助老服务机器人结构设计

目 录

摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国外助老服务机器人的研究 1
1.2.1 爱尔兰PAM-AID 助老服务机器人 1
1.2.2 美国SmartCane 助老服务机器人 2
1.2.3 韩国WAR 助老服务机器人 3
1.2.4 日本助老服务机器人 4
1.2.5 可穿戴的外骨骼式助老服务机器人 4
1.3 国内助老服务机器人的研究 5
1.3.1 多功能助老服务机器人 5
第2章 助老服务机器人的总体设计方案 8
2.1助老服务机器人研制目标 8
2.1.1适用环境分析 8
2.1.2使用人群分析 8
2.1.3运行速度 9
2.1.4工作时间和自重 9
2.2助老服务机器人的总体方案设计 9
2.2.1基本方案 9
2.2.2助老服务机器人的基本技术参数确定 10
2.2.3机构设计分析 11
2.2.4 驱动方式的选择 12
2.2.5 助老服务机器人的材料选择 13
2.2.6 助老服务机器人的整体控制方案 14
2.3. 现有的助老服务机器人的优缺点分析 15
2.4. 助老服务机器人的设计方案 16
2.5. 本章小结 17
第3章 助老服务机器人各组成部分结构设计 18
3.1助老服务机器人的机构模块确定 19
3.2. 驱动元件和传动元件的选择 20
3.2.1 驱动元件的选择 20
3.2.2 传动元件的选择 21
3.3. 底盘模块的机构设计 24
3.3.1 底盘模块的相关计算与电机选择 24
3.3.1.1 驱动轮的选择 24
3.3.1.2 非驱动轮的选择 24
3.3.1.3 电机驱动单元的选择 24
3.3.2 样机重要零部件设计 26
3.2.2.1、链轮链条传动 26
3.2.2.2、固定心轴的设计 27
3.2.2.3、 悬臂梁的设计 28
3.3.3 伞齿轮设计 29
3.3.4 驱动轮模块设计 29
3.3.5 非驱动轮模块 30
3.4. 辅助升降机构 30
3.4.1 确定设计方案 30
3.4.2 丝杠螺母选择 31
3.4.3 电机及减速器等的选择 32
3.4.3.1、功率计算和电机选择 32
3.4.3.2、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 50
第2章 助老服务机器人的总体设计方案
2.1助老服务机器人研制目标
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。因此在助老服务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老服务机器人，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老服务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，复杂地形的助老服务机器人。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老服务机器人研究的现状分析，本次项目打算能够研制一款助老服务机器人，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
部分助老服务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。本项目研制的助老服务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
一般助老服务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老服务机器人中，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
一般助老服务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。助老服务机器人一般都比较笨重，对于其普及和家用起到一定限制，少部分助老服务机器人深圳达到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，即助老服务机器人的机构重量包括电池在内不超过30 公斤。
2.2助老服务机器人的总体方案设计
2.2.1基本方案

1. 助老服务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助老服务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老服务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，才能完成辅助助老服务机器人的几大任务，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。就本文中的助老服务机器人样机而言，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。本文中助老服务机器人的作业对象为人，为了能适应大多人的重量，助老服务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。对于本文中的助老服务机器人，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，即人与助老服务机器人直接接触后，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
   本项目助老服务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
   目前国内外的助老服务机器人大部分都是由底盘机构和搀扶机构组成。其中助老服务机器人的底盘是整个机器人机构设计的基本机构，是安装助老服务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。所以本助老服务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
   而搀扶机构是助老服务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老服务机器人的高度。搀扶机构是助老服务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老服务机器人，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。