【正文】 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，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。a) 聯(lián)軸器所需傳遞扭矩計算：，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。本文參考了WAR 助行機(jī)器人等多種助行器的結(jié)構(gòu)。應(yīng)力主要是彎曲正應(yīng)力和彎曲剪切應(yīng)力決定的。參照選擇手冊， 的聯(lián)軸器。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。輪子材料為橡膠+鐵芯。四、齒形帶傳動機(jī)構(gòu)齒形帶傳動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，這種傳動的特點是：傳動時無滑動，傳動比準(zhǔn)確，傳動平穩(wěn)；速比范圍大可達(dá) i = 10初始拉力小，軸及軸承不易過載；制造安裝要求嚴(yán)格，成本較高。行星齒輪傳動不僅可做定傳動比傳動(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。傳動機(jī)構(gòu)的種類很多，按性能可分為固定速比式和無級變速式；按運動方式可分為回轉(zhuǎn)－回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)－直線、直線－回轉(zhuǎn)、直線－直線。步進(jìn)電機(jī)可直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個脈沖，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。從各運動部件設(shè)計的先后順序考慮，為了便于各個部分元件的設(shè)計和選擇，整個助行機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計先從助行機(jī)器人樣機(jī)的核心部件之一底盤的設(shè)計開始。. 本章小結(jié)本章從助行機(jī)器人的適用環(huán)境、使用人群、運行速度和工作時間和角度出發(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)計分析、驅(qū)動方式、整體控制方案等方面分析了本智能助行機(jī)器人的方案；最后通過比較國內(nèi)外優(yōu)缺點，得出本智能助行機(jī)器人樣機(jī)的最終設(shè)計方案。由于助行器對于輔助人行走的復(fù)雜性和精確性，需要助行機(jī)器人能完成很多復(fù)雜的空間動作，如將助行機(jī)器人原地轉(zhuǎn)圈或者越過一般的房門等，要求助行機(jī)器人具有很好的轉(zhuǎn)向性。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，如其超過所設(shè)定的安全閾值，發(fā)出傾翻報警信號。 在選用機(jī)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(jī)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。攙扶機(jī)構(gòu)是助行機(jī)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。本文中助行機(jī)器人的作業(yè)對象為人，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。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(jī)考慮的連續(xù)作業(yè)時間為大概4 小時。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(dá)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(yuǎn)的距離。機(jī)器人共采用4 個Maxon 電機(jī)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)。不過，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)等適合步行的場所。機(jī)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。在這一階段，中國平均每年將新增596萬老年人口，到2020年。圖11 PAMAID 美國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)計的為了滿足一些實力受損或者體力不好的用戶。目前這種機(jī)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(jī)器人仍舊還需要進(jìn)行很多的改進(jìn)。日本W(wǎng)aseda 大學(xué)于2006 年研發(fā)成功HITACHI 助行機(jī)器人。我國短時間內(nèi)“銀齡”群體的急劇膨脹對老年人助行器設(shè)計的“質(zhì)”與“量”提出更高的要求。本項目研制的助行機(jī)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(biāo)。3．有效負(fù)載有效負(fù)載是指機(jī)器人工作時機(jī)器人能承受的支持力，它表示了機(jī)器人的負(fù)載能力。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。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)。 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。3．負(fù)載能力有限。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。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。1．機(jī)械時間常數(shù)要小，起動力矩大，慣量小（也即轉(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，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以滿足各種運動速度和定位精度的要求。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。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)。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。 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)動的方式運動。滿足此機(jī)器人輪驅(qū)動工作要求，考慮一定余量， 電機(jī)。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。大鏈輪：型號：SP40B20N40，數(shù)量為2，重量為760g。 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?。?shù)量：1 ，重量：420g額定轉(zhuǎn)速為6000r/min?？紤]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。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。參照選擇手冊， 的聯(lián)軸器。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。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，強度足夠，螺紋端直徑取為M12，長15。最大外徑為35mm，小于36mm 都滿足要求。；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。安裝高度：190mm。鋼絲繩傳動可用于遠(yuǎn)距離動力傳遞。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。其缺點是：運轉(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。直流伺服電機(jī)在機(jī)器人中應(yīng)用也很廣泛。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。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。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。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