目 錄

摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國外助老服務機器人的研究 1
1.2.1 愛爾蘭PAM-AID 助老服務機器人 1
1.2.2 美國SmartCane 助老服務機器人 2
1.2.3 韓國WAR 助老服務機器人 3
1.2.4 日本助老服務機器人 4
1.2.5 可穿戴的外骨骼式助老服務機器人 4
1.3 國內助老服務機器人的研究 5
1.3.1 多功能助老服務機器人 5
第2章 助老服務機器人的總體設計方案 8
2.1助老服務機器人研制目標 8
2.1.1適用環境分析 8
2.1.2使用人群分析 8
2.1.3運行速度 9
2.1.4工作時間和自重 9
2.2助老服務機器人的總體方案設計 9
2.2.1基本方案 9
2.2.2助老服務機器人的基本技術參數確定 10
2.2.3機構設計分析 11
2.2.4 驅動方式的選擇 12
2.2.5 助老服務機器人的材料選擇 13
2.2.6 助老服務機器人的整體控制方案 14
2.3. 現有的助老服務機器人的優缺點分析 15
2.4. 助老服務機器人的設計方案 16
2.5. 本章小結 17
第3章 助老服務機器人各組成部分結構設計 18
3.1助老服務機器人的機構模塊確定 19
3.2. 驅動元件和傳動元件的選擇 20
3.2.1 驅動元件的選擇 20
3.2.2 傳動元件的選擇 21
3.3. 底盤模塊的機構設計 24
3.3.1 底盤模塊的相關計算與電機選擇 24
3.3.1.1 驅動輪的選擇 24
3.3.1.2 非驅動輪的選擇 24
3.3.1.3 電機驅動單元的選擇 24
3.3.2 樣機重要零部件設計 26
3.2.2.1、鏈輪鏈條傳動 26
3.2.2.2、固定心軸的設計 27
3.2.2.3、 懸臂梁的設計 28
3.3.3 傘齒輪設計 29
3.3.4 驅動輪模塊設計 29
3.3.5 非驅動輪模塊 30
3.4. 輔助升降機構 30
3.4.1 確定設計方案 30
3.4.2 絲杠螺母選擇 31
3.4.3 電機及減速器等的選擇 32
3.4.3.1、功率計算和電機選擇 32
3.4.3.2、聯軸器的選用 32
結論 34
參考文獻 35
致謝 38
附錄1:文獻綜述 39
附錄2:開題報告 45
附錄3:外文翻譯 50
第2章 助老服務機器人的總體設計方案
2.1助老服務機器人研制目標
突破助老/助殘機器人的行走輔助關鍵技術，結合助行任務的功能要求，實現各項關鍵技術的演示驗證，概念樣機的技術指標達到國際先進水平。本課題將解決總體目標中的行走輔助技術難題，為各類性質輔助系統提供標準移動平臺。因此在助老服務機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適用環境分析
目前情況下，不管是在國外還是在國內研制的助老服務機器人，大部分都只能在室內環境運行，對地面平整度要求很高，即使少數可以在室外運行的助老服務機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格的使用環境下使用的話，必然沒有什么太大的實用價值。對于使用者來說，一款能夠適用與各種地面，復雜地形的助老服務機器人?？紤]國內外這些研究情況結合這次 863 項目的研究和對國內助老服務機器人研究的現狀分析，本次項目打算能夠研制一款助老服務機器人，能夠適用于室內/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，進而控制驅動輪的力矩和速度，無論在室內的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶均能獲得平穩的行走體驗和高效的能源效率。
2.1.2使用人群分析
部分助老服務機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。本項目研制的助老服務機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。
2.1.3運行速度
一般助老服務機器人的速度一般在1m/s 以內，速度設計太快的話，一般需要比較大的電機而導致負重太大，而且一般沒必要，因為助行器的作用是輔助人行走， 1m/s 跟人走路的速度其實是差不多的，在之前描述的國內外助老服務機器人中，大部分機器人的設計速度都不快。在本樣機的研制中，設計助行器最大速度選為0.5m/s，綜合考慮了樣機設計的初級階段和項目組的技術能力。
2.1.4工作時間和自重
一般助老服務機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作業時間不超過10 小時，本樣機考慮的連續作業時間為大概4 小時。助老服務機器人一般都比較笨重，對于其普及和家用起到一定限制，少部分助老服務機器人深圳達到100 公斤，顯然對與一般用戶來說有些難以接受。本樣機的設計重量為30 公斤，即助老服務機器人的機構重量包括電池在內不超過30 公斤。
2.2助老服務機器人的總體方案設計
2.2.1基本方案

助老服務機器人擬采用便攜式助行器機構設計，采用人體工學的機構優化設計、材料的輕型化選擇，實現機構的便攜性。

適用于室內/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，進而控制驅動輪的力矩和速度，無論在室內的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶均能獲得平穩的行走體驗和高效的能源效率；

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

健康監測與報警系統：可以對操作者的健康狀態進行實時監測和記錄以無線方式將用戶信息及時傳送給監護人或醫療中心，并在操作者發生意外時自動報警；在一定區域內具有自主導航功能，并可以由監護人或醫療中心對操作者進行遠距離實時監護，進行遙操作控制，進行健康指導。
2.2.2助老服務機器人的基本技術參數確定
表示機器人特性的基本技術參數主要有自由度、工作空間、運動精度、有效負載、運動特性和經濟性指標等。
1．自由度
自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，機器人的自由度是根據其用途來設計的，可能少于六個自由度，也可能多于六個自由度。本文所設計的智能助老服務機器人樣機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機器人的幾大任務，具體的自由度數目在以后的章節中確定。
2．工作空間
工作空間是指機器人臂桿的末端或手腕中心在一定條件下所能到達空間的位置集合。因為末端執行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特征參數，所以是指不安裝末端操作器時的工作區域。工作空間的形狀和大小是十分重要的。機器人在執行某一作業時，可能會存在作業死區而不能完成任務。就本文中的助老服務機器人樣機而言，由于其行走和避障等任務的復雜性，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。
3．有效負載
有效負載是指機器人工作時機器人能承受的支持力，它表示了機器人的負載能力。機器人的載荷不僅僅取決于負載的質量，還與機器人運動的速度和加速度的大小及方向有關。為了安全起見，有效負載是指高速運行時的有效負載。本文中助老服務機器人的作業對象為人，為了能適應大多人的重量，助老服務機器人的有效負載暫且設定為80 公斤。
4．運動特性
速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。提高速度可以提高工作效率，因此提高機器人的加減速能力，保證機器人加速過程的平穩性是非常重要的。對于本文中的助老服務機器人，在沒有負載時可以適當地加快其運動速度；而在其有負載時，即人與助老服務機器人直接接觸后，為了安全起見，而且考慮人步行速度?？偟膩碚f，助行樣機的速度在一定范圍內要是可調的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。
5．經濟性指標
本項目助老服務機器人樣機設計準則是：不管是考慮機械設計的成本，還是導航系統的成本，到都盡量在滿足功能的情況下盡量降低成本，以使得本樣機以后能朝著市場化、商業化的步伐前進。
2.2.3機構設計分析
一、底盤機構分析
目前國內外的助老服務機器人大部分都是由底盤機構和攙扶機構組成。其中助老服務機器人的底盤是整個機器人機構設計的基本機構，是安裝助老服務機器人電機以及其他各個部件的整體造型，并且接受電機的動力，主要目的是滿足正常行走并可在不同路面下實現行走。底盤行走機構主要包括前輪驅動機構、后輪驅動機構以及四輪驅動機構。
1、前輪驅動機構
愛爾蘭的Shane MacNamara 等開發的叫PAM-AID 的助行器，底盤也是四個輪子，其中由兩個電機分別單獨驅動前輪，而且電機只負責改變輪子轉向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉向半徑很小。
2、后輪驅動機構
機器人采用兩個驅動電機驅動兩后輪的方式，前輪采用2 萬向輪使得運動方向容易控制，更安全。而后輪驅動則驅動力及爬坡等能力都比前輪驅動好，可以適應多種不同道路情況。
3、四輪驅動機構
Y.Hirata 等開發的Walking Helper，采用電動助步架結構，能夠根據力傳感器測量用戶施加的力，利用四輪驅動控制實現全向移動實現行走支持。所以本助老服務機器人機擬采用雙輪驅動，以提供足夠動力驅動平臺，必要時可以引導用戶行走。
二、攙扶機構分析
而攙扶機構是助老服務機器人輔助人坐下和站起的機構，也可以根據人身高和動作調節助老服務機器人的高度。攙扶機構是助老服務機器人的一個重要功能，對一個缺乏力量，需要輔助轉起來的殘疾人來說非常重要。韓國Hyeon-Min Shim 所開發的WAR的輔助坐下站立機構是利用電機帶動絲杠轉動的方法調節助行器高度。日本Yasuhiro NEMOTO用于提供老年人輔助動力的助行器，采用雙連桿機構，利用兩個電機控制連桿轉動和上升，升降高度可達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 等開發的帶輔助站立結構的康復助老服務機器人，采用一個具有高剛性、低成本的平行四桿機構，可以用比較小的電機就可以輔助一個成年人站起，并且這個機構可以承受很強的扭轉力矩，升降機構是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負載，對一些體力不足的老年人特別有用。這個樣機還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶的身體，保護用戶安全，不用擔心向前傾倒。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行走。

總結

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