【正文】 升，不符合助行機器人樣機便攜設計的一大原則，而且會導致機器人的整體成本上升。第3章 助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設計 第3章 助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設計機器人機械設計的特點是由它自身的獨特結(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。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。5. 自定位與導航系統(tǒng)的價格昂貴。3．負載能力有限。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。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。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。 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?？傊x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。 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，并滿足機器人的設計和制作要求。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 。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)。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。 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)。韓國HyeonMin Shim 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。四輪驅(qū)動機構(gòu) 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。前輪驅(qū)動機構(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。5．經(jīng)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。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。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。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。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。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。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。39第2章 助行機器人總體設計方案 第2章 助行機器人的總體設計方案突破助老/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。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。我國短時間內(nèi)“銀齡”群體的急劇膨脹對老年人助行器設計的“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練。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。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。日本W(wǎng)aseda 大學于2006 年研發(fā)成功HITACHI 助行機器人。三種類型均配備有鋰離子充電電池，充滿電需要1 小時。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。機器人的尺寸為:265464462mm， 千克，最高速度6 km/h，充電時間1 小時，可巡航5 km。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。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。機器人是通過力覺手柄和聲音來傳遞給機器人命令的，價格不超過5000 美金，的確是可以作為盲人的經(jīng)濟實惠的一款機器人。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 ，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。圖11 PAMAID 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PAMAID 中所設計的為了滿足一些實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。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。在這一階段，中國平均每年將新增596萬老年人口，到2020年。 國外助行機器人的研究 愛爾蘭PAMAID 助行機器人愛爾蘭Shane MacNamara等開發(fā)了叫PAMAID 的助行器，PAMAID 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。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。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。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。機器人身上帶有聲學和視覺傳感器，用來檢測障礙物，提供行走輔助。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。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。不過，二者使用的前提均是人行道圖14 HITACHI 助行機器人和樓內(nèi)等適合步行的場所。前進與后退方面，通過檢測身體重心的前后移動來實現(xiàn)。Type S 和M 為用雙腳夾住機身不用雙手即可操控、Type L 是用雙手握住操控桿進行操控的類型。行駛距離方面，Type S 為5km、Type M 和L 為10km。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)。圖15 可穿戴的外骨骼式助行機器人 國內(nèi)助行機器人的研究 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?？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練。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?；蛘哐芯繂挝?，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。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。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。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。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。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．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。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。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?？偟膩碚f，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。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)。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。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。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。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。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)。 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。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。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。根據(jù)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。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，如其超過所設定的安全閾值，發(fā)出傾翻報警信號。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