【正文】 。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。底盤行走機(jī)構(gòu)主要包括前輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。而后輪驅(qū)動(dòng)則驅(qū)動(dòng)力及爬坡等能力都比前輪驅(qū)動(dòng)好，可以適應(yīng)多種不同道路情況。所以本助行機(jī)器人機(jī)擬采用雙輪驅(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。攙扶機(jī)構(gòu)是助行機(jī)器人的一個(gè)重要功能，對(duì)一個(gè)缺乏力量，需要輔助轉(zhuǎn)起來的殘疾人來說非常重要。日本Yasuhiro NEMOTO用于提供老年人輔助動(dòng)力的助行器，采用雙連桿機(jī)構(gòu)，利用兩個(gè)電機(jī)控制連桿轉(zhuǎn)動(dòng)和上升，升降高度可達(dá)40cm，可以用來輔助老年人起床，站立和上廁所等； 2007 年，日本Daisuke Chugo 等開發(fā)的帶輔助站立結(jié)構(gòu)的康復(fù)助行機(jī)器人，采用一個(gè)具有高剛性、低成本的平行四桿機(jī)構(gòu)，可以用比較小的電機(jī)就可以輔助一個(gè)成年人站起，并且這個(gè)機(jī)構(gòu)可以承受很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力矩，升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時(shí)膝蓋負(fù)載，對(duì)一些體力不足的老年人特別有用。支撐墊可改變 所支撐的角度，每個(gè)用戶可以選最舒服的姿態(tài)行走。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)。由此可看出液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適合用于承載能力大、慣量大而運(yùn)動(dòng)速度較低的機(jī)器人。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，直接或通過機(jī)械傳動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大致分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直流電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷容易磨損，且易形成火花。 在選用機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，要了解各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，再結(jié)合機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、控制功能、價(jià)格等具體條件確定最佳方案。負(fù)荷較大或機(jī)器人的周圍有液壓源的場(chǎng)合，適合采用液壓驅(qū)動(dòng)器。就本文中的助行機(jī)器人而言，縱向支持力最大為80kg，不超過100kg，且需要在室外作業(yè)，配備液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)比較困難，所以本文采用電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。從設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)器人要完成各種運(yùn)動(dòng)。另一方面，助行機(jī)器人的強(qiáng)度應(yīng)該滿足縱向能夠足夠支持一個(gè)成年人的重量，初步考慮為80 公斤。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。根據(jù)本項(xiàng)目的要求，在這里選擇鋁合金設(shè)計(jì)，強(qiáng)度足夠而且滿足輕型設(shè)計(jì)要求。機(jī)器人大腦接收激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)，并融合從下位機(jī)傳送來的超聲波傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行前方環(huán)境感知，獲得障礙物的信息(大小、方向、距離),從而實(shí)現(xiàn)避障的目的。讀取傾斜傳感器所連的串口數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前車體與水平面的傾斜角，如其超過所設(shè)定的安全閾值，發(fā)出傾翻報(bào)警信號(hào)。下位機(jī)以ARM 開發(fā)板為基礎(chǔ)構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收機(jī)器人大腦串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)和控制手柄I/O 口傳送來的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)的底層運(yùn)動(dòng)控制，并通過采集獲取電機(jī)編碼器信號(hào)達(dá)到閉環(huán)控制的目的；還負(fù)責(zé)采集超聲波傳感器數(shù)據(jù)。下位機(jī)以1 毫秒為周期采樣編碼器信號(hào)，其一方面將采集到的編碼器信號(hào)應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的底層閉環(huán)控制，另一方面通過一定的算法將采集到的編碼器信號(hào)進(jìn)行累計(jì)獲得里程計(jì)信息，包括直線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度等信息。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(dòng)量。服務(wù)器上運(yùn)行的Web 程序把機(jī)器人位置監(jiān)控信息和老人健康狀態(tài)信息顯示在網(wǎng)頁上，老人的親屬可以在任何時(shí)候登錄該網(wǎng)站進(jìn)行老人位置和健康查詢。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(bào)警信號(hào)。2．環(huán)境適應(yīng)能力差，一般設(shè)計(jì)的助行機(jī)器人大部分只能在室內(nèi)環(huán)境下運(yùn)行，離用戶需要的復(fù)雜環(huán)境或者室內(nèi)/室外多種地面的適用性方面還有不少改進(jìn)空間。目前的助行機(jī)器人，由于能源、重量限制，助行機(jī)器人的縱向負(fù)重能力不能做的太大，國(guó)內(nèi)普遍小于 50KG，國(guó)外也大多小于 100KG，因此對(duì)于體重較重的人可能不能使用，對(duì)于機(jī)器人的推廣受到不少限制。由于助行器對(duì)于輔助人行走的復(fù)雜性和精確性，需要助行機(jī)器人能完成很多復(fù)雜的空間動(dòng)作，如將助行機(jī)器人原地轉(zhuǎn)圈或者越過一般的房門等，要求助行機(jī)器人具有很好的轉(zhuǎn)向性。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)。而要實(shí)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(shí)現(xiàn)室外環(huán)境定位和適應(yīng)不平整的路面。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)需要考慮的問題。智能助行機(jī)器人樣機(jī)是由機(jī)器人大腦和車體平臺(tái)兩大部分組成。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(tái)，其通過網(wǎng)口與嵌入式工控機(jī)相連。機(jī)器人車體周身安裝若干個(gè)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(hào)線與下位機(jī)的I/O口相連。. 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(yùn)行速度和工作時(shí)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(jì)分析、驅(qū)動(dòng)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(guó)內(nèi)外優(yōu)缺點(diǎn)，得出本智能助行機(jī)器人樣機(jī)的最終設(shè)計(jì)方案。與其它機(jī)器設(shè)計(jì)相比，由許多不同之處。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(dòng)軸的直徑，增加箱體或床身的壁厚來解決。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。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(dòng)作，采取一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。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。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(jì)時(shí)必須考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性、運(yùn)動(dòng)靈巧性，以及驅(qū)動(dòng)、控制等方面的問題。在整個(gè)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還要考慮：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率的計(jì)算和選擇、減速比的分配、傳動(dòng)元件的計(jì)算和選擇、底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、“走線”及電器接口設(shè)計(jì)，各傳感器的放置和安裝，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。從各運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)的先后順序考慮，為了便于各個(gè)部分元件的設(shè)計(jì)和選擇，整個(gè)助行機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計(jì)先從助行機(jī)器人樣機(jī)的核心部件之一底盤的設(shè)計(jì)開始。在國(guó)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(guó)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(chǎng)上使用，并得到一定好評(píng)。它的升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶在站立時(shí)膝蓋負(fù)載，輔助行走功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)也比較緊湊。雖然小車的移動(dòng)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(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，前輪采用兩萬向輪，理論上可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑從0 到無窮轉(zhuǎn)動(dòng)。. 驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件的選擇 驅(qū)動(dòng)元件的選擇在總體方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定了所設(shè)計(jì)的助行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電動(dòng)方式。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)到指定的位置來完成輔助坐下站起和助行任務(wù)。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(diǎn)，在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)要注意滿足以下幾個(gè)基本要求。3．功率體積比和功率重量比要大，對(duì)于安裝在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)部件上的電動(dòng)機(jī)或安裝位置有限時(shí)，這個(gè)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(zhǎng)期工作；5．可靠性高，能滿足長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下工作的要求。步進(jìn)電機(jī)可直接將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個(gè)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。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。常用它直接帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。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。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。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。環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，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(dòng)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。通過上述對(duì)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(duì)交流伺服便宜等特點(diǎn)，本文的助行機(jī)器人樣機(jī)選用直流伺服電機(jī)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類很多，按性能可分為固定速比式和無級(jí)變速式；按運(yùn)動(dòng)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。一、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1．齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)和類型齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，工作平穩(wěn)性較高；傳動(dòng)比變化范圍大，可用于增速或減速；采用非圓齒輪傳動(dòng)，瞬時(shí)傳動(dòng)比可按所需變化規(guī)律設(shè)計(jì)；速度范圍大，節(jié)線速度可以從 v /s 到200m /s ，甚至更高；傳動(dòng)效率高，高精度齒輪傳動(dòng)效率可達(dá) η = ；結(jié)構(gòu)緊湊。由于傳動(dòng)軸的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)方向不同，齒輪傳動(dòng)的種類很多。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。在機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)中，為了減小齒輪傳動(dòng)空回，必須提高輪及其相關(guān)零件的精度。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)。其缺點(diǎn)是：由于柔輪的疲勞強(qiáng)度問題，限制了輸入速度；扭轉(zhuǎn)剛度低，尤其是在低扭矩情況下，這限制了它在機(jī)器人中的應(yīng)用；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速等于或者是嚙合頻率的 2 倍、4 倍、6 倍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，這對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的連接件很不利。行星齒輪傳動(dòng)是一種具有動(dòng)軸線的齒輪傳動(dòng)，可用于減速、增速和差動(dòng)裝置。行星齒輪傳動(dòng)不僅可做定傳動(dòng)比傳動(dòng)(減速器) ，也可作為速度合成或分解的裝置(差速器)，應(yīng)用日益廣泛。的減速傳動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)經(jīng)常被用在機(jī)器人關(guān)節(jié)處需要自鎖的地方。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。滾珠絲杠傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：摩擦小、效率高、壽命長(zhǎng)，一般情況下，其機(jī)械效率在 90％以上；由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差很小，無論是在低速或高速時(shí)，摩擦扭矩幾乎不變，因此靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)；可通過預(yù)緊完全消除間隙?；瑒?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。三、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)用于傳遞平行軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已比較完善，應(yīng)用很廣泛。四、齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒形帶傳動(dòng)的帶和帶輪的接觸面都制成相應(yīng)的齒形，靠嚙合傳遞功率，這種傳動(dòng)的特點(diǎn)