智能助行機器人設(shè)計—行走機構(gòu)與機械系統(tǒng)設(shè)計

智能助行機器人設(shè)計—行走機構(gòu)與機械系統(tǒng)設(shè)計,智能,機器人,設(shè)計,行走,機構(gòu),機械,系統(tǒng) 目錄 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 智能助行機器人設(shè)計—行走機構(gòu)與機　　 械系統(tǒng)設(shè)計 　 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)外研究的助行機器人 5 1.2.1日本助行機器人 5 1.2.2國內(nèi)助行機器人的研究 6 第2章 助行機器人的總體設(shè)計方案 8 2.1助行機器人研制目標 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運行速度 8 2.1.4工作時間和自重 9 2.2助行機器人設(shè)計方案 9 2.2.1初定方案 9 2.2.2助行機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 9 2.2.3機構(gòu)設(shè)計分析 10 2.2.4驅(qū)動方式的選擇 11 2.2.5?助行機器人的材料選擇 11 2.3目前的助行機器人的優(yōu)缺點分析 11 第3章 助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 3.1助行機器人的機構(gòu)模塊確定 13 3.2驅(qū)動元和傳動元件的選擇 14 3.2.1驅(qū)動元件的選擇 14 3.2.2傳動元件的選擇 14 3.3底盤模塊的機構(gòu)設(shè)計 15 3.3.1底盤模塊的相關(guān)計算與電機選擇 15 3.3.2樣機重要零部件設(shè)計 17 3.3.3傘齒輪設(shè)計 19 3.3.4驅(qū)動輪模塊設(shè)計 19 3.3.5非驅(qū)動輪模塊 20 3.4輔助升降機構(gòu) 20 3.4.1確定設(shè)計方案 20 3.4.2絲杠螺母選擇 21 3.4.3電機及減速器等的選擇 21 結(jié) 論 23 參考文獻 25 致 謝 25 II 智能助行機器人設(shè)計—行走機構(gòu)與機械系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 通過對機器人的研究開發(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器人。但目前國內(nèi)外的助行機器人的缺點較多：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，并完成機器人的機械設(shè)計、運動學(xué)分析等方面。 根據(jù)分析出的機器人的研制目標，最終確定出機器人的總體設(shè)計方案。通過機器人的設(shè)計特點和相關(guān)元件著手，確定電機以鏈傳動帶動后輪差動方式驅(qū)動的機器人行走，以絲杠螺母的方式輔助用戶完成站立坐下等動作，再以蝸輪蝸桿完成自鎖。 關(guān)鍵詞：機器人，機構(gòu)設(shè)計，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)研究報告表明，目前我國正在進入快速老齡化階段，據(jù)推算，在2020年，我國將有2.5億的老年人口。與此同時，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。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)外研究的助行機器人 1.2.1日本助行機器人 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助行機器人 每次需充電1小時，采用的便攜式結(jié)構(gòu)使得整個機器人的重量僅有9.9千克。通過對用戶中心的檢測，完成機器人的前后移動。并通過轉(zhuǎn)速不同的左右車輪來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該機器人可通過機體的操縱桿實現(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)生研制出實用性高的助行機器人能幫助殘疾人士或行動不便的老年人起到一個行走康復(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行日常行走，又能幫助殘障人士進行行走康復(fù)訓(xùn)練，是一款集日常與康復(fù)于一體的多功能助行機器人。為了幫助殘疾人實現(xiàn)輔助行走訓(xùn)練，該機器人利用曲柄搖桿原理，使用戶行走時的軌跡與搖桿末端的軌跡重合，在軟件方面，腿部的行走機構(gòu)與驅(qū)動輪的運動控制以單片機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，整體使得機器人能夠完成預(yù)定的設(shè)計思想。 22 第3章 助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 第2章 助行機器人的總體設(shè)計方案 2.1助行機器人研制目標 根據(jù)任務(wù)書的要求，改善現(xiàn)有助行機器人的行走輔助技術(shù)，并解決遇到的各類難題，為機器人輔助系統(tǒng)建立起一個標準平臺。同時在助行機器人的研制過程中，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 在當下，助行機器人的設(shè)計還未成熟，不論是國內(nèi)還是國外的研制結(jié)果，對機器運行時，地面的平整度要求都很高，不足以在室外復(fù)雜的環(huán)境下運行，而一款不能應(yīng)付復(fù)雜環(huán)境的助行機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器人有著極大的市場價值。本次打算研究的助行機器人，便是有著能適應(yīng)室外地形的機構(gòu)。為使用戶有平穩(wěn)的行走體驗，在助行機器人上，通過采用傳感器的檢測調(diào)整，使得助行機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 對老年人因為肌肉無力，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。 2.1.3運行速度 因為助行器的作用是輔助用戶行走，而1m/s的速度與人步行速度差不多，因此，助行機器人的速度一般控制在1m/s以內(nèi)，與之前提及的機器人一樣，設(shè)計的速度并不快。所以在本次研制時，考慮到是機器設(shè)計初級階段和技術(shù)能力的欠缺，此次的助行機器人的最大速度使0.5m/s。 2.1.4工作時間和自重 根據(jù)老年人適當?shù)男凶咤憻挄r間分析，工作時間定為4小時。助行機器人因其推廣限制，不能太過于笨重，而使得用戶難以接受。所以本次的樣機總重量為30公斤，其中包括機器人的整體機構(gòu)和電池等東西。 2.2助行機器人設(shè)計方案 2.2.1初定方案 1）助行機器人采用便攜設(shè)計和人體工學(xué)設(shè)計，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)動力的力矩和速度，使得用戶有個較好的行走體驗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)測與報警系統(tǒng)：對用戶進行實時健康監(jiān)測和記錄，當遇到突發(fā)狀況時，能夠自行報警；在特定區(qū)域內(nèi)，能自行回到安全區(qū)域并可由監(jiān)護人員對用戶進行指導(dǎo) 2.2.2助行機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 自由度、工作空間、運動特性、運動精度、有效負載和經(jīng)濟性指標等是機器人的基本技術(shù)參數(shù)。 1）自由度 在機器人上的獨立坐標軸運動的數(shù)目即自由度。是根據(jù)機器人的用途來確定的，而本文設(shè)計的機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 機器人在一定條件下，它的臂桿的運動空間所形成的位置集合是工作空間。因為機械構(gòu)件的設(shè)計不完善或缺陷，機器人在執(zhí)行某項作業(yè)時，存在不能完成的區(qū)域，造成極大的不便。而對本文的機器人來說因為行走和躲避障礙的 復(fù)雜性，需要使機器人的工作空間盡可能的大，才能使機器人順利的完成各種規(guī)定動作。 3）有效負載 工作時的機器人承受的支持力即負載能力稱為有效負載。機器人的負載質(zhì)量，運動速度和加速度大小與方向方面決定著機器人的載荷。本文中的助行機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，將有效負載定位80公斤，以高速運行時的負載為有效負載。 4）運動特性 速度和加速度是機器人的主要指標。通過加強對機器人的控制保證機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)可進行調(diào)節(jié)。 5）經(jīng)濟性指標 因為面向的是老年人市場，在使機器人滿足各項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)象的嚴重，推動本機器人朝著市場方向發(fā)展。 2.2.3機構(gòu)設(shè)計分析 底盤是整個機器人的基本機構(gòu)，它接受電機的動力，并承擔安裝機器人電機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、后輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動是常見的3種驅(qū)動方式。 1）前輪驅(qū)動機構(gòu) PAM-AID助行器采用的是前輪驅(qū)動機構(gòu)，因此是通過兩個安裝電機的前輪改變方向，由于兩桿之間沒有連接，所以轉(zhuǎn)動半徑受到限制變得很小。 2）后輪驅(qū)動機構(gòu) 同前輪機構(gòu)相似，以兩個驅(qū)動器舉動兩個后輪，但因為前輪的兩個萬向輪使得整個運動方向易于控制。以后輪驅(qū)動的方式比前輪驅(qū)動在崎嶇路面的行駛能力好。 3）四輪驅(qū)動機構(gòu) Walking Helper機器人能通過用戶施加在力傳感器的力的測量，控制四個輪子的自由行走與轉(zhuǎn)向。在本文中的機器人擬再用雙輪驅(qū)動保證能有足夠的動力驅(qū)動平臺和輔助用戶行走。 2.2.4驅(qū)動方式的選擇 在傳統(tǒng)的機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，有氣動、電動和液壓三種類型。 1）液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點 液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點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)動力或力矩；然而油液的泄露作為液壓系統(tǒng)的最大缺點會嚴重影響到機器工作時的穩(wěn)定性和定位的精度，還會造成環(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擔。因此，液壓驅(qū)動系統(tǒng)適用于承載能力大，較為笨重的機器人。 2）氣動驅(qū)動系統(tǒng)的特點 氣動驅(qū)動系統(tǒng)雖然能源易取、且結(jié)構(gòu)簡單，但是在相同體積下，氣動驅(qū)動系統(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器人中。 3）電動驅(qū)動系統(tǒng)的特點 電動驅(qū)動系統(tǒng)由于其優(yōu)秀的性能在機器人中的使用得到廣泛的應(yīng)用。它直接利用電機上產(chǎn)生的力或力矩，直接或簡介的來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，因此它的傳動效率高，速度變化范圍大，且位置精度高。而電動驅(qū)動系統(tǒng)又分為3種。其中控制簡單但功率不大的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)為開環(huán)控制，適用于小功率低精度的機器人中。直流電機因為電刷易磨損形成火花，易造成危險，使得直流電機不再廣泛使用。交流電機逐漸成為機器人的主要驅(qū)動器。 本次的機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)境采用的是電動驅(qū)動系統(tǒng)。 2.2.5?助行機器人的材料選擇 機器人的材料選擇需要根據(jù)機器人的設(shè)計要求、制作要求以及在使用中的工作環(huán)境和使用要求來選擇。考慮因素有許多，例如強度、彈性、剛度價格等方面，可結(jié)合成四個方面：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，強度夠且材質(zhì)較輕。 2.3目前的助行機器人的優(yōu)缺點分析 國內(nèi)外的助行機器人的缺點主要體現(xiàn)在以下方面： 1)機器人過重：現(xiàn)有助行機器人重量較重離實現(xiàn)用戶隨聲身攜帶有較大差。 2)環(huán)境適應(yīng)能力差：大部分的助行機器人設(shè)計簡單，不能在室外復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)。 3)負載能力不足：由于便攜性的設(shè)計，使得材料的限制較大，能源的限制同樣使機器人不能承載較大的縱向負載力。即拒絕了一些潛在的體重較重的用戶，增大了助行機器人的推廣阻力。 4)助行機器人動作不靈活：助行機器人需要能夠完成復(fù)雜的空間動作才能提高輔助人行走的復(fù)雜性和精確性，如將助行機器人原地掉頭，需要較小的轉(zhuǎn)向半徑。 5)自定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的高昂價格：光雷達和視覺傳感器是輔助用戶能實現(xiàn)助行機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來實時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器人不足以推廣。 綜上所述，助行機器人因為諸多限制不能在國內(nèi)外全力推廣出來。因此，如何推廣助行機器人并讓社會上的群眾明白它的價值是現(xiàn)在急需考慮的問題。 第3章 助行機器人各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 不同的機器人有不同的機械設(shè)計，而助行機器人有以下幾個獨特的結(jié)構(gòu)特點： 1)助行機器人的機械設(shè)計要求是能輔助用戶坐下、起立和輔助行走，由底盤和升降機構(gòu)組成。在底盤上裝有四個輪子，有兩個由單獨電機控制的主動輪，以差速驅(qū)動的方式驅(qū)動主動輪，使整個機器人能完成前進后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，甚至在理論上可以實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)。升降機構(gòu)采用電機驅(qū)動。 2)因為輪子使用伺服控制驅(qū)動，所以要求系統(tǒng)的告訴你剛度、運動精度和間隙有明確要求。 3)在機器人運行時，因為環(huán)境的變化使機器人的狀態(tài)時刻改變，容易引起不良現(xiàn)象。同時機器人也是一個整體，所以在對機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性、運動的靈活性和驅(qū)動控制等方面。 通過對上述的分析，機器人的構(gòu)思是：在能夠完成基礎(chǔ)目標的前提下，提高運動性能，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)境確定各個原件的選擇和擺放位置。 3.1助行機器人的機構(gòu)模塊確定 根據(jù)上述分析，選用四輪驅(qū)動，但有所變化的是，底盤輪子布置的個數(shù)和驅(qū)動輪的個數(shù)。韓國理工大學(xué)學(xué)生研制的WAR助行機器人逐漸在市場上使用，并取得好評。該機器人便是由四輪機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)和升降機構(gòu)組成的。但是采用舵機控制輪子，雖然能加強移動性，卻使得整個結(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構(gòu)結(jié)合設(shè)計。只使用兩個后輪的差動傳動方式，前兩輪使用萬向輪，能實現(xiàn)機器的原地旋轉(zhuǎn)，結(jié)合了WAR的有點，又節(jié)省了成本。 3.2驅(qū)動元和傳動元件的選擇 3.2.1驅(qū)動元件的選擇 在前文的設(shè)計中確定機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用電動方式。 在前文中，已經(jīng)確定采用電動驅(qū)動方式。對電動驅(qū)動系統(tǒng)有以下幾點要求： 1)機械時間常數(shù)要小，起動力矩要大，轉(zhuǎn)矩慣量比要大，減少反應(yīng)時間； 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傳動元件的選擇 機器人的使用，通常是運行速度和控制精度越高越好，結(jié)構(gòu)緊湊，小而輕的傳動機構(gòu)最為合適。通過對以下的傳動機構(gòu)的介紹來選擇本文的傳動機構(gòu)。 1)齒輪傳動機構(gòu) a)齒輪傳動 齒輪傳動的優(yōu)點是：工作平穩(wěn)；速度范圍大；傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點是：運轉(zhuǎn)中易產(chǎn)生沖擊和振動使機構(gòu)磨損，沒有過載保護功能。 b)直齒圓柱齒輪傳動機構(gòu) 直齒輪傳動是傳動機構(gòu)中運用的最多的。其優(yōu)點是：沒有軸向力，對設(shè)計要求降低了許多；其缺點是：齒輪的尺寸隨傳動比的增大而增大，必須提高精度減少傳動空回。 c)諧波齒輪傳動機構(gòu) 諧波齒輪傳動有以下優(yōu)點：傳動比大且范圍寬；構(gòu)造簡單，小而輕；傳動效率高。其缺點是：輸入速度低；扭轉(zhuǎn)剛度低。 d)行星傳動機構(gòu) 行星齒輪傳動雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，但有傳動比大、效率高等優(yōu)點?？勺鳛闇p速器或差速器，應(yīng)用廣泛。 e)蝸桿傳動機構(gòu) 蝸桿傳動的特點是：傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；但摩擦損失較大，所以傳動效率低。能夠用在需要自鎖的關(guān)節(jié)處。 2)絲杠螺母傳動 絲杠螺母傳動有滑動式、滾珠式和靜壓式等。機器人傳動常用的絲杠是滾珠絲杠。由于是滾動摩擦，所以效率高，使用壽命長，傳動平穩(wěn)，但是因為結(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，滑動絲杠結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是摩擦力大的情況下，傳動效率降低，精度下降，使用壽命減少。 3)鏈傳動機構(gòu) 鏈傳動機構(gòu)是把直線運動換成回轉(zhuǎn)運動，或把回轉(zhuǎn)運動換成直線運動的機構(gòu)。其特點是：體積小，傳動效率高，傳動比大，可適用于軸間距大的傳動。 4)其他傳動機構(gòu) 其他傳動機構(gòu)還有平面連桿機構(gòu)、鋼帶傳動機構(gòu)和鋼絲傳動機構(gòu)等。其中體積小質(zhì)量輕的鋼絲傳動得到廣泛應(yīng)用。 3.3底盤模塊的機構(gòu)設(shè)計 助行機器人的底盤模塊是機器人的基礎(chǔ)，使用相同模塊的驅(qū)動輪，以差動驅(qū)動方式進行運動。驅(qū)動輪的傳動先是通過電機與離合氣的連接，使機器人有離合能力，通過錐齒輪減速箱帶動鏈傳動，之后使驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。 3.3.1底盤模塊的相關(guān)計算與電機選擇 1)驅(qū)動輪的選擇 采用8英寸的充氣輪作驅(qū)動輪，以差速驅(qū)動的方式運動。 2)非驅(qū)動輪的選擇 非驅(qū)動輪承擔著轉(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)電機驅(qū)動單元的選擇 1、電機功率的計算 功率計算： 由于 (3—1) 為傳動總效率，初定為0.7，w為輪子轉(zhuǎn)速M是驅(qū)動力矩。水平牽引力為3公斤力，所以電機經(jīng)過減速器后產(chǎn)生的力矩為。 由前文的技術(shù)指標可知，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)直流伺服電機選擇原則 a)在運行時，電機的憐恤轉(zhuǎn)矩需要認真對待，需要Mcont>MB。 b)在開始停止的工作狀態(tài)下，有效轉(zhuǎn)矩需要比電機的連續(xù)的轉(zhuǎn)矩小，即：Mcont>MRMS。 c)電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大于峰值轉(zhuǎn)矩，即：MH>Mmax。 因為石墨電刷的電機較大，能頻繁的啟動斷開，承受大電流載荷?？砂匆筮x擇德國saegmotor石墨電機。為了滿足工作要求，考慮余量最終使用58.5w的電機。 型號： 2個重約300g的36SYK62 23V 58.5w型號的石墨電機。 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)生的傳動比，取為2。； （3—3） 參考手冊，為了防止工作時的最大速度達不到，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)制動的選擇 工作時的最大速度不高，不需要額外的制動器。 8)離合器的選擇 上文中，驅(qū)動輪的最大力矩是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 因為所選類型的離合器最小內(nèi)徑為15mm大于電機減速器的輸出軸直徑10mm，所以需要通過聯(lián)軸器的使用，才能控制電機的離合。在電機進行正反轉(zhuǎn) 的時候，因為作用力的原因是力矩大于工作力矩?？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樣機重要零部件設(shè)計 1)鏈輪鏈條傳動 為使傳動比不僅高且穩(wěn)，將因為電機軸線與驅(qū)動輪垂直布置；并且在同樣條件下，鏈傳動的結(jié)構(gòu)緊。能在高溫，低速下正常工作，鏈輪鏈條傳動的工作環(huán)境適應(yīng)力好。電機功率選用，鏈輪鏈條的傳動比取為。 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)電機經(jīng)過減速器后的轉(zhuǎn)速 為和電機額定功率，可得出P=40。 4） 確定實際中心距離a： （3—5） 查詢MISUMI，選取鏈條型號：與電機減速器軸連接。? 2)固定心軸的設(shè)計 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 懸梁臂主要受彎矩，其中電機安裝在上面，心軸也通過螺紋安裝在上面。最初設(shè)計為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，計算得出：當截面形狀為矩形12×80時： ， （3—8） 圖3.3 懸臂梁 3.3.3傘齒輪設(shè)計 電機軸90度的換向通過傘齒輪實現(xiàn)。再根據(jù)載荷選擇傳動比為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)動輪模塊設(shè)計 應(yīng)對機器人復(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)動模塊 3.3.5非驅(qū)動輪模塊 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。高強度的安裝板也能方便整體裝配性能。 3.4輔助升降機構(gòu) 輔助升降機構(gòu)是實現(xiàn)用戶起立坐下的機構(gòu)，對升降機構(gòu)有以下幾點要求： 1、強度要大，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 輔助升降機構(gòu) 3.4.1確定設(shè)計方案 因為升降機構(gòu)使用絲杠螺母機構(gòu)，而在使用中需要使升降機構(gòu)有自鎖功能，所以可以用蝸輪蝸桿減速器來實現(xiàn)。機器人的自身重量和用戶的重量會對升降機構(gòu)造成較大負擔，因此升降機構(gòu)的設(shè)計要考慮這個方面，要有足夠的剛度和強度。此前的助行機器人有許多值得參考的地方。 3.4.2絲杠螺母選擇 通過對機構(gòu)升起的高度、運動范圍、負載和重量考慮，直徑初選用20mm。采用靜載荷為1470的滿足設(shè)計要求。 對機構(gòu)設(shè)計的考慮，絲杠選用的是單線，導(dǎo)程為5。 載荷校驗計算 絲杠細長比: L=359mm是工作長度， 為絲杠長度系數(shù)， =17mm是小徑。 =0.6。代入各項數(shù)據(jù): （3—9） 其工作時的應(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電機及減速器等的選擇 驅(qū)動滾珠絲杠的電機由聯(lián)軸器連接，由螺母帶動進行運動。 1)功率計算和電機選擇 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，并對照手冊選擇， 2)聯(lián)軸器的選用 因為齒輪傳動系統(tǒng)并不帶自鎖功能，所以不選用齒輪連接。這里選用電機-渦輪蝸桿-絲杠傳動鏈接進行設(shè)計。 a)聯(lián)軸器傳遞扭矩的確定： 由上面的結(jié)果可知，電機最大扭矩為0.87N.m，聯(lián)軸器的規(guī)格要小且轉(zhuǎn)速大。因為電機頻繁的正反轉(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?。? 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，助行機器人是當前的研究方向，是一種集輔助行走、輔助起立和康復(fù)訓(xùn)練為一體的機器人。 通過設(shè)計實驗，使機器人能輔助用戶行走，有承載能力能滿足各項要求。還需完成的研究是： 1．在近一步調(diào)試機器人的同時，對機器人的運動進行分析，完善控制系統(tǒng)設(shè)計，充分利用傳感器的作用。 2．為使機器人盡快實現(xiàn)便攜性，盡快推進模塊化的設(shè)計，是實現(xiàn)機器人安全、便捷、多樣化的重要步驟 3.通過對結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化提升機器人的舒適、安全、平穩(wěn)性。 4．提升材料的剛性，并加強機器的運動負載能力。 參考文獻 參考文獻 [1] 錢善華等 救災(zāi)機器人的研究現(xiàn)狀與煤礦救災(zāi)的應(yīng)[J]. 機器人 2006(5) [2] 朱斌等 煤礦探測救援機器人研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J] 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新 2013(11) [3] 宋永端 主編.移動機器人及其自主化技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社 2012 [4] Gordon McComb 著.機械人設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社 2008 [5] 方芳 助行機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. [學(xué)位論文] 2010 [6] 陳秉銘等. Pro/Engineering Wildfire 5.0 高級設(shè)計[M]. 人民郵電出版社 [7] 平偉. 智能助行機器人概念樣機設(shè)計[D]: 碩士學(xué)位論文 上海:上海交通大學(xué)，2009 [8] 狄子健.基于Pro/E的減速器產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計[D]: 碩士學(xué)位論文.大連:大連理工大學(xué)，2008 [9] 謝存禧，張鐵．機器人技術(shù)及其應(yīng)用．機械工業(yè)出版社，2005 [10] 丁化成，耿德根，李君凱．AVR單片機應(yīng)用設(shè)計[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2002 [11] 曾婧婧.楊平.徐春梅.蔣式勤.彭道剛機器導(dǎo)盲犬的設(shè)計與實現(xiàn)[J] 機電一體化2005,11(4) [12] Parametric Technology Corporation Pro/TOOLKIT User’s，Guide. Massachusetts，PTC 2001 [13] 王嵐，趙丹，隋立明．機電系統(tǒng)計算機控制[M]．哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006 [14] 葉濤．基于傳感器信息的移動機器人導(dǎo)航與控制研究[D].[學(xué)位論文]．北京：中國科學(xué)院研究生院。2003 [15] 李益民.機械制造工藝設(shè)計簡明手冊[M]. 北京.機械工業(yè)出版社 [16] 陳立德.機械裝備設(shè)計[M]．高等教育出版社 [17] 李雯雯. 基于多種傳感器的自動導(dǎo)航小車避障的研究[D].[學(xué)位論文]．西安：西安科技大學(xué) 2008 [18] 羅志增，蔣靜坪．機器人感覺與多信息融合[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003 [19] 韓雪峰. 導(dǎo)盲機器人[D].[學(xué)位論文]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué) 2009 [20] 平 偉. 智能助行機器人概念樣機設(shè)計[D].[學(xué)位論文]. 上海：上海交通大學(xué) 2009 25 致 謝 在論文完成之際，對我的導(dǎo)師鞠全勇表示崇高的敬意和誠摯的感謝。在本文次論文撰寫中，鞠老師在論文的選題、研究、撰寫等方面給予了悉心的指導(dǎo)，同時鞠老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)術(shù)水平、高度的責任心、豁達的性格和為人師表的道德品質(zhì)都深深地影響了我，使我終身收益。 此外，還要感寫我的同期在校同學(xué)給予的支持和幫助。同時還特別感謝我的專業(yè)課老師，是他們在學(xué)習上的熱情鼓勵和全力支持，以及在生活上的關(guān)心和體貼使我順利完成學(xué)業(yè)。 最后，再次向所有支持、幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們表示衷心的感謝。