【正文】 學的機構優(yōu)化設計、材料的輕型化選擇，實現機構的便攜性。2) 適用于室內/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，進而控制驅動輪的力矩和速度，無論在室內的平整路面，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：圍繞結構化或半結構化的復雜環(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。表示機器人特性的基本技術參數主要有自由度、工作空間、運動精度、有效負載、運動特性和經濟性指標等。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目，機器人的自由度是根據其用途來設計的，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，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量，還與機器人運動的速度和加速度的大小及方向有關。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定為80 公斤。4．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地加快其運動速度；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?？偟膩碚f，助行樣機的速度在一定范圍內要是可調的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。5．經濟性指標本項目助行機器人樣機設計準則是：不管是考慮機械設計的成本，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。一、底盤機構分析目前國內外的助行機器人大部分都是由底盤機構和攙扶機構組成。其中助行機器人的底盤是整個機器人機構設計的基本機構，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行走。底盤行走機構主要包括前輪驅動機構、后輪驅動機構以及四輪驅動機構。前輪驅動機構愛爾蘭的Shane MacNamara 等開發(fā)的叫PAMAID 的助行器，底盤也是四個輪子，其中由兩個電機分別單獨驅動前輪，而且電機只負責改變輪子轉向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉向半徑很小。后輪驅動機構機器人采用兩個驅動電機驅動兩后輪的方式，前輪采用2 萬向輪使得運動方向容易控制，更安全。而后輪驅動則驅動力及爬坡等能力都比前輪驅動好，可以適應多種不同道路情況。四輪驅動機構 等開發(fā)的Walking Helper，采用電動助步架結構，能夠根據力傳感器測量用戶施加的力，利用四輪驅動控制實現全向移動實現行走支持。所以本助行機器人機擬采用雙輪驅動，以提供足夠動力驅動平臺，必要時可以引導用戶行走。二、攙扶機構分析而攙扶機構是助行機器人輔助人坐下和站起的機構，也可以根據人身高和動作調節(jié)助行機器人的高度。攙扶機構是助行機器人的一個重要功能，對一個缺乏力量，需要輔助轉起來的殘疾人來說非常重要。韓國HyeonMin Shim 所開發(fā)的WAR的輔助坐下站立機構是利用電機帶動絲杠轉動的方法調節(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，采用雙連桿機構，利用兩個電機控制連桿轉動和上升，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Daisuke Chugo 等開發(fā)的帶輔助站立結構的康復助行機器人，采用一個具有高剛性、低成本的平行四桿機構，可以用比較小的電機就可以輔助一個成年人站起，并且這個機構可以承受很強的扭轉力矩，升降機構是傾斜上升，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。 驅動方式的選擇機器人的驅動系統(tǒng)，按動力源可分為液壓、氣動和電動三種基本類型，根據需要也可將這三種類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。1．液壓驅動系統(tǒng)的特點液壓驅動的主要優(yōu)點是功率重量比大，即以較小的驅動器輸出較大的驅動力或力矩；液壓缸可直接作為關節(jié)的一部分故結構緊湊，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，可實現頻繁平穩(wěn)的變速和換向；液壓系統(tǒng)易于實現過載保護，由于采用油液作為工作介質，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．氣動驅動系統(tǒng)的特點氣動驅動系統(tǒng)的能源和結構比較簡單，但與液壓驅動系統(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．電動驅動系統(tǒng)的特點電動驅動系統(tǒng)是利用各種電機產生的力和力矩，直接或通過機械傳動裝置來驅動執(zhí)行機構。這類系統(tǒng)不需要能量轉換，因此效率比液壓和氣動驅動系統(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。電動驅動系統(tǒng)大致分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機驅動系統(tǒng)和步進電機驅動系統(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動器。 在選用機器人的驅動系統(tǒng)時，要了解各種驅動系統(tǒng)的特點，再結合機器人的用途、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，適合采用液壓驅動器。驅動器的選擇，最重要的是要求起動力矩大、調速范圍寬、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動方式。 助行機器人的材料選擇機器人結構材料的選擇應根據機器人的工作狀況來進行選擇，并滿足機器人的設計和制作要求。從設計的思想出發(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?？傊?，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。綜上機器人材料的特性可歸結為四個方面：結構性、輕型、剛性和衰減性。但是這四個方面往往又是相互矛盾的，應根據不同的設計要求確定最佳選擇。根據本項目的要求，在這里選擇鋁合金設計，強度足夠而且滿足輕型設計要求。 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據，并融合從下位機傳送來的超聲波傳感器數據，進行前方環(huán)境感知，獲得障礙物的信息(大小、方向、距離),從而實現避障的目的。同時讀取GPS 接收器所連的串口數據，獲得車體當前經緯度、速度、時間等信息，從而進行GPS 導航決策。讀取傾斜傳感器所連的串口數據，獲得當前車體與水平面的傾斜角，如其超過所設定的安全閾值，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據，計算分析數據得到當前老人的每分鐘的脈搏跳動量。下位機以ARM 開發(fā)板為基礎構成，負責接收機器人大腦串口發(fā)送來的數據和控制手柄I/O 口傳送來的數據，從而進行機器人的運動執(zhí)行機構和升降執(zhí)行機構的底層運動控制，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據。下位機根據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 轉接卡連接到因特網中，與遠端的服務器通信，主要向服務器發(fā)送GPS 經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據庫中，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)信息顯示在網頁上，老人的親屬可以在任何時候登錄該網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，其通過網口與機器人大腦相連，兩者間的數據傳遞基于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21助行機器人控制系統(tǒng). 現有的助行機器人的優(yōu)缺點分析目前國內外的助行機器人的設計還存在著一些不足之處，這主要體現在以下幾個方面：1．機器人重量過重：目前現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，離用戶實現隨身攜帶還有很大差距。2．環(huán)境適應能力差，一般設計的助行機器人大部分只能在室內環(huán)境下運行，離用戶需要的復雜環(huán)境或者室內/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圈或者越過一般的房門等，