【正文】 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。此外，還要感激我的同期在校同學(xué)給予的支持和幫助，他們是郝鳳乾、李建、吳海燕等同學(xué)，大家相互鼓勵(lì)，共同學(xué)習(xí)和進(jìn)步。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，邊老師不但在論文的選題、研究、撰寫(xiě)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(wú)微不至的關(guān)懷。Automation, Taipei, Taiwan, September 1419, 2003.[14] Kentaro KAYAMA, Ikuko Eguchi YAIRI, and Seiji IGI, SemiAutonomous Outdoor Mobility Support System for Elderly and Disabled People, Proceedings of the 2003 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots and Systems Las Vegas, Nevada, October 2003.[15] 曾翔，楊軍，王景川，袁亮，陳衛(wèi)東．“面向助老助殘的智能輪椅開(kāi)發(fā)”．電氣自動(dòng)化，已錄用．[16] 費(fèi)仁元，張慧慧．機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析[M]． 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998．[17] 戴士杰，栗少云，周?chē)?guó)香，岳 宏．移動(dòng)機(jī)器人能源自治研究與進(jìn)展，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，第36 卷第1 期2007 年2 月．[18] 林清安著. Pro/Engineer 野火 基礎(chǔ)零件設(shè)計(jì)(上、下) [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，．[19] 黃海晶，王志彬，金鴻賓．助行器的演變和發(fā)展，中國(guó)矯形外科雜志，第14 卷第18 期，2006 年9 月。參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn)[1] 謝濤，徐建峰，張永學(xué)等．仿人機(jī)器人的研究歷史現(xiàn)狀及展望[J].機(jī)器人，2002, , ．[2] 張葉蓁, 徐 華．淺談老年人助行器設(shè)計(jì)．《藝術(shù)與設(shè)計(jì)(理論)》， 2007 年06期．[3] [M]．北京：清華大學(xué)出版社．2003．[4] Shane MacNamara and Gerard Lacey, A Smart Walker for the Frail Visually Impaired. Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics B Automaton San Frandsco, CA April 2000.[5] Steven Dubowsky, Frank Genot and et al, PAMMa robotic aid to the elderly for mobility assistance and monitoring: a “helpinghand” for the elderly, Proc. of the 2000 IEEE International Conference on Roboticsamp。考慮到助行機(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。本文尚需完善和應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展的研究工作如下：1．進(jìn)一步完善調(diào)試平臺(tái)，繼續(xù)對(duì)樣機(jī)電機(jī)和樣機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，進(jìn)而改進(jìn)控制算法和進(jìn)一步發(fā)揮傳感器的作用。設(shè)計(jì)的正確性，完成了機(jī)器人承載能力實(shí)驗(yàn)。重量?jī)H為100g。b) 聯(lián)軸器選用型號(hào)：MISUMIMCO301412，最大允許轉(zhuǎn)速為6200rpm。參照選擇手冊(cè)， 的聯(lián)軸器。所以容許扭矩一定要大于所需要傳遞扭矩。但是齒輪傳動(dòng)有側(cè)隙，造成反向運(yùn)動(dòng)死區(qū)，必須設(shè)法消除，而且這里需要自鎖功能，所以這里不選用齒輪傳動(dòng)，在這里選擇蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)聯(lián)接電機(jī)和絲杠機(jī)構(gòu)，這里選用聯(lián)軸器聯(lián)接絲杠機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。數(shù)量：1 ，重量：420g額定轉(zhuǎn)速為6000r/min。參考輸出扭矩等數(shù)據(jù)。 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。代入各項(xiàng)數(shù)據(jù):其工作時(shí)的應(yīng)力為:而,滿足條件,。載荷校驗(yàn)計(jì)算絲杠細(xì)長(zhǎng)比:為工作長(zhǎng)度， l=359， 為小徑為17mm。采用MISUMI 公司的型號(hào)為： BSSZ2005500SWC13 的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)， 靜載荷為1470N，顯然滿足承載要求。圖36 升降機(jī)構(gòu) 絲杠螺母選擇由于滾珠絲杠結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、無(wú)自鎖功能，但摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高（92%~98%）、傳動(dòng)精度高[20]，所以本升降平臺(tái)采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。升降機(jī)構(gòu)主要受彎矩和壓力，助行機(jī)器人本身的重量和使用者的重量的沖擊也會(huì)對(duì)升降機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大的傾覆力矩，所以升降結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。 確定設(shè)計(jì)方案按照上面分析的設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)應(yīng)該考慮有一個(gè)適當(dāng)?shù)纳仙拖陆蹈叨?。圖35 驅(qū)動(dòng)模塊 非驅(qū)動(dòng)輪模塊非驅(qū)動(dòng)輪模塊主要就是萬(wàn)向輪和其安裝裝置組成，該模塊設(shè)計(jì)的主要考慮其在助行機(jī)器人上的固定方式，同時(shí)考慮安裝螺母的易拆卸性，保證拆卸空間，同時(shí)保證非驅(qū)動(dòng)輪安裝板設(shè)計(jì)強(qiáng)度足夠，并且方便整體裝配性能。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。材料為鑄造鋁合金ZL401。l=580mm，b=80m， h=12mm。根據(jù)鋼度條件式：,經(jīng)過(guò)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(jì)算如下： 圖32 固定心軸,r= 軸一端為法蘭盤(pán)，另一端為螺紋，螺紋端有螺母鎖死，強(qiáng)度足夠，螺紋端直徑取為M12，長(zhǎng)15。在這里估算彎曲正應(yīng)力：受力分析見(jiàn)圖如36 所示，F(xiàn)1 為所受彎曲力，F(xiàn)2， F3 分別為驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)部軸承受的徑向力。材料選用45 鋼，熱處理采用調(diào)質(zhì)處理，增大抗彎強(qiáng)度，抗彎許用拉應(yīng)力為275MPa。大鏈輪：型號(hào)：SP40B20N40，數(shù)量為2，重量為760g。4) 確定實(shí)際中心距離a:?查詢MISUMI，選取鏈條型號(hào)：CHE4054（節(jié)數(shù)只能取偶數(shù)），與電機(jī)減速器軸連接。2) 計(jì)算鏈節(jié)數(shù)初步取，取偶數(shù)值，節(jié)。，鏈輪鏈條傳動(dòng)比取為2。同時(shí)鏈傳動(dòng)能在高溫及速度較低的情況下工作。最大外徑為35mm，小于36mm 都滿足要求。電機(jī)減速器軸為輸入軸為減速器軸，直徑為1 d =10mm ，輸出軸直徑2 d =15mm，選用聯(lián)軸器的型號(hào)為MCO341015，為MISUMI 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，重量為155g。由于電機(jī)需要頻繁正反轉(zhuǎn)，電機(jī)在啟動(dòng)和停止或者變向時(shí)候的最大力矩大于工作力矩，將安全率預(yù)計(jì)為10， 10 = 。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。如圖34 所示。額定電壓為5v，離合器總寬為43mm。關(guān)于制動(dòng)的選擇利用電機(jī)自帶的制動(dòng)器即可。 重量為：242g。；參考選擇手冊(cè)，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(guò)大，可能工作最大速度達(dá)不到。 行星齒輪減速器選擇選用輪子直徑為d=200mm。其額定轉(zhuǎn)速為6200rpm，滿足電機(jī)工作的最大轉(zhuǎn)速要求。滿足此機(jī)器人輪驅(qū)動(dòng)工作要求，考慮一定余量， 電機(jī)。c) 所選電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩通常要大于所需的峰值轉(zhuǎn)矩，即：MHMmax。 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?？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。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的選擇 電機(jī)功率的計(jì)算：功率計(jì)算：由于=M 為電機(jī)對(duì)輪子產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩，為傳動(dòng)總效率，為輪子轉(zhuǎn)速。安裝高度：190mm。型號(hào)：WL1131A160 40。考慮承載和需要轉(zhuǎn)向的功能，采用直徑為6 inch 的絲扣萬(wàn)向輪。 底盤(pán)模塊的相關(guān)計(jì)算與電機(jī)選擇 驅(qū)動(dòng)輪的選擇 考慮對(duì)地面的抓地力，驅(qū)動(dòng)輪選用沖氣輪，直徑為8 inch，采用差速驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)。氣壓傳動(dòng)比起其他傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度較差，但由于容易達(dá)到高速，所以多數(shù)用在完成簡(jiǎn)易作業(yè)的搬運(yùn)機(jī)器人上。流體傳動(dòng)分為液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(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。這種機(jī)構(gòu)主要用于小載荷的傳遞，比如手指的驅(qū)動(dòng)。鋼絲繩傳動(dòng)可用于遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳遞。五、其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，常用的還有鋼帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，凸輪傳動(dòng)及流體傳動(dòng)等[17]。其特點(diǎn)是：體積小，傳遞動(dòng)力較大，傳動(dòng)效率可高達(dá) ～；傳動(dòng)比大，從 1/7～7；是一種無(wú)滑動(dòng)的撓性傳動(dòng)，平均傳動(dòng)比不變；可實(shí)現(xiàn)軸間距大的傳動(dòng)；瞬時(shí)速比波動(dòng)；磨損后鏈條易伸長(zhǎng)，若無(wú)張緊裝置，不宜用于方向變換的傳動(dòng)中。鏈傳動(dòng)的種類(lèi)較多，在機(jī)器人中主要使用精密套筒滾子鏈傳動(dòng)。靜壓絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)由于絲杠螺母間有剛性的油膜，可用于傳動(dòng)精度高、定位精度高以及傳動(dòng)效率要求較高的機(jī)器人中。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。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)。二、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)有靜壓式、滑動(dòng)式和滾珠式等。蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是：傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)、沖擊和噪聲都很??；能以單級(jí)傳動(dòng)獲得較大的傳動(dòng)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(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)低。5．蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)蝸桿傳動(dòng)用于傳遞空間交錯(cuò)的兩軸間的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，常見(jiàn)的是軸交角 90176。行星齒輪傳動(dòng)和圓柱齒輪傳動(dòng)相比具有質(zhì)量輕、體積小、傳動(dòng)比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求較高。4．行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動(dòng)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(lái)完成速度和力矩的變換與調(diào)節(jié)。傳動(dòng)效率高，單級(jí)傳動(dòng)效率約為 65％～90％。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。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。2．直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直齒輪傳動(dòng)是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中最長(zhǎng)見(jiàn)的形式，在機(jī)器人中也得到了廣泛的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是：運(yùn)轉(zhuǎn)中有噪聲、沖擊和振動(dòng)，并產(chǎn)生動(dòng)載荷；無(wú)過(guò)載保護(hù)功能。下面介紹幾種機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 傳動(dòng)元件的選擇為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，要求機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)間隙和響應(yīng)快的特點(diǎn)。HD 電動(dòng)機(jī)(High Density Motor)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)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。由于齒輪傳動(dòng)存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對(duì)功率體積比要求不十分嚴(yán)格，而對(duì)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(cè)速發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。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)。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動(dòng)力用直流電機(jī)相同。直流伺服電機(jī)在機(jī)器人中應(yīng)