智能助行機(jī)器人設(shè)計(jì)—行走機(jī)構(gòu)與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能助行機(jī)器人設(shè)計(jì)—行走機(jī)構(gòu)與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),智能,機(jī)器人,設(shè)計(jì),行走,機(jī)構(gòu),機(jī)械,系統(tǒng) 目錄 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 智能助行機(jī)器人設(shè)計(jì)—行走機(jī)構(gòu)與機(jī)　　 械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　 學(xué)生姓名 二級學(xué)院 班　　級 提交日期 I 目 錄 摘 要 III Abstract IV 第1章 緒 論 5 1.1課題背景 5 1.2國內(nèi)外研究的助行機(jī)器人 5 1.2.1日本助行機(jī)器人 5 1.2.2國內(nèi)助行機(jī)器人的研究 6 第2章 助行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 8 2.1助行機(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 8 2.1.4工作時(shí)間和自重 9 2.2助行機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 9 2.2.1初定方案 9 2.2.2助行機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 9 2.2.3機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 10 2.2.4驅(qū)動(dòng)方式的選擇 11 2.2.5?助行機(jī)器人的材料選擇 11 2.3目前的助行機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)分析 11 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3.1助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模塊確定 13 3.2驅(qū)動(dòng)元和傳動(dòng)元件的選擇 14 3.2.1驅(qū)動(dòng)元件的選擇 14 3.2.2傳動(dòng)元件的選擇 14 3.3底盤模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.3.1底盤模塊的相關(guān)計(jì)算與電機(jī)選擇 15 3.3.2樣機(jī)重要零部件設(shè)計(jì) 17 3.3.3傘齒輪設(shè)計(jì) 19 3.3.4驅(qū)動(dòng)輪模塊設(shè)計(jì) 19 3.3.5非驅(qū)動(dòng)輪模塊 20 3.4輔助升降機(jī)構(gòu) 20 3.4.1確定設(shè)計(jì)方案 20 3.4.2絲杠螺母選擇 21 3.4.3電機(jī)及減速器等的選擇 21 結(jié) 論 23 參考文獻(xiàn) 25 致 謝 25 II 智能助行機(jī)器人設(shè)計(jì)—行走機(jī)構(gòu)與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 通過對機(jī)器人的研究開發(fā)，研制出一款幫助行走不便的老人和弱視的殘疾人的日常輔助行走機(jī)器人。但目前國內(nèi)外的助行機(jī)器人的缺點(diǎn)較多：自身重量較大、提供的承載能力不足、不能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境和地面和所需傳感器價(jià)值的昂貴等 。本次論文便是盡可能的解決以上問題，并完成機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面。 根據(jù)分析出的機(jī)器人的研制目標(biāo)，最終確定出機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案。通過機(jī)器人的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和相關(guān)元件著手，確定電機(jī)以鏈傳動(dòng)帶動(dòng)后輪差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人行走，以絲杠螺母的方式輔助用戶完成站立坐下等動(dòng)作，再以蝸輪蝸桿完成自鎖。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，助行,智能。 2 緒論 The walker robot design - walking mechanism and mechanical system design Abstract Through the research and development of the robot ,walking robot is developed to help the old man walking and amblyopia of disabled People's Daily assisted . But a walker robot at home and abroad has more disadvantages: its weight is bigger, the bearing capacity of less than, can not adapt to the complex environment and the ground, and the required expensive sensor value, etc. This thesis is as much as possible to solve the above problems, and complete the robot mechanical design and kinematics analysis, etc. According to the analysis of the robot's development goals, and ultimately determine the overall design of the robot. Through the design characteristics of the robot and related components, determine the motor to drive chain drives the rear wheel differential way of walking robot, assist the user in the form of lead screw nut finish the action, such as stand up sit down again to complete self-locking worm gear and worm. Keywords: robot, mechanism design, walker,smart. 第1章 緒 論 1.1課題背景 根據(jù)研究報(bào)告表明，目前我國正在進(jìn)入快速老齡化階段，據(jù)推算，在2020年，我國將有2.5億的老年人口。與此同時(shí)，影響老年人生活質(zhì)量的行走能力下降引起關(guān)注。但目前普遍使用的拐杖、助步架等助行設(shè)備舒適度低、功能單一、安全保障不足，無法保證使用者的使用體驗(yàn)。所以加快研究智能化的助行設(shè)備，以舒適、安全、智能的助行機(jī)器人推廣到市場有著不可阻擋的趨勢。 1.2國內(nèi)外研究的助行機(jī)器人 1.2.1日本助行機(jī)器人 在2008年，日本的豐田汽車在8月1日發(fā)布出一款以老年人為主要對象的站乘型助行機(jī)器人“Winglet”，它主要用在地面平坦，地形簡單的步行場所。其尺寸為265*464*462mm，能達(dá)到6km/h的最高速度，每次充電可行駛5千米， 圖1.1 HITACHI助行機(jī)器人 每次需充電1小時(shí)，采用的便攜式結(jié)構(gòu)使得整個(gè)機(jī)器人的重量僅有9.9千克。通過對用戶中心的檢測，完成機(jī)器人的前后移動(dòng)。并通過轉(zhuǎn)速不同的左右車輪來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該機(jī)器人可通過機(jī)體的操縱桿實(shí)現(xiàn)不同的操縱方式，例如不用雙手就能操縱的Type S和Type M，以及傳統(tǒng)的使用雙手操縱控制的Type L。該3款類型均能行駛到5km以上。 1.2.2國內(nèi)助行機(jī)器人的研究 在國內(nèi)，一款由哈爾濱工程大學(xué)學(xué)生研制出實(shí)用性高的助行機(jī)器人能幫助殘疾人士或行動(dòng)不便的老年人起到一個(gè)行走康復(fù)訓(xùn)練和日常行走的作用。它具 圖1.2 多功能助行機(jī)器人 有輪椅的通用性，但又不盡相同，能夠輔助行走不便的人進(jìn)行日常行走，又能幫助殘障人士進(jìn)行行走康復(fù)訓(xùn)練，是一款集日常與康復(fù)于一體的多功能助行機(jī)器人。為了幫助殘疾人實(shí)現(xiàn)輔助行走訓(xùn)練，該機(jī)器人利用曲柄搖桿原理，使用戶行走時(shí)的軌跡與搖桿末端的軌跡重合，在軟件方面，腿部的行走機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)控制以單片機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，整體使得機(jī)器人能夠完成預(yù)定的設(shè)計(jì)思想。 22 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第2章 助行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 2.1助行機(jī)器人研制目標(biāo) 根據(jù)任務(wù)書的要求，改善現(xiàn)有助行機(jī)器人的行走輔助技術(shù)，并解決遇到的各類難題，為機(jī)器人輔助系統(tǒng)建立起一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。同時(shí)在助行機(jī)器人的研制過程中，要滿足操作臂與各類傳感器的集成需求 2.1.1適用環(huán)境分析 在當(dāng)下，助行機(jī)器人的設(shè)計(jì)還未成熟，不論是國內(nèi)還是國外的研制結(jié)果，對機(jī)器運(yùn)行時(shí)，地面的平整度要求都很高，不足以在室外復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行，而一款不能應(yīng)付復(fù)雜環(huán)境的助行機(jī)器人對于其推廣和發(fā)展有極大阻力。因此，一款能夠從容應(yīng)對各類地形的助行機(jī)器人有著極大的市場價(jià)值。本次打算研究的助行機(jī)器人，便是有著能適應(yīng)室外地形的機(jī)構(gòu)。為使用戶有平穩(wěn)的行走體驗(yàn)，在助行機(jī)器人上，通過采用傳感器的檢測調(diào)整，使得助行機(jī)器人的行走速度始終保持在用戶的控制范圍內(nèi)。 2.1.2使用人群分析 對老年人因?yàn)榧∪鉄o力，腿腳不便等情況和視力受損的沒有完全失明的人有較大用處，就國內(nèi)外狀況來看，主要的收益對象是老年人和殘疾人。在本次的研究中，為行走不便的老年人和攢殘疾人提供以正常日常行走和輔助康復(fù)訓(xùn)練為目標(biāo)。 2.1.3運(yùn)行速度 因?yàn)橹衅鞯淖饔檬禽o助用戶行走，而1m/s的速度與人步行速度差不多，因此，助行機(jī)器人的速度一般控制在1m/s以內(nèi)，與之前提及的機(jī)器人一樣，設(shè)計(jì)的速度并不快。所以在本次研制時(shí)，考慮到是機(jī)器設(shè)計(jì)初級階段和技術(shù)能力的欠缺，此次的助行機(jī)器人的最大速度使0.5m/s。 2.1.4工作時(shí)間和自重 根據(jù)老年人適當(dāng)?shù)男凶咤憻挄r(shí)間分析，工作時(shí)間定為4小時(shí)。助行機(jī)器人因其推廣限制，不能太過于笨重，而使得用戶難以接受。所以本次的樣機(jī)總重量為30公斤，其中包括機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)和電池等東西。 2.2助行機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 2.2.1初定方案 1）助行機(jī)器人采用便攜設(shè)計(jì)和人體工學(xué)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)更加合理，為方便用戶攜帶，應(yīng)選擇輕型材料。 2）適應(yīng)室內(nèi)/室外多種移動(dòng)地形：通過傳感器對路面的傾斜角和輪子的轉(zhuǎn)速的檢測，調(diào)整驅(qū)動(dòng)力的力矩和速度，使得用戶有個(gè)較好的行走體驗(yàn)并能提高能源的使用效率。 3）自定位與導(dǎo)航技術(shù)：針對復(fù)雜環(huán)境中機(jī)器人的自定位和導(dǎo)航問題，研究基于多傳感器的的自定位和導(dǎo)航方法； 4）健康監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)：對用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測和記錄，當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)，能夠自行報(bào)警；在特定區(qū)域內(nèi)，能自行回到安全區(qū)域并可由監(jiān)護(hù)人員對用戶進(jìn)行指導(dǎo) 2.2.2助行機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 自由度、工作空間、運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)動(dòng)精度、有效負(fù)載和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等是機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)。 1）自由度 在機(jī)器人上的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目即自由度。是根據(jù)機(jī)器人的用途來確定的，而本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要完成輔助用戶坐下，起立和行走的功能，以及躲避障礙物。 2）工作空間 機(jī)器人在一定條件下，它的臂桿的運(yùn)動(dòng)空間所形成的位置集合是工作空間。因?yàn)闄C(jī)械構(gòu)件的設(shè)計(jì)不完善或缺陷，機(jī)器人在執(zhí)行某項(xiàng)作業(yè)時(shí)，存在不能完成的區(qū)域，造成極大的不便。而對本文的機(jī)器人來說因?yàn)樾凶吆投惚苷系K的 復(fù)雜性，需要使機(jī)器人的工作空間盡可能的大，才能使機(jī)器人順利的完成各種規(guī)定動(dòng)作。 3）有效負(fù)載 工作時(shí)的機(jī)器人承受的支持力即負(fù)載能力稱為有效負(fù)載。機(jī)器人的負(fù)載質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)速度和加速度大小與方向方面決定著機(jī)器人的載荷。本文中的助行機(jī)器人的主要用戶是老年人，且為了能夠適應(yīng)多數(shù)人的重量和保證安全，將有效負(fù)載定位80公斤，以高速運(yùn)行時(shí)的負(fù)載為有效負(fù)載。 4）運(yùn)動(dòng)特性 速度和加速度是機(jī)器人的主要指標(biāo)。通過加強(qiáng)對機(jī)器人的控制保證機(jī)器人在行駛過程中平穩(wěn)行駛，也能通過提高速度來提高機(jī)器人的工作效率。雖然人的步行速度變化不大，但為了能適應(yīng)不同環(huán)境的要求，要求在一定范圍內(nèi)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。 5）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 因?yàn)槊嫦虻氖抢夏耆耸袌觯谑箼C(jī)器人滿足各項(xiàng)功能的情況下盡可能的降低成本，且隨著我國人口老齡化的現(xiàn)象的嚴(yán)重，推動(dòng)本機(jī)器人朝著市場方向發(fā)展。 2.2.3機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 底盤是整個(gè)機(jī)器人的基本機(jī)構(gòu)，它接受電機(jī)的動(dòng)力，并承擔(dān)安裝機(jī)器人電機(jī)和其他部件的整體造型。并滿足其能在復(fù)雜路況的平穩(wěn)行走。前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)是常見的3種驅(qū)動(dòng)方式。 1）前輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) PAM-AID助行器采用的是前輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此是通過兩個(gè)安裝電機(jī)的前輪改變方向，由于兩桿之間沒有連接，所以轉(zhuǎn)動(dòng)半徑受到限制變得很小。 2）后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 同前輪機(jī)構(gòu)相似，以兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器舉動(dòng)兩個(gè)后輪，但因?yàn)榍拜喌膬蓚€(gè)萬向輪使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)方向易于控制。以后輪驅(qū)動(dòng)的方式比前輪驅(qū)動(dòng)在崎嶇路面的行駛能力好。 3）四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) Walking Helper機(jī)器人能通過用戶施加在力傳感器的力的測量，控制四個(gè)輪子的自由行走與轉(zhuǎn)向。在本文中的機(jī)器人擬再用雙輪驅(qū)動(dòng)保證能有足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和輔助用戶行走。 2.2.4驅(qū)動(dòng)方式的選擇 在傳統(tǒng)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，有氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓三種類型。 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)是使其能夠以小到直接作為關(guān)節(jié)的一部分來輸出較大的驅(qū)動(dòng)力或力矩；然而油液的泄露作為液壓系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重影響到機(jī)器工作時(shí)的穩(wěn)定性和定位的精度，還會(huì)造成環(huán)境污染；成本較高的油源以及易燃，工作噪聲較大也造成了一定的負(fù)擔(dān)。因此，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于承載能力大，較為笨重的機(jī)器人。 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)雖然能源易取、且結(jié)構(gòu)簡單，但是在相同體積下，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率較小，且速度難以掌控，因此多用于精度要求不高的機(jī)器人中。 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)由于其優(yōu)秀的性能在機(jī)器人中的使用得到廣泛的應(yīng)用。它直接利用電機(jī)上產(chǎn)生的力或力矩，直接或簡介的來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此它的傳動(dòng)效率高，速度變化范圍大，且位置精度高。而電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為3種。其中控制簡單但功率不大的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為開環(huán)控制，適用于小功率低精度的機(jī)器人中。直流電機(jī)因?yàn)殡娝⒁啄p形成火花，易造成危險(xiǎn)，使得直流電機(jī)不再廣泛使用。交流電機(jī)逐漸成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。 本次的機(jī)器人縱向支持力最大為80公斤，且為了應(yīng)對室外的復(fù)雜環(huán)境采用的是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.2.5?助行機(jī)器人的材料選擇 機(jī)器人的材料選擇需要根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求、制作要求以及在使用中的工作環(huán)境和使用要求來選擇?？紤]因素有許多，例如強(qiáng)度、彈性、剛度價(jià)格等方面，可結(jié)合成四個(gè)方面：結(jié)構(gòu)性、輕型、剛性和衰減性。最后，這次的材料選擇為鋁合金，強(qiáng)度夠且材質(zhì)較輕。 2.3目前的助行機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)分析 國內(nèi)外的助行機(jī)器人的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面： 1)機(jī)器人過重：現(xiàn)有助行機(jī)器人重量較重離實(shí)現(xiàn)用戶隨聲身攜帶有較大差。 2)環(huán)境適應(yīng)能力差：大部分的助行機(jī)器人設(shè)計(jì)簡單，不能在室外復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)。 3)負(fù)載能力不足：由于便攜性的設(shè)計(jì)，使得材料的限制較大，能源的限制同樣使機(jī)器人不能承載較大的縱向負(fù)載力。即拒絕了一些潛在的體重較重的用戶，增大了助行機(jī)器人的推廣阻力。 4)助行機(jī)器人動(dòng)作不靈活：助行機(jī)器人需要能夠完成復(fù)雜的空間動(dòng)作才能提高輔助人行走的復(fù)雜性和精確性，如將助行機(jī)器人原地掉頭，需要較小的轉(zhuǎn)向半徑。 5)自定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的高昂價(jià)格：光雷達(dá)和視覺傳感器是輔助用戶能實(shí)現(xiàn)助行機(jī)器人的基本功能的重要部件，但在室外，不僅需要以上傳感裝置，還需要GPS來實(shí)時(shí)定位室外位置和傾斜儀來調(diào)整適應(yīng)路面，如此多而昂貴的傳感器使助行機(jī)器人不足以推廣。 綜上所述，助行機(jī)器人因?yàn)橹T多限制不能在國內(nèi)外全力推廣出來。因此，如何推廣助行機(jī)器人并讓社會(huì)上的群眾明白它的價(jià)值是現(xiàn)在急需考慮的問題。 第3章 助行機(jī)器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 不同的機(jī)器人有不同的機(jī)械設(shè)計(jì)，而助行機(jī)器人有以下幾個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1)助行機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)要求是能輔助用戶坐下、起立和輔助行走，由底盤和升降機(jī)構(gòu)組成。在底盤上裝有四個(gè)輪子，有兩個(gè)由單獨(dú)電機(jī)控制的主動(dòng)輪，以差速驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪，使整個(gè)機(jī)器人能完成前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，甚至在理論上可以實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)。升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2)因?yàn)檩喿邮褂盟欧刂乞?qū)動(dòng)，所以要求系統(tǒng)的告訴你剛度、運(yùn)動(dòng)精度和間隙有明確要求。 3)在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，因?yàn)榄h(huán)境的變化使機(jī)器人的狀態(tài)時(shí)刻改變，容易引起不良現(xiàn)象。同時(shí)機(jī)器人也是一個(gè)整體，所以在對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性、運(yùn)動(dòng)的靈活性和驅(qū)動(dòng)控制等方面。 通過對上述的分析，機(jī)器人的構(gòu)思是：在能夠完成基礎(chǔ)目標(biāo)的前提下，提高運(yùn)動(dòng)性能，選擇底盤的自由度；選擇輕型材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低整體重量；最后根據(jù)是從環(huán)境確定各個(gè)原件的選擇和擺放位置。 3.1助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模塊確定 根據(jù)上述分析，選用四輪驅(qū)動(dòng)，但有所變化的是，底盤輪子布置的個(gè)數(shù)和驅(qū)動(dòng)輪的個(gè)數(shù)。韓國理工大學(xué)學(xué)生研制的WAR助行機(jī)器人逐漸在市場上使用，并取得好評。該機(jī)器人便是由四輪機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)組成的。但是采用舵機(jī)控制輪子，雖然能加強(qiáng)移動(dòng)性，卻使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，伴隨而來的是成本的增加，因此本文使用底盤與升降機(jī)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)。只使用兩個(gè)后輪的差動(dòng)傳動(dòng)方式，前兩輪使用萬向輪，能實(shí)現(xiàn)機(jī)器的原地旋轉(zhuǎn)，結(jié)合了WAR的有點(diǎn)，又節(jié)省了成本。 3.2驅(qū)動(dòng)元和傳動(dòng)元件的選擇 3.2.1驅(qū)動(dòng)元件的選擇 在前文的設(shè)計(jì)中確定機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電動(dòng)方式。 在前文中，已經(jīng)確定采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。對電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)要求： 1)機(jī)械時(shí)間常數(shù)要小，起動(dòng)力矩要大，轉(zhuǎn)矩慣量比要大，減少反應(yīng)時(shí)間； 2)速度的調(diào)整范圍大，力矩較為平穩(wěn)，適應(yīng)各種環(huán)境要求； 3)有過載能力，有足夠的比熱容，能適應(yīng)惡劣環(huán)境； 3.2.2傳動(dòng)元件的選擇 機(jī)器人的使用，通常是運(yùn)行速度和控制精度越高越好，結(jié)構(gòu)緊湊，小而輕的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最為合適。通過對以下的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的介紹來選擇本文的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 1)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) a)齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：工作平穩(wěn)；速度范圍大；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點(diǎn)是：運(yùn)轉(zhuǎn)中易產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)使機(jī)構(gòu)磨損，沒有過載保護(hù)功能。 b)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)中運(yùn)用的最多的。其優(yōu)點(diǎn)是：沒有軸向力，對設(shè)計(jì)要求降低了許多；其缺點(diǎn)是：齒輪的尺寸隨傳動(dòng)比的增大而增大，必須提高精度減少傳動(dòng)空回。 c)諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 諧波齒輪傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大且范圍寬；構(gòu)造簡單，小而輕；傳動(dòng)效率高。其缺點(diǎn)是：輸入速度低；扭轉(zhuǎn)剛度低。 d)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 行星齒輪傳動(dòng)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，但有傳動(dòng)比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)?？勺鳛闇p速器或差速器，應(yīng)用廣泛。 e)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是：傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；但摩擦損失較大，所以傳動(dòng)效率低。能夠用在需要自鎖的關(guān)節(jié)處。 2)絲杠螺母傳動(dòng) 絲杠螺母傳動(dòng)有滑動(dòng)式、滾珠式和靜壓式等。機(jī)器人傳動(dòng)常用的絲杠是滾珠絲杠。由于是滾動(dòng)摩擦，所以效率高，使用壽命長，傳動(dòng)平穩(wěn)，但是因?yàn)榻Y(jié) 構(gòu)復(fù)雜，且需要額外裝置完成自鎖使得成本增加。。相反的，滑動(dòng)絲杠結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是摩擦力大的情況下，傳動(dòng)效率降低，精度下降，使用壽命減少。 3)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是把直線運(yùn)動(dòng)換成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是：體積小，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比大，可適用于軸間距大的傳動(dòng)。 4)其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還有平面連桿機(jī)構(gòu)、鋼帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鋼絲傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其中體積小質(zhì)量輕的鋼絲傳動(dòng)得到廣泛應(yīng)用。 3.3底盤模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 助行機(jī)器人的底盤模塊是機(jī)器人的基礎(chǔ)，使用相同模塊的驅(qū)動(dòng)輪，以差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)先是通過電機(jī)與離合氣的連接，使機(jī)器人有離合能力，通過錐齒輪減速箱帶動(dòng)鏈傳動(dòng)，之后使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.3.1底盤模塊的相關(guān)計(jì)算與電機(jī)選擇 1)驅(qū)動(dòng)輪的選擇 采用8英寸的充氣輪作驅(qū)動(dòng)輪，以差速驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)。 2)非驅(qū)動(dòng)輪的選擇 非驅(qū)動(dòng)輪承擔(dān)著轉(zhuǎn)向與承載的作用，所以采用6英寸的絲扣萬向輪。輪子材料為橡膠+鐵芯。 選用型號： 。 3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的選擇 1、電機(jī)功率的計(jì)算 功率計(jì)算： 由于 (3—1) 為傳動(dòng)總效率，初定為0.7，w為輪子轉(zhuǎn)速M(fèi)是驅(qū)動(dòng)力矩。水平牽引力為3公斤力，所以電機(jī)經(jīng)過減速器后產(chǎn)生的力矩為。 由前文的技術(shù)指標(biāo)可知，要求的行走速度是1m/s，其中輪子的半徑為10cm，所以輪子角速度為10rad/s,所需功率為42w。 4)直流伺服電機(jī)選擇原則 a)在運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的憐恤轉(zhuǎn)矩需要認(rèn)真對待，需要Mcont>MB。 b)在開始停止的工作狀態(tài)下，有效轉(zhuǎn)矩需要比電機(jī)的連續(xù)的轉(zhuǎn)矩小，即：Mcont>MRMS。 c)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大于峰值轉(zhuǎn)矩，即：MH>Mmax。 因?yàn)槭娝⒌碾姍C(jī)較大，能頻繁的啟動(dòng)斷開，承受大電流載荷。可按要求選擇德國saegmotor石墨電機(jī)。為了滿足工作要求，考慮余量最終使用58.5w的電機(jī)。 型號： 2個(gè)重約300g的36SYK62 23V 58.5w型號的石墨電機(jī)。 它的額定最大轉(zhuǎn)速為6200rpm大于最大轉(zhuǎn)速。 它的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大值為5740gcm大于峰值轉(zhuǎn)矩。 5)行星齒輪減速器選擇 根據(jù)輪子的直徑。選擇行星齒輪減速器來作為減速器，并假設(shè)總減速比是i，最大轉(zhuǎn)速是，空載轉(zhuǎn)速是， （3—2） 其中行星齒輪減速器的減速比，為鏈輪產(chǎn)生的傳動(dòng)比，取為2。； （3—3） 參考手冊，為了防止工作時(shí)的最大速度達(dá)不到，所以選用的減速器減速比略小，因此用i=16的行星齒輪減速器。型號是：P40HD 1:16。重量為244g。 6)編碼器選擇 通過參考使用的為編碼器型號： 256.256線。 7)制動(dòng)的選擇 工作時(shí)的最大速度不高，不需要額外的制動(dòng)器。 8)離合器的選擇 上文中，驅(qū)動(dòng)輪的最大力矩是1.47N.m，所以選擇的離合器參數(shù)是總寬43mm，電壓5v，動(dòng)力矩5N.m。參考使用的是A型HDLD2系列干式單片電磁離合器。 9)聯(lián)軸器的選用 因?yàn)樗x類型的離合器最小內(nèi)徑為15mm大于電機(jī)減速器的輸出軸直徑10mm，所以需要通過聯(lián)軸器的使用，才能控制電機(jī)的離合。在電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn) 的時(shí)候，因?yàn)樽饔昧Φ脑蚴橇卮笥诠ぷ髁??？紤]到安全因素，將安全率定為10，。 （3—4） 根據(jù)手冊，選擇聯(lián)軸器的容許常用扭矩要大于14.7N.m。電機(jī)減速器軸的輸入軸直徑為1d=10mm，輸出軸直徑2d=15mm，選用聯(lián)軸器的型號為MCO34-10-15，重量為154g。驗(yàn)證：最大允許扭矩為，最大允許轉(zhuǎn)速為。最大外徑為。 3.3.2樣機(jī)重要零部件設(shè)計(jì) 1)鏈輪鏈條傳動(dòng) 為使傳動(dòng)比不僅高且穩(wěn)，將因?yàn)殡姍C(jī)軸線與驅(qū)動(dòng)輪垂直布置；并且在同樣條件下，鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)緊。能在高溫，低速下正常工作，鏈輪鏈條傳動(dòng)的工作環(huán)境適應(yīng)力好。電機(jī)功率選用，鏈輪鏈條的傳動(dòng)比取為。 1) 選擇鏈輪齒數(shù)， 查表可選得=10，==20。 圖3.1 從鏈輪零件 2）計(jì)算鏈節(jié)數(shù) 初步取 取偶數(shù)值， 節(jié)。 圖3.2 鏈條 3）選取鏈節(jié)距p 根據(jù)電機(jī)經(jīng)過減速器后的轉(zhuǎn)速 為和電機(jī)額定功率，可得出P=40。 4） 確定實(shí)際中心距離a： （3—5） 查詢MISUMI，選取鏈條型號：與電機(jī)減速器軸連接。? 2)固定心軸的設(shè)計(jì) 心軸主要承受彎矩，所以選用的材料為45鋼，為了盡可能的增大彎矩，材料還需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，使抗彎許用拉應(yīng)力達(dá)到275MPa。 在這里估算彎曲正應(yīng)力：F1為所受彎曲力，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)部軸承受的徑向力。 F1取即定值50kg。根據(jù)鋼度條件式： 經(jīng)過受力分析， （3—6） 以最小軸直徑配合的安全系數(shù)和充氣輪軸承為方案，其中孔徑最小軸直徑為16mm，因此彎曲剪切應(yīng)力校核計(jì)算如下： 安全系數(shù)取2.5，r=0.008m （3—7） 軸的兩端分別為螺母和法蘭盤，且在螺紋一端有螺母能夠鎖死，螺紋直徑為M12，長度為15mm。 3)懸臂梁的設(shè)計(jì) 懸梁臂主要受彎矩，其中電機(jī)安裝在上面，心軸也通過螺紋安裝在上面。最初設(shè)計(jì)為12×80的長方形截面，長度為580mm?？v向支持力由兩根懸梁臂共同支撐位25kg，計(jì)算得出：當(dāng)截面形狀為矩形12×80時(shí)： ， （3—8） 圖3.3 懸臂梁 3.3.3傘齒輪設(shè)計(jì) 電機(jī)軸90度的換向通過傘齒輪實(shí)現(xiàn)。再根據(jù)載荷選擇傳動(dòng)比為1模數(shù)為2的KHK傘齒輪：SMS2-20L與SMS2-20L。容許扭矩皆為0.8707N.m。 3.3.4驅(qū)動(dòng)輪模塊設(shè)計(jì) 應(yīng)對機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境的行走能力，并使結(jié)構(gòu)簡單、重量降低的目的。 圖3.4 驅(qū)動(dòng)模塊 3.3.5非驅(qū)動(dòng)輪模塊 通過使用萬向輪和安裝裝置的組成能保證螺母的拆裝便攜性和拆裝空間。高強(qiáng)度的安裝板也能方便整體裝配性能。 3.4輔助升降機(jī)構(gòu) 輔助升降機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)用戶起立坐下的機(jī)構(gòu)，對升降機(jī)構(gòu)有以下幾點(diǎn)要求： 1、強(qiáng)度要大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； 2、工作中不能出現(xiàn)卡死等情況； 3、要有能支持用戶完成站立的高度； 4、結(jié)構(gòu)合理，要有自鎖。 圖3.5 輔助升降機(jī)構(gòu) 3.4.1確定設(shè)計(jì)方案 因?yàn)樯禉C(jī)構(gòu)使用絲杠螺母機(jī)構(gòu)，而在使用中需要使升降機(jī)構(gòu)有自鎖功能，所以可以用蝸輪蝸桿減速器來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的自身重量和用戶的重量會(huì)對升降機(jī)構(gòu)造成較大負(fù)擔(dān)，因此升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮這個(gè)方面，要有足夠的剛度和強(qiáng)度。此前的助行機(jī)器人有許多值得參考的地方。 3.4.2絲杠螺母選擇 通過對機(jī)構(gòu)升起的高度、運(yùn)動(dòng)范圍、負(fù)載和重量考慮，直徑初選用20mm。采用靜載荷為1470的滿足設(shè)計(jì)要求。 對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮，絲杠選用的是單線，導(dǎo)程為5。 載荷校驗(yàn)計(jì)算 絲杠細(xì)長比: L=359mm是工作長度， 為絲杠長度系數(shù)， =17mm是小徑。 =0.6。代入各項(xiàng)數(shù)據(jù): （3—9） 其工作時(shí)的應(yīng)力為： （3—10） 而 ，滿足條件，為折減系數(shù)0.86.滿足條件。 圖3.6 絲杠 3.4.3電機(jī)及減速器等的選擇 驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的電機(jī)由聯(lián)軸器連接，由螺母帶動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 1)功率計(jì)算和電機(jī)選擇 設(shè)定絲杠工作最大速度。 參考輸出扭矩等數(shù)據(jù)。還是選擇上述使用的電機(jī)，并對照手冊選擇， 2)聯(lián)軸器的選用 因?yàn)辇X輪傳動(dòng)系統(tǒng)并不帶自鎖功能，所以不選用齒輪連接。這里選用電機(jī)-渦輪蝸桿-絲杠傳動(dòng)鏈接進(jìn)行設(shè)計(jì)。 a)聯(lián)軸器傳遞扭矩的確定： 由上面的結(jié)果可知，電機(jī)最大扭矩為0.87N.m，聯(lián)軸器的規(guī)格要小且轉(zhuǎn)速大。因?yàn)殡姍C(jī)頻繁的正反轉(zhuǎn)，初定限制安全率至10，0.87×10=8.7N.m。減速器軸初定直徑14mm，輸出軸直徑是12mm。 b)聯(lián)軸器型號的選取： 由配套型號暫定選取為MISUMI-MCO30-14-12，最大允許轉(zhuǎn)速為6200rpm,最大允許扭矩為15N.m，重100g. 圖3.7 效果圖 結(jié) 論 根據(jù)我國現(xiàn)狀，助行機(jī)器人是當(dāng)前的研究方向，是一種集輔助行走、輔助起立和康復(fù)訓(xùn)練為一體的機(jī)器人。 通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使機(jī)器人能輔助用戶行走，有承載能力能滿足各項(xiàng)要求。還需完成的研究是： 1．在近一步調(diào)試機(jī)器人的同時(shí)，對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，完善控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分利用傳感器的作用。 2．為使機(jī)器人盡快實(shí)現(xiàn)便攜性，盡快推進(jìn)模塊化的設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全、便捷、多樣化的重要步驟 3.通過對結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提升機(jī)器人的舒適、安全、平穩(wěn)性。 4．提升材料的剛性，并加強(qiáng)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)負(fù)載能力。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 錢善華等 救災(zāi)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與煤礦救災(zāi)的應(yīng)[J]. 機(jī)器人 2006(5) [2] 朱斌等 煤礦探測救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J] 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新 2013(11) [3] 宋永端 主編.移動(dòng)機(jī)器人及其自主化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2012 [4] Gordon McComb 著.機(jī)械人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社 2008 [5] 方芳 助行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 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