【正文】 更令我感到敬重的是，邊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)思想、淵博的學(xué)術(shù)水平、誨人不倦的敬業(yè)精神、豁達(dá)的性格、大公無私的工作作風(fēng)和為人師表的道德品質(zhì)都深深地影響了我，使我終身收益。2．繼續(xù)加強(qiáng)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)，使得樣機(jī)最終能夠?qū)崿F(xiàn)真正的模塊化設(shè)計(jì)，安裝簡單可靠，并且便于安裝和拆卸。電機(jī)減速器軸為輸入軸為減速器軸，直徑為1 d = 14mm ，輸出軸直徑d = 12mm。仍舊選用德國saegmotor 石墨電機(jī)，參照其選擇手冊，綜合選用電壓為23V、 的電機(jī)：38SYK70_24V_90w。選用絲杠為單線，所以導(dǎo)程即螺距P=5。. 輔助升降機(jī)構(gòu)輔助升降機(jī)構(gòu)是用來實(shí)現(xiàn)助行機(jī)器人輔助用戶站立和坐下動作的機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)核心是一個(gè)升降機(jī)構(gòu)，對升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮一下幾個(gè)問題： 機(jī)械強(qiáng)度要大，且穩(wěn)定性要高； 升降機(jī)構(gòu)不能出現(xiàn)卡死等情況； 升降高度要足夠支持一個(gè)人從坐下到站起來的高度； 布置要合理，且要考慮自鎖。 圖33 受力分析 、 懸臂梁的設(shè)計(jì)電機(jī)是安裝在懸臂梁上的，通過同步帶輪驅(qū)動輪運(yùn)動，而心軸也是通過螺紋安裝在懸臂梁上面，懸臂梁在整個(gè)機(jī)構(gòu)中主要受彎矩，初步設(shè)計(jì)為梁為12 80 的長方形截面形狀，梁長580mm。小鏈輪：型號：SP40B10N12，數(shù)量為2，重量為140g。 樣機(jī)重要零部件設(shè)計(jì)、鏈輪鏈條傳動 由于電機(jī)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(zhǔn)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??；在同樣使用條件下，鏈傳動結(jié)構(gòu)較為緊湊。 聯(lián)軸器的選用由于電機(jī)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(jī)能通過聯(lián)軸器后與離合器聯(lián)結(jié)，達(dá)到控制電機(jī)離合目的。型號是：P36HA_1:16。由于石墨電刷具有：－較大的電機(jī)－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(jī)，功率確定為。M20 安裝螺紋。. 底盤模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)助行機(jī)器人的底盤模塊是實(shí)現(xiàn)樣機(jī)助行任務(wù)的關(guān)鍵，本項(xiàng)目采取的是兩輪差動驅(qū)動的方式驅(qū)動樣機(jī)小車，左右驅(qū)動輪模塊相同，驅(qū)動輪設(shè)計(jì)方案是：要求電機(jī)后面帶有離合器，使得樣機(jī)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。由于其體積小，質(zhì)量輕，在機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。三、鏈傳動機(jī)構(gòu)鏈傳動用于傳遞平行軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。蝸桿傳動經(jīng)常被用在機(jī)器人關(guān)節(jié)處需要自鎖的地方。其缺點(diǎn)是：由于柔輪的疲勞強(qiáng)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(jī)器人中的應(yīng)用；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速等于或者是嚙合頻率的 2 倍、4 倍、6 倍時(shí)，會產(chǎn)生明顯的振動，這對于低速運(yùn)動的連接件很不利。由于傳動軸的相對位置和運(yùn)動方向不同，齒輪傳動的種類很多。環(huán)形超聲波電動機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負(fù)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。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(yùn)動。根據(jù)助行機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、需要進(jìn)行比較精確的控制等特點(diǎn)，在選擇驅(qū)動電機(jī)時(shí)要注意滿足以下幾個(gè)基本要求。它的升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時(shí)膝蓋負(fù)載，輔助行走功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)也比較緊湊。另外，機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性、運(yùn)動靈巧性，以及驅(qū)動、控制等方面的問題。如果在承受極限負(fù)載的條件下，最薄弱的環(huán)節(jié)不能滿足要求的強(qiáng)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?？删幊逃|摸屏安裝在車體頂端正中位置，提供人機(jī)交互平臺，其通過網(wǎng)口與嵌入式工控機(jī)相連。而要實(shí)現(xiàn)室外導(dǎo)航，除了上述的傳感裝置外，還采用了GPS 和傾斜儀來實(shí)現(xiàn)室外環(huán)境定位和適應(yīng)不平整的路面。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。下位機(jī)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(yīng)用到運(yùn)動執(zhí)行機(jī)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(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。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。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)和氣動系統(tǒng)比較困難，所以本文采用電動的驅(qū)動方式。電動驅(qū)動系統(tǒng)大致分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。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。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(yīng)多種不同道路情況?？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。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)。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(jìn)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(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(biāo)（紅外信標(biāo)、RFID 等）的自定位和導(dǎo)航方法；4) 健康監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)：可以對操作者的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測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)。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。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，自動適應(yīng)用戶的行為，來提高用戶的舒適度。相位差，使殘疾人更好的完成走步訓(xùn)練。圖15 可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人 國內(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。行駛距離方面，Type S 為5km、Type M 和L 為10km。前進(jìn)與后退方面，通過檢測身體重心的前后移動來實(shí)現(xiàn)。此種助行機(jī)器人比一般助行器輔助行走更簡單，通過GPS/GIS 導(dǎo)航系統(tǒng)來尋找路徑。機(jī)器人身上帶有聲學(xué)和視覺傳感器，用來檢測障礙物，提供行走輔助。機(jī)器人帶有自動導(dǎo)航系統(tǒng)，可以有效地在傳感范圍內(nèi)避障，包括靜止和移動的障礙物，能有效地保障用戶的安全。 國外助行機(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。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。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。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。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。三種類型均配備有鋰離子充電電池，充滿電需要1 小時(shí)。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)動過程中的關(guān)節(jié)力矩變化。引起的后天性腿部殘障，截癱或偏癱患者的腿部訓(xùn)練。不過隨著國內(nèi)863 計(jì)劃重大項(xiàng)目對助行機(jī)器人的重視，國內(nèi)助行機(jī)器人的研發(fā)必將大踏步追趕。對于使用者來說，一款能夠適用與各種地面，復(fù)雜地形的助行機(jī)器人。助行機(jī)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(jī)器人深圳達(dá)到100 公斤，顯然對與一般用戶來說有些難以接受。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。4．運(yùn)動特性速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動特性的主要指標(biāo)。前輪驅(qū)動機(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，并不提供任何動力。韓國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)帶動絲杠轉(zhuǎn)動的方法調(diào)節(jié)助行器高度。2．氣動驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)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(fù)荷且精度不高的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。一般來說，只須點(diǎn)位控制且功率較小的多采用氣動驅(qū)動器 ?？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。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量。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。5. 自定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的價(jià)格昂貴。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；車體平臺包括雙輪差速型運(yùn)動執(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、激光測距儀、傾斜傳感器、可編程觸摸屏、儲能供電系統(tǒng)等。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。2．輪子驅(qū)動扭矩的瞬間過程在時(shí)域中的變化是非常復(fù)雜的，并且和執(zhí)行件反饋信號有關(guān)。在之前的方案設(shè)計(jì)中，已經(jīng)初步確定助行機(jī)器人底盤采用四輪驅(qū)動的想法，不同的助行機(jī)器人的底盤輪子布置和驅(qū)動輪個(gè)數(shù)都是不同的。助行機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人機(jī)械本體、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)等組成。步進(jìn)電機(jī)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(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。下面介紹幾種機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)。3．諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu)諧波傳動是利用一個(gè)構(gòu)件的可控制的彈性變形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的傳遞。5．蝸桿傳動機(jī)構(gòu)蝸桿傳動用于傳遞空間交錯(cuò)的兩軸間的運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩，常見的是軸交角 90176。其缺點(diǎn)是：不自鎖，必須增設(shè)制動或自鎖裝置；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高。五、其他傳動機(jī)構(gòu)在機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)中，常用的還有鋼帶傳動機(jī)構(gòu)、鋼絲繩傳動機(jī)構(gòu)、連桿傳動機(jī)構(gòu)，凸輪傳動及流體傳動等[17]。流體傳動分為液壓傳動和氣壓傳動。型號：WL1131A160 40。 直流伺服電機(jī)選擇原則：a) 連續(xù)運(yùn)行的特征是通過工作點(diǎn)(MB, nB)，則在考慮電機(jī)型號選擇中，電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩作為主要部分必須要認(rèn)真對待，即：McontMB。 行星齒輪減速器選擇選用輪子直徑為d=200mm。額