比較小的電機(jī)就可以輔助一個成年人站起，并且這個機(jī)構(gòu)可以承受很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力矩，

42、升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負(fù)載，對一些體力不足的老年人特別有用。這個樣機(jī)還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶的身體，保護(hù)用戶安全，不用擔(dān)心向前傾倒。支撐墊可改變 所支撐的角度，每個用戶可以選最舒服的姿態(tài)行走。 2.2.4 驅(qū)動方式的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源可分為液壓、氣動和電動三種基本類型，根據(jù)需要也可將這三種類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。 1．液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點 液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率重量比大，即以較小的驅(qū)動器輸出較大的驅(qū)動力或力矩；液壓缸可直接作為關(guān)節(jié)的一部分故結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好；由于液油的不可壓縮性，系統(tǒng)的固有頻率高，快速響應(yīng)好，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向

43、；液壓系統(tǒng)易于實現(xiàn)過載保護(hù)，由于采用油液作為工作介質(zhì)，系統(tǒng)可自行潤滑，使用壽命長。液壓系統(tǒng)的主要缺點是油液容易泄漏，這不僅影響工作的穩(wěn)定性和定位精度，而且會造成污染；油液中易混入水分和氣泡使系統(tǒng)的剛度降低，快速響應(yīng)特性及定位精度變壞；油液的粘度隨溫度而變化，影響系統(tǒng)的工作性能；需要配備油源，成本較高；易燃，工作噪聲較大。由此可看出液壓驅(qū)動系統(tǒng)適合用于承載能力大、慣量大而運動速度較低的機(jī)器人。 2．氣動驅(qū)動系統(tǒng)的特點 氣動驅(qū)動系統(tǒng)的能源和結(jié)構(gòu)比較簡單，但與液壓驅(qū)動系統(tǒng)相比，同體積條件下功率較小，而且速度不易控制，所以多用于中、小負(fù)荷且精度不高的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。 3．電動驅(qū)動系統(tǒng)的特點

44、電動驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過機(jī)械傳動裝置來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這類系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，因此效率比液壓和氣動驅(qū)動系統(tǒng)高，且速度變化范圍大、速度和位置精度高，在機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。電動驅(qū)動系統(tǒng)大致分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。直流電機(jī)有很多優(yōu)點，但它的電刷容易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流電機(jī)正逐步取代直流電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動器。 在選用機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)時，要了解各種驅(qū)動系統(tǒng)的特點，再結(jié)合機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、控制功能、價格等具體條件確定

45、最佳方案。一般來說，只須點位控制且功率較小的多采用氣動驅(qū)動器 。負(fù)荷較大或機(jī)器人的周圍有液壓源的場合，適合采用液壓驅(qū)動器。驅(qū)動器的選擇，最重要的是要求起動力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小，尺寸小，同時還要求有性能良好的與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。就本文中的助行機(jī)器人而言，縱向支持力最大為80kg，不超過100kg，且需要在室外作業(yè)，配備液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)比較困難，所以本文采用電動的驅(qū)動方式。 2.2.5 助行機(jī)器人的材料選擇 機(jī)器人結(jié)構(gòu)材料的選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作狀況來進(jìn)行選擇，并滿足機(jī)器人的設(shè)計和制作要求。從設(shè)計的思想出發(fā)，機(jī)器人要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材

46、料。另一方面，助行機(jī)器人的強(qiáng)度應(yīng)該滿足縱向能夠足夠支持一個成年人的重量，初步考慮為80 公斤?？傊x擇機(jī)器人手臂的材料時，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素。綜上機(jī)器人材料的特性可歸結(jié)為四個方面：結(jié)構(gòu)性、輕型、剛性和衰減性。但是這四個方面往往又是相互矛盾的，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計要求確定最佳選擇。根據(jù)本項目的要求，在這里選擇鋁合金設(shè)計，強(qiáng)度足夠而且滿足輕型設(shè)計要求。 2.2.6 助行機(jī)器人的整體控制方案 機(jī)器人大腦負(fù)責(zé)采集和處理各類傳感器信號，進(jìn)入避障、導(dǎo)航、傾翻報警、人體健康判斷等高層決策以及人機(jī)交互和遠(yuǎn)程通信等任務(wù)，并將做出的行為決策指令通過串口下達(dá)給下位機(jī)執(zhí)

47、行。機(jī)器人大腦接收激光測距儀數(shù)據(jù)，并融合從下位機(jī)傳送來的超聲波傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行前方環(huán)境感知，獲得障礙物的信息(大小、方向、距離),從而實現(xiàn)避障的目的。同時讀取GPS 接收器所連的串口數(shù)據(jù)，獲得車體當(dāng)前經(jīng)緯度、速度、時間等信息，從而進(jìn)行GPS 導(dǎo)航?jīng)Q策。讀取傾斜傳感器所連的串口數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前車體與水平面的傾斜角，如其超過所設(shè)定的安全閾值，發(fā)出傾翻報警信號。借助藍(lán)牙適配器，利用一個虛擬串口讀取佩戴在老人手腕上脈搏傳感器數(shù)據(jù)，計算分析數(shù)據(jù)得到當(dāng)前老人的每分鐘的脈搏跳動量。下位機(jī)以ARM 開發(fā)板為基礎(chǔ)構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收機(jī)器人大腦串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)和控制手柄I/O 口傳送來的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行機(jī)器人的運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

48、和升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)的底層運動控制，并通過采集獲取電機(jī)編碼器信號達(dá)到閉環(huán)控制的目的；還負(fù)責(zé)采集超聲波傳感器數(shù)據(jù)。下位機(jī)根據(jù)機(jī)器人大腦的指令要求，確定其當(dāng)前任務(wù)：若是狀態(tài)信號查詢指令，負(fù)責(zé)向機(jī)器人大腦反饋有關(guān)的狀態(tài)信息；若是運動執(zhí)行指令，其分為自動執(zhí)行(通過機(jī)器人大腦自主決策)和手動執(zhí)行(通過人為控制手柄)，下位機(jī)讀取正確的運動執(zhí)行指令，負(fù)責(zé)向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制信號。下位機(jī)以1 毫秒為周期采樣編碼器信號，其一方面將采集到的編碼器信號應(yīng)用到運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的底層閉環(huán)控制，另一方面通過一定的算法將采集到的編碼器信號進(jìn)行累計獲得里程計信息，包括直線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度等信息。下位機(jī)通過串口將獲

49、得的里程計信息、超聲波傳感器信息以及機(jī)器人狀態(tài)信息上傳給機(jī)器人大腦。本智能助行機(jī)器人可以通過通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS 轉(zhuǎn)接卡連接到因特網(wǎng)中，與遠(yuǎn)端的服務(wù)器通信，主要向服務(wù)器發(fā)送GPS 經(jīng)緯度信息和老人的脈搏跳動量。服務(wù)器上運行的應(yīng)用程序把獲取的信息存入數(shù)據(jù)庫中，通過GIS 地理信息系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人監(jiān)控，另外通過分析老人的脈搏跳動量進(jìn)行人體健康監(jiān)控。服務(wù)器上運行的Web 程序把機(jī)器人位置監(jiān)控信息和老人健康狀態(tài)信息顯示在網(wǎng)頁上，老人的親屬可以在任何時候登錄該網(wǎng)站進(jìn)行老人位置和健康查詢。智能助行機(jī)器人的人機(jī)界面是可編程觸摸屏，其通過網(wǎng)口與機(jī)器人大腦相連，兩者間的數(shù)據(jù)傳遞基于Socket 通訊。該觸摸屏

50、公司提供一套圖像化界面開發(fā)軟件，可以很直觀在界面上顯示按鈕和文本圖像信息以及發(fā)出報警信號。 圖2-1助行機(jī)器人控制系統(tǒng) 2.3. 現(xiàn)有的助行機(jī)器人的優(yōu)缺點分析 目前國內(nèi)外的助行機(jī)器人的設(shè)計還存在著一些不足之處，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1．機(jī)器人重量過重：目前現(xiàn)有的助行機(jī)器人的重量大部分都比較重，甚至有些機(jī)器人達(dá)到100 公斤，離用戶實現(xiàn)隨身攜帶還有很大差距。 2．環(huán)境適應(yīng)能力差，一般設(shè)計的助行機(jī)器人大部分只能在室內(nèi)環(huán)境下運行，離用戶需要的復(fù)雜環(huán)境或者室內(nèi)/室外多種地面的適用性方面還有不少改進(jìn)空間。 3．負(fù)載能力有限。目前的助行機(jī)器人，由于能源、重量限制，助行機(jī)器人的縱向負(fù)重

51、能力不能做的太大，國內(nèi)普遍小于 50KG，國外也大多小于 100KG，因此對于體重較重的人可能不能使用，對于機(jī)器人的推廣受到不少限制。 4．助行機(jī)器人運行不靈活。由于助行器對于輔助人行走的復(fù)雜性和精確性，需要助行機(jī)器人能完成很多復(fù)雜的空間動作，如將助行機(jī)器人原地轉(zhuǎn)圈或者越過一般的房門等，要求助行機(jī)器人具有很好的轉(zhuǎn)向性。 5. 自定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的價格昂貴。目前的行走輔助設(shè)備上主要配置傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助用戶完成避障、防跌和目的地的導(dǎo)航引導(dǎo)。有些室內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)需要采用光雷達(dá)和視覺傳感器實現(xiàn)避障和導(dǎo)航。而要實現(xiàn)室外導(dǎo)航，除了上述的傳感裝置外，還采用了GPS 和傾斜儀來實現(xiàn)室外環(huán)境定位和適應(yīng)不平

52、整的路面。價格昂貴，往往超出了一般用戶的心理承受范圍，距離真正的廣泛應(yīng)用還有一段很大的距離。 由上所述，可以看出，目前不管是在國內(nèi)，還是國外，助行機(jī)器人要進(jìn)行全面的推廣使用，還受到諸多限制，如何盡快推進(jìn)助行機(jī)器人在市場上的推廣以及真正實現(xiàn)它的實用性，是現(xiàn)在實際智能助行機(jī)器人的一個需要考慮的問題。 2.4. 助行機(jī)器人的設(shè)計方案 通過以上的分析和研究，基本上確定了本智能助行機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計方案。智能助行機(jī)器人樣機(jī)是由機(jī)器人大腦和車體平臺兩大部分組成。機(jī)器人大腦采用嵌入式工控機(jī)，其上連接有通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS 轉(zhuǎn)接卡以及藍(lán)牙適配器；車體平臺包括雙輪差速型運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)、編碼器

53、、超聲波傳感器、控制手柄、下位機(jī)、GPS 接收器、激光測距儀、傾斜傳感器、可編程觸摸屏、儲能供電系統(tǒng)等。激光測距儀與傾斜傳感器安裝在機(jī)器人車體前端，傾斜傳感器固定在激光測距儀之上，它們的數(shù)據(jù)線分別通過串口連接到嵌入式工控機(jī)上。在機(jī)器人車體頂部正前方固定GPS 接收器，其數(shù)據(jù)線通過串口連接到嵌入式工控機(jī)上?？删幊逃|摸屏安裝在車體頂端正中位置，提供人機(jī)交互平臺，其通過網(wǎng)口與嵌入式工控機(jī)相連。車體上方框架兩端安裝控制手柄，提供機(jī)器人左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、加速、剎車等按鈕操作，控制手柄信號線與安裝在控制柜內(nèi)部的下位機(jī)的I/O 口相連。機(jī)器人車體周身安裝若干個超聲波傳感器,各超聲波傳感器以確保它們的感應(yīng)范圍

54、能夠相互銜接的方式分布，超聲波傳感器的信號線與下位機(jī)的I/O口相連。下位機(jī)是由ARM 開發(fā)板構(gòu)成，其通過串口與嵌入式工控機(jī)相連；下位機(jī)接收控制手柄信號以及從嵌入式工控機(jī)發(fā)出的決策控制信號，實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動控制；機(jī)器人運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用雙輪差速運動控制，左右兩個驅(qū)動輪分別安裝在機(jī)器人后方兩側(cè)，它們分別與兩個帶減速器的執(zhí)行電機(jī)相連，兩執(zhí)行電機(jī)分別由兩個安裝在控制柜內(nèi)的兩個伺服驅(qū)動器驅(qū)動,伺服驅(qū)動器接收下位機(jī)發(fā)出的控制信號；執(zhí)行電機(jī)各自安裝有編碼器，編碼器信號同時反饋給下位機(jī)和相應(yīng)的伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)執(zhí)行電機(jī)的閉環(huán)控制；機(jī)器人前方左右兩側(cè)分別安裝兩個萬向輪；升降機(jī)構(gòu)輔助用戶坐下和站起，其與帶減速器的執(zhí)

55、行電機(jī)相連，執(zhí)行電機(jī)由安裝在控制柜內(nèi)的第三個伺服驅(qū)動器驅(qū)動,伺服驅(qū)動器接收下位機(jī)發(fā)出的控制信號；執(zhí)行電機(jī)安裝有編碼器，編碼器信號同時反饋給下位機(jī)和相應(yīng)的伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)升降執(zhí)行電機(jī)的閉環(huán)控制。 2.5. 本章小結(jié) 本章從助行機(jī)器人的適用環(huán)境、使用人群、運行速度和工作時間和角度出發(fā)，確定了助行機(jī)器人具有的基本功能；從助行機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)、機(jī)構(gòu)設(shè)計分析、驅(qū)動方式、整體控制方案等方面分析了本智能助行機(jī)器人的方案；最后通過比較國內(nèi)外優(yōu)缺點，得出本智能助行機(jī)器人樣機(jī)的最終設(shè)計方案。 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 第3章 助行機(jī)

56、器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的特點是由它自身的獨特結(jié)構(gòu)決定的。與其它機(jī)器設(shè)計相比，由許多不同之處。例如機(jī)床的設(shè)計需要保證所有零部件在最不利的條件下仍能正常地工作。如果在承受極限負(fù)載的條件下，最薄弱的環(huán)節(jié)不能滿足要求的強(qiáng)度和剛度，通常就要采用“增加質(zhì)量”的方法，比如加大傳動軸的直徑，增加箱體或床身的壁厚來解決。但是對于助行機(jī)器人來說，“增加質(zhì)量”的方法雖然可提高機(jī)件的局部剛度，但整體的性能可能會因為慣量的隨之增加而惡化，各部分電機(jī)的驅(qū)動功率也會隨之提高，不僅會導(dǎo)致電機(jī)過大，而且機(jī)器人重量上升，不符合助行機(jī)器人樣機(jī)便攜設(shè)計的一大原則，而且會導(dǎo)致機(jī)器人的整體成本上升。助行機(jī)器人獨特的結(jié)構(gòu)

57、特點大致可以歸納為以下幾個方面： 1．從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，由于助行機(jī)器人最基本的功能是需完成輔助用戶坐下站起和輔助用戶行走兩大功能，所以助行機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)是由底盤和升降機(jī)構(gòu)來組成的。底盤的機(jī)構(gòu)設(shè)計是為了滿足助行機(jī)器人最基本的運動功能——完成機(jī)器人前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)等，底盤擬打算采用四個輪子，其中兩個輪子為主動輪，每個主動輪由一個電機(jī)控制，采取差速驅(qū)動的方式兩驅(qū)動輪電機(jī)，可以實現(xiàn)理論上0 的轉(zhuǎn)向半徑。升降機(jī)構(gòu)用來控制助行機(jī)器人輔助人站立坐下的動作，采取一個電機(jī)驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動的方式實現(xiàn)。 2．輪子驅(qū)動扭矩的瞬間過程在時域中的變化是非常復(fù)雜的，并且和執(zhí)行件反饋信號有關(guān)。輪子的驅(qū)動屬于伺服控制型，

58、所以對機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度有一定的要求。 3．助行機(jī)器人的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定的現(xiàn)象。另外，機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性、運動靈巧性，以及驅(qū)動、控制等方面的問題。 根據(jù)以上的設(shè)計原則和要求，本文的助行機(jī)器人設(shè)計的整體指導(dǎo)思想是：在一定的安全系數(shù)且能實現(xiàn)預(yù)定功能的前提下，首先從提高助行機(jī)器人的運動性能的角度出發(fā)來確定機(jī)器人底盤的自由度配置；其次從各零部件的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計上盡可能減輕整個機(jī)器人的重量；最后從助行機(jī)器人樣機(jī)的應(yīng)用環(huán)境來確定各運動環(huán)節(jié)處的驅(qū)動元件和傳動元

59、件的選擇和空間位置。在整個樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還要考慮：驅(qū)動系統(tǒng)功率的計算和選擇、減速比的分配、傳動元件的計算和選擇、底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計、升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、“走線”及電器接口設(shè)計，各傳感器的放置和安裝，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。此外，當(dāng)助行機(jī)器人樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計完成后，有必要從整體的設(shè)計角度，改進(jìn)助行機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。從各運動部件設(shè)計的先后順序考慮，為了便于各個部分元件的設(shè)計和選擇，整個助行機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計先從助行機(jī)器人樣機(jī)的核心部件之一底盤的設(shè)計開始。 3.1助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模塊確定 在之前的方案設(shè)計中，已經(jīng)初步確定助行機(jī)器人底盤采用四輪驅(qū)動的想法，不同的助行機(jī)器人的底盤輪子布置和驅(qū)動輪

60、個數(shù)都是不同的。在國內(nèi)外比較有代表的助行機(jī)器人是WAR 助行機(jī)器人，是韓國理工大學(xué)的Shim 等 圖3-1 WAR 助行機(jī)器人 人研制開發(fā)的，目前已經(jīng)逐步在市場上使用，并得到一定好評。該WAR 機(jī)器人是由包括底盤四輪機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)組成的，是少受能夠進(jìn)行室外行走的一款助行器。它的升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負(fù)載，輔助行走功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)也比較緊湊。不過此結(jié)構(gòu)前輪是采用舵機(jī)控制輪子轉(zhuǎn)動，兩后輪為驅(qū)動輪。雖然小車的移動性能增強(qiáng)，不過機(jī)構(gòu)復(fù)雜性增加，而且成本上升，所以本論文所設(shè)計的助行機(jī)器人采用底盤+升降機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計，機(jī)器人底盤仍然采用四

61、輪支撐，不過采用兩后輪差動傳動，取消兩前輪采用舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向的想法，前輪采用兩萬向輪，理論上可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動半徑從0 到無窮轉(zhuǎn)動。這樣，不僅保持WAR 機(jī)器人的優(yōu)點，而且節(jié)約了成本，便于操作。 3.2. 驅(qū)動元件和傳動元件的選擇 3.2.1 驅(qū)動元件的選擇 在總體方案設(shè)計中已經(jīng)確定了所設(shè)計的助行機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用電動方式。助行機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人機(jī)械本體、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)等組成。助行機(jī)器人接受上位機(jī)的指令，按操作者的要求運動到指定的位置來完成輔助坐下站起和助行任務(wù)。這些動作都需要由伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成的，而驅(qū)動系統(tǒng)必然包含驅(qū)動電機(jī)。根據(jù)助行機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、需要進(jìn)行比較精確的控制等特

62、點，在選擇驅(qū)動電機(jī)時要注意滿足以下幾個基本要求。 1．機(jī)械時間常數(shù)要小，起動力矩大，慣量?。ㄒ布崔D(zhuǎn)矩慣量比要大），以滿足快速反應(yīng)的要求； 2．調(diào)速范圍寬，力矩波動小，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以滿足各種運動速度和定位精度的要求。 3．功率體積比和功率重量比要大，對于安裝在關(guān)節(jié)運動部件上的電動機(jī)或安裝位置有限時，這個要求更是迫切； 4．過載能力要大，要有足夠的熱容量，耐熱性好，在自然冷卻和全封閉條件下能長期工作； 5．可靠性高，能滿足長期在惡劣環(huán)境下工作的要求。 在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中，使用的電機(jī)類型主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機(jī)和 HD 電動機(jī)等幾種。步進(jìn)電

63、機(jī)可直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一定的角度，其角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖的頻率來調(diào)速，能夠快速起動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人中無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流伺服電機(jī)在機(jī)器人中應(yīng)用也很廣泛。常用它直接帶動滾珠絲杠驅(qū)動關(guān)節(jié)手臂關(guān)節(jié)運動。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動力用直流電機(jī)相同。按激磁方式直流伺服電機(jī)可分為永磁式、他激式、并激式和串激式等。在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用情況與直流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電

64、機(jī)與直流伺服電機(jī)相比,，功率大、過載能力強(qiáng)、無電刷、環(huán)境適應(yīng)性好，因而交流伺服電機(jī)是今后機(jī)器人用電機(jī)的發(fā)展方向。低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。為了提高功率體積比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機(jī)械負(fù)載。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率體積比要求不十分嚴(yán)格，而對于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負(fù)載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。HD 電動機(jī)(High Density

65、Motor)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動機(jī)，電動機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。通過上述對幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較，綜合考慮直流伺服電機(jī)可控性好，響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩大，成本相對交流伺服便宜等特點，本文的助行機(jī)器人樣機(jī)選用直流伺服電機(jī)。 3.2.2 傳動元件的選擇 為了提高機(jī)器人的運動速度和控制精度，要求機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、無間隙和響應(yīng)快的特點。傳動機(jī)構(gòu)的種類很多，按性能可分為固定速比式和無級變速式；按運動方式可分為回轉(zhuǎn)－回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)－直線、直線－回轉(zhuǎn)、直線－直線。下面介紹幾種機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)。 一、齒輪傳動機(jī)構(gòu) 1．齒輪傳動

66、的特點和類型 齒輪傳動的優(yōu)點是：瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高；傳動比變化范圍大，可用于增速或減速；采用非圓齒輪傳動，瞬時傳動比可按所需變化規(guī)律設(shè)計；速度范圍大，節(jié)線速度可以從 v < 0.1m /s 到200m /s ，甚至更高；傳動效率高，高精度齒輪傳動效率可達(dá) η = 0.99；結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點是：運轉(zhuǎn)中有噪聲、沖擊和振動，并產(chǎn)生動載荷；無過載保護(hù)功能。由于傳動軸的相對位置和運動方向不同，齒輪傳動的種類很多。 2．直齒圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu) 直齒輪傳動是傳動機(jī)構(gòu)中最長見的形式，在機(jī)器人中也得到了廣泛的應(yīng)用。這種傳動的優(yōu)點是：消除了軸向力，降低了對軸承和箱體的要求；徑向力與傳動負(fù)載的大小成正比，對于壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，徑向力大約是傳動力的 0.35倍，其缺點是：當(dāng)傳動比加大時，齒輪的尺寸也加大；為了考慮膨脹和制造安裝的誤差，有齒側(cè)間隙存在。在機(jī)器人傳動系統(tǒng)中，為了減小齒輪傳動空回，必須提高輪及其相關(guān)零件的精度。 3．諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu) 諧波傳動是利用一個構(gòu)件的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機(jī)械運動的傳遞。與一般齒輪傳動相比，諧波齒輪傳動有以下優(yōu)點：傳動比大且范圍寬；結(jié)構(gòu)簡單、體積小