【正文】 正確的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行指令，負(fù)責(zé)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器的選擇，最重要的是要求起動(dòng)力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小，尺寸小，同時(shí)還要求有性能良好的與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。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。對(duì)于本文中的助行機(jī)器人，在沒(méi)有負(fù)載時(shí)可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動(dòng)速度；而在其有負(fù)載時(shí)，即人與助行機(jī)器人直接接觸后，為了安全起見(jiàn)，而且考慮人步行速度。1) 助行機(jī)器人擬采用便攜式助行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用人體工學(xué)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料的輕型化選擇，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的便攜性。不過(guò)在行走支持技術(shù)等領(lǐng)域，需要解決移動(dòng)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。采用四輪驅(qū)動(dòng)以提供足夠動(dòng)力驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，必要時(shí)可以引導(dǎo)用戶行走。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(gè)輪子穩(wěn)步行走。機(jī)器人還具有計(jì)算功能，足夠滿足機(jī)器人路徑規(guī)劃，控制，健康檢測(cè)和通訊功能。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(jì)更智能更舒適更安全的助行機(jī)器人系統(tǒng)有著必要性。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)器人高度為1m，并且可以調(diào)整。最高速度為6km/h。同時(shí)多功能助行機(jī)器人具有動(dòng)力源，采用雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，殘疾人可以隨著機(jī)器人的前行而進(jìn)行走步鍛煉?？紤]國(guó)內(nèi)外這些研究情況結(jié)合這次 863 項(xiàng)目的研究和對(duì)國(guó)內(nèi)助行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀分析，本次項(xiàng)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(dòng)模式：采用傳感器檢測(cè)路面的角度和輪速的變化，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)輪的力矩和速度，無(wú)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。工作空間的形狀和大小是十分重要的。兩前輪之間沒(méi)有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。3．電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。綜上機(jī)器人材料的特性可歸結(jié)為四個(gè)方面：結(jié)構(gòu)性、輕型、剛性和衰減性。該觸摸屏公司提供一套圖像化界面開(kāi)發(fā)軟件，可以很直觀在界面上顯示按鈕和文本圖像信息以及發(fā)出報(bào)警信號(hào)。激光測(cè)距儀與傾斜傳感器安裝在機(jī)器人車體前端，傾斜傳感器固定在激光測(cè)距儀之上，它們的數(shù)據(jù)線分別通過(guò)串口連接到嵌入式工控機(jī)上。輪子的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，所以對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度有一定的要求。助行機(jī)器人接受上位機(jī)的指令，按操作者的要求運(yùn)動(dòng)到指定的位置來(lái)完成輔助坐下站起和助行任務(wù)。為了提高功率體積比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載。與一般齒輪傳動(dòng)相比，諧波齒輪傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大且范圍寬；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；同時(shí)參與嚙合的齒輪對(duì)數(shù)多，承載能力大，且阻尼較大；傳動(dòng)精度高，在相同制造精度下，諧波齒輪傳動(dòng)比一般齒輪傳動(dòng)的精度至少高一級(jí)；齒側(cè)間隙便于調(diào)整，易獲得零側(cè)隙傳動(dòng)。滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，易于自鎖，因此成本較低，但其主要缺點(diǎn)是摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低（一般為 30％～40％），磨損快，傳動(dòng)精度低等。液壓傳動(dòng)由液壓泵、液壓馬達(dá)或液壓缸組成，可得到高扭矩慣性比。b) 在非連續(xù)運(yùn)行的情況下，如起/停的工作狀態(tài)下，有效轉(zhuǎn)矩必須要比電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩小，即：McontMRMS，這樣可避免電機(jī)過(guò)熱。選用A 型HDLD2 系列干式單片電磁離合器。3) 選取鏈節(jié)距p根據(jù)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后的轉(zhuǎn)速，和電機(jī)額定功率，可得出P=40。 驅(qū)動(dòng)輪模塊設(shè)計(jì)為了使助行機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)/室外多種環(huán)境行走，以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單還有按照盡可能使得整體重量降低的原則。、功率計(jì)算和電機(jī)選擇不妨假設(shè)絲杠工作最大速度100mm/s（符合人康復(fù)時(shí)所需速度要求）。實(shí)驗(yàn)表明：助行機(jī)器人能夠完成對(duì)人體步態(tài)的模擬，并且機(jī)器人具有足夠的承載能力，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足總體設(shè)計(jì)要求以及實(shí)現(xiàn)各種功能。在此，還特別感謝我的專業(yè)課老師，是他們?cè)趯W(xué)習(xí)上的熱情鼓勵(lì)和全力支持，以及在生活上的關(guān)心和體貼使我順利完成學(xué)業(yè)。最大外徑為31mm，小于53mm，都滿足要求。為絲杠長(zhǎng)度系數(shù)，根據(jù)一端固定，一端支撐的固定方式，查表知μ =。因?yàn)闉榧?xì)長(zhǎng)梁，所以它的強(qiáng)度主要由彎曲正應(yīng)力控制。所以驅(qū)動(dòng)輪選擇鏈輪鏈條傳動(dòng)。編碼器選擇Saegmotor 推薦的編碼器型號(hào)：HKT30_256，256 線。水平牽引力為3 公斤力， 所以電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后產(chǎn)生的力矩為M = = 3 = 。優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度高，尺寸??；柔性好，容易在外形連續(xù)變化的關(guān)節(jié)中穿過(guò)；通過(guò)預(yù)緊可消除間隙。機(jī)器人傳動(dòng)用的絲杠具有結(jié)構(gòu)緊湊、間隙小和傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，其中最常用的是滾珠絲杠。這種傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：消除了軸向力，降低了對(duì)軸承和箱體的要求；徑向力與傳動(dòng)負(fù)載的大小成正比，對(duì)于壓力角為20176。按激磁方式直流伺服電機(jī)可分為永磁式、他激式、并激式和串激式等。雖然小車的移動(dòng)性能增強(qiáng)，不過(guò)機(jī)構(gòu)復(fù)雜性增加，而且成本上升，所以本論文所設(shè)計(jì)的助行機(jī)器人采用底盤+升降機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)器人底盤仍然采用四輪支撐，不過(guò)采用兩后輪差動(dòng)傳動(dòng)，取消兩前輪采用舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向的想法，前輪采用兩萬(wàn)向輪，理論上可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑從0 到無(wú)窮轉(zhuǎn)動(dòng)。助行機(jī)器人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大致可以歸納為以下幾個(gè)方面：1．從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看，由于助行機(jī)器人最基本的功能是需完成輔助用戶坐下站起和輔助用戶行走兩大功能，所以助行機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)是由底盤和升降機(jī)構(gòu)來(lái)組成的。由上所述，可以看出，目前不管是在國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外，助行機(jī)器人要進(jìn)行全面的推廣使用，還受到諸多限制，如何盡快推進(jìn)助行機(jī)器人在市場(chǎng)上的推廣以及真正實(shí)現(xiàn)它的實(shí)用性，是現(xiàn)在實(shí)際智能助行機(jī)器人的一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。本智能助行機(jī)器人可以通過(guò)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS 轉(zhuǎn)接卡連接到因特網(wǎng)中，與遠(yuǎn)端的服務(wù)器通信，主要向服務(wù)器發(fā)送GPS 經(jīng)緯度信息和老人的脈搏跳動(dòng)量。從設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)器人要完成各種運(yùn)動(dòng)。1．液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率重量比大，即以較小的驅(qū)動(dòng)器輸出較大的驅(qū)動(dòng)力或力矩；液壓缸可直接作為關(guān)節(jié)的一部分故結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好；由于液油的不可壓縮性，系統(tǒng)的固有頻率高，快速響應(yīng)好，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向；液壓系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，由于采用油液作為工作介質(zhì)，系統(tǒng)可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。一、底盤機(jī)構(gòu)分析目前國(guó)內(nèi)外的助行機(jī)器人大部分都是由底盤機(jī)構(gòu)和攙扶機(jī)構(gòu)組成。1．自由度自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途來(lái)設(shè)計(jì)的，可能少于六個(gè)自由度，也可能多于六個(gè)自由度。本課題將解決總體目標(biāo)中的行走輔助技術(shù)難題，為各類性質(zhì)輔助系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)平臺(tái)。它基于繩驅(qū)動(dòng)、輪驅(qū)動(dòng)和腿部行走機(jī)構(gòu)共同作用的綜合訓(xùn)練平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡來(lái)模擬正常人行走時(shí)大腿末端軌跡，最后通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)腿部行走機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)輪的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，總體可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外移動(dòng)、走步訓(xùn)練、起坐等功能，幫助殘疾人實(shí)現(xiàn)邁步動(dòng)作，達(dá)到訓(xùn)練下肢目的。通過(guò)左右車輪轉(zhuǎn)速的不同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 韓國(guó)WAR 助行機(jī)器人由韓國(guó)理工大學(xué)的Shim等人與2004年研制開(kāi)發(fā)出WAR（walking assistantrobot）助行機(jī)器人主要是用于幫助老年人在戶外行走的一款有別于以往一般只能在戶內(nèi)比較平坦地形行走的步行機(jī)器人。項(xiàng)目由特瑞擬題基金、國(guó)家康復(fù)管理委員會(huì)和歐盟信息通訊應(yīng)用贊助。這個(gè)助行機(jī)器人在2000 年才首次作為商業(yè)用途制造出來(lái)，其中有5 個(gè)機(jī)器人被美國(guó)老兵事務(wù)部購(gòu)買。WAR 助行機(jī)器人不僅具有輔助支撐和行走功能，還具有輔助升降機(jī)構(gòu)。更換機(jī)體上部的操控桿，可變換成“Type S”、“Type M”以及“Type L”三種類型。它主要在于提供一種既具有一般輪椅的通用性又能夠幫助截癱患者或行走不便病人圖16 多功能助行機(jī)器人 行行走鍛煉、有利于殘疾人自主進(jìn)行腿部康復(fù)訓(xùn)練并能進(jìn)行減重訓(xùn)練、下肢關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等康復(fù)訓(xùn)練功能，起坐、下蹲（坐沙發(fā)、上廁所）等生活技能訓(xùn)練的一種多功能助行機(jī)器人。因此在助行機(jī)器人研制中要充分考慮與操作臂和其它傳感器的集成需要。本文所設(shè)計(jì)的智能助行機(jī)器人樣機(jī)由于需要完成輔助用戶坐下、站起和行走兩大功能，并且要有足夠的靈活性來(lái)繞開(kāi)障礙物，才能完成輔助助行機(jī)器人的幾大任務(wù)，具體的自由度數(shù)目在以后的章節(jié)中確定。其中助行機(jī)器人的底盤是整個(gè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本機(jī)構(gòu)，是安裝助行機(jī)器人電機(jī)以及其他各個(gè)部件的整體造型，并且接受電機(jī)的動(dòng)力，主要目的是滿足正常行走并可在不同路面下實(shí)現(xiàn)行走。液壓系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是油液容易泄漏，這不僅影響工作的穩(wěn)定性和定位精度，而且會(huì)造成污染；油液中易混入水分和氣泡使系統(tǒng)的剛度降低，快速響應(yīng)特性及定位精度變壞；油液的粘度隨溫度而變化，影響系統(tǒng)的工作性能；需要配備油源，成本較高；易燃，工作噪聲較大。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用程序把獲取的信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)GIS 地理信息系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人監(jiān)控，另外通過(guò)分析老人的脈搏跳動(dòng)量進(jìn)行人體健康監(jiān)控。. 助行機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案通過(guò)以上的分析和研究，基本上確定了本智能助行機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案。底盤的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了滿足助行機(jī)器人最基本的運(yùn)動(dòng)功能——完成機(jī)器人前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)等，底盤擬打算采用四個(gè)輪子，其中兩個(gè)輪子為主動(dòng)輪，每個(gè)主動(dòng)輪由一個(gè)電機(jī)控制，采取差速驅(qū)動(dòng)的方式兩驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)理論上0 的轉(zhuǎn)向半徑。這樣，不僅保持WAR 機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，而且節(jié)約了成本，便于操作。在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，徑向力大約是傳動(dòng)力的 ，其缺點(diǎn)是：當(dāng)傳動(dòng)比加大時(shí)，齒輪的尺寸也加大；為了考慮膨脹和制造安裝的誤差，有齒側(cè)間隙存在。滾珠絲杠傳動(dòng)是在絲杠螺母間放入適量的滾珠，使絲杠和螺母間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)。其缺點(diǎn)是：無(wú)預(yù)緊時(shí)存在間隙；由于繩索的蠕變和老化會(huì)使傳動(dòng)不穩(wěn)定；傳動(dòng)效率低?？紤]后輪是采用差速驅(qū)動(dòng)，由技術(shù)指標(biāo)可知行走速度v=1m/s，又加上輪子半徑R ，所以輪子角速度10rad/s動(dòng)輪所需功率42w。關(guān)于制動(dòng)的選擇利用電機(jī)自帶的制動(dòng)器即可。，鏈輪鏈條傳動(dòng)比取為2。材料為鑄造鋁合金ZL401。代入各項(xiàng)數(shù)據(jù):其工作時(shí)的應(yīng)力為:而,滿足條件,。重量?jī)H為100g。最后，再次向所有支持、幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友們表示衷心的感謝。設(shè)計(jì)的正確性，完成了機(jī)器人承載能力實(shí)驗(yàn)。 電機(jī)及減速器等的選擇電機(jī)是通過(guò)連軸器連接并驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而由螺母帶動(dòng)扶架上下移動(dòng)的。根據(jù)傘齒輪的載荷（扭矩 M ）選用傳動(dòng)比 i = 1 模數(shù) m = 2 的一對(duì)KHK傘齒輪： SMS220L 與 SMS220L。2) 計(jì)算鏈節(jié)數(shù)初步取，取偶數(shù)值，節(jié)。額定電壓為5v，離合器總寬為43mm。 直流伺服電機(jī)選擇原則：a) 連續(xù)運(yùn)行的特征是通過(guò)工作點(diǎn)(MB, nB)，則在考慮電機(jī)型號(hào)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(duì)待，即：McontMB。流體傳動(dòng)分為液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。其缺點(diǎn)是：不自鎖，必須增設(shè)制動(dòng)或自鎖裝置；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高。3．諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)諧波傳動(dòng)是利用一個(gè)構(gòu)件的可控制的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞。低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。助行機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)等組成。2．輪子驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬間過(guò)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(hào)有關(guān)。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(wú)線業(yè)務(wù)GPRS 轉(zhuǎn)接卡以及藍(lán)牙適配器；車體平臺(tái)包括雙輪差速型運(yùn)動(dòng)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(cè)距儀、傾斜傳感器、可編程觸摸屏、儲(chǔ)能供電系統(tǒng)等。智