【正文】 升，不符合助行機(jī)器人樣機(jī)便攜設(shè)計(jì)的一大原則，而且會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的整體成本上升。第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是由它自身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)決定的。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(hào)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(tái)包括雙輪差速型運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)、編碼器、超聲波傳感器、控制手柄、下位機(jī)、GPS 接收器、激光測(cè)距儀、傾斜傳感器、可編程觸摸屏、儲(chǔ)能供電系統(tǒng)等。價(jià)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。5. 自定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的價(jià)格昂貴。3．負(fù)載能力有限。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。下位機(jī)通過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。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。 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串口下達(dá)給下位機(jī)執(zhí)行?？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。 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(jì)和制作要求。一般來說，只須點(diǎn)位控制且功率較小的多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 。后者多為開環(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)。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。 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)。韓國(guó)HyeonMin 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(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的方法調(diào)節(jié)助行器高度。四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 等開發(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。前輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)愛爾蘭的Shane MacNamara 等開發(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。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)。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)。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。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。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。助行機(jī)器人一般都比較笨重，對(duì)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(duì)與一般用戶來說有些難以接受。本項(xiàng)目研制的助行機(jī)器人主要人群針對(duì)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)。對(duì)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。39第2章 助行機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案 第2章 助行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案突破助老/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(shí)現(xiàn)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的演示驗(yàn)證，概念樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。不過隨著國(guó)內(nèi)863 計(jì)劃重大項(xiàng)目對(duì)助行機(jī)器人的重視，國(guó)內(nèi)助行機(jī)器人的研發(fā)必將大踏步追趕。我國(guó)短時(shí)間內(nèi)“銀齡”群體的急劇膨脹對(duì)老年人助行器設(shè)計(jì)的“質(zhì)”與“量”提出更高的要求。引起的后天性腿部殘障，截癱或偏癱患者的腿部訓(xùn)練。這種助行機(jī)器人實(shí)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。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(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)節(jié)力矩變化。日本W(wǎng)aseda 大學(xué)于2006 年研發(fā)成功HITACHI 助行機(jī)器人。三種類型均配備有鋰離子充電電池，充滿電需要1 小時(shí)。另外，機(jī)體內(nèi)部采用平行鏈構(gòu)造，通過左右移動(dòng)重心時(shí)平行鏈向一側(cè)傾斜來檢測(cè)駕駛者的轉(zhuǎn)意向。機(jī)器人的尺寸為:265464462mm， 千克，最高速度6 km/h，充電時(shí)間1 小時(shí)，可巡航5 km。目前這種機(jī)器人已經(jīng)投入生產(chǎn)，并且已經(jīng)證實(shí)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)。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。機(jī)器人是通過力覺手柄和聲音來傳遞給機(jī)器人命令的，價(jià)格不超過5000 美金，的確是可以作為盲人的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一款機(jī)器人。機(jī)器人的尺寸很緊湊和穩(wěn)定，重量不超過15 公斤,運(yùn)行速度從0 ，在垂直方向 提供的支撐力為50 公斤，在其他兩個(gè)方向提供的支撐力為4 公斤左右。圖11 PAMAID 美國(guó)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PAMAID 中所設(shè)計(jì)的為了滿足一些實(shí)力受損或者體力不好的用戶。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。由于視力受損而且體力有限極大的限制了一個(gè)人的移動(dòng)自由，其提供了一個(gè)更為安全和享受的步行經(jīng)歷。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。在這一階段，中國(guó)平均每年將新增596萬老年人口，到2020年。 國(guó)外助行機(jī)器人的研究 愛爾蘭PAMAID 助行機(jī)器人愛爾蘭Shane MacNamara等開發(fā)了叫PAMAID 的助行器，PAMAID 的項(xiàng)目是在1994 年與愛爾蘭首都都伯林開展的，項(xiàng)目旨在幫助一些視力和體力不太好的患者步行。機(jī)器人底盤有四個(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。機(jī)器人帶有自動(dòng)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(dòng)的障礙物，能有效地保障用戶的安全。機(jī)器人還提供了包括健康檢測(cè)功能和與管理員電腦通訊的功能。機(jī)器人身上帶有聲學(xué)和視覺傳感器，用來檢測(cè)障礙物，提供行走輔助。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。此種助行機(jī)器人比一般助行器輔助行走更簡(jiǎn)單，通過GPS/GIS 導(dǎo)航系統(tǒng)來尋找路徑。不過，二者使用的前提均是人行道圖14 HITACHI 助行機(jī)器人和樓內(nèi)等適合步行的場(chǎng)所。前進(jìn)與后退方面，通過檢測(cè)身體重心的前后移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。Type 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。行駛距離方面，Type S 為5km、Type M 和L 為10km。機(jī)器人共采用4 個(gè)Maxon 電機(jī)來帶動(dòng)人體踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，能夠提供動(dòng)力給人體，調(diào)節(jié)人體下肢姿態(tài)。圖15 可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人 國(guó)內(nèi)助行機(jī)器人的研究 多功能助行機(jī)器人哈爾濱工程大學(xué)的學(xué)生研制出一種多功能助行機(jī)器人?？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。相位差，使殘疾人更好的完成走步訓(xùn)練。與國(guó)外日美韓相比仍有較大差距，目前來說在國(guó)內(nèi)尚沒有形成很有體系的研發(fā)高?；蛘哐芯繂挝唬幸恍┭芯咳耘f停留在實(shí)驗(yàn)室的階段，還未達(dá)到實(shí)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。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(gè)性特征，自動(dòng)適應(yīng)用戶的行為，來提高用戶的舒適度。目前情況下，不管是在國(guó)外還是在國(guó)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(yùn)行，對(duì)地面平整度要求很高，即使少數(shù)可以在室外運(yùn)行的助行機(jī)器人也還未到很成熟的階段，但是對(duì)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(shí)用價(jià)值。就目前國(guó)外研究情況來看，主要的還是面向殘疾人和一些老年人。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(huì)顯得很笨重，大部分助行器的連續(xù)作業(yè)時(shí)間不超過10 小時(shí)，本樣機(jī)考慮的連續(xù)作業(yè)時(shí)間為大概4 小時(shí)。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)。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。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)。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?？偟膩碚f，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。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)。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。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)起來的殘疾人來說非常重要。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。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。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)。 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。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(dòng)系統(tǒng)比較困難，所以本文采用電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。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。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。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(bào)警信號(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，另一方面通過一