【正文】 傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負(fù)載，對一些體力不足的老年人特別有用。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。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)器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。工作空間的形狀和大小是十分重要的。本樣機(jī)的設(shè)計重量為30 公斤，即助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)重量包括電池在內(nèi)不超過30 公斤?？紤]國內(nèi)外這些研究情況結(jié)合這次 863 項目的研究和對國內(nèi)助行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀分析，本次項目打算能夠研制一款助行機(jī)器人，能夠適用于室內(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)的行走體驗和高效的能源效率。由以上的介紹可以看出，目前國內(nèi)外對助行機(jī)器人的研究近年已經(jīng)非常熱門，而且在國外逐餞行成比較系統(tǒng)的研發(fā)系統(tǒng)，甚至部分已經(jīng)進(jìn)入試驗或者試用階段，已經(jīng)得到不少用戶的認(rèn)可。同時多功能助行機(jī)器人具有動力源，采用雙輪差動驅(qū)動，殘疾人可以隨著機(jī)器人的前行而進(jìn)行走步鍛煉。此機(jī)器人采用氣動執(zhí)行器來驅(qū)動其升降機(jī)構(gòu)。最高速度為6km/h。機(jī)器人采用便攜式設(shè)計。機(jī)器人高度為1m，并且可以調(diào)整。機(jī)器人上帶有電池，可以供給機(jī)器人連續(xù)8 小時運(yùn)行。機(jī)器人底盤有四個輪子，其中由兩個電機(jī)分別單獨驅(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。與此相對的是目前廣泛使用的助行設(shè)備(如，拐杖、助步架等)功能比較單一，智能化程度低，安全性和舒適性都不足，無法滿足使用者獨立生活的需求。因此，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的助行設(shè)備領(lǐng)域，設(shè)計更智能更舒適更安全的助行機(jī)器人系統(tǒng)有著必要性。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。機(jī)器人還具有計算功能，足夠滿足機(jī)器人路徑規(guī)劃，控制，健康檢測和通訊功能。機(jī)器人還具有障礙物檢測和避讓功能，通過觸摸手柄讓感知用戶意圖。配備有角度傳感器,陀螺傳感器和車輪速度傳感器，可根據(jù)駕駛狀態(tài)用兩個輪子穩(wěn)步行走。重量方面，Type S 、Type M 和L 。采用四輪驅(qū)動以提供足夠動力驅(qū)動平臺，必要時可以引導(dǎo)用戶行走。腿部行走機(jī)構(gòu)根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡模擬人走步時的大腿末端軌跡，隨著機(jī)器人移動，行走機(jī)構(gòu)給殘疾人腿部一定的推力，幫助殘疾人雙腿實現(xiàn)邁步動作，并且滿足正常人行走時雙腿的180176。不過在行走支持技術(shù)等領(lǐng)域，需要解決移動靈活性、能源高效化、便攜性和多種路面適用性等技術(shù)難題。部分助行機(jī)器人面向視力受損不過還未完全失明的人，部分面向老年人，主要針對肌肉無力等情況。1) 助行機(jī)器人擬采用便攜式助行器機(jī)構(gòu)設(shè)計，采用人體工學(xué)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料的輕型化選擇，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的便攜性。機(jī)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(wù)。對于本文中的助行機(jī)器人，在沒有負(fù)載時可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動速度；而在其有負(fù)載時，即人與助行機(jī)器人直接接觸后，為了安全起見，而且考慮人步行速度。后輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)機(jī)器人采用兩個驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動兩后輪的方式，前輪采用2 萬向輪使得運(yùn)動方向容易控制，更安全。這個樣機(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。這類系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，因此效率比液壓和氣動驅(qū)動系統(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。驅(qū)動器的選擇，最重要的是要求起動力矩大、調(diào)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(shù)字控制系統(tǒng)。但是這四個方面往往又是相互矛盾的，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計要求確定最佳選擇。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)動執(zhí)行指令，其分為自動執(zhí)行(通過機(jī)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(jī)讀取正確的運(yùn)動執(zhí)行指令，負(fù)責(zé)向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制信號。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)缺點分析目前國內(nèi)外的助行機(jī)器人的設(shè)計還存在著一些不足之處，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1．機(jī)器人重量過重：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，離用戶實現(xiàn)隨身攜帶還有很大差距。有些室內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)需要采用光雷達(dá)和視覺傳感器實現(xiàn)避障和導(dǎo)航。在機(jī)器人車體頂部正前方固定GPS 接收器，其數(shù)據(jù)線通過串口連接到嵌入式工控機(jī)上。例如機(jī)床的設(shè)計需要保證所有零部件在最不利的條件下仍能正常地工作。3．助行機(jī)器人的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定的現(xiàn)象。該WAR 機(jī)器人是由包括底盤四輪機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)組成的，是少受能夠進(jìn)行室外行走的一款助行器。這些動作都需要由伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成的，而驅(qū)動系統(tǒng)必然包含驅(qū)動電機(jī)。直流伺服電機(jī)在機(jī)器人中應(yīng)用也很廣泛。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率體積比要求不十分嚴(yán)格，而對于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)直接驅(qū)動。其缺點是：運(yùn)轉(zhuǎn)中有噪聲、沖擊和振動，并產(chǎn)生動載荷；無過載保護(hù)功能。傳動效率高，單級傳動效率約為 65％～90％。蝸桿傳動的特點是：傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪聲都很小；能以單級傳動獲得較大的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊；由于蝸桿螺牙與輪齒面間嚙合摩擦損失較大，因而傳動效率比齒輪傳動低。靜壓絲杠螺母傳動由于絲杠螺母間有剛性的油膜，可用于傳動精度高、定位精度高以及傳動效率要求較高的機(jī)器人中。鋼絲繩傳動可用于遠(yuǎn)距離動力傳遞。氣壓傳動比起其他傳動運(yùn)動精度較差，但由于容易達(dá)到高速，所以多數(shù)用在完成簡易作業(yè)的搬運(yùn)機(jī)器人上。安裝高度：190mm。c) 所選電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩通常要大于所需的峰值轉(zhuǎn)矩，即：MHMmax。；參考選擇手冊，所選減速器減速比略小，在這里選用i=16 的行星齒輪減速器，如果減速比過大，可能工作最大速度達(dá)不到。如圖34 所示。最大外徑為35mm，小于36mm 都滿足要求。4) 確定實際中心距離a:?查詢MISUMI，選取鏈條型號：CHE4054（節(jié)數(shù)只能取偶數(shù)），與電機(jī)減速器軸連接。根據(jù)鋼度條件式：,經(jīng)過受力分析， 考慮安全系數(shù)和充氣輪軸承處為最小軸直徑，配合孔徑最小軸直徑為16彎曲剪切應(yīng)力校核計算如下： 圖32 固定心軸,r= 軸一端為法蘭盤，另一端為螺紋，螺紋端有螺母鎖死，強(qiáng)度足夠，螺紋端直徑取為M12，長15。圖35 驅(qū)動模塊 非驅(qū)動輪模塊非驅(qū)動輪模塊主要就是萬向輪和其安裝裝置組成，該模塊設(shè)計的主要考慮其在助行機(jī)器人上的固定方式，同時考慮安裝螺母的易拆卸性，保證拆卸空間，同時保證非驅(qū)動輪安裝板設(shè)計強(qiáng)度足夠，并且方便整體裝配性能。采用MISUMI 公司的型號為： BSSZ2005500SWC13 的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)， 靜載荷為1470N，顯然滿足承載要求。參考輸出扭矩等數(shù)據(jù)。參照選擇手冊， 的聯(lián)軸器。本文尚需完善和應(yīng)進(jìn)一步開展的研究工作如下：1．進(jìn)一步完善調(diào)試平臺，繼續(xù)對樣機(jī)電機(jī)和樣機(jī)運(yùn)動進(jìn)行分析，進(jìn)而改進(jìn)控制算法和進(jìn)一步發(fā)揮傳感器的作用。在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，邊老師不但在論文的選題、研究、撰寫等方面給予了悉心的指導(dǎo)，而且在學(xué)習(xí)、生活和即將就業(yè)上給了我無微不至的關(guān)懷。此外，還要感激我的同期在校同學(xué)給予的支持和幫助，他們是郝鳳乾、李建、吳海燕等同學(xué)，大家相互鼓勵，共同學(xué)習(xí)和進(jìn)步。考慮到助行機(jī)器人使用的舒適性、安全性和穩(wěn)定性，機(jī)械機(jī)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化。b) 聯(lián)軸器選用型號：MISUMIMCO301412，最大允許轉(zhuǎn)速為6200rpm。數(shù)量：1 ，重量：420g額定轉(zhuǎn)速為6000r/min。載荷校驗計算絲杠細(xì)長比:為工作長度， l=359， 為小徑為17mm。 確定設(shè)計方案按照上面分析的設(shè)計要求，機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)應(yīng)該考慮有一個適當(dāng)?shù)纳仙拖陆蹈叨?。l=580mm，b=80m， h=12mm。大鏈輪：型號：SP40B20N40，數(shù)量為2，重量為760g。同時鏈傳動能在高溫及速度較低的情況下工作。減速器軸輸出轉(zhuǎn)速最高為191rpm，選用比電機(jī)規(guī)格（直徑36mm）小而且最高允許轉(zhuǎn)速足夠的聯(lián)軸器。 重量為：242g。滿足此機(jī)器人輪驅(qū)動工作要求，考慮一定余量， 電機(jī)。 電機(jī)驅(qū)動單元的選擇 電機(jī)功率的計算：功率計算：由于=M 為電機(jī)對輪子產(chǎn)生的驅(qū)動力矩，為傳動總效率，為輪子轉(zhuǎn)速。 底盤模塊的相關(guān)計算與電機(jī)選擇 驅(qū)動輪的選擇 考慮對地面的抓地力，驅(qū)動輪選用沖氣輪，直徑為8 inch，采用差速驅(qū)動的方式運(yùn)動。這種機(jī)構(gòu)主要用于小載荷的傳遞，比如手指的驅(qū)動。鏈傳動的種類較多，在機(jī)器人中主要使用精密套筒滾子鏈傳動。二、絲杠螺母傳動絲杠螺母傳動有靜壓式、滑動式和滾珠式等。4．行星傳動機(jī)構(gòu)由于電動機(jī)是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動器，而機(jī)器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力矩，因此，常用行星齒輪機(jī)構(gòu)減速器來完成速度和力矩的變換與調(diào)節(jié)。2．直齒圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu)直齒輪傳動是傳動機(jī)構(gòu)中最長見的形式，在機(jī)器人中也得到了廣泛的應(yīng)用。HD 電動機(jī)(High Density Motor)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動機(jī)，電動機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動力用直流電機(jī)相同。1．機(jī)械時間常數(shù)要小，起動力矩大，慣量?。ㄒ布崔D(zhuǎn)矩慣量比要大），以滿足快速反應(yīng)的要求；2．調(diào)速范圍寬，力矩波動小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以滿足各種運(yùn)動速度和定位精度的要求。不過此結(jié)構(gòu)前輪是采用舵機(jī)控制輪子轉(zhuǎn)動，兩后輪為驅(qū)動輪。根據(jù)以上的設(shè)計原則和要求，本文的助行機(jī)器人設(shè)計的整體指導(dǎo)思想是：在一定的安全系數(shù)且能實現(xiàn)預(yù)定功能的前提下，首先從提高助行機(jī)器人的運(yùn)動性能的角度出發(fā)來確定機(jī)器人底盤的自由度配置；其次從各零部件的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計上盡可能減輕整個機(jī)器人的重量；最后從助行機(jī)器人樣機(jī)的應(yīng)用環(huán)境來確定各運(yùn)動環(huán)節(jié)處的驅(qū)動元件和傳動元件的選擇和空間位置。但是對于助行機(jī)器人來說，“增加質(zhì)量”的方法雖然可提高機(jī)件的局部剛度，但整體的性能可能會因為慣量的隨之增加而惡化，各部分電機(jī)的驅(qū)動功率也會隨之提高，不僅會導(dǎo)致電機(jī)過大，而且機(jī)器人重量上升，不符合助行機(jī)器人樣機(jī)便攜設(shè)計的一大原則，而且會導(dǎo)致機(jī)器人的整體成本上升。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，控制手柄信號線與安裝在控制柜內(nèi)部的下位機(jī)的I/O 口相連。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(yīng)用還有一段很大的距離。3．負(fù)載能力有限。下位機(jī)通過串口將獲得的里程計信息、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。 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，進(jìn)入避障、導(dǎo)航、傾翻報警、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。 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)計和制作要求。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(jī)器人系統(tǒng)。 驅(qū)動方式的選擇機(jī)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(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。四輪驅(qū)動機(jī)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。5．經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)本項目助行機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則是：不管是考慮機(jī)