目 錄

摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國外助老服務(wù)機(jī)器人的研究 1
1.2.1 愛爾蘭PAM-AID 助老服務(wù)機(jī)器人 1
1.2.2 美國SmartCane 助老服務(wù)機(jī)器人 2
1.2.3 韓國WAR 助老服務(wù)機(jī)器人 3
1.2.4 日本助老服務(wù)機(jī)器人 4
1.2.5 可穿戴的外骨骼式助老服務(wù)機(jī)器人 4
1.3 國內(nèi)助老服務(wù)機(jī)器人的研究 5
1.3.1 多功能助老服務(wù)機(jī)器人 5
第2章 助老服務(wù)機(jī)器人的總體設(shè)計方案 8
2.1助老服務(wù)機(jī)器人研制目標(biāo) 8
2.1.1適用環(huán)境分析 8
2.1.2使用人群分析 8
2.1.3運(yùn)行速度 9
2.1.4工作時間和自重 9
2.2助老服務(wù)機(jī)器人的總體方案設(shè)計 9
2.2.1基本方案 9
2.2.2助老服務(wù)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 10
2.2.3機(jī)構(gòu)設(shè)計分析 11
2.2.4 驅(qū)動方式的選擇 12
2.2.5 助老服務(wù)機(jī)器人的材料選擇 13
2.2.6 助老服務(wù)機(jī)器人的整體控制方案 14
2.3. 現(xiàn)有的助老服務(wù)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)分析 15
2.4. 助老服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計方案 16
2.5. 本章小結(jié) 17
第3章 助老服務(wù)機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
3.1助老服務(wù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模塊確定 19
3.2. 驅(qū)動元件和傳動元件的選擇 20
3.2.1 驅(qū)動元件的選擇 20
3.2.2 傳動元件的選擇 21
3.3. 底盤模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計 24
3.3.1 底盤模塊的相關(guān)計算與電機(jī)選擇 24
3.3.1.1 驅(qū)動輪的選擇 24
3.3.1.2 非驅(qū)動輪的選擇 24
3.3.1.3 電機(jī)驅(qū)動單元的選擇 24
3.3.2 樣機(jī)重要零部件設(shè)計 26
3.2.2.1、鏈輪鏈條傳動 26
3.2.2.2、固定心軸的設(shè)計 27
3.2.2.3、 懸臂梁的設(shè)計 28
3.3.3 傘齒輪設(shè)計 29
3.3.4 驅(qū)動輪模塊設(shè)計 29
3.3.5 非驅(qū)動輪模塊 30
3.4. 輔助升降機(jī)構(gòu) 30
3.4.1 確定設(shè)計方案 30
3.4.2 絲杠螺母選擇 31
3.4.3 電機(jī)及減速器等的選擇 32
3.4.3.1、功率計算和電機(jī)選擇 32
3.4.3.2、聯(lián)軸器的選用 32
結(jié)論 34
參考文獻(xiàn) 35
致謝 38
附錄1:文獻(xiàn)綜述 39
附錄2:開題報告 45
附錄3:外文翻譯 50
第2章 助老服務(wù)機(jī)器人的總體設(shè)計方案
2.1助老服務(wù)機(jī)器人研制目標(biāo)
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)到國際先進(jìn)水平。本課題將解決總體目標(biāo)中的行走輔助技術(shù)難題，為各類性質(zhì)輔助系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)移動平臺。因此在助老服務(wù)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。
2.1.1適用環(huán)境分析
目前情況下，不管是在國外還是在國內(nèi)研制的助老服務(wù)機(jī)器人，大部分都只能在室內(nèi)環(huán)境運(yùn)行，對地面平整度要求很高，即使少數(shù)可以在室外運(yùn)行的助老服務(wù)機(jī)器人也還未到很成熟的階段，但是對于使用者來說，一款助行器如果只能在有效而且嚴(yán)格的使用環(huán)境下使用的話，必然沒有什么太大的實(shí)用價值。對于使用者來說，一款能夠適用與各種地面，復(fù)雜地形的助老服務(wù)機(jī)器人。考慮國內(nèi)外這些研究情況結(jié)合這次 863 項(xiàng)目的研究和對國內(nèi)助老服務(wù)機(jī)器人研究的現(xiàn)狀分析，本次項(xiàng)目打算能夠研制一款助老服務(wù)機(jī)器人，能夠適用于室內(nèi)/室外多種地面的移動模式：采用傳感器檢測路面的角度和輪速的變化，進(jìn)而控制驅(qū)動輪的力矩和速度，無論在室內(nèi)的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶均能獲得平穩(wěn)的行走體驗(yàn)和高效的能源效率。
2.1.2使用人群分析
部分助老服務(wù)機(jī)器人面向視力受損不過還未完全失明的人，部分面向老年人，主要針對肌肉無力等情況。就目前國外研究情況來看，主要的還是面向殘疾人和一些老年人。本項(xiàng)目研制的助老服務(wù)機(jī)器人主要人群針對行走不便、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)。
2.1.3運(yùn)行速度
一般助老服務(wù)機(jī)器人的速度一般在1m/s 以內(nèi)，速度設(shè)計太快的話，一般需要比較大的電機(jī)而導(dǎo)致負(fù)重太大，而且一般沒必要，因?yàn)橹衅鞯淖饔檬禽o助人行走， 1m/s 跟人走路的速度其實(shí)是差不多的，在之前描述的國內(nèi)外助老服務(wù)機(jī)器人中，大部分機(jī)器人的設(shè)計速度都不快。在本樣機(jī)的研制中，設(shè)計助行器最大速度選為0.5m/s，綜合考慮了樣機(jī)設(shè)計的初級階段和項(xiàng)目組的技術(shù)能力。
2.1.4工作時間和自重
一般助老服務(wù)機(jī)器人都是需要自帶電池，一般情況下電池不能太重，不然助行器會顯得很笨重，大部分助行器的連續(xù)作業(yè)時間不超過10 小時，本樣機(jī)考慮的連續(xù)作業(yè)時間為大概4 小時。助老服務(wù)機(jī)器人一般都比較笨重，對于其普及和家用起到一定限制，少部分助老服務(wù)機(jī)器人深圳達(dá)到100 公斤，顯然對與一般用戶來說有些難以接受。本樣機(jī)的設(shè)計重量為30 公斤，即助老服務(wù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)重量包括電池在內(nèi)不超過30 公斤。
2.2助老服務(wù)機(jī)器人的總體方案設(shè)計
2.2.1基本方案

助老服務(wù)機(jī)器人擬采用便攜式助行器機(jī)構(gòu)設(shè)計，采用人體工學(xué)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料的輕型化選擇，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的便攜性。

適用于室內(nèi)/室外多種地面的移動模式：采用傳感器檢測路面的角度和輪速的變化，進(jìn)而控制驅(qū)動輪的力矩和速度，無論在室內(nèi)的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶均能獲得平穩(wěn)的行走體驗(yàn)和高效的能源效率；

自定位與導(dǎo)航技術(shù)：圍繞結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境中移動式助老助殘機(jī)器人的自定位和導(dǎo)航難題，研究基于多傳感器（激光雷達(dá)、紅外測距、視覺和GPS 等）的環(huán)境識別與建模方法、基于地圖匹配的自定位方法、基于路標(biāo)（紅外信標(biāo)、RFID 等）的自定位和導(dǎo)航方法；

健康監(jiān)測與報警系統(tǒng)：可以對操作者的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和記錄以無線方式將用戶信息及時傳送給監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療中心，并在操作者發(fā)生意外時自動報警；在一定區(qū)域內(nèi)具有自主導(dǎo)航功能，并可以由監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療中心對操作者進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時監(jiān)護(hù)，進(jìn)行遙操作控制，進(jìn)行健康指導(dǎo)。
2.2.2助老服務(wù)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)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)動精度、有效負(fù)載、運(yùn)動特性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等。
1．自由度
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途來設(shè)計的，可能少于六個自由度，也可能多于六個自由度。本文所設(shè)計的智能助老服務(wù)機(jī)器人樣機(jī)由于需要完成輔助用戶坐下、站起和行走兩大功能，并且要有足夠的靈活性來繞開障礙物，才能完成輔助助老服務(wù)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。
2．工作空間
工作空間是指機(jī)器人臂桿的末端或手腕中心在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。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的工作區(qū)域。工作空間的形狀和大小是十分重要的。機(jī)器人在執(zhí)行某一作業(yè)時，可能會存在作業(yè)死區(qū)而不能完成任務(wù)。就本文中的助老服務(wù)機(jī)器人樣機(jī)而言，由于其行走和避障等任務(wù)的復(fù)雜性，所以要求其工作范圍在條件允許下盡可能大，這樣才能完成各種助行和輔助坐下站起任務(wù)。
3．有效負(fù)載
有效負(fù)載是指機(jī)器人工作時機(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)器人的載荷不僅僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，還與機(jī)器人運(yùn)動的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見，有效負(fù)載是指高速運(yùn)行時的有效負(fù)載。本文中助老服務(wù)機(jī)器人的作業(yè)對象為人，為了能適應(yīng)大多人的重量，助老服務(wù)機(jī)器人的有效負(fù)載暫且設(shè)定為80 公斤。
4．運(yùn)動特性
速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動特性的主要指標(biāo)。提高速度可以提高工作效率，因此提高機(jī)器人的加減速能力，保證機(jī)器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。對于本文中的助老服務(wù)機(jī)器人，在沒有負(fù)載時可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動速度；而在其有負(fù)載時，即人與助老服務(wù)機(jī)器人直接接觸后，為了安全起見，而且考慮人步行速度。總的來說，助行樣機(jī)的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。
5．經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)
本項(xiàng)目助老服務(wù)機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則是：不管是考慮機(jī)械設(shè)計的成本，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)以后能朝著市場化、商業(yè)化的步伐前進(jìn)。
2.2.3機(jī)構(gòu)設(shè)計分析
一、底盤機(jī)構(gòu)分析
目前國內(nèi)外的助老服務(wù)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。其中助老服務(wù)機(jī)器人的底盤是整個機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本機(jī)構(gòu)，是安裝助老服務(wù)機(jī)器人電機(jī)以及其他各個部件的整體造型，并且接受電機(jī)的動力，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。底盤行走機(jī)構(gòu)主要包括前輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)、后輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及四輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
1、前輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)
愛爾蘭的Shane MacNamara 等開發(fā)的叫PAM-AID 的助行器，底盤也是四個輪子，其中由兩個電機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動前輪，而且電機(jī)只負(fù)責(zé)改變輪子轉(zhuǎn)向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。
2、后輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)
機(jī)器人采用兩個驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動兩后輪的方式，前輪采用2 萬向輪使得運(yùn)動方向容易控制，更安全。而后輪驅(qū)動則驅(qū)動力及爬坡等能力都比前輪驅(qū)動好，可以適應(yīng)多種不同道路情況。
3、四輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)
Y.Hirata 等開發(fā)的Walking Helper，采用電動助步架結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)力傳感器測量用戶施加的力，利用四輪驅(qū)動控制實(shí)現(xiàn)全向移動實(shí)現(xiàn)行走支持。所以本助老服務(wù)機(jī)器人機(jī)擬采用雙輪驅(qū)動，以提供足夠動力驅(qū)動平臺，必要時可以引導(dǎo)用戶行走。
二、攙扶機(jī)構(gòu)分析
而攙扶機(jī)構(gòu)是助老服務(wù)機(jī)器人輔助人坐下和站起的機(jī)構(gòu)，也可以根據(jù)人身高和動作調(diào)節(jié)助老服務(wù)機(jī)器人的高度。攙扶機(jī)構(gòu)是助老服務(wù)機(jī)器人的一個重要功能，對一個缺乏力量，需要輔助轉(zhuǎn)起來的殘疾人來說非常重要。韓國Hyeon-Min Shim 所開發(fā)的WAR的輔助坐下站立機(jī)構(gòu)是利用電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動的方法調(diào)節(jié)助行器高度。日本Yasuhiro NEMOTO用于提供老年人輔助動力的助行器，采用雙連桿機(jī)構(gòu)，利用兩個電機(jī)控制連桿轉(zhuǎn)動和上升，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)助老服務(wù)機(jī)器人，采用一個具有高剛性、低成本的平行四桿機(jī)構(gòu)，可以用比較小的電機(jī)就可以輔助一個成年人站起，并且這個機(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膝蓋負(fù)載，對一些體力不足的老年人特別有用。這個樣機(jī)還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶的身體，保護(hù)用戶安全，不用擔(dān)心向前傾倒。支撐墊可改變 所支撐的角度，每個用戶可以選最舒服的姿態(tài)行走。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的助老服务机器人结构设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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