【正文】 正確的運動執(zhí)行指令，負(fù)責(zé)向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制信號。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)。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。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\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。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。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。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。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。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。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。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。機(jī)器人高度為1m，并且可以調(diào)整。最高速度為6km/h。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?？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。工作空間的形狀和大小是十分重要的。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。3．電動驅(qū)動系統(tǒng)的特點電動驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過機(jī)械傳動裝置來驅(qū)動執(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)出報警信號。激光測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距儀之上，它們的數(shù)據(jù)線分別通過串口連接到嵌入式工控機(jī)上。輪子的驅(qū)動屬于伺服控制型，所以對機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度有一定的要求。助行機(jī)器人接受上位機(jī)的指令，按操作者的要求運動到指定的位置來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)齒輪減速后帶動機(jī)械負(fù)載。與一般齒輪傳動相比，諧波齒輪傳動有以下優(yōu)點：傳動比大且范圍寬；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；同時參與嚙合的齒輪對數(shù)多，承載能力大，且阻尼較大；傳動精度高，在相同制造精度下，諧波齒輪傳動比一般齒輪傳動的精度至少高一級；齒側(cè)間隙便于調(diào)整，易獲得零側(cè)隙傳動?；瑒咏z杠傳動結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖，因此成本較低，但其主要缺點是摩擦阻力大，傳動效率低（一般為 30％～40％），磨損快，傳動精度低等。液壓傳動由液壓泵、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)過減速器后的轉(zhuǎn)速，和電機(jī)額定功率，可得出P=40。 驅(qū)動輪模塊設(shè)計為了使助行機(jī)器人能實現(xiàn)室內(nèi)/室外多種環(huán)境行走，以及實現(xiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單還有按照盡可能使得整體重量降低的原則。、功率計算和電機(jī)選擇不妨假設(shè)絲杠工作最大速度100mm/s（符合人康復(fù)時所需速度要求）。實驗表明：助行機(jī)器人能夠完成對人體步態(tài)的模擬，并且機(jī)器人具有足夠的承載能力，運行穩(wěn)定，滿足總體設(shè)計要求以及實現(xiàn)各種功能。在此，還特別感謝我的專業(yè)課老師，是他們在學(xué)習(xí)上的熱情鼓勵和全力支持，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 =。因為為細(xì)長梁，所以它的強(qiáng)度主要由彎曲正應(yīng)力控制。所以驅(qū)動輪選擇鏈輪鏈條傳動。編碼器選擇Saegmotor 推薦的編碼器型號：HKT30_256，256 線。水平牽引力為3 公斤力， 所以電機(jī)經(jīng)過減速器后產(chǎn)生的力矩為M = = 3 = 。優(yōu)點是：強(qiáng)度高，尺寸小；柔性好，容易在外形連續(xù)變化的關(guān)節(jié)中穿過；通過預(yù)緊可消除間隙。機(jī)器人傳動用的絲杠具有結(jié)構(gòu)緊湊、間隙小和傳動效率高等特點，其中最常用的是滾珠絲杠。這種傳動的優(yōu)點是：消除了軸向力，降低了對軸承和箱體的要求；徑向力與傳動負(fù)載的大小成正比，對于壓力角為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。雖然小車的移動性能增強(qiáng)，不過機(jī)構(gòu)復(fù)雜性增加，而且成本上升，所以本論文所設(shè)計的助行機(jī)器人采用底盤+升降機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計，機(jī)器人底盤仍然采用四輪支撐，不過采用兩后輪差動傳動，取消兩前輪采用舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向的想法，前輪采用兩萬向輪，理論上可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動半徑從0 到無窮轉(zhuǎn)動。助行機(jī)器人獨特的結(jié)構(gòu)特點大致可以歸納為以下幾個方面：1．從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，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)來組成的。由上所述，可以看出，目前不管是在國內(nèi)，還是國外，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)器人在市場上的推廣以及真正實現(xiàn)它的實用性，是現(xiàn)在實際智能助行機(jī)器人的一個需要考慮的問題。本智能助行機(jī)器人可以通過通用分組無線業(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量。從設(shè)計的思想出發(fā)，機(jī)器人要完成各種運動。1．液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率重量比大，即以較小的驅(qū)動器輸出較大的驅(qū)動力或力矩；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，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向；液壓系統(tǒng)易于實現(xiàn)過載保護(hù)，由于采用油液作為工作介質(zhì)，系統(tǒng)可自行潤滑，使用壽命長。一、底盤機(jī)構(gòu)分析目前國內(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)器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途來設(shè)計的，可能少于六個自由度，也可能多于六個自由度。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)移動平臺。它基于繩驅(qū)動、輪驅(qū)動和腿部行走機(jī)構(gòu)共同作用的綜合訓(xùn)練平臺，同時根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡來模擬正常人行走時大腿末端軌跡，最后通過單片機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)腿部行走機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪的協(xié)調(diào)運動控制，總體可實現(xiàn)室內(nèi)外移動、走步訓(xùn)練、起坐等功能，幫助殘疾人實現(xiàn)邁步動作，達(dá)到訓(xùn)練下肢目的。通過左右車輪轉(zhuǎn)速的不同實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 韓國WAR 助行機(jī)器人由韓國理工大學(xué)的Shim等人與2004年研制開發(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。項目由特瑞擬題基金、國家康復(fù)管理委員會和歐盟信息通訊應(yīng)用贊助。這個助行機(jī)器人在2000 年才首次作為商業(yè)用途制造出來，其中有5 個機(jī)器人被美國老兵事務(wù)部購買。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)和肌肉的運動訓(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繞開障礙物，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)器人的底盤是整個機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本機(jī)構(gòu)，是安裝助行機(jī)器人電機(jī)以及其他各個部件的整體造型，并且接受電機(jī)的動力，主要目的是滿足正常行走并可在不同路面下實現(xiàn)行走。液壓系統(tǒng)的主要缺點是油液容易泄漏，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，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料。服務(wù)器上運行的應(yīng)用程序把獲取的信息存入數(shù)據(jù)庫中，通過GIS 地理信息系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人監(jiān)控，另外通過分析老人的脈搏跳動量進(jìn)行人體健康監(jiān)控。. 助行機(jī)器人的設(shè)計方案通過以上的分析和研究，基本上確定了本智能助行機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計方案。底盤的機(jī)構(gòu)設(shè)計是為了滿足助行機(jī)器人最基本的運動功能——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輪子，其中兩個輪子為主動輪，每個主動輪由一個電機(jī)控制，采取差速驅(qū)動的方式兩驅(qū)動輪電機(jī)，可以實現(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，而且節(jié)約了成本，便于操作。在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，徑向力大約是傳動力的 ，其缺點是：當(dāng)傳動比加大時，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。滾珠絲杠傳動是在絲杠螺母間放入適量的滾珠，使絲杠和螺母間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的螺旋傳動。其缺點是：無預(yù)緊時存在間隙；由于繩索的蠕變和老化會使傳動不穩(wěn)定；傳動效率低。考慮后輪是采用差速驅(qū)動，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動輪所需功率42w。關(guān)于制動的選擇利用電機(jī)自帶的制動器即可。，鏈輪鏈條傳動比取為2。材料為鑄造鋁合金ZL401。代入各項數(shù)據(jù):其工作時的應(yīng)力為:而,滿足條件,。重量僅為100g。最后，再次向所有支持、幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們表示衷心的感謝。設(shè)計的正確性，完成了機(jī)器人承載能力實驗。 電機(jī)及減速器等的選擇電機(jī)是通過連軸器連接并驅(qū)動滾珠絲杠，從而由螺母帶動扶架上下移動的。根據(jù)傘齒輪的載荷（扭矩 M ）選用傳動比 i = 1 模數(shù) m = 2 的一對KHK傘齒輪： SMS220L 與 SMS220L。2) 計算鏈節(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)運行的特征是通過工作點(MB, nB)，則在考慮電機(jī)型號選擇中，電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩作為主要部分必須要認(rèn)真對待，即：McontMB。流體傳動分為液壓傳動和氣壓傳動。其缺點是：不自鎖，必須增設(shè)制動或自鎖裝置；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高。3．諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu)諧波傳動是利用一個構(gòu)件的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機(jī)械運動的傳遞。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)動系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)等組成。2．輪子驅(qū)動扭矩的瞬間過程在時域中的變化是非常復(fù)雜的，并且和執(zhí)行件反饋信號有關(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線業(yè)務(wù)GPRS 轉(zhuǎn)接卡以及藍(lán)牙適配器；車體平臺包括雙輪差速型運動執(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、激光測距儀、傾斜傳感器、可編程觸摸屏、儲能供電系統(tǒng)等。智