【正文】 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)。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。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。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)。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。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。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。日本W(wǎng)aseda 大學(xué)于2006 年研發(fā)成功HITACHI 助行機(jī)器人。另外，機(jī)體內(nèi)部采用平行鏈構(gòu)造，通過(guò)左右移動(dòng)重心時(shí)平行鏈向一側(cè)傾斜來(lái)檢測(cè)駕駛者的轉(zhuǎn)意向。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(guò)目前并沒(méi)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)。機(jī)器人是通過(guò)力覺(jué)手柄和聲音來(lái)傳遞給機(jī)器人命令的，價(jià)格不超過(guò)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。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。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。在這一階段，中國(guó)平均每年將新增596萬(wàn)老年人口，到2020年。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。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。不過(guò)，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。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。機(jī)器人共采用4 個(gè)Maxon 電機(jī)來(lái)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)?？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。與國(guó)外日美韓相比仍有較大差距，目前來(lái)說(shuō)在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有形成很有體系的研發(fā)高校或者研究單位，有一些研究仍舊停留在實(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。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(lái)說(shuō)，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(méi)有什么太大的實(shí)用價(jià)值。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(guò)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．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。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。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)。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(lái)的殘疾人來(lái)說(shuō)非常重要。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。 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。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。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(guò)所設(shè)定的安全閾值，發(fā)出傾翻報(bào)警信號(hào)。服務(wù)器上運(yùn)行的Web 程序把機(jī)器人位置監(jiān)控信息和老人健康狀態(tài)信息顯示在網(wǎng)頁(yè)上，老人的親屬可以在任何時(shí)候登錄該網(wǎng)站進(jìn)行老人位置和健康查詢。由于助行器對(duì)于輔助人行走的復(fù)雜性和精確性，需要助行機(jī)器人能完成很多復(fù)雜的空間動(dòng)作，如將助行機(jī)器人原地轉(zhuǎn)圈或者越過(guò)一般的房門等，要求助行機(jī)器人具有很好的轉(zhuǎn)向性。智能助行機(jī)器人樣機(jī)是由機(jī)器人大腦和車體平臺(tái)兩大部分組成。. 本章小結(jié)本章從助行機(jī)器人的適用環(huán)境、使用人群、運(yùn)行速度和工作時(shí)間和角度出發(fā)，確定了助行機(jī)器人具有的基本功能；從助行機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、驅(qū)動(dòng)方式、整體控制方案等方面分析了本智能助行機(jī)器人的方案；最后通過(guò)比較國(guó)內(nèi)外優(yōu)缺點(diǎn)，得出本智能助行機(jī)器人樣機(jī)的最終設(shè)計(jì)方案。升降機(jī)構(gòu)用來(lái)控制助行機(jī)器人輔助人站立坐下的動(dòng)作，采取一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。從各運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)的先后順序考慮，為了便于各個(gè)部分元件的設(shè)計(jì)和選擇，整個(gè)助行機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計(jì)先從助行機(jī)器人樣機(jī)的核心部件之一底盤的設(shè)計(jì)開(kāi)始。. 驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件的選擇 驅(qū)動(dòng)元件的選擇在總體方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定了所設(shè)計(jì)的助行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)可直接將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一定的角度，其角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。交流伺服電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用情況與直流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比,，功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)電刷、環(huán)境適應(yīng)性好，因而交流伺服電機(jī)是今后機(jī)器人用電機(jī)的發(fā)展方向。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類很多，按性能可分為固定速比式和無(wú)級(jí)變速式；按運(yùn)動(dòng)方式可分為回轉(zhuǎn)－回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)－直線、直線－回轉(zhuǎn)、直線－直線。在機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)中，為了減小齒輪傳動(dòng)空回，必須提高輪及其相關(guān)零件的精度。行星齒輪傳動(dòng)不僅可做定傳動(dòng)比傳動(dòng)(減速器) ，也可作為速度合成或分解的裝置(差速器)，應(yīng)用日益廣泛。滾珠絲杠傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：摩擦小、效率高、壽命長(zhǎng)，一般情況下，其機(jī)械效率在 90％以上；由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差很小，無(wú)論是在低速或高速時(shí)，摩擦扭矩幾乎不變，因此靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)；可通過(guò)預(yù)緊完全消除間隙。四、齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒形帶傳動(dòng)的帶和帶輪的接觸面都制成相應(yīng)的齒形，靠嚙合傳遞功率，這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是：傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)平穩(wěn)；速比范圍大可達(dá) i = 10初始拉力小，軸及軸承不易過(guò)載；制造安裝要求嚴(yán)格，成本較高。連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)可得到較大的位移，而凸輪機(jī)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活、可靠性高和形式多樣等特點(diǎn)。輪子材料為橡膠+鐵芯。即單個(gè)電機(jī)功率都要要大于42w。其堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大為5740gcm，高于電機(jī)工作的峰值轉(zhuǎn)矩要求。 離合器的選擇：。參照選擇手冊(cè)， 的聯(lián)軸器。1) 選擇鏈輪齒數(shù)，查表可選得=10， == 20。應(yīng)力主要是彎曲正應(yīng)力和彎曲剪切應(yīng)力決定的。F 取25kg 力(由兩根懸臂梁共同承擔(dān)縱向支持力)，代入數(shù)據(jù)得出：得出當(dāng)截面形狀為矩形12 80 時(shí)，圖34 懸臂梁 傘齒輪設(shè)計(jì)利用了一對(duì)傘齒輪（小錐齒輪）傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸90 度的換向。本文參考了WAR 助行機(jī)器人等多種助行器的結(jié)構(gòu)。滿足條件。a) 聯(lián)軸器所需傳遞扭矩計(jì)算：，考慮減速器軸輸出轉(zhuǎn)速最高為120rpm，選用比電機(jī)規(guī)格（直徑53mm）小而且最高允許轉(zhuǎn)速足夠的聯(lián)軸器。結(jié)論 結(jié)論本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外助行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，依據(jù)人體下肢康復(fù)醫(yī)學(xué)原理，提出了一種集電動(dòng)輪椅、輔助支撐、輔助起坐以及康復(fù)助行訓(xùn)練四個(gè)功能為一體的助行機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真分析，并完成了基于樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究。Automation, San Francisco, CA April 2000.[6] HyeonMin Shim, EungHyuk Lee and et al, Implementation of an intelligent walking assistant robot for the elderly in outdoor environment, Proc. of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics, Chicago, IL, USA, June 28 July 1, 2005.[7] Kyoungchul Kong and Doyoung Jeon. Design and control of an exoskeleton for the elderly and patients, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 11(4): 428432, 2006.[8] 王東巖，李慶玲，杜志江，孫立寧．外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人及其控制方法研究．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)第28 卷第9 期，2007 年9 月．[9] Y. Hirata, T. Baba, K. Kosuge, Motion control of omnidirectional type walking support system “walking helper”, Proc. of the 12th International IEEE Workshop on Robot and Human Interactive Communication, Millbrae, CA, Oct. 31Nov. 2, 2003.[10] 朱世強(qiáng)，王宣銀著．機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，.[11] Daisuke Chugo, Wataru Matsuoka, Songmin Jia and Kunikatsu Takase, Rehabilitation Walker System with Standing Assistance Device, Proceedings of the2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, August 5 8, 2007, Harbin, China.[12] Joelle Pineau, Michael Montemerlo and et al, Towards robotic assistants in nursing homes: Challenges and results, Robotics and Autonomous Systems, 42: 271281, 2003.[13] Aaron Morris, Raghavendra Donamukkala and et al, A Robotic Walker That Provides Guidance, Proceedings of the 2003 IEEE International Conference on Robotics amp。