【正文】 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。兩前輪之間沒有連桿相連，轉向半徑很小。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。工作空間的形狀和大小是十分重要的。本樣機的設計重量為30 公斤，即助行機器人的機構重量包括電池在內(nèi)不超過30 公斤?？紤]國內(nèi)外這些研究情況結合這次 863 項目的研究和對國內(nèi)助行機器人研究的現(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，進而控制驅動輪的力矩和速度，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)進入試驗或者試用階段，已經(jīng)得到不少用戶的認可。同時多功能助行機器人具有動力源，采用雙輪差動驅動，殘疾人可以隨著機器人的前行而進行走步鍛煉。此機器人采用氣動執(zhí)行器來驅動其升降機構。最高速度為6km/h。機器人采用便攜式設計。機器人高度為1m，并且可以調(diào)整。機器人上帶有電池，可以供給機器人連續(xù)8 小時運行。機器人底盤有四個輪子，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。與此相對的是目前廣泛使用的助行設備(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，將機器人技術應用于傳統(tǒng)的助行設備領域，設計更智能更舒適更安全的助行機器人系統(tǒng)有著必要性。兩前輪之間沒有連桿相連，轉向半徑很小。機器人還具有計算功能，足夠滿足機器人路徑規(guī)劃，控制，健康檢測和通訊功能。機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 。采用四輪驅動以提供足夠動力驅動平臺，必要時可以引導用戶行走。腿部行走機構根據(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，隨著機器人移動，行走機構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等領域，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難題。部分助行機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) 助行機器人擬采用便攜式助行器機構設計，采用人體工學的機構優(yōu)化設計、材料的輕型化選擇，實現(xiàn)機構的便攜性。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。對于本文中的助行機器人，在沒有負載時可以適當?shù)丶涌炱溥\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。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。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。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。驅動器的選擇，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，應根據(jù)不同的設計要求確定最佳選擇。下位機根據(jù)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。圖21助行機器人控制系統(tǒng). 現(xiàn)有的助行機器人的優(yōu)缺點分析目前國內(nèi)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(xiàn)在以下幾個方面：1．機器人重量過重：目前現(xiàn)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(xiàn)隨身攜帶還有很大差距。有些室內(nèi)的導航系統(tǒng)需要采用光雷達和視覺傳感器實現(xiàn)避障和導航。在機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上。例如機床的設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 機器人是由包括底盤四輪機構，轉向機構和升降機構組成的，是少受能夠進行室外行走的一款助行器。這些動作都需要由伺服驅動系統(tǒng)完成的，而驅動系統(tǒng)必然包含驅動電機。直流伺服電機在機器人中應用也很廣泛。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格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機，實現(xiàn)直接驅動。其缺點是：運轉中有噪聲、沖擊和振動，并產(chǎn)生動載荷；無過載保護功能。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，結構緊湊；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器人中。鋼絲繩傳動可用于遠距離動力傳遞。氣壓傳動比起其他傳動運動精度較差，但由于容易達到高速，所以多數(shù)用在完成簡易作業(yè)的搬運機器人上。安裝高度：190mm。c) 所選電機的堵轉轉矩通常要大于所需的峰值轉矩，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，強度足夠，螺紋端直徑取為M12，長15。圖35 驅動模塊 非驅動輪模塊非驅動輪模塊主要就是萬向輪和其安裝裝置組成，該模塊設計的主要考慮其在助行機器人上的固定方式，同時考慮安裝螺母的易拆卸性，保證拆卸空間，同時保證非驅動輪安裝板設計強度足夠，并且方便整體裝配性能。采用MISUMI 公司的型號為： BSSZ2005500SWC13 的滾珠絲杠機構， 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。本文尚需完善和應進一步開展的研究工作如下：1．進一步完善調(diào)試平臺，繼續(xù)對樣機電機和樣機運動進行分析，進而改進控制算法和進一步發(fā)揮傳感器的作用。在畢業(yè)設計的這段時間里，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，而且在學習、生活和即將就業(yè)上給了我無微不至的關懷。此外，還要感激我的同期在校同學給予的支持和幫助，他們是郝鳳乾、李建、吳海燕等同學，大家相互鼓勵，共同學習和進步?？紤]到助行機器人使用的舒適性、安全性和穩(wěn)定性，機械機構需要進一步優(yōu)化。b) 聯(lián)軸器選用型號：MISUMIMCO301412，最大允許轉速為6200rpm。數(shù)量：1 ，重量：420g額定轉速為6000r/min。載荷校驗計算絲杠細長比:為工作長度， l=359， 為小徑為17mm。 確定設計方案按照上面分析的設計要求，機器人升降機構應該考慮有一個適當?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。減速器軸輸出轉速最高為191rpm，選用比電機規(guī)格（直徑36mm）小而且最高允許轉速足夠的聯(lián)軸器。 重量為：242g。滿足此機器人輪驅動工作要求，考慮一定余量， 電機。 電機驅動單元的選擇 電機功率的計算：功率計算：由于=M 為電機對輪子產(chǎn)生的驅動力矩，為傳動總效率，為輪子轉速。 底盤模塊的相關計算與電機選擇 驅動輪的選擇 考慮對地面的抓地力，驅動輪選用沖氣輪，直徑為8 inch，采用差速驅動的方式運動。這種機構主要用于小載荷的傳遞，比如手指的驅動。鏈傳動的種類較多，在機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．行星傳動機構由于電動機是高轉速、小力矩的驅動器，而機器人通常卻要求低轉速、大力矩，因此，常用行星齒輪機構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構直齒輪傳動是傳動機構中最長見的形式，在機器人中也得到了廣泛的應用。HD 電動機(High Density Motor)是一種小型大轉矩(大推力)的電動機，電動機可直接與負載連接，可應用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產(chǎn)品中。直流伺服電機的工作原理和基本結構均與一般動力用直流電機相同。1．機械時間常數(shù)要小，起動力矩大，慣量?。ㄒ布崔D矩慣量比要大），以滿足快速反應的要求；2．調(diào)速范圍寬，力矩波動小，低速運轉平穩(wěn)，以滿足各種運動速度和定位精度的要求。不過此結構前輪是采用舵機控制輪子轉動，兩后輪為驅動輪。根據(jù)以上的設計原則和要求，本文的助行機器人設計的整體指導思想是：在一定的安全系數(shù)且能實現(xiàn)預定功能的前提下，首先從提高助行機器人的運動性能的角度出發(fā)來確定機器人底盤的自由度配置；其次從各零部件的材料選擇和結構設計上盡可能減輕整個機器人的重量；最后從助行機器人樣機的應用環(huán)境來確定各運動環(huán)節(jié)處的驅動元件和傳動元件的選擇和空間位置。但是對于助行機器人來說，“增加質量”的方法雖然可提高機件的局部剛度，但整體的性能可能會因為慣量的隨之增加而惡化，各部分電機的驅動功率也會隨之提高，不僅會導致電機過大，而且機器人重量上升，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。車體上方框架兩端安裝控制手柄，提供機器人左轉、右轉、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。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。3．負載能力有限。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。 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。 助行機器人的材料選擇機器人結構材料的選擇應根據(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。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)。 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(jù)需要也可將這三種類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。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(jù)力傳感器測量用戶施加的力，利用四輪驅動控制實現(xiàn)全向移動實現(xiàn)行走支持。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