【文章內(nèi)容簡介】 要求助行機(jī)器人具有很好的轉(zhuǎn)向性。5. 自定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的價格昂貴。目前的行走輔助設(shè)備上主要配置傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助用戶完成避障、防跌和目的地的導(dǎo)航引導(dǎo)。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。而要實現(xiàn)室外導(dǎo)航，除了上述的傳感裝置外，還采用了GPS 和傾斜儀來實現(xiàn)室外環(huán)境定位和適應(yīng)不平整的路面。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(yīng)用還有一段很大的距離。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。. 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。智能助行機(jī)器人樣機(jī)是由機(jī)器人大腦和車體平臺兩大部分組成。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。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。在機(jī)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(jī)上?？删幊逃|摸屏安裝在車體頂端正中位置，提供人機(jī)交互平臺，其通過網(wǎng)口與嵌入式工控機(jī)相連。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。機(jī)器人車體周身安裝若干個超聲波傳感器,各超聲波傳感器以確保它們的感應(yīng)范圍能夠相互銜接的方式分布，超聲波傳感器的信號線與下位機(jī)的I/O口相連。下位機(jī)是由ARM 開發(fā)板構(gòu)成，其通過串口與嵌入式工控機(jī)相連；下位機(jī)接收控制手柄信號以及從嵌入式工控機(jī)發(fā)出的決策控制信號，實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動控制；機(jī)器人運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用雙輪差速運動控制，左右兩個驅(qū)動輪分別安裝在機(jī)器人后方兩側(cè)，它們分別與兩個帶減速器的執(zhí)行電機(jī)相連，兩執(zhí)行電機(jī)分別由兩個安裝在控制柜內(nèi)的兩個伺服驅(qū)動器驅(qū)動,伺服驅(qū)動器接收下位機(jī)發(fā)出的控制信號；執(zhí)行電機(jī)各自安裝有編碼器，編碼器信號同時反饋給下位機(jī)和相應(yīng)的伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)執(zhí)行電機(jī)的閉環(huán)控制；機(jī)器人前方左右兩側(cè)分別安裝兩個萬向輪；升降機(jī)構(gòu)輔助用戶坐下和站起，其與帶減速器的執(zhí)行電機(jī)相連，執(zhí)行電機(jī)由安裝在控制柜內(nèi)的第三個伺服驅(qū)動器驅(qū)動,伺服驅(qū)動器接收下位機(jī)發(fā)出的控制信號；執(zhí)行電機(jī)安裝有編碼器，編碼器信號同時反饋給下位機(jī)和相應(yīng)的伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)升降執(zhí)行電機(jī)的閉環(huán)控制。. 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。第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的特點是由它自身的獨特結(jié)構(gòu)決定的。與其它機(jī)器設(shè)計相比，由許多不同之處。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。如果在承受極限負(fù)載的條件下，最薄弱的環(huán)節(jié)不能滿足要求的強(qiáng)度和剛度，通常就要采用“增加質(zhì)量”的方法，比如加大傳動軸的直徑，增加箱體或床身的壁厚來解決。但是對于助行機(jī)器人來說，“增加質(zhì)量”的方法雖然可提高機(jī)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(jī)的驅(qū)動功率也會隨之提高，不僅會導(dǎo)致電機(jī)過大，而且機(jī)器人重量上升，不符合助行機(jī)器人樣機(jī)便攜設(shè)計的一大原則，而且會導(dǎo)致機(jī)器人的整體成本上升。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。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。升降機(jī)構(gòu)用來控制助行機(jī)器人輔助人站立坐下的動作，采取一個電機(jī)驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動的方式實現(xiàn)。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)。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。3．助行機(jī)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。另外，機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性、運動靈巧性，以及驅(qū)動、控制等方面的問題。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。在整個樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還要考慮：驅(qū)動系統(tǒng)功率的計算和選擇、減速比的分配、傳動元件的計算和選擇、底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計、升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、“走線”及電器接口設(shè)計，各傳感器的放置和安裝，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。此外，當(dāng)助行機(jī)器人樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計完成后，有必要從整體的設(shè)計角度，改進(jìn)助行機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。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。在之前的方案設(shè)計中，已經(jīng)初步確定助行機(jī)器人底盤采用四輪驅(qū)動的想法，不同的助行機(jī)器人的底盤輪子布置和驅(qū)動輪個數(shù)都是不同的。在國內(nèi)外比較有代表的助行機(jī)器人是WAR 助行機(jī)器人，是韓國理工大學(xué)的Shim 等圖31 WAR 助行機(jī)器人人研制開發(fā)的，目前已經(jīng)逐步在市場上使用，并得到一定好評。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。它的升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負(fù)載，輔助行走功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)也比較緊湊。不過此結(jié)構(gòu)前輪是采用舵機(jī)控制輪子轉(zhuǎn)動，兩后輪為驅(qū)動輪。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。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。. 驅(qū)動元件和傳動元件的選擇 驅(qū)動元件的選擇在總體方案設(shè)計中已經(jīng)確定了所設(shè)計的助行機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用電動方式。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。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)。這些動作都需要由伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成的，而驅(qū)動系統(tǒng)必然包含驅(qū)動電機(jī)。根據(jù)助行機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、需要進(jìn)行比較精確的控制等特點，在選擇驅(qū)動電機(jī)時要注意滿足以下幾個基本要求。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。3．功率體積比和功率重量比要大，對于安裝在關(guān)節(jié)運動部件上的電動機(jī)或安裝位置有限時，這個要求更是迫切；4．過載能力要大，要有足夠的熱容量，耐熱性好，在自然冷卻和全封閉條件下能長期工作；5．可靠性高，能滿足長期在惡劣環(huán)境下工作的要求。在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中，使用的電機(jī)類型主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機(jī)和 HD 電動機(jī)等幾種。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。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖的頻率來調(diào)速，能夠快速起動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人中無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流伺服電機(jī)在機(jī)器人中應(yīng)用也很廣泛。常用它直接帶動滾珠絲杠驅(qū)動關(guān)節(jié)手臂關(guān)節(jié)運動。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動力用直流電機(jī)相同。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。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)。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、過載能力強(qiáng)、無電刷、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。低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。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。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(yán)格，而對于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負(fù)載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。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。通過上述對幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較，綜合考慮直流伺服電機(jī)可控性好，響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩大，成本相對交流伺服便宜等特點，本文的助行機(jī)器人樣機(jī)選用直流伺服電機(jī)。 傳動元件的選擇為了提高機(jī)器人的運動速度和控制精度，要求機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、無間隙和響應(yīng)快的特點。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。下面介紹幾種機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)。一、齒輪傳動機(jī)構(gòu)1．齒輪傳動的特點和類型齒輪傳動的優(yōu)點是：瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高；傳動比變化范圍大，可用于增速或減速；采用非圓齒輪傳動，瞬時傳動比可按所需變化規(guī)律設(shè)計；速度范圍大，節(jié)線速度可以從 v /s 到200m /s ，甚至更高；傳動效率高，高精度齒輪傳動效率可達(dá) η = ；結(jié)構(gòu)緊湊。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。由于傳動軸的相對位置和運動方向不同，齒輪傳動的種類很多。2．直齒圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu)直齒輪傳動是傳動機(jī)構(gòu)中最長見的形式，在機(jī)器人中也得到了廣泛的應(yīng)用。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。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。在機(jī)器人傳動系統(tǒng)中，為了減小齒輪傳動空回，必須提高輪及其相關(guān)零件的精度。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。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。傳動效率高，單級傳動效率約為 65％～90％。其缺點是：由于柔輪的疲