【正文】 學(xué)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料的輕型化選擇，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的便攜性。2) 適用于室內(nèi)/室外多種地面的移動(dòng)模式：采用傳感器檢測(cè)路面的角度和輪速的變化，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)輪的力矩和速度，無(wú)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(yàn)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(dòng)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(cè)距、視覺(jué)和GPS 等）的環(huán)境識(shí)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(cè)與報(bào)警系統(tǒng)：可以對(duì)操作者的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄以無(wú)線方式將用戶信息及時(shí)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(shí)自動(dòng)報(bào)警；在一定區(qū)域內(nèi)具有自主導(dǎo)航功能，并可以由監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療中心對(duì)操作者進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，進(jìn)行遙操作控制，進(jìn)行健康指導(dǎo)。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(yùn)動(dòng)精度、有效負(fù)載、運(yùn)動(dòng)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(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途來(lái)設(shè)計(jì)的，可能少于六個(gè)自由度，也可能多于六個(gè)自由度。本文所設(shè)計(jì)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(lái)繞開(kāi)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?yàn)槟┒藞?zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實(shí)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(shí)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(shí)，可能會(huì)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(shí)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(yùn)動(dòng)的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見(jiàn)，有效負(fù)載是指高速運(yùn)行時(shí)的有效負(fù)載。本文中助行機(jī)器人的作業(yè)對(duì)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(yùn)動(dòng)特性速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(guò)程的平穩(wěn)性是非常重要的。對(duì)于本文中的助行機(jī)器人，在沒(méi)有負(fù)載時(shí)可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動(dòng)速度；而在其有負(fù)載時(shí)，即人與助行機(jī)器人直接接觸后，為了安全起見(jiàn)，而且考慮人步行速度。總的來(lái)說(shuō)，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(xiàng)目助行機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：不管是考慮機(jī)械設(shè)計(jì)的成本，還是導(dǎo)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(jī)以后能朝著市場(chǎng)化、商業(yè)化的步伐前進(jìn)。一、底盤機(jī)構(gòu)分析目前國(guó)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(gè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)部件的整體造型，并且接受電機(jī)的動(dòng)力，主要目的是滿足正常行走并可在不同路面下實(shí)現(xiàn)行走。底盤行走機(jī)構(gòu)主要包括前輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。前輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)愛(ài)爾蘭的Shane MacNamara 等開(kāi)發(fā)的叫PAMAID 的助行器，底盤也是四個(gè)輪子，其中由兩個(gè)電機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力。兩前輪之間沒(méi)有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩后輪的方式，前輪采用2 萬(wàn)向輪使得運(yùn)動(dòng)方向容易控制，更安全。而后輪驅(qū)動(dòng)則驅(qū)動(dòng)力及爬坡等能力都比前輪驅(qū)動(dòng)好，可以適應(yīng)多種不同道路情況。四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 等開(kāi)發(fā)的Walking Helper，采用電動(dòng)助步架結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)力傳感器測(cè)量用戶施加的力，利用四輪驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)實(shí)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(dòng)，以提供足夠動(dòng)力驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，必要時(shí)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(dòng)作調(diào)節(jié)助行機(jī)器人的高度。攙扶機(jī)構(gòu)是助行機(jī)器人的一個(gè)重要功能，對(duì)一個(gè)缺乏力量，需要輔助轉(zhuǎn)起來(lái)的殘疾人來(lái)說(shuō)非常重要。韓國(guó)HyeonMin Shim 所開(kāi)發(fā)的WAR的輔助坐下站立機(jī)構(gòu)是利用電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力的助行器，采用雙連桿機(jī)構(gòu)，利用兩個(gè)電機(jī)控制連桿轉(zhuǎn)動(dòng)和上升，升降高度可達(dá)40cm，可以用來(lái)輔助老年人起床，站立和上廁所等； 2007 年，日本Daisuke Chugo 等開(kāi)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(gè)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(gè)成年人站起，并且這個(gè)機(jī)構(gòu)可以承受很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力矩，升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時(shí)膝蓋負(fù)載，對(duì)一些體力不足的老年人特別有用。這個(gè)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(gè)用戶可以選最舒服的姿態(tài)行走。 驅(qū)動(dòng)方式的選擇機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源可分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。1．液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率重量比大，即以較小的驅(qū)動(dòng)器輸出較大的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向；液壓系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，由于采用油液作為工作介質(zhì)，系統(tǒng)可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。液壓系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)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(huì)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(dòng)系統(tǒng)適合用于承載能力大、慣量大而運(yùn)動(dòng)速度較低的機(jī)器人。2．氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大致分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。后者多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)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(diǎn)，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(lái)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(dòng)器。 在選用機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，要了解各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，再結(jié)合機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、控制功能、價(jià)格等具體條件確定最佳方案。一般來(lái)說(shuō)，只須點(diǎn)位控制且功率較小的多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 。負(fù)荷較大或機(jī)器人的周圍有液壓源的場(chǎng)合，適合采用液壓驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器的選擇，最重要的是要求起動(dòng)力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小，尺寸小，同時(shí)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(guò)100kg，且需要在室外作業(yè)，配備液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)比較困難，所以本文采用電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。 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(lái)進(jìn)行選擇，并滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求。從設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)器人要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。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(gè)成年人的重量，初步考慮為80 公斤?？傊?，選擇機(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)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(gè)方面：結(jié)構(gòu)性、輕型、剛性和衰減性。但是這四個(gè)方面往往又是相互矛盾的，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求確定最佳選擇。根據(jù)本項(xiàng)目的要求，在這里選擇鋁合金設(shè)計(jì)，強(qiáng)度足夠而且滿足輕型設(shè)計(jì)要求。 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(hào)，進(jìn)入避障、導(dǎo)航、傾翻報(bào)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(guò)串口下達(dá)給下位機(jī)執(zhí)行。機(jī)器人大腦接收激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)，并融合從下位機(jī)傳送來(lái)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(shí)現(xiàn)避障的目的。同時(shí)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(shí)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(guò)所設(shè)定的安全閾值，發(fā)出傾翻報(bào)警信號(hào)。借助藍(lán)牙適配器，利用一個(gè)虛擬串口讀取佩戴在老人手腕上脈搏傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算分析數(shù)據(jù)得到當(dāng)前老人的每分鐘的脈搏跳動(dòng)量。下位機(jī)以ARM 開(kāi)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(lái)的數(shù)據(jù)和控制手柄I/O 口傳送來(lái)的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)的底層運(yùn)動(dòng)控制，并通過(guò)采集獲取電機(jī)編碼器信號(hào)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(hào)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(yùn)動(dòng)執(zhí)行指令，其分為自動(dòng)執(zhí)行(通過(guò)機(jī)器人大腦自主決策)和手動(dòng)執(zhí)行(通過(guò)人為控制手柄)，下位機(jī)讀取正確的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行指令，負(fù)責(zé)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)。下位機(jī)以1 毫秒為周期采樣編碼器信號(hào)，其一方面將采集到的編碼器信號(hào)應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的底層閉環(huán)控制，另一方面通過(guò)一定的算法將采集到的編碼器信號(hào)進(jìn)行累計(jì)獲得里程計(jì)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(guò)串口將獲得的里程計(jì)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(guò)通用分組無(wú)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(dòng)量。服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用程序把獲取的信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)GIS 地理信息系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人監(jiān)控，另外通過(guò)分析老人的脈搏跳動(dòng)量進(jìn)行人體健康監(jiān)控。服務(wù)器上運(yùn)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(yè)上，老人的親屬可以在任何時(shí)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(guò)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。該觸摸屏公司提供一套圖像化界面開(kāi)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(bào)警信號(hào)。圖21助行機(jī)器人控制系統(tǒng). 現(xiàn)有的助行機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)分析目前國(guó)內(nèi)外的助行機(jī)器人的設(shè)計(jì)還存在著一些不足之處，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．機(jī)器人重量過(guò)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(shí)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(jì)的助行機(jī)器人大部分只能在室內(nèi)環(huán)境下運(yùn)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)重能力不能做的太大，國(guó)內(nèi)普遍小于 50KG，國(guó)外也大多小于 100KG，因此對(duì)于體重較重的人可能不能使用，對(duì)于機(jī)器人的推廣受到不少限制。4．助行機(jī)器人運(yùn)行不靈活。由于助行器對(duì)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(dòng)作，如將助行機(jī)器人原地轉(zhuǎn)圈或者越過(guò)一般的房門等，