【正文】 用也很廣泛。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過(guò)改變脈沖的頻率來(lái)調(diào)速，能夠快速起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，使用的電機(jī)類(lèi)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(dòng)機(jī)等幾種。1．機(jī)械時(shí)間常數(shù)要小，起動(dòng)力矩大，慣量?。ㄒ布崔D(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(dòng)小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以滿足各種運(yùn)動(dòng)速度和定位精度的要求。這些動(dòng)作都需要由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成的，而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必然包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)。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。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。不過(guò)此結(jié)構(gòu)前輪是采用舵機(jī)控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，兩后輪為驅(qū)動(dòng)輪。該WAR 機(jī)器人是由包括底盤(pán)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。在之前的方案設(shè)計(jì)中，已經(jīng)初步確定助行機(jī)器人底盤(pán)采用四輪驅(qū)動(dòng)的想法，不同的助行機(jī)器人的底盤(pán)輪子布置和驅(qū)動(dòng)輪個(gè)數(shù)都是不同的。此外，當(dāng)助行機(jī)器人樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，有必要從整體的設(shè)計(jì)角度，改進(jìn)助行機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)以上的設(shè)計(jì)原則和要求，本文的助行機(jī)器人設(shè)計(jì)的整體指導(dǎo)思想是：在一定的安全系數(shù)且能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的前提下，首先從提高助行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能的角度出發(fā)來(lái)確定機(jī)器人底盤(pán)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(jì)上盡可能減輕整個(gè)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(lái)確定各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件的選擇和空間位置。3．助行機(jī)器人的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)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(dòng)或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定的現(xiàn)象。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)。底盤(pán)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(pán)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。但是對(duì)于助行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，“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(huì)因?yàn)閼T量的隨之增加而惡化，各部分電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率也會(huì)隨之提高，不僅會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)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(jì)的一大原則，而且會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的整體成本上升。例如機(jī)床的設(shè)計(jì)需要保證所有零部件在最不利的條件下仍能正常地工作。第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是由它自身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)決定的。下位機(jī)是由ARM 開(kāi)發(fā)板構(gòu)成，其通過(guò)串口與嵌入式工控機(jī)相連；下位機(jī)接收控制手柄信號(hào)以及從嵌入式工控機(jī)發(fā)出的決策控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用雙輪差速運(yùn)動(dòng)控制，左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別安裝在機(jī)器人后方兩側(cè)，它們分別與兩個(gè)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(gè)安裝在控制柜內(nèi)的兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),伺服驅(qū)動(dòng)器接收下位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)；執(zhí)行電機(jī)各自安裝有編碼器，編碼器信號(hào)同時(shí)反饋給下位機(jī)和相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)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(gè)萬(wàn)向輪；升降機(jī)構(gòu)輔助用戶(hù)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(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),伺服驅(qū)動(dòng)器接收下位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)；執(zhí)行電機(jī)安裝有編碼器，編碼器信號(hào)同時(shí)反饋給下位機(jī)和相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)升降執(zhí)行電機(jī)的閉環(huán)控制。車(chē)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(chē)等按鈕操作，控制手柄信號(hào)線與安裝在控制柜內(nèi)部的下位機(jī)的I/O 口相連。在機(jī)器人車(chē)體頂部正前方固定GPS 接收器，其數(shù)據(jù)線通過(guò)串口連接到嵌入式工控機(jī)上。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(chē)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。. 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。價(jià)格昂貴，往往超出了一般用戶(hù)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。有些室內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)需要采用光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)避障和導(dǎo)航。5. 自定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的價(jià)格昂貴。4．助行機(jī)器人運(yùn)行不靈活。3．負(fù)載能力有限。圖21助行機(jī)器人控制系統(tǒng). 現(xiàn)有的助行機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)分析目前國(guó)內(nèi)外的助行機(jī)器人的設(shè)計(jì)還存在著一些不足之處，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．機(jī)器人重量過(guò)重：目前現(xiàn)有的助行機(jī)器人的重量大部分都比較重，甚至有些機(jī)器人達(dá)到100 公斤，離用戶(hù)實(shí)現(xiàn)隨身攜帶還有很大差距。智能助行機(jī)器人的人機(jī)界面是可編程觸摸屏，其通過(guò)網(wǎng)口與機(jī)器人大腦相連，兩者間的數(shù)據(jù)傳遞基于Socket 通訊。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。下位機(jī)通過(guò)串口將獲得的里程計(jì)信息、超聲波傳感器信息以及機(jī)器人狀態(tài)信息上傳給機(jī)器人大腦。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(hào)查詢(xún)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(yùn)動(dòng)執(zhí)行指令，其分為自動(dòng)執(zhí)行(通過(guò)機(jī)器人大腦自主決策)和手動(dòng)執(zhí)行(通過(guò)人為控制手柄)，下位機(jī)讀取正確的運(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)。借助藍(lán)牙適配器，利用一個(gè)虛擬串口讀取佩戴在老人手腕上脈搏傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算分析數(shù)據(jù)得到當(dāng)前老人的每分鐘的脈搏跳動(dòng)量。同時(shí)讀取GPS 接收器所連的串口數(shù)據(jù)，獲得車(chē)體當(dāng)前經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等信息，從而進(jìn)行GPS 導(dǎo)航?jīng)Q策。 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(lèi)傳感器信號(hào)，進(jìn)入避障、導(dǎo)航、傾翻報(bào)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(guò)串口下達(dá)給下位機(jī)執(zhí)行。但是這四個(gè)方面往往又是相互矛盾的，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求確定最佳選擇?？傊?，選擇機(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。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。 助行機(jī)器人的材料選擇機(jī)器人結(jié)構(gòu)材料的選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作狀況來(lái)進(jìn)行選擇，并滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求。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)。一般來(lái)說(shuō)，只須點(diǎn)位控制且功率較小的多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)交流電機(jī)正逐步取代直流電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。后者多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，因此效率比液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高，且速度變化范圍大、速度和位置精度高，在機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。2．氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同體積條件下功率較小，而且速度不易控制，所以多用于中、小負(fù)荷且精度不高的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。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。 驅(qū)動(dòng)方式的選擇機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源可分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類(lèi)型，根據(jù)需要也可將這三種類(lèi)型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)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(hù)的身體，保護(hù)用戶(hù)安全，不用擔(dān)心向前傾倒。韓國(guó)HyeonMin Shim 所開(kāi)發(fā)的WAR的輔助坐下站立機(jī)構(gòu)是利用電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的方法調(diào)節(jié)助行器高度。二、攙扶機(jī)構(gòu)分析而攙扶機(jī)構(gòu)是助行機(jī)器人輔助人坐下和站起的機(jī)構(gòu)，也可以根據(jù)人身高和動(dòng)作調(diào)節(jié)助行機(jī)器人的高度。四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 等開(kāi)發(fā)的Walking Helper，采用電動(dòng)助步架結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)力傳感器測(cè)量用戶(hù)施加的力，利用四輪驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)行走支持。后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩后輪的方式，前輪采用2 萬(wàn)向輪使得運(yùn)動(dòng)方向容易控制，更安全。前輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)愛(ài)爾蘭的Shane MacNamara 等開(kāi)發(fā)的叫PAMAID 的助行器，底盤(pán)也是四個(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。其中助行機(jī)器人的底盤(pán)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。5．經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)本項(xiàng)目助行機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：不管是考慮機(jī)械設(shè)計(jì)的成本，還是導(dǎo)航系統(tǒng)的成本，到都盡量在滿足功能的情況下盡量降低成本，以使得本樣機(jī)以后能朝著市場(chǎng)化、商業(yè)化的步伐前進(jìn)。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。4．運(yùn)動(dòng)特性速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。為了安全起見(jiàn)，有效負(fù)載是指高速運(yùn)行時(shí)的有效負(fù)載。3．有效負(fù)載有效負(fù)載是指機(jī)器人工作時(shí)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。機(jī)器人在執(zhí)行某一作業(yè)時(shí)，可能會(huì)存在作業(yè)死區(qū)而不能完成任務(wù)。因?yàn)槟┒藞?zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時(shí)的工作區(qū)域。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(hù)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。表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、工作空間、運(yùn)動(dòng)精度、有效負(fù)載、運(yùn)動(dòng)特性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等。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。助行機(jī)器人一般都比較笨重，對(duì)于其普及和家用起到一定限制，少部分助行機(jī)器人深圳達(dá)到100 公斤，顯然對(duì)與一般用戶(hù)來(lái)說(shuō)有些難以接受。在本樣機(jī)的研制中，綜合考慮了樣機(jī)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段和項(xiàng)目組的技術(shù)能力。本項(xiàng)目研制的助行機(jī)器人主要人群針對(duì)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)。部分助行機(jī)器人面向視力受損不過(guò)還未完全失明的人，部分面向老年人，主要針對(duì)肌肉無(wú)力等情況。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，一款能夠適用與各種地面，復(fù)雜地形的助行機(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。39第2章 助行機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案 第2章 助行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案突破助老/助殘機(jī)器人的行走輔助關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合助行任務(wù)的功能要求，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的演示驗(yàn)證，概念樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。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。不過(guò)隨著國(guó)內(nèi)863 計(jì)劃重大項(xiàng)目對(duì)助行機(jī)器人的重視，國(guó)內(nèi)助行機(jī)器人的研發(fā)必將大踏步追趕。20 世紀(jì)逐漸發(fā)展起來(lái)的中國(guó)老年人用品市場(chǎng)與歐美市場(chǎng)形成相當(dāng)?shù)姆床?，老年人助行器的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)剛剛開(kāi)始，尚處于培育期，與其中很多是普遍適用型產(chǎn)品，真正為老年人量身定做的助行器種類(lèi)很少，生產(chǎn)廠家較少，產(chǎn)品種類(lèi)缺乏，現(xiàn)有產(chǎn)品的安全性與使用效果都很難達(dá)到老年人要求。我國(guó)短時(shí)間內(nèi)“銀齡”群體的急劇膨脹對(duì)老年人助行器設(shè)計(jì)的“質(zhì)”與“量”提出更高的要求。腿部行走機(jī)構(gòu)根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡模擬人走步時(shí)的大腿末端軌跡，隨著機(jī)器人移