畢業(yè)設(shè)計（論文）老年助行機器人機構(gòu)設(shè)計王鵬燕山大學里仁學院2013年6月畢業(yè)設(shè)計（論文）老年助行機器人機構(gòu)設(shè)計學院：里仁學院專業(yè)：機電4班學生姓名：王鵬學號：091101011519指導教師：邊輝答辯日期：2013.6.16燕山大學里仁學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書學院：里仁學院系級教學單位：機械工程系學號091101011519學生姓名王鵬專業(yè)班級09機電4班題目題目名稱老年助行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計題目性質(zhì)1.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（機械本體結(jié)構(gòu)方案、零部件選取、控制系統(tǒng)方案）；進行機器人三維實體設(shè)計，造型，計算，仿真模擬；設(shè)計多重安全保護措施，增加柔性設(shè)計；要求機器人滿足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機械系統(tǒng)整體裝配圖一張A0機械系統(tǒng)部件圖一張A1主要零件圖參考資料徐灝,邱宣懷等編，機械設(shè)計手冊，機械工業(yè)出版社；機器人設(shè)計圖冊，機械工業(yè)出版社；張立勛,伊蕾，六連桿助行機器人生理學運動規(guī)劃研究,高技術(shù)通訊；平偉,頓向明，助行機器人研究現(xiàn)狀和展望,機電一體化方芳,周武嘯，助行機器人系統(tǒng)設(shè)計，傳感器與微系統(tǒng)丁學恭,機器人控制研究，浙江大學出版社；周次1～4周5～8周9～12周13～16周17～18周應完成的內(nèi)容查閱收集資料，提交文獻綜述和開題報報告、外文翻譯；節(jié)點考核確定機構(gòu)整體方案，比較各種方案優(yōu)越性，并選取一種合理機構(gòu)；三維造型并對主要零件結(jié)構(gòu)強度校核。繪制機械圖紙，并選取機器人運動控制器、搭建控制系統(tǒng)；中期考核完善控制系統(tǒng)，繪制機械及電氣圖紙。撰寫論文制作PPT準備答辯指導教師：邊輝職稱：年月日系級教學單位審批：年月日摘要PAGEI摘要智能助行機器人主要針對行走不便、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。助行機器人樣機不但廣泛應用與醫(yī)院和療養(yǎng)院，也常常作為家庭老人和殘疾人的康復設(shè)備。本論文針對目前國內(nèi)外助行機器人的重量過大、承載能力、不能適應室內(nèi)/室外多種地面、輔助導航系統(tǒng)昂貴等不足展開研究，研制了可適應室內(nèi)/室外等環(huán)境、便攜式的智能助行機器人樣機，主要包括助行機器人的機械設(shè)計、運動學分析等方面。首先，回顧和總結(jié)了助行機器人的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，對國內(nèi)外各主要研究機構(gòu)設(shè)計的助行機器人進行了分析和對比，并介紹了本文研究的主要內(nèi)容。其次，對機器人研制目標進行了分析，討論確定了助行機器人樣機的總體設(shè)計方案。從整體上對機器人機械設(shè)計的特點和局部結(jié)構(gòu)相關(guān)元件的選擇進行研究。根據(jù)作業(yè)環(huán)境的要求、負載能力，利用現(xiàn)代機械設(shè)計方法，通過比較各種傳動方式的優(yōu)缺點，由助行機器人的底盤機構(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)計了助行機器人的機構(gòu)，最后經(jīng)過分析，設(shè)計出實際樣機。再次，建立了該機器人在平面上的運動學模型，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：助行機器人，機構(gòu)設(shè)計，運動學分析。燕山大學里仁學院畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄PAGEIIPAGEIIIAbstractTheintelligentassistantrobotmainlyaimsathelpingtheagedandthedisabledwhoareweak-eyed,blind,orhavedifficultywalking,anditsmaintargetistoassistinwalkingforthosepeopleduringtheirdailylifeandworktime.Theassistantrobotcannotonlybewidelyusedinhospitalsandnursinghome,butalsocanbeusedfortherehabilitationequipmentfortheagedanddisabled.Thethesisdoesresearchonthedisadvantagesoftheassistantrobotathomeandabroadatpresent,whichisusuallyoverweighted,withlowcarryingcapacity,unabletowalkinbothindoorandoutsideenvironment,andexpensiveinauxiliarynavigationsystem.Aconvenientlyportableprototypeforassistantrobotisdesignedwhichcanbeusedinbothinsideandoutsideenvironment,itsmainlycontentincludesmechanismdesignandkinematicsanalysis.Firstly,thethesisreviewsandsummarizestheresearchhistoryanddevelopmentstatusofassistantrobot,anddoesanalysisandcomparisonmainlyonassistantrobotathomeandabroad.Secondly,theresearchtargetofassistantrobotisanalyzed,andtheoveralldesignschemeofprototypeisdiscussedandconfirmed.Thefeaturesofmechanismdesignofrobotandthechoiceoncomponentsofmodulesareresearchedasawhole.Accordingtotherequirementsofworkenvironment,carryingcapacity,UsingModernmechanicaldesignmethodandmakingcomparisononadvantagesanddisadvantagesofvariabletransmissionmethods,themechanismofassistantrobotisdesignedbyPro/E,andthedesignofrobotisstartedfromthechassismechanismwhichisfromthebottomupindependently.Thirdly,thekinematicsmodeloftherobotontheflatsurfaceisestablished,andtheconditionstorealize3formsofmotionarediscussedunderthemodel.Also,theeffectofgeartransmissiononkinematicsmodelisdiscussedandthemeasurestoimprovemotionprecisionaremade.Keywords：Assistantrobot,Mechanismdesign,Kinematicsanalysis.目錄PAGEIVPAGEIII目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景 11.2國外助行機器人的研究 11.2.1愛爾蘭PAM-AID助行機器人 11.2.2美國SmartCane助行機器人 21.2.3韓國WAR助行機器人 31.2.4日本助行機器人 41.2.5可穿戴的外骨骼式助行機器人 41.3國內(nèi)助行機器人的研究 51.3.1多功能助行機器人 5第2章助行機器人的總體設(shè)計方案 82.1助行機器人研制目標 82.1.1適用環(huán)境分析 82.1.2使用人群分析 82.1.3運行速度 92.1.4工作時間和自重 92.2助行機器人的總體方案設(shè)計 92.2.1基本方案 92.2.2助行機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 102.2.3機構(gòu)設(shè)計分析 112.2.4驅(qū)動方式的選擇 122.2.5助行機器人的材料選擇 132.2.6助行機器人的整體控制方案 142.3.現(xiàn)有的助行機器人的優(yōu)缺點分析 152.4.助行機器人的設(shè)計方案 162.5.本章小結(jié) 17第3章助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 183.1助行機器人的機構(gòu)模塊確定 193.2.驅(qū)動元件和傳動元件的選擇 203.2.1驅(qū)動元件的選擇 203.2.2傳動元件的選擇 213.3.底盤模塊的機構(gòu)設(shè)計 243.3.1底盤模塊的相關(guān)計算與電機選擇 243.3.1.1驅(qū)動輪的選擇 243.3.1.2非驅(qū)動輪的選擇 243.3.1.3電機驅(qū)動單元的選擇 243.3.2樣機重要零部件設(shè)計 263.2.2.1、鏈輪鏈條傳動 263.2.2.2、固定心軸的設(shè)計 273.2.2.3、懸臂梁的設(shè)計 283.3.3傘齒輪設(shè)計 293.3.4驅(qū)動輪模塊設(shè)計 293.3.5非驅(qū)動輪模塊 303.4.輔助升降機構(gòu) 303.4.1確定設(shè)計方案 303.4.2絲杠螺母選擇 313.4.3電機及減速器等的選擇 323.4.3.1、功率計算和電機選擇 323.4.3.2、聯(lián)軸器的選用 32結(jié)論 34參考文獻 35致謝 38附錄1:文獻綜述 39附錄2:開題報告 45附錄3:外文翻譯 50燕山大學里仁學院畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章緒論PAGE38PAGE39第1章緒論1.1課題背景據(jù)全國老齡辦的研究報告顯示當前中國已進入快速老齡化階段。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能衰退而引起的行走能力下降，這嚴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，將機器人技術(shù)應用于傳統(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器人系統(tǒng)有著必要性。1.2國外助行機器人的研究1.2.1愛爾蘭PAM-AID助行機器人愛爾蘭ShaneMacNamara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、國家康復管理委員會和歐盟信息通訊應用贊助。這個助行機器人在2000年才首次作為商業(yè)用途制造出來，其中有5個機器人被美國老兵事務部購買。機器人底盤有四個輪子，其中由兩個電機分別單獨驅(qū)動前輪，而且電機只負責改變輪子轉(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。機器人底盤有四個輪子，其中由兩個電機分別單獨驅(qū)動前輪，而且電機只負責改變輪子轉(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。機器人帶有自動導航系統(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1-1PAM-AID1.2.2美國SmartCane助行機器人這種機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機器人只適用于在一般的平地或者小于五度的斜坡上行走，比一般的4點支圖1-2Smartcane助行機器人撐拐杖能提供更好的平衡性，而且機器任課以通過系統(tǒng)地圖，用戶指令，感知的障礙來提供目的地行走指導。機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。機器人上帶有電池，可以供給機器人連續(xù)81.2.3韓國WAR助行機器人由韓國理工大學的Shim等人與2004年研制開發(fā)出WAR（walkingassistantrobot）助行機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器人。WAR助行機器人不僅具有輔助支撐和行走功能，還具有輔助升降機構(gòu)。升降機構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負載，對一些體力不足的老年人特別有用。這個樣機還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶的身體，保護用戶安全，不用擔心向前傾倒。機器人高度為1m，并且可以調(diào)整。機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。此種助行機器人比一般助行器輔助行走更簡單，通過GPS/GIS導航系統(tǒng)來尋找路徑。目前這種機器人已經(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)，這種助行機器人仍舊還需要進行很多的改進。圖1-3WAR助行機器人1.2.4日本助行機器人 豐田汽車于2008年8月1日宣布，開發(fā)出了站乘型助行機器人“Winglet”。2007年發(fā)布的坐乘型機器人“MOBIRO”圖1-4HITACHI助行機器人和樓內(nèi)等適合步行的場所。機器人的尺寸為:265×464×462mm，重9.9千克，最高速度6km/h，充電時間1小時，可巡航5km。機器人采用便攜式設(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。更換機體上部的操控桿，可變換成“TypeS”、“TypeM”以及“TypeL”三種類型。TypeS和M為用雙腳夾住機身不用雙手即可操控、TypeL是用雙手握住操控桿進行操控的類型。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，TypeS為9.9kg、TypeM和L為12.3kg。行駛距離方面，TypeS為5km、TypeM和L為10km。日本W(wǎng)aseda大學于2006年研發(fā)成功HITACHI1.2.5可穿戴的外骨骼式助行機器人韓國科學家KyoungchulKong等研發(fā)的可穿戴的外骨骼式助行機器人。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提下大大的減輕了機器人本體的質(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．機器人的設(shè)計從解剖學的角度出發(fā)，模仿人體的上肢運動，并支持恢復機體功能的專業(yè)訓練治療。機器人共采用4個Maxon電機來帶動人體踝關(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。此機器人采用氣動執(zhí)行器來驅(qū)動其升降機構(gòu)。采用四輪驅(qū)動以提供足夠動力驅(qū)動平臺，必要時可以引導用戶行走。圖1-5可穿戴的外骨骼式助行機器人1.3國內(nèi)助行機器人的研究1.3.1多功能助行機器人哈爾濱工程大學的學生研制出一種多功能助行機器人。這種助行機器人實用性強，能幫助截癱患者或行走功能障礙患者進行行走功能康復訓練和減重訓練，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)動和腿部行走機構(gòu)共同作用的綜合訓練平臺，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，最后通過單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)腿部行走機構(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、走步訓練、起坐等功能，幫助殘疾人實現(xiàn)邁步動作，達到訓練下肢目的。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多功能助行機器人行行走鍛煉、有利于殘疾人自主進行腿部康復訓練并能進行減重訓練、下肢關(guān)節(jié)和肌肉的運動訓練等康復訓練功能，起坐、下蹲（坐沙發(fā)、上廁所）等生活技能訓練的一種多功能助行機器人。可以用于先天性腿部殘疾以及由腦血栓后遺癥、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練。同時多功能助行機器人具有動力源，采用雙輪差動驅(qū)動，殘疾人可以隨著機器人的前行而進行走步鍛煉。腿部行走機構(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，隨著機器人移動，行走機構(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雙腿的180°相位差，使殘疾人更好的完成走步訓練。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?shù)姆床睿夏耆酥衅鞯拈_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)高校或者研究單位，有一些研究仍舊停留在實驗室的階段，還未達到實用階段，要形成成熟并且能夠讓大眾接受還有一段很遠的距離。不過隨著國內(nèi)863計劃重大項目對助行機器人的重視，國內(nèi)助行機器人的研發(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)進入試驗或者試用階段，已經(jīng)得到不少用戶的認可。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。在輔助導航技術(shù)方面，需要開發(fā)更準確可靠的導航系統(tǒng)，包括定位、路徑規(guī)劃和系統(tǒng)控制，并賦予機器人學習能力，能夠獲取用戶的個性特征，自動適應用戶的行為，來提高用戶的舒適度。燕山大學里仁學院畢業(yè)設(shè)計（論文）第2章助行機器人總體設(shè)計方案第2章助行機器人的總體設(shè)計方案2.1助行機器人研制目標突破助老/助殘機器人的行走輔助關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合助行任務的功能要求，實現(xiàn)各項關(guān)鍵技術(shù)的演示驗證，概念樣機的技術(shù)指標達到國際先進水平。本課題將解決總體目標中的行走輔助技術(shù)難題，為各類性質(zhì)輔助系統(tǒng)提供標準移動平臺。因此在助行機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，即使少數(shù)可以在室外運行的助行機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，復雜地形的助行機器人。考慮國內(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器人面向視力受損不過還未完全失明的人，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。2.1.3運行速度一般助行機器人的速度一般在1m/s以內(nèi)，速度設(shè)計太快的話，一般需要比較大的電機而導致負重太大，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)外助行機器人中，大部分機器人的設(shè)計速度都不快。在本樣機的研制中，設(shè)計助行器最大速度選為0.5m/s，綜合考慮了樣機設(shè)計的初級階段和項目組的技術(shù)能力。2.1.4工作時間和自重一般助行機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，本樣機考慮的連續(xù)作業(yè)時間為大概4小時。助行機器人一般都比較笨重，對于其普及和家用起到一定限制，少部分助行機器人深圳達到100公斤，顯然對與一般用戶來說有些難以接受。本樣機的設(shè)計重量為30公斤，即助行機器人的機構(gòu)重量包括電池在內(nèi)不超過2.2助行機器人的總體方案設(shè)計2.2.1基本方案1)助行機器人擬采用便攜式助行器機構(gòu)設(shè)計，采用人體工學的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料的輕型化選擇，實現(xiàn)機構(gòu)的便攜性。2)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)自定位與導航技術(shù)：圍繞結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的復雜環(huán)境中移動式助老助殘機器人的自定位和導航難題，研究基于多傳感器（激光雷達、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（紅外信標、RFID等）的自定位和導航方法；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)具有自主導航功能，并可以由監(jiān)護人或醫(yī)療中心對操作者進行遠距離實時監(jiān)護，進行遙操作控制，進行健康指導。2.2.2助行機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定表示機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、有效負載、運動特性和經(jīng)濟性指標等。1．自由度自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，機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)計的智能助行機器人樣機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器人的幾大任務，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器人臂桿的末端或手腕中心在一定條件下所能到達空間的位置集合。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。就本文中的助行機器人樣機而言，由于其行走和避障等任務的復雜性，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。3．有效負載有效負載是指機器人工作時機器人能承受的支持力，它表示了機器人的負載能力。機器人的載荷不僅僅取決于負載的質(zhì)量，還與機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，有效負載是指高速運行時的有效負載。本文中助行機器人的作業(yè)對象為人，為了能適應大多人的重量，助行機器人的有效負載暫且設(shè)定為804．運動特性速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。提高速度可以提高工作效率，因此提高機器人的加減速能力，保證機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器人，在沒有負載時可以適當?shù)丶涌炱溥\動速度；而在其有負載時，即人與助行機器人直接接觸后，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)濟性指標本項目助行機器人樣機設(shè)計準則是：不管是考慮機械設(shè)計的成本，還是導航系統(tǒng)的成本，到都盡量在滿足功能的情況下盡量降低成本，以使得本樣機以后能朝著市場化、商業(yè)化的步伐前進。2.2.3機構(gòu)設(shè)計分析一、底盤機構(gòu)分析目前國內(nèi)外的助行機器人大部分都是由底盤機構(gòu)和攙扶機構(gòu)組成。其中助行機器人的底盤是整個機器人機構(gòu)設(shè)計的基本機構(gòu)，是安裝助行機器人電機以及其他各個部件的整體造型，并且接受電機的動力，主要目的是滿足正常行走并可在不同路面下實現(xiàn)行走。底盤行走機構(gòu)主要包括前輪驅(qū)動機構(gòu)、后輪驅(qū)動機構(gòu)以及四輪驅(qū)動機構(gòu)。1、前輪驅(qū)動機構(gòu)愛爾蘭的ShaneMacNamara等開發(fā)的叫PAM-AID的助行器，底盤也是四個輪子，其中由兩個電機分別單獨驅(qū)動前輪，而且電機只負責改變輪子轉(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。2、后輪驅(qū)動機構(gòu)機器人采用兩個驅(qū)動電機驅(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，可以適應多種不同道路情況。3、四輪驅(qū)動機構(gòu)Y.Hirata等開發(fā)的WalkingHelper，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。所以本助行機器人機擬采用雙輪驅(qū)動，以提供足夠動力驅(qū)動平臺，必要時可以引導用戶行走。二、攙扶機構(gòu)分析而攙扶機構(gòu)是助行機器人輔助人坐下和站起的機構(gòu)，也可以根據(jù)人身高和動作調(diào)節(jié)助行機器人的高度。攙扶機構(gòu)是助行機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-MinShim所開發(fā)的WAR的輔助坐下站立機構(gòu)是利用電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動的方法調(diào)節(jié)助行器高度。日本YasuhiroNEMOTO用于提供老年人輔助動力的助行器，采用雙連桿機構(gòu)，利用兩個電機控制連桿轉(zhuǎn)動和上升，升降高度可達40cm，可以用來輔助老年人起床，站立和上廁所等；2007年，日本DaisukeChugo等開發(fā)的帶輔助站立結(jié)構(gòu)的康復助行機器人，采用一個具有高剛性、低成本的平行四桿機構(gòu)，可以用比較小的電機就可以輔助一個成年人站起，并且這個機構(gòu)可以承受很強的扭轉(zhuǎn)力矩，升降機構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負載，對一些體力不足的老年人特別有用。這個樣機還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶的身體，保護用戶安全，不用擔心向前傾倒。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，快速響應好，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向；液壓系統(tǒng)易于實現(xiàn)過載保護，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、小負荷且精度不高的機器人控制系統(tǒng)中。3．電動驅(qū)動系統(tǒng)的特點電動驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電機產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過機械傳動裝置來驅(qū)動執(zhí)行機構(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，在機器人中得到了廣泛的應用。電動驅(qū)動系統(tǒng)大致分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)和步進電機驅(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器人系統(tǒng)。直流電機有很多優(yōu)點，但它的電刷容易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進步，近年來交流電機正逐步取代直流電機而成為機器人的主要驅(qū)動器。在選用機器人的驅(qū)動系統(tǒng)時，要了解各種驅(qū)動系統(tǒng)的特點，再結(jié)合機器人的用途、作業(yè)要求、控制功能、價格等具體條件確定最佳方案。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。負荷較大或機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助行機器人的材料選擇機器人結(jié)構(gòu)材料的選擇應根據(jù)機器人的工作狀況來進行選擇，并滿足機器人的設(shè)計和制作要求。從設(shè)計的思想出發(fā)，機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，它應是輕型材料。另一方面，助行機器人的強度應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。總之，選擇機器人手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素。綜上2.2.6助行機器人的整體控制方案機器人大腦負責采集和處理各類傳感器信號，進入避障、導航、傾翻報警、人體健康判斷等高層決策以及人機交互和遠程通信等任務，并將做出的行為決策指令通過串口下達給下位機執(zhí)行。機器人大腦接收激光測距儀數(shù)據(jù)，并融合從下位機傳送來的超聲波傳感器數(shù)據(jù)，進行前方環(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)，獲得車體當前經(jīng)緯度、速度、時間等信息，從而進行GPS導航?jīng)Q策。讀取傾斜傳感器所連的串口數(shù)據(jù)，獲得當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)得到當前老人的每分鐘的脈搏跳動量。下位機以ARM開發(fā)板為基礎(chǔ)構(gòu)成，負責接收機器人大腦串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)和控制手柄I/O口傳送來的數(shù)據(jù)，從而進行機器人的運動執(zhí)行機構(gòu)和升降執(zhí)行機構(gòu)的底層運動控制，并通過采集獲取電機編碼器信號達到閉環(huán)控制的目的；還負責采集超聲波傳感器數(shù)據(jù)。下位機根據(jù)機器人大腦的指令要求，確定其當前任務：若是狀態(tài)信號查詢指令，負責向機器人大腦反饋有關(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)，下位機讀取正確的運動執(zhí)行指令，負責向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制信號。下位機以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用到運動執(zhí)行機構(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。下位機通過串口將獲得的里程計信息、超聲波傳感器信息以及機器人狀態(tài)信息上傳給機器人大腦。本智能助行機器人可以通過通用分組無線業(yè)務GPRS轉(zhuǎn)接卡連接到因特網(wǎng)中，與遠端的服務器通信，主要向服務器發(fā)送GPS經(jīng)緯度信息和老人的脈搏跳動量。服務器上運行的應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)進行機器人監(jiān)控，另外通過分析老人的脈搏跳動量進行人體健康監(jiān)控。服務器上運行的Web程序把機器人位置監(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)站進行老人位置和健康查詢。智能助行機器人的人機界面是可編程觸摸屏，其通過網(wǎng)口與機器人大腦相連，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助行機器人控制系統(tǒng)2.3.現(xiàn)有的助行機器人的優(yōu)缺點分析目前國內(nèi)外的助行機器人的設(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．機器人重量過重：目前現(xiàn)有的助行機器人的重量大部分都比較重，甚至有些機器人達到100公斤2．環(huán)境適應能力差，一般設(shè)計的助行機器人大部分只能在室內(nèi)環(huán)境下運行，離用戶需要的復雜環(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空間。3．負載能力有限。目前的助行機器人，由于能源、重量限制，助行機器人的縱向負重能力不能做的太大，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，對于機器人的推廣受到不少限制。4．助行機器人運行不靈活。由于助行器對于輔助人行走的復雜性和精確性，需要助行機器人能完成很多復雜的空間動作，如將助行機器人原地轉(zhuǎn)圈或者越過一般的房門等，要求助行機器人具有很好的轉(zhuǎn)向性。5.自定位與導航系統(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航系統(tǒng)，輔助用戶完成避障、防跌和目的地的導航引導。有些室內(nèi)的導航系統(tǒng)需要采用光雷達和視覺傳感器實現(xiàn)避障和導航。而要實現(xiàn)室外導航，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)境定位和適應不平整的路面。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，助行機器人要進行全面的推廣使用，還受到諸多限制，如何盡快推進助行機器人在市場上的推廣以及真正實現(xiàn)它的實用性，是現(xiàn)在實際智能助行機器人的一個需要考慮的問題。2.4.助行機器人的設(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器人樣機的設(shè)計方案。智能助行機器人樣機是由機器人大腦和車體平臺兩大部分組成。機器人大腦采用嵌入式工控機，其上連接有通用分組無線業(yè)務GPRS轉(zhuǎn)接卡以及藍牙適配器；車體平臺包括雙輪差速型運動執(zhí)行機構(gòu)、升降執(zhí)行機構(gòu)、編碼器、超聲波傳感器、控制手柄、下位機、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上。在機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上。可編程觸摸屏安裝在車體頂端正中位置，提供人機交互平臺，其通過網(wǎng)口與嵌入式工控機相連。車體上方框架兩端安裝控制手柄，提供機器人左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進、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)部的下位機的I/O口相連。機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范圍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的I/O口相連。下位機是由ARM開發(fā)板構(gòu)成，其通過串口與嵌入式工控機相連；下位機接收控制手柄信號以及從嵌入式工控機發(fā)出的決策控制信號，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的運動控制；機器人運動執(zhí)行機構(gòu)采用雙輪差速運動控制，左右兩個驅(qū)動輪分別安裝在機器人后方兩側(cè)，它們分別與兩個帶減速器的執(zhí)行電機相連，兩執(zhí)行電機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)動器接收下位機發(fā)出的控制信號；執(zhí)行電機各自安裝有編碼器，編碼器信號同時反饋給下位機和相應的伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)執(zhí)行電機的閉環(huán)控制；機器人前方左右兩側(cè)分別安裝兩個萬向輪；升降機構(gòu)輔助用戶坐下和站起，其與帶減速器的執(zhí)行電機相連，執(zhí)行電機由安裝在控制柜內(nèi)的第三個伺服驅(qū)動器驅(qū)動,伺服驅(qū)動器接收下位機發(fā)出的控制信號；執(zhí)行電機安裝有編碼器，編碼器信號同時反饋給下位機和相應的伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)升降執(zhí)行電機的閉環(huán)控制。2.5.本章小結(jié)本章從助行機器人的適用環(huán)境、使用人群、運行速度和工作時間和角度出發(fā)，確定了助行機器人具有的基本功能；從助行機器人的技術(shù)參數(shù)、機構(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，得出本智能助行機器人樣機的最終設(shè)計方案。燕山大學里仁學院畢業(yè)設(shè)計（論文）第3章助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計第3章助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人機械設(shè)計的特點是由它自身的獨特結(jié)構(gòu)決定的。與其它機器設(shè)計相比，由許多不同之處。例如機床的設(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。如果在承受極限負載的條件下，最薄弱的環(huán)節(jié)不能滿足要求的強度和剛度，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。但是對于助行機器人來說，“增加質(zhì)量”的方法雖然可提高機件的局部剛度，但整體的性能可能會因為慣量的隨之增加而惡化，各部分電機的驅(qū)動功率也會隨之提高，不僅會導致電機過大，而且機器人重量上升，不符合助行機器人樣機便攜設(shè)計的一大原則，而且會導致機器人的整體成本上升。助行機器人獨特的結(jié)構(gòu)特點大致可以歸納為以下幾個方面：1．從機構(gòu)學的角度來看，由于助行機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，所以助行機器人樣機的結(jié)構(gòu)是由底盤和升降機構(gòu)來組成的。底盤的機構(gòu)設(shè)計是為了滿足助行機器人最基本的運動功能——完成機器人前進后退、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控制，采取差速驅(qū)動的方式兩驅(qū)動輪電機，可以實現(xiàn)理論上0的轉(zhuǎn)向半徑。升降機構(gòu)用來控制助行機器人輔助人站立坐下的動作，采取一個電機驅(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，所以對機械傳動系統(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，機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，在進行結(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，本文的助行機器人設(shè)計的整體指導思想是：在一定的安全系數(shù)且能實現(xiàn)預定功能的前提下，首先從提高助行機器人的運動性能的角度出發(fā)來確定機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器人的重量；最后從助行機器人樣機的應用環(huán)境來確定各運動環(huán)節(jié)處的驅(qū)動元件和傳動元件的選擇和空間位置。在整個樣機的結(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，以及機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。此外，當助行機器人樣機的機械系統(tǒng)設(shè)計完成后，有必要從整體的設(shè)計角度，改進助行機器人的機械系統(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，整個助行機器人樣機的設(shè)計先從助行機器人樣機的核心部件之一底盤的設(shè)計開始。3.1助行機器人的機構(gòu)模塊確定在之前的方案設(shè)計中，已經(jīng)初步確定助行機器人底盤采用四輪驅(qū)動的想法，不同的助行機器人的底盤輪子布置和驅(qū)動輪個數(shù)都是不同的。在國內(nèi)外比較有代表的助行機器人是WAR助行機器人，是韓國理工大學的Shim等圖3-1WAR助行機器人人研制開發(fā)的，目前已經(jīng)逐步在市場上使用，并得到一定好評。該WAR機器人是由包括底盤四輪機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)和升降機構(gòu)組成的，是少受能夠進行室外行走的一款助行器。它的升降機構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負載，輔助行走功能強大，結(jié)構(gòu)也比較緊湊。不過此結(jié)構(gòu)前輪是采用舵機控制輪子轉(zhuǎn)動，兩后輪為驅(qū)動輪。雖然小車的移動性能增強，不過機構(gòu)復雜性增加，而且成本上升，所以本論文所設(shè)計的助行機器人采用底盤+升降機構(gòu)的模塊化設(shè)計，機器人底盤仍然采用四輪支撐，不過采用兩后輪差動傳動，取消兩前輪采用舵機控制轉(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)計的助行機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用電動方式。助行機器人系統(tǒng)由機器人機械本體、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)等組成。助行機器人接受上位機的指令，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。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。根據(jù)助行機器人的作業(yè)環(huán)境復雜、需要進行比較精確的控制等特點，在選擇驅(qū)動電機時要注意滿足以下幾個基本要求。1．機械時間常數(shù)要小，起動力矩大，慣量小（也即轉(zhuǎn)矩慣量比要大），以滿足快速反應的要求；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。在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機和HD電動機等幾種。步進電機可直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個脈沖，步進電機就回轉(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。步進電機可在很寬的范圍內(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，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人中無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。直流伺服電機在機器人中應用也很廣泛。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。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動力用直流電機相同。按激磁方式直流伺服電機可分為永磁式、他激式、并激式和串激式等。在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。交流伺服電機在機器人中的應用情況與直流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相比,，功率大、過載能力強、無電刷、環(huán)境適應性好，因而交流伺服電機是今后機器人用電機的發(fā)展方向。低速電機主要用于系統(tǒng)精度要求高的機器人。為了提高功率體積比，伺服電機制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機械負載。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格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機，實現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負載，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(HighDensityMotor)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動機，電動機可直接與負載連接，可應用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產(chǎn)品中。通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮直流伺服電機可控性好，響應快，轉(zhuǎn)矩大，成本相對交流伺服便宜等特點，本文的助行機器人樣機選用直流伺服電機。3.2.2傳動元件的選擇為了提高機器人的運動速度和控制精度，要求機器人的傳動機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、無間隙和響應快的特點。傳動機構(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。下面介紹幾種機器人常用的傳動機構(gòu)。一、齒輪傳動機構(gòu)1．齒輪傳動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構(gòu)直齒輪傳動是傳動機構(gòu)中最長見的形式，在機器人中也得到了廣泛的應用。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；徑向力與傳動負載的大小成正比，對于壓力角為20°的標準齒輪，徑向力大約是傳動力的0.35倍，其缺點是：當傳動比加大時，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、重量輕；同時參與嚙合的齒輪對數(shù)多，承載能力大，且阻尼較大；傳動精度高，在相同制造精度下，諧波齒輪傳動比一般齒輪傳動的精度至少高一級；齒側(cè)間隙便于調(diào)整，易獲得零側(cè)隙傳動。傳動效率高，單級傳動效率約為65％～90％。其缺點是：由于柔輪的疲勞強度問題，限制了輸入速度；扭轉(zhuǎn)剛度低，尤其是在低扭矩情況下，這限制了它在機器人中的應用；當輸入轉(zhuǎn)速等于或者是嚙合頻率的2倍、4倍、6倍時，會產(chǎn)生明顯的振動，這對于低速運動的連接件很不利。4．行星傳動機構(gòu)由于電動機是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動器，而機器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力矩，因此，常用行星齒輪機構(gòu)減速器來完成速度和力矩的變換與調(diào)節(jié)。行星齒輪傳動是一種具有動軸線的齒輪傳動，可用于減速、增速和差動裝置。行星齒輪傳動和圓柱齒輪傳動相比具有質(zhì)量輕、體積小、傳動比大、效率高等優(yōu)點；缺點是結(jié)構(gòu)復雜、精度要求較高。行星齒輪傳動不僅可做定傳動比傳動(減速器)，也可作為速度合成或分解的裝置(差速器)，應用日益廣泛。5．蝸桿傳動機構(gòu)蝸桿傳動用于傳遞空間交錯的兩軸間的運動和轉(zhuǎn)矩，常見的是軸交角90°的減速傳動。蝸桿傳動的特點是：傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪聲都很小；能以單級傳動獲得較大的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊；由于蝸桿螺牙與輪齒面間嚙合摩擦損失較大，因而傳動效率比齒輪傳動低。蝸桿傳動經(jīng)常被用在機器人關(guān)節(jié)處需要自鎖的地方。二、絲杠螺母傳動絲杠螺母傳動有靜壓式、滑動式和滾珠式等。機器人傳動用的絲杠具有結(jié)構(gòu)緊湊、間隙小和傳動效率高等特點，其中最常用的是滾珠絲杠。滾珠絲杠傳動是在絲杠螺母間放入適量的滾珠，使絲杠和螺母間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的螺旋傳動。滾珠絲杠傳動的優(yōu)點是：摩擦小、效率高、壽命長，一般情況下，其機械效率在90％以上；由于是滾動摩擦，動、靜摩擦系數(shù)相差很小，無論是在低速或高速時，摩擦扭矩幾乎不變，因此靈敏度高，傳動平穩(wěn)；可通過預緊完全消除間隙。其缺點是：不自鎖，必須增設(shè)制動或自鎖裝置；結(jié)構(gòu)較復雜，成本高。滑動絲杠傳動結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖，因此成本較低，但其主要缺點是摩擦阻力大，傳動效率低（一般為30％～40％），磨損快，傳動精度低等。靜壓絲杠螺母傳動由于絲杠螺母間有剛性的油膜，可用于傳動精度高、定位精度高以及傳動效率要求較高的機器人中。三、鏈傳動機構(gòu)鏈傳動用于傳遞平行軸間的回轉(zhuǎn)運動，或把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。鏈傳動的種類較多，在機器人中主要使用精密套筒滾子鏈傳動。這種傳動機構(gòu)已比較完善，應用很廣泛。其特點是：體積小，傳遞動力較大，傳動效率可高達0.95～0.97；傳動比大，從1/7～7；是一種無滑動的撓性傳動，平均傳動比不變；可實現(xiàn)軸間距大的傳動；瞬時速比波動；磨損后鏈條易伸長，若無張緊裝置，不宜用于方向變換的傳動中。四、齒形帶傳動機構(gòu)齒形帶傳動的帶和帶輪的接觸面都制成相應的齒形，靠嚙合傳遞功率，這種傳動的特點是：傳動時無滑動，傳動比準確，傳動平穩(wěn)；速比范圍大可達i=10初始拉力小，軸及軸承不易過載；制造安裝要求嚴格，成本較高。五、其他傳動機構(gòu)在機器人傳動機構(gòu)中，常用的還有鋼帶傳動機構(gòu)、鋼絲繩傳動機構(gòu)、連桿傳動機構(gòu)，凸輪傳動及流體傳動等[17]。鋼帶傳動適合于有限行程的傳動，其特點是傳動比精確、傳動件質(zhì)量小、慣性小、傳動參數(shù)穩(wěn)定、柔性好、不需潤滑、強度高。鋼絲繩傳動可用于遠距離動力傳遞。由于其體積小，質(zhì)量輕，在機器人中得到了廣泛的應用。這種機構(gòu)主要用于小載荷的傳遞，比如手指的驅(qū)動。優(yōu)點是：強度高，尺寸小；柔性好，容易在外形連續(xù)變化的關(guān)節(jié)中穿過；通過預緊可消除間隙。其缺點是：無預緊時存在間隙；由于繩索的蠕變和老化會使傳動不穩(wěn)定；傳動效率低。連桿機構(gòu)的特點是用簡單的機構(gòu)可得到較大的位移，而凸輪機構(gòu)具有設(shè)計靈活、可靠性高和形式多樣等特點。流體傳動分為液壓傳動和氣壓傳動。液壓傳動由液壓泵、液壓馬達或液壓缸組成，可得到高扭矩慣性比。氣壓傳動比起其他傳動運動精度較差，但由于容易達到高速，所以多數(shù)用在完成簡易作業(yè)的搬運機器人上。3.3.底盤模塊的機構(gòu)設(shè)計助行機器人的底盤模塊是實現(xiàn)樣機助行任務的關(guān)鍵，本項目采取的是兩輪差動驅(qū)動的方式驅(qū)動樣機小車，左右驅(qū)動輪模塊相同，驅(qū)動輪設(shè)計方案是：要求電機后面帶有離合器，使得樣機具有離合功能，離合器通過錐齒輪減速箱帶動鏈傳動，采用鏈輪鏈條傳動，最后通過鏈輪帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。3.3.1底盤模塊的相關(guān)計算與電機選擇3.3.1.1驅(qū)動輪的選擇考慮對地面的抓地力，驅(qū)動輪選用沖氣輪，直徑為8inch，采用差速驅(qū)動的方式運動。3.3.1.2非驅(qū)動輪的選擇前輪為非驅(qū)動輪。考慮承載和需要轉(zhuǎn)向的功能，采用直徑為6inch的絲扣萬向輪。輪子材料為橡膠+鐵芯。型號：WL1131A160×40重量1.85kg。承載為120kg。安裝高度：190mm。M20安裝螺紋。3.3.1.3電機驅(qū)動單元的選擇1、電機功率的計算：功率計算：由于=M為電機對輪子產(chǎn)生的驅(qū)動力矩，為傳動總效率，大概初定為0.7，為輪子轉(zhuǎn)速。水平牽引力為3公斤力，所以電機經(jīng)過減速器后產(chǎn)生的力矩為M=F.R=3×9.8×0.1=2.94N.m。考慮后輪是采用差速驅(qū)動，由技術(shù)指標可知行走速度v=1m/s，又加上輪子半徑R為0.1m，所以輪子角速度10rad/s動輪所需功率42w。即單個電機功率都要要大于42w。2、直流伺服電機選擇原則：a)連續(xù)運行的特征是通過工作點(MB,nB)，則在考慮電機型號選擇中，電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩作為主要部分必須要認真對待，即：Mcont>MB。b)在非連續(xù)運行的情況下，如起/停的工作狀態(tài)下，有效轉(zhuǎn)矩必須要比電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩小，即：Mcont>MRMS，這樣可避免電機過熱。c)所選電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩通常要大于所需的峰值轉(zhuǎn)矩，即：MH>Mmax。由于石墨電刷具有：－較大的電機－大電流載荷－頻繁起停－需要反向動作的場合根據(jù)工作需要和載荷要求，所以選擇德國saegmotor石墨電機，功率確定為58.5w。滿足此機器人輪驅(qū)動工作要求，考慮一定余量，選用58.5w電機。型號：36SYK62_23V_58.5w，數(shù)量為2，每個重量約為300g。其額定轉(zhuǎn)速為6200rpm，滿足電機工作的最大轉(zhuǎn)速要求。其堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大為5740gcm，高于電機工作的峰值轉(zhuǎn)矩要求。3、行星齒輪減速器選擇選用輪子直徑為d=200mm。在這里，將行星齒輪減速器作為主傳動部件，假設(shè)減速比為i，輪子工作最大轉(zhuǎn)速為：，電機空載轉(zhuǎn)速為，其中行星齒輪減速器的減速比，為鏈輪產(chǎn)生的傳動比，取為2。；參考選擇手冊，所選減速器減速比略小，在這里選用i=16的行星齒輪減速器，如果減速比過大，可能工作最大速度達不到。型號是：P36HA_1:16。重量為：242g。4、編碼器選擇Saegmotor推薦的編碼器型號：HKT30_256，256線。5、關(guān)于制動的選擇利用電機自帶的制動器即可。6、離合器的選擇：由于驅(qū)動輪所需要的力矩最大為1.47N.m，所以離合器的額定動力矩為5N.m。額定電壓為5v，離合器總寬為43mm。選用A型HDLD2系列干式單片電磁離合器。如圖3-4所示。7、聯(lián)軸器的選用由于電機減速器輸出軸直徑為10mm，而離合器所選類型最小內(nèi)徑為15mm，故需要裝聯(lián)軸器使得電機能通過聯(lián)軸器后與離合器聯(lián)結(jié)，達到控制電機離合目的。電機在工作中最大扭矩為1.47N.m，減速器軸輸出轉(zhuǎn)速最高為191rpm，選用比電機規(guī)格（直徑36mm）小而且最高允許轉(zhuǎn)速足夠的聯(lián)軸器。所以容許扭矩一定要大于所需要傳遞扭矩。由于電機需要頻繁正反轉(zhuǎn)，電機在啟動和停止或者變向時候的最大力矩大于工作力矩，將安全率預計為10，1.47×10=14.7N.m。參照選擇手冊，選擇容許常用扭矩大于14.7N.m的聯(lián)軸器。電機減速器軸為輸入軸為減速器軸，直徑為1d=10mm，輸出軸直徑2d=15mm，選用聯(lián)軸器的型號為MCO34-10-15，為MISUMI公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，重量為155g。驗證：最大允許扭矩為16N.m，最大允許轉(zhuǎn)速為6000rpm。最大外徑為35mm，小于36mm3.3.2樣機重要零部件設(shè)計3.2.2.1、鏈輪鏈條傳動由于電機軸線擬布置在與驅(qū)動輪垂直布置，而且不占用行走通道與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準確的傳動比，傳動效率較高；又因鏈條不需要象帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的徑向壓力較小；在同樣使用條件下，鏈傳動結(jié)構(gòu)較為緊湊。同時鏈傳動能在高溫及速度較低的情況下工作。所以驅(qū)動輪選擇鏈輪鏈條傳動。電機功率58.5w，鏈輪鏈條傳動比取為2。1)選擇鏈輪齒數(shù)，查表可選得=10，==20。2)計算鏈節(jié)數(shù)初步取，取偶數(shù)值，節(jié)。3)選取鏈節(jié)距p根據(jù)電機經(jīng)過減速器后的轉(zhuǎn)速，和電機額定功率，可得出P=40。4)確定實際中心距離a:查詢MISUMI，選取鏈條型號：CHE40-54（節(jié)數(shù)只能取偶數(shù)），與電機減速器軸連接。小鏈輪：型號：SP40B10-N-12，數(shù)量為2，重量為140g。大鏈輪：型號：SP40B20-N-40，數(shù)量為2，重量為760g。3.2.2.2、固定心軸的設(shè)計如圖3-5所示驅(qū)動輪剖視圖，在這里，心軸是主要承受彎矩，幾乎不承受扭矩。材料選用45鋼，熱處理采用調(diào)質(zhì)處理，增大抗彎強度，抗彎許用拉應力為275MPa。應力主要是彎曲正應力和彎曲剪切應力決定的。在這里估算彎曲正應力：受力分析見圖如3-6所示，F(xiàn)1為所受彎曲力，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為驅(qū)動輪內(nèi)部軸承受的徑向力。F1取極大50kg（主要由驅(qū)動輪兩心軸承擔）。根據(jù)鋼度條件式：,經(jīng)過受力分析，考慮安全系數(shù)和充氣輪軸承處為最小軸直徑，配合孔徑最小軸直徑為16彎曲剪切應力校核計算如下：圖3-2固定心軸安全系數(shù)取2.5,r=0.008軸一端為法蘭盤，另一端為螺紋，螺紋端有螺母鎖死，強度足夠，螺紋端直徑取為M12，長15。圖3-3受力分析3.2.2.3、懸臂梁的設(shè)計電機是安裝在懸臂梁上的，通過同步帶輪驅(qū)動輪運動，而心軸也是通過螺紋安裝在懸臂梁上面，懸臂梁在整個機構(gòu)中主要受彎矩，初步設(shè)計為梁為12×80的長方形截面形狀，梁長580mm。l=580mm，b=80m，h=12mm。因為為細長梁，所以它的強度主要由彎曲正應力控制。材料為鑄造鋁合金ZL401。F取25kg力(由兩根懸臂梁共同承擔縱向支持力)，代入數(shù)據(jù)得出：得出當截面形狀為矩形12×80時，，圖3-4懸臂梁3.3.3傘齒輪設(shè)計利用了一對傘齒輪（小錐齒輪）傳動實現(xiàn)電機軸90度的換向。根據(jù)傘齒輪的載荷（扭矩M）選用傳動比i=1模數(shù)m=2的一對KHK傘齒輪：SMS2-20L與SMS2-20L。容許扭矩皆為0.8707N.m。3.3.4驅(qū)動輪模塊設(shè)計為了使助行機器人能實現(xiàn)室內(nèi)/室外多種環(huán)境行走，以及實現(xiàn)機器人結(jié)構(gòu)簡單還有按照盡可能使得整體重量降低的原則。圖3-5驅(qū)動模塊3.3.5非驅(qū)動輪模塊非驅(qū)動輪模塊主要就是萬向輪和其安裝裝置組成，該模塊設(shè)計的主要考慮其在助行機器人上的固定方式，同時考慮安裝螺母的易拆卸性，保證拆卸空間，同時