燕山大学毕业论文老助行机器人结构设计.

毕业设计（论文）老年助行机器人机构设计王鹏燕山大学里仁学院2013年 6 月 毕业设计（论文）老年助行机器人机构设计学 院： 里仁学院 专 业： 机电4班 学生 姓名： 王 鹏 学 号： 091101011519 指导 教师： 边 辉 答辩 日期： 2013.6.16 燕山大学里仁学院毕业设计（论文）任务书学院： 里仁学院 系级教学单位： 机械工程系 学号091101011519学生姓名王鹏专 业班 级09机电4班题目题目名称老年助行机器人结构设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容确定老年人助行机器人整体方案；比较各种方案优越性，并选择一种设计，包括（机械本体结构方案、零部件选取、控制系统方案）；进行机器人三维实体设计，造型，计算，仿真模拟；设计多重安全保护措施，增加柔性设计；要求机器人满足60千克人体起坐、行走等基本运动需求基本要求设计说明书60-70页，绘图工作量不小于3张A0机械系统整体装配图一张A0机械系统部件图一张A1主要零件图参考资料徐灏,邱宣怀等编，机械设计手册，机械工业出版社；机器人设计图册，机械工业出版社；张立勋,伊蕾，六连杆助行机器人生理学运动规划研究, 高技术通讯；平伟,顿向明，助行机器人研究现状和展望, 机电一体化方芳,周武啸，助行机器人系统设计，传感器与微系统丁学恭,机器人控制研究，浙江大学出版社； 周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅收集资料，提交文献综述和开题报报告、外文翻译；节点考核确定机构整体方案，比较各种方案优越性，并选取一种合理机构；三维造型并对主要零件结构强度校核。绘制机械图纸，并选取机器人运动控制器、搭建控制系统；中期考核完善控制系统，绘制机械及电气图纸。撰写论文制作PPT准备答辩指导教师：边辉职称： 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日 摘要摘要智能助行机器人主要针对行走不便、视弱、盲人等的老年人和残疾人，以日常生活和工作所需要的行走辅助为主要目标。助行机器人样机不但广泛应用与医院和疗养院，也常常作为家庭老人和残疾人的康复设备。本论文针对目前国内外助行机器人的重量过大、承载能力、不能适应室内/室外多种地面、辅助导航系统昂贵等不足展开研究，研制了可适应室内/室外等环境、便携式的智能助行机器人样机，主要包括助行机器人的机械设计、运动学分析等方面。首先，回顾和总结了助行机器人的研究历史和发展现状，对国内外各主要研究机构设计的助行机器人进行了分析和对比，并介绍了本文研究的主要内容。其次，对机器人研制目标进行了分析，讨论确定了助行机器人样机的总体设计方案。从整体上对机器人机械设计的特点和局部结构相关元件的选择进行研究。根据作业环境的要求、负载能力，利用现代机械设计方法，通过比较各种传动方式的优缺点，由助行机器人的底盘机构设计出发，按从下到上的顺序相对独立地利用Pro/E 设计了助行机器人的机构，最后经过分析，设计出实际样机。再次，建立了该机器人在平面上的运动学模型，讨论在该模型下几种基本运动形式的实现条件，还分析齿轮传动对小车运动学模型的影响，得出提高小车运动精度可采取的措施。关键词：助行机器人，机构设计，运动学分析。I目录AbstractThe intelligent assistant robot mainly aims at helping the aged and the disabled who are weak-eyed, blind, or have difficulty walking, and itsmain target is to assist in walking for those people during their daily lifeand work time. The assistant robot can not only be widely used inhospitals and nursing home, but also can be used for the rehabilitationequipment for the aged and disabled. The thesis does research on thedisadvantages of the assistant robot at home and abroad at present, which is usually overweighted, with low carrying capacity, unable to walk in both indoor and outside environment, and expensive in auxiliary navigation system. A conveniently portable prototype for assistant robot is designed which can be used in both inside and outside environment, its mainly content includes mechanism design and kinematics analysis.Firstly, the thesis reviews and summarizes the research history and development status of assistant robot, and does analysis and comparison mainly on assistant robot at home and abroad. Secondly, the research target of assistant robot is analyzed, and the overall design scheme of prototype is discussed and confirmed. The features of mechanism design of robot and the choice on components of modules are researched as a whole. According to the requirements of work environment, carrying capacity, Using Modern mechanical design method and making comparison on advantages and disadvantages of variable transmission methods, the mechanism of assistant robot is designed by Pro/E, and the design of robot is started from the chassis mechanism which is from the bottom up independently.Thirdly, the kinematics model of the robot on the flat surface is established, and the conditions to realize 3 forms of motion are discussed under the model. Also, the effect of gear transmission on kinematics model is discussed and the measures to improve motion precision are made.Keywords：Assistant robot, Mechanism design, Kinematics analysis.III目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国外助行机器人的研究11.2.1 爱尔兰PAM-AID 助行机器人11.2.2 美国SmartCane 助行机器人21.2.3 韩国WAR 助行机器人31.2.4 日本助行机器人41.2.5 可穿戴的外骨骼式助行机器人41.3 国内助行机器人的研究51.3.1 多功能助行机器人5第2章 助行机器人的总体设计方案82.1助行机器人研制目标82.1.1适用环境分析82.1.2使用人群分析82.1.3运行速度92.1.4工作时间和自重92.2助行机器人的总体方案设计92.2.1基本方案92.2.2助行机器人的基本技术参数确定102.2.3机构设计分析112.2.4 驱动方式的选择122.2.5 助行机器人的材料选择132.2.6 助行机器人的整体控制方案142.3. 现有的助行机器人的优缺点分析152.4. 助行机器人的设计方案162.5. 本章小结17第3章 助行机器人各组成部分结构设计183.1助行机器人的机构模块确定193.2. 驱动元件和传动元件的选择203.2.1 驱动元件的选择203.2.2 传动元件的选择213.3. 底盘模块的机构设计243.3.1 底盘模块的相关计算与电机选择243.3.1.1 驱动轮的选择243.3.1.2 非驱动轮的选择243.3.1.3 电机驱动单元的选择243.3.2 样机重要零部件设计263.2.2.1、链轮链条传动263.2.2.2、固定心轴的设计273.2.2.3、 悬臂梁的设计283.3.3 伞齿轮设计293.3.4 驱动轮模块设计293.3.5 非驱动轮模块303.4. 辅助升降机构303.4.1 确定设计方案303.4.2 丝杠螺母选择313.4.3 电机及减速器等的选择323.4.3.1、功率计算和电机选择323.4.3.2、联轴器的选用32结论34参考文献35致谢38附录1:文献综述39附录2:开题报告45附录3:外文翻译50III第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景据全国老龄办的研究报告显示当前中国已进入快速老龄化阶段。在这一阶段，中国平均每年将新增596万老年人口，到2020年，老年人口将达到2.5亿。伴随老龄化过程最为显著的特征就是由于身体机能衰退而引起的行走能力下降，这严重影响了老年人的日常生活质量口J。与此相对的是目前广泛使用的助行设备(如，拐杖、助步架等)功能比较单一，智能化程度低，安全性和舒适性都不足，无法满足使用者独立生活的需求。因此，将机器人技术应用于传统的助行设备领域，设计更智能更舒适更安全的助行机器人系统有着必要性。1.2 国外助行机器人的研究1.2.1 爱尔兰PAM-AID 助行机器人爱尔兰Shane MacNamara等开发了叫PAM-AID 的助行器，PAM-AID 的项目是在1994 年与爱尔兰首都都伯林开展的，项目旨在帮助一些视力和体力不太好的患者步行。由于视力受损而且体力有限极大的限制了一个人的移动自由，其提供了一个更为安全和享受的步行经历。项目由特瑞拟题基金、国家康复管理委员会和欧盟信息通讯应用赞助。这个助行机器人在2000 年才首次作为商业用途制造出来，其中有5 个机器人被美国老兵事务部购买。机器人底盘有四个轮子，其中由两个电机分别单独驱动前轮，而且电机只负责改变轮子转向，并不提供任何动力。两前轮之间没有连杆相连，转向半径很小。机器人底盘有四个轮子，其中由两个电机分别单独驱动前轮，而且电机只负责改变轮子转向，并不提供任何动力。两前轮之间没有连杆相连，转向半径很小。机器人带有自动导航系统，可以有效地在传感范围内避障，包括静止和移动的障碍物，能有效地保障用户的安全。图1-1 PAM-AID1.2.2 美国SmartCane 助行机器人这种机器人的研制主要是为了满足盲人行走障碍，而不再是在PAM-AID 中所设计的为了满足一些实力受损或者体力不好的用户。盲人如果想使用一般助行器必然会遇到很多困难，为了提供智能辅助行走，感知功能和健康检测系统，美国Dubowsky 等人于1999 年研发了PAMM 系统。Smartcane 机器人只适用于在一般的平地或者小于五度的斜坡上行走，比一般的4 点支图1-2 Smartcane助行机器人撑拐杖能提供更好的平衡性，而且机器任课以通过系统地图，用户指令，感知的障碍来提供目的地行走指导。机器人还提供了包括健康检测功能和与管理员电脑通讯的功能。机器人的尺寸很紧凑和稳定，重量不超过15 公斤,运行速度从0 到0.5m/s，在垂直方向 提供的支撑力为50 公斤，在其他两个方向提供的支撑力为4 公斤左右。机器人上带有电池，可以供给机器人连续8 小时运行。机器人还具有计算功能，足够满足机器人路径规划，控制，健康检测和通讯功能。机器人身上带有声学和视觉传感器，用来检测障碍物，提供行走辅助。机器人是通过力觉手柄和声音来传递给机器人命令的，价格不超过5000 美金，的确是可以作为盲人的经济实惠的一款机器人。1.2.3 韩国WAR 助行机器人由韩国理工大学的Shim等人与2004年研制开发出WAR（walking assistantrobot）助行机器人主要是用于帮助老年人在户外行走的一款有别于以往一般只能在户内比较平坦地形行走的步行机器人。WAR 助行机器人不仅具有辅助支撑和行走功能，还具有辅助升降机构。升降机构是倾斜上升，可以减少用户在站立时膝盖负载，对一些体力不足的老年人特别有用。这个样机还带有供人倚靠的支撑垫，可以支撑用户的身体，保护用户安全，不用担心向前倾倒。机器人高度为1m，并且可以调整。机器人还具有障碍物检测和避让功能，通过触摸手柄让感知用户意图。此种助行机器人比一般助行器辅助行走更简单，通过GPS/GIS 导航系统来寻找路径。目前这种机器人已经投入生产，并且已经证实具有比较好的助行效果，不过目前并没有大规模生产，这种助行机器人仍旧还需要进行很多的改进。图1-3 WAR 助行机器人1.2.4 日本助行机器人丰田汽车于2008 年8 月1 日宣布，开发出了站乘型助行机器人“Winglet”。 2007 年发布的坐乘型机器人“MOBIRO”主要以老年人为对象，而Winglet 则设想用于较为年轻的人群。不过，二者使用的前提均是人行道图1-4 HITACHI 助行机器人和楼内等适合步行的场所。机器人的尺寸为:265464462mm，重9.9 千克，最高速度6 km/h，充电时间1 小时，可巡航5 km。机器人采用便携式设计。配备有角度传感器,陀螺传感器和车轮速度传感器，可根据驾驶状态用两个轮子稳步行走。前进与后退方面，通过检测身体重心的前后移动来实现。另外，机体内部采用平行链构造，通过左右移动重心时平行链向一侧倾斜来检测驾驶者的转意向。通过左右车轮转速的不同实现转弯。更换机体上部的操控杆，可变换成“Type S”、“Type M”以及“Type L”三种类型。Type S 和M 为用双脚夹住机身不用双手即可操控、Type L 是用双手握住操控杆进行操控的类型。三种类型均配备有锂离子充电电池，充满电需要1 小时。最高速度为6km/h。重量方面，Type S 为9.9kg、Type M 和L 为12.3kg。行驶距离方面，Type S 为5km、Type M 和L 为10km。日本Waseda 大学于2006 年研发成功HITACHI 助行机器人。1.2.5 可穿戴的外骨骼式助行机器人韩国科学家KyoungchulKong等研发的可穿戴的外骨骼式助行机器人。外骨骼式的结构，很好地解决了患肢运动过程中的支撑问题，其硬铝材质的双边结构不仅在保持刚性的 前提下大大的减轻了机器人本体的质量，并且为监测上肢肌肉运动状态时的电极放置提供了便利机器人的设计从解剖学的角度出发，模仿人体的上肢运动，并支持恢复机体功能的专业训练治疗。机器人共采用4 个Maxon 电机来带动人体踝关节，膝关节和髋关节运动，能够提供动力给人体，调节人体下肢姿态。其中光电编码器用来读取装置的位置信息，力矩传感器获取运动过程中的关节力矩变化。此机器人采用气动执行器来驱动其升降机构。采用四轮驱动以提供足够动力驱动平台，必要时可以引导用户行走。图1-5 可穿戴的外骨骼式助行机器人1.3 国内助行机器人的研究1.3.1 多功能助行机器人哈尔滨工程大学的学生研制出一种多功能助行机器人。这种助行机器人实用性强，能帮助截瘫患者或行走功能障碍患者进行行走功能康复训练和减重训练，还可作为患者日常生活中的代步工具。它基于绳驱动、轮驱动和腿部行走机构共同作用的综合训练平台，同时根据曲柄摇杆原理，利用摇杆末端圆弧轨迹来模拟正常人行走时大腿末端轨迹，最后通过单片机控制系统实现腿部行走机构与驱动轮的协调运动控制，总体可实现室内外移动、走步训练、起坐等功能，帮助残疾人实现迈步动作，达到训练下肢目的。它主要在于提供一种既具有一般轮椅的通用性又能够帮助截瘫患者或行走不便病人图1-6 多功能助行机器人 行行走锻炼、有利于残疾人自主进行腿部康复训练并能进行减重训练、下肢关节和肌肉的运动训练等康复训练功能，起坐、下蹲（坐沙发、上厕所）等生活技能训练的一种多功能助行机器人。可以用于先天性腿部残疾以及由脑血栓后遗症、脊髓损伤、脑性麻痹、肌肉萎缩、意外事故等。引起的后天性腿部残障，截瘫或偏瘫患者的腿部训练。同时多功能助行机器人具有动力源，采用双轮差动驱动，残疾人可以随着机器人的前行而进行走步锻炼。腿部行走机构根据曲柄摇杆原理，利用摇杆末端圆弧轨迹模拟人走步时的大腿末端轨迹，随着机器人移动，行走机构给残疾人腿部一定的推力，帮助残疾人双腿实现迈步动作，并且满足正常人行走时双腿的180相位差，使残疾人更好的完成走步训练。我国短时间内“银龄”群体的急剧膨胀对老年人助行器设计的“质”与“量”提出更高的要求。欧美与日本等地区此类产品的研究起步较早，针对老年人运动障碍程度不同与生活环境差异，运用现代高科技设计、研发各类型老年人助行器。20 世纪逐渐发展起来的中国老年人用品市场与欧美市场形成相当的反差，老年人助行器的开发与设计刚刚开始，尚处于培育期，与其中很多是普遍适用型产品，真正为老年人量身定做的助行器种类很少，生产厂家较少，产品种类缺乏，现有产品的安全性与使用效果都很难达到老年人要求。与国外日美韩相比仍有较大差距，目前来说在国内尚没有形成很有体系的研发高校或者研究单位，有一些研究仍旧停留在实验室的阶段，还未达到实用阶段，要形成成熟并且能够让大众接受还有一段很远的距离。不过随着国内863 计划重大项目对助行机器人的重视，国内助行机器人的研发必将大踏步追赶。由以上的介绍可以看出，目前国内外对助行机器人的研究近年已经非常热门，而且在国外逐饯行成比较系统的研发系统，甚至部分已经进入试验或者试用阶段，已经得到不少用户的认可。不过在行走支持技术等领域，需要解决移动灵活性、能源高效化、便携性和多种路面适用性等技术难题。在辅助导航技术方面，需要开发更准确可靠的导航系统，包括定位、路径规划和系统控制，并赋予机器人学习能力，能够获取用户的个性特征，自动适应用户的行为，来提高用户的舒适度。41第2章 助行机器人总体设计方案 第2章 助行机器人的总体设计方案2.1助行机器人研制目标突破助老/助残机器人的行走辅助关键技术，结合助行任务的功能要求，实现各项关键技术的演示验证，概念样机的技术指标达到国际先进水平。本课题将解决总体目标中的行走辅助技术难题，为各类性质辅助系统提供标准移动平台。因此在助行机器人研制中要充分考虑与操作臂和其它传感器的集成需要。2.1.1适用环境分析目前情况下，不管是在国外还是在国内研制的助行机器人，大部分都只能在室内环境运行，对地面平整度要求很高，即使少数可以在室外运行的助行机器人也还未到很成熟的阶段，但是对于使用者来说，一款助行器如果只能在有效而且严格的使用环境下使用的话，必然没有什么太大的实用价值。对于使用者来说，一款能够适用与各种地面，复杂地形的助行机器人。考虑国内外这些研究情况结合这次 863 项目的研究和对国内助行机器人研究的现状分析，本次项目打算能够研制一款助行机器人，能够适用于室内/室外多种地面的移动模式：采用传感器检测路面的角度和轮速的变化，进而控制驱动轮的力矩和速度，无论在室内的平整路面，还是在室外的起伏路面，用户均能获得平稳的行走体验和高效的能源效率。2.1.2使用人群分析部分助行机器人面向视力受损不过还未完全失明的人，部分面向老年人，主要针对肌肉无力等情况。就目前国外研究情况来看，主要的还是面向残疾人和一些老年人。本项目研制的助行机器人主要人群针对行走不便、视弱、盲人等的老年人和残疾人，以日常生活和工作所需要的行走辅助为主要目标。2.1.3运行速度一般助行机器人的速度一般在1m/s 以内，速度设计太快的话，一般需要比较大的电机而导致负重太大，而且一般没必要，因为助行器的作用是辅助人行走， 1m/s 跟人走路的速度其实是差不多的，在之前描述的国内外助行机器人中，大部分机器人的设计速度都不快。在本样机的研制中，设计助行器最大速度选为0.5m/s，综合考虑了样机设计的初级阶段和项目组的技术能力。2.1.4工作时间和自重一般助行机器人都是需要自带电池，一般情况下电池不能太重，不然助行器会显得很笨重，大部分助行器的连续作业时间不超过10 小时，本样机考虑的连续作业时间为大概4 小时。助行机器人一般都比较笨重，对于其普及和家用起到一定限制，少部分助行机器人深圳达到100 公斤，显然对与一般用户来说有些难以接受。本样机的设计重量为30 公斤，即助行机器人的机构重量包括电池在内不超过30 公斤。2.2助行机器人的总体方案设计2.2.1基本方案1) 助行机器人拟采用便携式助行器机构设计，采用人体工学的机构优化设计、材料的轻型化选择，实现机构的便携性。2) 适用于室内/室外多种地面的移动模式：采用传感器检测路面的角度和轮速的变化，进而控制驱动轮的力矩和速度，无论在室内的平整路面，还是在室外的起伏路面，用户均能获得平稳的行走体验和高效的能源效率；3) 自定位与导航技术：围绕结构化或半结构化的复杂环境中移动式助老助残机器人的自定位和导航难题，研究基于多传感器（激光雷达、红外测距、视觉和GPS 等）的环境识别与建模方法、基于地图匹配的自定位方法、基于路标（红外信标、RFID 等）的自定位和导航方法；4) 健康监测与报警系统：可以对操作者的健康状态进行实时监测和记录以无线方式将用户信息及时传送给监护人或医疗中心，并在操作者发生意外时自动报警；在一定区域内具有自主导航功能，并可以由监护人或医疗中心对操作者进行远距离实时监护，进行遥操作控制，进行健康指导。2.2.2助行机器人的基本技术参数确定表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、工作空间、运动精度、有效负载、运动特性和经济性指标等。1自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，机器人的自由度是根据其用途来设计的，可能少于六个自由度，也可能多于六个自由度。本文所设计的智能助行机器人样机由于需要完成辅助用户坐下、站起和行走两大功能，并且要有足够的灵活性来绕开障碍物，才能完成辅助助行机器人的几大任务，具体的自由度数目在以后的章节中确定。2工作空间工作空间是指机器人臂杆的末端或手腕中心在一定条件下所能到达空间的位置集合。因为末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器时的工作区域。工作空间的形状和大小是十分重要的。机器人在执行某一作业时，可能会存在作业死区而不能完成任务。就本文中的助行机器人样机而言，由于其行走和避障等任务的复杂性，所以要求其工作范围在条件允许下尽可能大，这样才能完成各种助行和辅助坐下站起任务。3有效负载有效负载是指机器人工作时机器人能承受的支持力，它表示了机器人的负载能力。机器人的载荷不仅仅取决于负载的质量，还与机器人运动的速度和加速度的大小及方向有关。为了安全起见，有效负载是指高速运行时的有效负载。本文中助行机器人的作业对象为人，为了能适应大多人的重量，助行机器人的有效负载暂且设定为80 公斤。4运动特性速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。提高速度可以提高工作效率，因此提高机器人的加减速能力，保证机器人加速过程的平稳性是非常重要的。对于本文中的助行机器人，在没有负载时可以适当地加快其运动速度；而在其有负载时，即人与助行机器人直接接触后，为了安全起见，而且考虑人步行速度。总的来说，助行样机的速度在一定范围内要是可调的，这样才能满足在各种不同情况下的使用需要。5经济性指标本项目助行机器人样机设计准则是：不管是考虑机械设计的成本，还是导航系统的成本，到都尽量在满足功能的情况下尽量降低成本，以使得本样机以后能朝着市场化、商业化的步伐前进。2.2.3机构设计分析一、底盘机构分析目前国内外的助行机器人大部分都是由底盘机构和搀扶机构组成。其中助行机器人的底盘是整个机器人机构设计的基本机构，是安装助行机器人电机以及其他各个部件的整体造型，并且接受电机的动力，主要目的是满足正常行走并可在不同路面下实现行走。底盘行走机构主要包括前轮驱动机构、后轮驱动机构以及四轮驱动机构。1、前轮驱动机构爱尔兰的Shane MacNamara 等开发的叫PAM-AID 的助行器，底盘也是四个轮子，其中由两个电机分别单独驱动前轮，而且电机只负责改变轮子转向，并不提供任何动力。两前轮之间没有连杆相连，转向半径很小。2、后轮驱动机构机器人采用两个驱动电机驱动两后轮的方式，前轮采用2 万向轮使得运动方向容易控制，更安全。而后轮驱动则驱动力及爬坡等能力都比前轮驱动好，可以适应多种不同道路情况。3、四轮驱动机构Y.Hirata 等开发的Walking Helper，采用电动助步架结构，能够根据力传感器测量用户施加的力，利用四轮驱动控制实现全向移动实现行走支持。所以本助行机器人机拟采用双轮驱动，以提供足够动力驱动平台，必要时可以引导用户行走。二、搀扶机构分析而搀扶机构是助行机器人辅助人坐下和站起的机构，也可以根据人身高和动作调节助行机器人的高度。搀扶机构是助行机器人的一个重要功能，对一个缺乏力量，需要辅助转起来的残疾人来说非常重要。韩国Hyeon-Min Shim 所开发的WAR的辅助坐下站立机构是利用电机带动丝杠转动的方法调节助行器高度。日本Yasuhiro NEMOTO用于提供老年人辅助动力的助行器，采用双连杆机构，利用两个电机控制连杆转动和上升，升降高度可达40cm，可以用来辅助老年人起床，站立和上厕所等； 2007 年，日本Daisuke Chugo 等开发的带辅助站立结构的康复助行机器人，采用一个具有高刚性、低成本的平行四杆机构，可以用比较小的电机就可以辅助一个成年人站起，并且这个机构可以承受很强的扭转力矩，升降机构是倾斜上升，可以减少用户在站立时膝盖负载，对一些体力不足的老年人特别有用。这个样机还带有供人倚靠的支撑垫，可以支撑用户的身体，保护用户安全，不用担心向前倾倒。支撑垫可改变 所支撑的角度，每个用户可以选最舒服的姿态行走。2.2.4 驱动方式的选择机器人的驱动系统，按动力源可分为液压、气动和电动三种基本类型，根据需要也可将这三种类型组合成复合式的驱动系统。1液压驱动系统的特点液压驱动的主要优点是功率重量比大，即以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩；液压缸可直接作为关节的一部分故结构紧凑，刚性好；由于液油的不可压缩性，系统的固有频率高，快速响应好，可实现频繁平稳的变速和换向；液压系统易于实现过载保护，由于采用油液作为工作介质，系统可自行润滑，使用寿命长。液压系统的主要缺点是油液容易泄漏，这不仅影响工作的稳定性和定位精度，而且会造成污染；油液中易混入水分和气泡使系统的刚度降低，快速响应特性及定位精度变坏；油液的粘度随温度而变化，影响系统的工作性能；需要配备油源，成本较高；易燃，工作噪声较大。由此可看出液压驱动系统适合用于承载能力大、惯量大而运动速度较低的机器人。2气动驱动系统的特点气动驱动系统的能源和结构比较简单，但与液压驱动系统相比，同体积条件下功率较小，而且速度不易控制，所以多用于中、小负荷且精度不高的机器人控制系统中。3电动驱动系统的特点电动驱动系统是利用各种电机产生的力和力矩，直接或通过机械传动装置来驱动执行机构。这类系统不需要能量转换，因此效率比液压和气动驱动系统高，且速度变化范围大、速度和位置精度高，在机器人中得到了广泛的应用。电动驱动系统大致分为直流（DC）、交流（AC）伺服电机驱动系统和步进电机驱动系统。后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流电机有很多优点，但它的电刷容易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流电机正逐步取代直流电机而成为机器人的主要驱动器。 在选用机器人的驱动系统时，要了解各种驱动系统的特点，再结合机器人的用途、作业要求、控制功能、价格等具体条件确定最佳方案。一般来说，只须点位控制且功率较小的多采用气动驱动器 。负荷较大或机器人的周围有液压源的场合，适合采用液压驱动器。驱动器的选择，最重要的是要求起动力矩大、调速范围宽、惯量小，尺寸小，同时还要求有性能良好的与之配套的数字控制系统。就本文中的助行机器人而言，纵向支持力最大为80kg，不超过100kg，且需要在室外作业，配备液压系统和气动系统比较困难，所以本文采用电动的驱动方式。2.2.5 助行机器人的材料选择机器人结构材料的选择应根据机器人的工作状况来进行选择，并满足机器人的设计和制作要求。从设计的思想出发，机器人要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，助行机器人的强度应该满足纵向能够足够支持一个成年人的重量，初步考虑为80 公斤。总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。综上机器人材料的特性可归结为四个方面：结构性、轻型、刚性和衰减性。但是这四个方面往往又是相互矛盾的，应根据不同的设计要求确定最佳选择。根据本项目的要求，在这里选择铝合金设计，强度足够而且满足轻型设计要求。2.2.6 助行机器人的整体控制方案机器人大脑负责采集和处理各类传感器信号，进入避障、导航、倾翻报警、人体健康判断等高层决策以及人机交互和远程通信等任务，并将做出的行为决策指令通过串口下达给下位机执行。机器人大脑接收激光测距仪数据，并融合从下位机传送来的超声波传感器数据，进行前方环境感知，获得障碍物的信息(大小、方向、距离),从而实现避障的目的。同时读取GPS 接收器所连的串口数据，获得车体当前经纬度、速度、时间等信息，从而进行GPS 导航决策。读取倾斜传感器所连的串口数据，获得当前车体与水平面的倾斜角，如其超过所设定的安全阈值，发出倾翻报警信号。借助蓝牙适配器，利用一个虚拟串口读取佩戴在老人手腕上脉搏传感器数据，计算分析数据得到当前老人的每分钟的脉搏跳动量。下位机以ARM 开发板为基础构成，负责接收机器人大脑串口发送来的数据和控制手柄I/O 口传送来的数据，从而进行机器人的运动执行机构和升降执行机构的底层运动控制，并通过采集获取电机编码器信号达到闭环控制的目的；还负责采集超声波传感器数据。下位机根据机器人大脑的指令要求，确定其当前任务：若是状态信号查询指令，负责向机器人大脑反馈有关的状态信息；若是运动执行指令，其分为自动执行(通过机器人大脑自主决策)和手动执行(通过人为控制手柄)，下位机读取正确的运动执行指令，负责向伺服驱动器发送控制信号。下位机以1 毫秒为周期采样编码器信号，其一方面将采集到的编码器信号应用到运动执行机构的底层闭环控制，另一方面通过一定的算法将采集到的编码器信号进行累计获得里程计信息，包括直线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度等信息。下位机通过串口将获得的里程计信息、超声波传感器信息以及机器人状态信息上传给机器人大脑。本智能助行机器人可以通过通用分组无线业务GPRS 转接卡连接到因特网中，与远端的服务器通信，主要向服务器发送GPS 经纬度信息和老人的脉搏跳动量。服务器上运行的应用程序把获取的信息存入数据库中，通过GIS 地理信息系统进行机器人监控，另外通过分析老人的脉搏跳动量进行人体健康监控。服务器上运行的Web 程序把机器人位置监控信息和老人健康状态信息显示在网页上，老人的亲属可以在任何时候登录该网站进行老人位置和健康查询。智能助行机器人的人机界面是可编程触摸屏，其通过网口与机器人大脑相连，两者间的数据传递基于Socket 通讯。该触摸屏公司提供一套图像化界面开发软件，可以很直观在界面上显示按钮和文本图像信息以及发出报警信号。图2-1助行机器人控制系统2.3. 现有的助行机器人的优缺点分析目前国内外的助行机器人的设计还存在着一些不足之处，这主要体现在以下几个方面：1机器人重量过重：目前现有的助行机器人的重量大部分都比较重，甚至有些机器人达到100 公斤，离用户实现随身携带还有很大差距。2环境适应能力差，一般设计的助行机器人大部分只能在室内环境下运行，离用户需要的复杂环境或者室内/室外多种地面的适用性方面还有不少改进空间。3负载能力有限。目前的助行机器人，由于能源、重量限制，助行机器人的纵向负重能力不能做的太大，国内普遍小于 50KG，国外也大多小于 100KG，因此对于体重较重的人可能不能使用，对于机器人的推广受到不少限制。4助行机器人运行不灵活。由于助行器对于辅助人行走的复杂性和精确性，需要助行机器人能完成很多复杂的空间动作，如将助行机器人原地转圈或者越过一般的房门等，要求助行机器人具有很好的转向性。5. 自定位与导航系统的价格昂贵。目前的行走辅助设备上主要配置传感器和导航系统，辅助用户完成避障、防跌和目的地的导航引导。有些室内的导航系统需要采用光雷达和视觉传感器实现避障和导航。而要实现室外导航，除了上述的传感装置外，还采用了GPS 和倾斜仪来实现室外环境定位和适应不平整的路面。价格昂贵，往往超出了一般用户的心理承受范围，距离真正的广泛应用还有一段很大的距离。由上所述，可以看出，目前不管是在国内，还是国外，助行机器人要进行全面的推广使用，还受到诸多限制，如何尽快推进助行机器人在市场上的推广以及真正实现它的实用性，是现在实际智能助行机器人的一个需要考虑的问题。2.4. 助行机器人的设计方案通过以上的分析和研究，基本上确定了本智能助行机器人样机的设计方案。智能助行机器人样机是由机器人大脑和车体平台两大部分组成。机器人大脑采用嵌入式工控机，其上连接有通用分组无线业务GPRS 转接卡以及蓝牙适配器；车体平台包括双轮差速型运动执行机构、升降执行机构、编码器、超声波传感器、控制手柄、下位机、GPS 接收器、激光测距仪、倾斜传感器、可编程触摸屏、储能供电系统等。激光测距仪与倾斜传感器安装在机器人车体前端，倾斜传感器固定在激光测距仪之上，它们的数据线分别通过串口连接到嵌入式工控机上。在机器人车体顶部正前方固定GPS 接收器，其数据线通过串口连接到嵌入式工控机上。可编程触摸屏安装在车体顶端正中位置，提供人机交互平台，其通过网口与嵌入式工控机相连。车体上方框架两端安装控制手柄，提供机器人左转、右转、前进、加速、刹车等按钮操作，控制手柄信号线与安装在控制柜内部的下位机的I/O 口相连。机器人车体周身安装若干个超声波传感器,各超声波传感器以确保它们的感应范围能够相互衔接的方式分布，超声波传感器的信号线与下位机的I/O口相连。下位机是由ARM 开发板构成，其通过串口与嵌入式工控机相连；下位机接收控制手柄信号以及从嵌入式工控机发出的决策控制信号，实现执行机构的运动控制；机器人运动执行机构采用双轮差速运动控制，左右两个驱动轮分别安装在机器人后方两侧，它们分别与两个带减速器的执行电机相连，两执行电机分别由两个安装在控制柜内的两个伺服驱动器驱动,伺服驱动器接收下位机发出的控制信号；执行电机各自安装有编码器，编码器信号同时反馈给下位机和相应的伺服驱动器，实现执行电机的闭环控制；机器人前方左右两侧分别安装两个万向轮；升降机构辅助用户坐下和站起，其与带减速器的执行电机相连，执行电机由安装在控制柜内的第三个伺服驱动器驱动,伺服驱动器接收下位机发出的控制信号；执行电机安装有编码器，编码器信号同时反馈给下位机和相应的伺服驱动器，实现升降执行电机的闭环控制。2.5. 本章小结本章从助行机器人的适用环境、使用人群、运行速度和工作时间和角度出发，确定了助行机器人具有的基本功能；从助行机器人的技术参数、机构设计分析、驱动方式、整体控制方案等方面分析了本智能助行机器人的方案；最后通过比较国内外优缺点，得出本智能助行机器人样机的最终设计方案。第3章 助行机器人各组成部分结构设计 第3章 助行机器人各组成部分结构设计机器人机械设计的特点是由它自身的独特结构决定的。与其它机器设计相比，由许多不同之处。例如机床的设计需要保证所有零部件在最不利的条件下仍能正常地工作。如果在承受极限负载的条件下，最薄弱的环节不能满足要求的强度和刚度，通常就要采用“增加质量”的方法，比如加大传动轴的直径，增加箱体或床身的壁厚来解决。但是对于助行机器人来说，“增加质量”的方法虽然可提高机件的局部刚度，但整体的性能可能会因为惯量的随之增加而恶化，各部分电机的驱动功率也会随之提高，不仅会导致电机过大，而且机器人重量上升，不符合助行机器人样机便携设计的一大原则，而且会导致机器人的整体成本上升。助行机器人独特的结构特点大致可以归纳为以下几个方面：1从机构学的角度来看，由于助行机器人最基本的功能是需完成辅助用户坐下站起和辅助用户行走两大功能，所以助行机器人样机的结构是由底盘和升降机构来组成的。底盘的机构设计是为了满足助行机器人最基本的运动功能完成机器人前进后退、左转右转等，底盘拟打算采用四个轮子，其中两个轮子为主动轮，每个主动轮由一个电机控制，采取差速驱动的方式两驱动轮电机，可以实现理论上0 的转向半径。升降机构用来控制助行机器人辅助人站立坐下的动作，采取一个电机驱动丝杆转动的方式实现。2轮子驱动扭矩的瞬间过程在时域中的变化是非常复杂的，并且和执行件反馈信号有关。轮子的驱动属于伺服控制型，所以对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度有一定的要求。3助行机器人的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，容易发生振动或出现其它不稳定的现象。另外，机器人是一种典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须考虑到结构的紧凑性、运动灵巧性，以及驱动、控制等方面的问题。根据以上的设计原则和要求，本文的助行机器人设计的整体指导思想是：在一定的安全系数且能实现预定功能的前提下，首先从提高助行机器人的运动性能的角度出发来确定机器人底盘的自由度配置；其次从各零部件的材料选择和结构设计上尽可能减轻整个机器人的重量；最后从助行机器人样机的应用环境来确定各运动环节处的驱动元件和传动元件的选择和空间位置。在整个样机的结构设计过程中还要考虑：驱动系统功率的计算和选择、减速比的分配、传动元件的计算和选择、底盘的结构设计、升降机构的结构设计、“走线”及电器接口设计，各传感器的放置和安装，以及机械结构的优化等。此外，当助行机器人样机的机械系统设计完成后，有必要从整体的设计角度，改进助行机器人的机械系统设计。从各运动部件设计的先后顺序考虑，为了便于各个部分元件的设计和选择，整个助行机器人样机的设计先从助行机器人样机的核心部件之一底盘的设计开始。3.1助行机器人的机构模块确定在之前的方案设计中，已经初步确定助行机器人底盘采用四轮驱动的想法，不同的助行机器人的底盘轮子布置和驱动轮个数都是不同的。在国内外比较有代表的助行机器人是WAR 助行机器人，是韩国理工大学的Shim 等图3-1 WAR 助行机器人人研制开发的，目前已经逐步在市场上使用，并得到一定好评。该WAR 机器人是由包括底盘四轮机构，转向机构和升降机构组成的，是少受能够进行室外行走的一款助行器。它的升降机构是倾斜上升，可以减少用户在站立时膝盖负载，辅助行走功能强大，结构也比较紧凑。不过此结构前轮是采用舵机控制轮子转动，两后轮为驱动轮。虽然小车的移动性能增强，不过机构复杂性增加，而且成本上升，所以本论文所设计的助行机器人采用底盘+升降机构的模块化设计，机器人底盘仍然采用四轮支撑，不过采用两后轮差动传动，取消两前轮采用舵机控制转向的想法，前轮采用两万向轮，理论上可以实现转动半径从0 到无穷转动。这样，不仅保持WAR 机器人的优点，而且节约了成本，便于操作。3.2. 驱动元件和传动元件的选择3.2.1 驱动元件的选择在总体方案设计中已经确定了所设计的助行机器人的驱动系统采用电动方式。助行机器人系统由机器人机械本体、驱动系统、传感器和控制系统等组成。助行机器人接受上位机的指令，按操作者的要求运动到指定的位置来完成辅助坐下站起和助行任务。这些动作都需要由伺服驱动系统完成的，而驱动系统必然包含驱动电机。根据助行机器人的作业环境复杂、需要进行比较精确的控制等特点，在选择驱动电机时要注意满足以下几个基本要求。1机械时间常数要小，起动力矩大，惯量小（也即转矩惯量比要大），以满足快速反应的要求；2调速范围宽，力矩波动小，低速运转平稳，以满足各种运动速度和定位精度的要求。3功率体积比和功率重量比要大，对于安装在关节运动部件上的电动机或安装位置有限时，这个要求更是迫切；4过载能力要大，要有足够的热容量，耐热性好，在自然冷却和全封闭条件下能长期工作；5可靠性高，能满足长期在恶劣环境下工作的要求。在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和 HD 电动机等几种。步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转一定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过改变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关节运动。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相同。按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。交流伺服电机在机器人中的应用情况与直流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相比,，功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的发展方向。低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率体积比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。HD 电动机(High Density Motor)是一种小型大转矩(大推力)的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑直流伺服电机可控性好，响应快，转矩大，成本相对交流伺服便宜等特点，本文的助行机器人样机选用直流伺服电机。3.2.2 传动元件的选择为了提高机器人的运动速度和控制精度，要求机器人的传动机构具有结构紧凑、体积小、质量轻、无间隙和响应快的特点。传动机构的种类很多，按性能可分为固定速比式和无级变速式；按运动方式可分为回转回转、回转直线、直线回转、直线直线。下面介绍几种机器人常用的传动机构。一、齿轮传动机构1齿轮传动的特点和类型齿轮传动的优点是：瞬时传动比恒定，工作平稳性较高；传动比变化范围大，可用于增速或减速；采用非圆齿轮传动，瞬时传动比可按所需变化规律设计；速度范围大，节线速度可以从 v 0.1m /s 到200m /s ，甚至更高；传动效率高，高精度齿轮传动效率可达 = 0.99；结构紧凑。其缺点是：运转中有噪声、冲击和振动，并产生动载荷；无过载保护功能。由于传动轴的相对位置和运动方向不同，齿轮传动的种类很多。2直齿圆柱齿轮传动机构直齿轮传动是传动机构中最长见的形式，在机器人中也得到了广泛的应用。这种传动的优点是：消除了轴向力，降低了对轴承和箱体的要求；径向力与传动负载的大小成正比，对于压力角为20的标准齿轮，径向力大约是传动力的 0.35倍，其缺点是：当传动比加大时，齿轮的尺寸也加大；为了考虑膨胀和制造安装的误差，有齿侧间隙存在。在机器人传动系统中，为了减小齿轮传动空回，必须提高轮及其相关零件的精度。3谐波齿轮传动机构谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。与一般齿轮传动相比，谐波齿轮传动有以下优点：传动比大且范围宽；结构简单、体积小