基于麥克納姆輪的全方位機器人移動底盤的設計【含CAD圖紙、說明書】

圖書分類號：密 級：畢 業(yè) 設 計 說 明 書基于麥克納姆輪全方位機器人移動底盤的設計Based on Mecanum wheel omni -directional robot mobile chassis design學 生 姓 名學 號班 級指 導 教 師專 業(yè) 名 稱學 院 名 稱年 5 月 26 日畢業(yè)設計原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的畢業(yè)設計，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本設計說明書不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。論文作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設計版權協(xié)議書本人完全了解徐州工程學院關于收集、保存、使用畢業(yè)設計的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的畢業(yè)設計的知識產(chǎn)權歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交設計說明書的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許說明書被查閱和借閱。徐州工程學院可以公布說明書的全部或部分內(nèi)容，可以將說明書的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本說明書。論文作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘要基于 Mecanum 輪的全方位移動底盤具有較好的移動性能, 并且可以在任何方向上進行移動，且無需底盤進行旋轉運動。所以它的應用場合有很多，比如在狹小的空間環(huán)境和物流運輸中運用。本次論文設計了一種可行的 Mecanum 輪設計方案,基于此，自主設計和開發(fā)了基于 Mecanum 輪的全方位移動底盤。本次論文共分為 5 章。包括概論、移動底盤的總體結構、螺紋連接、部分結構和軸，滾動軸承。概論主要分析了國內(nèi)外機器人的發(fā)展狀況，發(fā)展的趨勢和本論文設計的內(nèi)容與意義。移動底盤總體結構主要從零件設計要求，Mecanum 輪的設計和材料的選擇以及輥子剛度校核來敘述。螺紋連接的內(nèi)容包括螺紋連接的基本類型，螺栓的選取和螺栓連接強度的計算。結構設計內(nèi)容包括滿足系統(tǒng)驅動性能的結構條件，Mecanum 輪布局形式的選擇和移動底盤電機的計算和選擇。軸和滾動軸承包括軸的直徑和長度的確定，軸的校核和滾動軸承使用壽命的校核。關鍵詞：Mecanum 輪；全方位；移動底盤IIAbstractThe omni-directional mobile chassis based on the Mecanum wheel has good mobility and can be moved in any direction without requiring a chassis for rotational movement. Therefore, there are many applications for it, such as the use of small space environment and logistics transportation. This paper designed a feasible Mecanum wheel design. Based on this, we independently designed and developed an all-round mobile chassis based on Mecanum wheels. This paper is divided into 5 chapters. Including the overview, the overall structure of the mobile chassis, threaded connections, parts of the structure and shaft, rolling bearings. The introduction mainly analyzes the development status of robots at home and abroad, the development trend and the content and significance of the design of this thesis. The overall structure of the mobile chassis is mainly described in terms of part design requirements, the design of the Mecanum wheel, the selection of materials, and the checking of the roll stiffness. The thread connection consists of the basic type of threaded connection, the selection of bolts and the calculation of the strength of the bolt connection. Structural design content includes structural conditions that satisfy the systems drive performance, selection of Mecanum wheel layouts, and calculation and selection of mobile chassis motors. Axis and rolling bearings include the determination of the diameter and length of the shaft, the check of the shaft and the checking of the service life of the rolling bearing.Keywords：mecanum wheel omni-direction mobile chassisIII目錄摘要 IAbstract.II1 概論 11.1 國內(nèi)外移動機器人的發(fā)展狀況 11.2 Mecanum 輪的現(xiàn)狀 .21.3 全方位移動機器人的發(fā)展趨勢 21.4 課題設計的內(nèi)容與意義 32 全方位移動底盤的原理及其總體設計 42.1 零件設計的主要要求 .42.2 全方位輪式移動機構的設計 .52.2.1 設計移動機器人主體時應遵循以下設計原則： .52.3 輪式移動底盤的總體結構圖 62.4 Mecanum 輪的關鍵技術 .72.4.1 Mecanum 輪的介紹 72.4.2 Mecanum 輪的設計研究 72.4.3 Mecanum 輪的材料要求 92.4.4 輥子校核 93 螺紋連接 .123.1 螺紋連接的基本類型 123.1.1 螺栓連接 .123.1.2 雙頭螺柱連接 .133.2 螺栓的選取 133.3 螺栓連接強度計算 134 結構設計 .154.1 滿足系統(tǒng)驅動性能的結構條件 154.2 麥克納姆輪布局結構形式選擇 154.3 Mecanum 移動底盤的電機的計算與選擇 .17第五章 軸和滾動軸承 195.1 軸直徑和長度的確定 19IV5.2 軸的校核 195.3 當量彎矩 205.4 軸強度校核 205.5 滾動軸承概述 225.6 滾動軸承的選擇 225.7 軸承的校核 225.8 校核軸承的使用壽命 23結論 .24致謝 .25參考文獻 .2611 概論 1.1 國內(nèi)外移動機器人的發(fā)展狀況移動機器人是機器人科學研究中的小小的一個分類。早在五六或十年甚至以前，一些國家就已經(jīng)進行著手于移動機器人的研究了。移動機器人所需要研究的內(nèi)容真是太多了，它包含了許許多多的復雜性內(nèi)容。第一，在設計全方位移動底盤之前你要認真的去想到底要選擇何種方式作為移動方式，在現(xiàn)實市場中主要有輪形式的、腿形式的、履帶形式的這幾種，在水下進行工作的機器人基本上都采用推進器。第二，要仔細的去思考如何去實現(xiàn)對驅動器的控制，讓機器人達到理想的運動狀態(tài)。第三，智能全方位移動底盤為了能更好的進行工作必然需要導航系統(tǒng)，所以在這方面要思考的內(nèi)容就非常的多而且也復雜的多，不僅要考慮到傳感融合，機器人工作時要進行特征提取還有障礙物避碰等影響。從以上所述的來看，移動機器人是一個擁有特別多功能的復雜性系統(tǒng)。從各個國家對移動機器人所深入研究的復雜內(nèi)容來看，我們發(fā)現(xiàn)了太多新的具有高難度的理論知識和工程技術難題，它引來了許多專家和工程技術職員的關注，更因為它有著比較多的應用場合，如軍事探察、探雷除危、核能、去污等危險和惡劣壞境，使得對它的研究成為國際上的焦點。國外在這方面的研究比國內(nèi)要早很多，不論機器人是在實際工作中的應用還是在機器人復雜的核心技術研究這一層面，做的非常好的國家就是日本和美國了。曾在某篇期刊上看見美國的一個科學委員會就對于這一行業(yè)有著一個預言:“在二十世紀中各個國家軍械庫里的坦克就是他們戰(zhàn)爭會使用的一個核心武器。為了避免戰(zhàn)爭中自己人的傷亡和作戰(zhàn)指令的迅捷化所以他們的核心武器都將采用無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，因而在 2000 年以后無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將會被每一個國家采用并實行”。所以從八十年間開始，美國國防專門為此制定了實地無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)術計劃。因此，在全世界每一個國家都極力的去發(fā)展和研究戶外型移動機器人。一開始他們對戶外機器人的研究項目主要是從兩個方向進行，一個是在系統(tǒng)結構方面還有一個就是信息處理方面，由此他們也為了這個項目開發(fā)了一個驗證機器人的實驗性系統(tǒng)。雖然機器人的功能有很多，但依然滿足不了人類對它的需求，這樣就導致了室外機器人還遠遠沒有達到人類理想的期想，但是使得關于機器人的技術研究得到快速的發(fā)展，從而進一步為人類研發(fā)制造智能機器人的道路積累了十分寶貴的經(jīng)驗，由于這方面經(jīng)驗的積累也使世界各個國家對機器人的研究發(fā)展起到了一個較大得推進作用。許多年以后，世界在發(fā)生變化人2類也在進步使得科學技術發(fā)生質一樣的飛躍，移動機器人慢慢在現(xiàn)實的基礎上開始嶄露頭角，在各個應用領域實現(xiàn)了快速的發(fā)展，向實用化、理想化邁進。地面移動機器人的種類繁多，可以解決用戶對移動機器人需求的多樣性。雖然移動機器人這個行業(yè)在現(xiàn)有的市場中沒有形成較大的規(guī)模，但龐大的市場需求使得移動機器人行業(yè)發(fā)展前景一片光明，為使這個產(chǎn)業(yè)形成一定規(guī)模有一個非常重要的因素就是要實現(xiàn)標準化，為使移動機器人達到理想的預期目標本文提出了移動底盤系統(tǒng)結構和驗證樣機作為移動底盤標準化并加以實現(xiàn)。1.2Mecanum 輪的現(xiàn)狀瑞典的 Mecanum 輪 AB 公司的工程師 BengtIlon 在一九七三年創(chuàng)造出了Mecanum 輪。之后， Mecanum 輪機器人的運動學模型是 Patrick Muir 用矩陣變換的方法設計創(chuàng)建出來的，并且該模型主要應用于導航、車輪打滑檢測和反饋控制算法設計中。目前，Mecanum 全方位移動技術在國內(nèi)的研究基本上還都停留在理論和實驗這兩個階段，國內(nèi)的一個企業(yè)中船重工 713 所研發(fā)出船用鏟運車和轉運車也是基于 Mecanum 輪的，但商業(yè)應用還沒有大規(guī)模的進行。主要還是因為該技術對制造精密度要求比較高，加工難度也是比較大的。1.3 全方位移動機器人的發(fā)展趨勢（1）與人類平時日常的生活和工作更為緊密的聯(lián)系起來，主要以為給人類帶來更多的輔助為主要的目的。也許過了多年后，每一個家庭都會擁有一種智能型機器人甚至會擁有的更多，這些機器人可以幫你完成很多的工作，比如燈光感應、家里的垃圾清理、洗碗、拖地等都可以由他們來替你完成，不僅可以大大的節(jié)約很多時間放在工作上，而且還能緩解在家中的勞累以減輕壓力，讓你更好的享受優(yōu)質的生活。在我們的國家機器人的應用也有很多，大部分年輕人都有過從網(wǎng)上的購物經(jīng)驗，當我們每下一個訂單，店家都會使用機器人來為我們從倉庫中取出對應的物品。（2）模仿性的大趨勢，最初的機器人都是模仿人的有手有腳有頭等。其實機器人的形狀還不僅僅是類似于人的，它也可以是一些小動物，比如做成狗形狀、貓形狀、馬形狀、魚形狀等。不同形狀的機器人用途也是各有千秋的，馬形狀的就可以用于電影的拍攝，如某些場景不合適用真正的馬去拍攝，和演員替身是一樣的道理，這個機器人馬也相當于一個替身，這時候它的作用就體現(xiàn)出來了。31.4 課題設計的內(nèi)容與意義本論文從實用的角度去設計一種全方向的機器人移動底盤，設計一種可用于家用或物流搬運的移動型機器人移動底盤，在查讀一定的材料和文獻進行基本認識后，把設計的底盤技術難點、采用何種結構、材料的選用為研究重點。機構以輪式結構進行運動，可以在比較平整的路面進行正常的工作并能實現(xiàn)全向運動。設計的內(nèi)容有：熟悉市場中出現(xiàn)的機器人移動底盤的結構，它是如何進行工作的原理是怎樣的，把它們的優(yōu)缺點找出來。最終在這些的基礎上設計出一個可以完成的方案。42 全方位移動底盤的原理及其總體設計 2.1 零件設計的主要要求 進行移動底盤設計時在機械結構方面主要有兩個方面的設計要求，一個是要對機器整機進行一個實用的設計，另一個是對組成這個移動底盤所需要的零件的設計，雖然它們的作用不一樣但它們的存在會相互聯(lián)系和相互產(chǎn)生影響。 我們設計機器時對它的使用功能也有一定的要求，首先所設計出來的東西肯定是要實現(xiàn)我們所需要的功能。除了上面所說的功能要求之外還要求產(chǎn)品操作簡單快捷、 工作效率要高、重量輕以便于攜帶、從外觀看要具有一定的美觀等。其次在設計產(chǎn)品時要嚴格控制好設計和制造的成本。在對零件進行研究制造時要按照它的主要要求來設計。在機械制造學科中，我們都知道構成機器最基本的部件就是機械零件，所以零件設計時采用的準則也是機器的設計的要求，對一個產(chǎn)品設計不僅僅是從功能要求出發(fā)和成本達到理想要求這兩方面考慮同時也要滿足機器的正常使用。 設計出來的產(chǎn)品必須要滿足在一定的年限內(nèi)可以進行正常的工作不允許存在重大的問題，這樣就可以使機器的功能滿足人類的需求按照所接收到的指令正常工作。為了達到上述的要求所設計的零件也要達到相關的標準，所以零件要滿足一系列的高標準，如零件的強度非常高、零件的剛度也非常高、零件的震動穩(wěn)定性也要更好等都要達到這種高標準，這些很優(yōu)秀的標準可以判斷一個零件是否工作性能好。在零件設計和制造時既要滿足良好的工作性能要求同時也要盡量減少零件的生產(chǎn)成本。這就要求我們在設計時要合理，正確的選擇材料和毛坯構造式樣、組件的結構要合理、零件加工的公差等級也要合理的選擇以及仔細認真的去考慮零件采用的加工技術和裝配工藝等，另外機器的零部件設計時也要采用部件的標準化、部件的系列化和部件的一般化。機器工作時動力就是由動力機提供，像內(nèi)燃機、氣輪機、電動機、電動馬達、水輪機等就可以直接用原生態(tài)資源（也稱為主要能源）或二次能源轉換成機械能。機器的執(zhí)行機構一般來說都是工作機，基本上都是用來實現(xiàn)機器的動力和運動能力，比如工作機就是機器人的終端執(zhí)行器。一種可以實現(xiàn)能量傳遞轉換和附帶其它效果的傳輸設備。52.2全方位輪式移動機構的設計2.2.1 設計移動機器人主體時應遵循以下設計原則： （1）機器人本體的總體結構應比較容易拆卸下來，不僅方便于平時的實驗，而且調(diào)試和修理都可以很容易的去完成。（2）在設計機器人的過程中，應給沒有安放的傳感器和功能部件等預留一定的空間位置，以備后續(xù)功能的改善和擴展做準備。全向輪式機器人三個自由度的運動分別是垂直、水平和旋轉。（3）相比其他移動型機構相同條件下車輪式的移動型機構的特征十分顯著的有下列所述的優(yōu)點：可以進行高速并且穩(wěn)定可靠的移動，高能量轉換和利用機構整體的控制結構比較簡單，現(xiàn)如今汽車制造行業(yè)的技術和經(jīng)驗已經(jīng)十分的發(fā)達和完善了，而且它可以從中獲取一定的技術和經(jīng)驗等。但是車輪式移動型機構最顯著的缺點就是移動只能在平面上進行。因此，大部分機器人工作的地方，除了一些非常特殊的地面和高低不平的山脈等自然環(huán)境外，基本上都是人們自行建造出來的單位。所以從這個層面上來說，車輪式移動機構其實可以說是有著非常高的使用意義。圖 2-1 顯示就是全向輪式移動機構的示意圖。在預期設計輪式移動機構時要求零半徑可以回轉、速度可以調(diào)控且還要便于控制。所設計機構上車轱轆的轉動和轉向都必須是單獨操縱的，全方位移動機器人的前后輪都采用成對驅動來控制轉向，要實現(xiàn)全方位運動及控制每個輪的轉動來實現(xiàn)。圖 2-1 全向輪式移動底盤機構示意圖62.3 輪式移動底盤的總體結構圖圖 22 Mecanum 輪移動底盤2.4Mecanum 輪的關鍵技術2.4.1Mecanum 輪的介紹圖 2-3 Mecanum 輪的具體結構7從上圖中可以很直觀的看出有若干個輥子以一定角度呈斜向分布在它的輪邊上，所以輪子才可以進行橫向移動，圖片中的輥子的母線形狀都比較怪異。當安裝在定主軸附近的車輪轉動時，圖中各個小輪子的包絡呈現(xiàn)出一個圓柱型表面,所以 Mecanum 輪可以連續(xù)不停地向前面進行滾動。移動性好和安全性高是 Mecanum 輪的優(yōu)點，因此它是一種很棒的全向輪。將四個這種輪子加以排列組合，這樣就可以實現(xiàn)機構全方位進行移動。2.4.2Mecanum 輪的設計研究圖 2-4 實體圖從上圖 2-4 中所示的 Mecanum 輪可以看見，它是由一個輪轂和一個非動力滾輪組成的并且安裝在輪轂外緣上與輪轂軸線也是呈一定角度的，無動力滾輪既可以圍繞輪轂軸進行公轉運動，也可以完全依靠地面的摩擦力繞各自的支撐芯軸進行自轉運動。有輪轂軸的組合速度和公轉和旋轉的方向有一定程度的夾角，而這個根本原因也發(fā)生在全向運動的運動學上。因為由若干個輥子組成的 Mecanum 輪的輪圈，所以為了讓 Mecanum 輪工作時的運動更加的穩(wěn)定，輪圈上的各個輥子的包絡面最終呈現(xiàn)出一個圓形的面。輥子曲面最終所設計成這樣的目的也是為了這個。8根據(jù)理論設計圓柱從而生成了 Mecanum 輪輥子的曲面，由下面的圖片 2-4-3 所示可以看出:點 A 以等速率在軸 z 的上面進行移動，同時也以等角速度繞著軸 z 進行旋轉運動，當運動到點 B 之后; 點 A 在圓柱面上的曲線形成的運動路線線段 AB， 夾角是 AB 直線與軸 z 之間所形成的一個角度，Mecanum 輪的輥子曲面是由 AB 曲線段繞 AB 直線段進行旋轉一周形成的。當三個參數(shù)W、 確定時，唯一確定的就是輥子曲面。圖 2-5 輥子的理論設計圓柱在設計時給定并選取了三個參數(shù) 即 w、r 和 ，輥子旋轉曲線輪廓是根據(jù)輥子曲面設計理論通過大量的計算出來的，如圖 2-5 所示，然后選取最小截面直徑，是根據(jù)輥子在 Mecanum 輪所安裝的方式來確定的。根據(jù)移動底盤的承載重量 30KG，按市場中一般選擇直徑為 280mm 的輪盤。選定的參數(shù)，生成圓柱厚度 W=85 mm，生成圓柱半徑=60mm，輥子偏置角 =45 ，最小截面圓0直徑 D =20mm，最大截面圓直徑 D =100mm，輥子長度 L=180mm。min max9圖 2-6 輥子曲線和立體圖圖 2-6 左邊是圓柱厚度為 85，半徑為 65 的輥子曲線，右圖是輥子 Mecanum輪的立體圖形。不管什么時刻只有 1 個滾輪與地面接觸時，即 =1 的，在某一個時間，如果有 2 個滾輪與地面同時接觸時， 的值是介于 1 和 2 之間的。2.4.3Mecanum 輪的材料要求為了將 Mecanum 輪設計成在滾輪表面的高摩擦系數(shù)并且改善 Mecanum 輪運動的平滑性，必須在滾輪的的外表面上加一層彈性材料。這種彈性材料要具有機械強度高、硬度度高、耐磨性能好等優(yōu)點。(1) 硬度: SHORE A20 至 SHORE A90 這一區(qū)間為橡膠的硬度范圍，SHORE A95 至 SHORE D100 這一區(qū)間為塑性材料的范圍。(2)機械強度：聚氨酯彈性體在有高硬度的同時也保持了良好的橡膠回彈性，所以它的承載能力也是十分高的。(3)耐磨性能：該材料的耐磨性能大概是天然橡膠的四五倍。(4)耐熱和耐氧化性能: 聚氨酯彈性體長時間連續(xù)不斷使用在空氣中的溫度極限是 到 90 之間，短時間內(nèi)使用的溫度可達到 120 。80C C102.4.4 輥子校核撓度： (2-7)32348LdEIPLf確定公式各參數(shù)：mm4 （2-8)744 105.36206DIa式中：I a表示為輥子截面的慣性矩。查表得：kgf52.9710aPkgf/m6.ED=20mmL=180mm得： （2-32348LdEIPLfa9） 081. 18024-810976.30623497 35 （2-8Lfa10）因為 ，所以輥子剛度滿足要求。af2.4.5 輥子強度校核危險截面直徑 D=20mm，是輥子最小截面直徑，因此只需校核此處。11kgfmm （2-7235.4910aIPM11）kgf/mm2 （2-7max32IDW12） mm3 533 107.20DW（2-13 ）式中 W表示 為抗彎截面系數(shù)。kgf/mm2 049（ 2-max3.71sIn14）所以安全，強度校核達到條件。123 螺紋連接3.1 螺紋連接的基本類型3.1.1 螺栓連接一般常見的螺栓連接如圖 3-1 所示。在被鏈接件上都設計了通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端把螺母旋上。這種鏈接結構的特點是被鏈接件上的通孔和螺栓桿之間會存在一定距離的間隙，通孔在設計加工時的加工精度要求相對比較低，并且它的整體結構也是比較簡單的，因此不管是安裝還是拆卸都是比較方便的。在使用時被連接件的材料可以是任意的，并不受到材料的局限性，所以它應用得地方是比較多的。圖 3-1b 是鉸制孔用螺栓連接的。孔和螺栓桿基本上多采用基孔制過渡配合 。67、 nHm這種連接可以能準確固定被連接件的相對位置，并能承受橫向載荷，但孔的加工精度要求較高。13圖 3-1 螺栓連接3.1.2 雙頭螺柱連接如圖 3-1a 所示，這種連接適用于結構上不能采用螺栓連接的場合，列如被連接件之一太厚不宜制成通孔，材料比較軟，而且需要經(jīng)常拆裝時，往往采用雙頭螺柱連接。3.2 螺栓的選取根據(jù)麥克納姆輪的承載力，底盤摩擦系數(shù) 0.15，承載重量 30 KG，移動速度 1.5m/s。選擇螺栓材料為 Q235、性能等級為 2.6 的螺栓，查機械設計一書表得該材料的屈服極限 =240M ，安全系數(shù)為 1.5，所以螺栓材料的許應力：saP（3-3）aaMPS1605.24根據(jù)下式可以得出螺栓危險截面直徑是：14mm （3-4 ）6.12014.379.1421 Fd按標準（GB/T196-2003），選用螺紋公稱直徑 d=16mm3.3 螺栓連接強度計算螺栓組一般所承受的載荷有軸向載荷、橫向載荷、彎矩和轉矩等。對于每一個使用的具體螺栓來說，它們的受載形式基本上只有兩種，一種是受軸向力，還有一種就是受橫向力。在軸向力同時也包含預緊力的作用下，螺栓桿和螺紋部分有可能會產(chǎn)生塑性變形或者斷裂；螺栓連接很少會因為靜載荷的存在而產(chǎn)生損壞的，只有在嚴重超重的情形下才會發(fā)生損壞，往往螺栓損壞的原因就是因為疲勞破壞。因為疲勞破壞而產(chǎn)生的斷裂往往是螺紋的根部，有的時候也會發(fā)生在螺栓頭與光桿的交界處。緊螺栓進行連接裝配時，螺母應當旋緊，在旋緊力的作用下，螺栓除了受到預緊力 的拉伸而產(chǎn)生拉伸應力外，還受到螺紋摩擦力矩的扭轉而產(chǎn)生扭轉0F切應力，使螺栓處于拉伸和扭轉的復合應力狀態(tài)下。所以當緊螺栓只承受預緊力時，計算強度要考慮這兩種力的作用。螺栓危險截面的拉伸應力是：（3-aMPdF6.120471205）式中： F工作拉力；螺栓危險斷面直徑；1d螺栓材料的拉應力。對于 M10M64 普通螺紋的鋼制螺栓，取1.08、 （3-04.1、70tan2dv，05.tan6）由此可得：（3-5.07）因為螺栓具有塑性的特性，所以依據(jù)第四強度理論，可以算出螺栓在預緊狀態(tài)下的應力是：15（3-83.12ca）當普通螺栓連接承受橫向載荷時，因為在預緊力的存在下，將在接觸面產(chǎn)生一種摩擦力來抵抗工作載荷。這時，螺栓應該只是承擔預緊力，而且預緊力是不會受到工作載荷存在而變化的，預緊力 F 的值是可以根據(jù)接觸面但不產(chǎn)生移動的條件確定。螺栓危險截面的拉伸強度條件為：MPa (3-9)16043.12dca這種緊固栓依靠摩擦力來承受工作載荷的連接，它要有比較大的預緊力，否則螺栓的整體結構尺寸會因為這個原因而增加。除了這個之外，螺栓在震動、沖擊或者受到的工作載荷變化的情形下，由于摩擦系數(shù) f 的值會存在一定的變化，這樣會使螺栓連接的可靠性會減少，從而導致零件的掉落。4 結構設計4.1 滿足系統(tǒng)驅動性能的結構條件對于四輪系統(tǒng)要應用到機器人市場中來說，機構不但要滿足運動學這個條件，而且機構還要具有良好的驅動性能和控制性。為了降低整個系統(tǒng)的設計制造成本，最初設計的所有 Mecanum 輪輥子偏置角采取的數(shù)值也是一樣的，而且必須對稱設計輪子的結構，安放時的方法是采用一個正放另一個反放，這樣我們就可以得到兩種輥子的偏置角大小相等而方向相反。除此之外，通常采取的輪結構布局形式是四個輪子關于車體幾何中心對稱，這樣就可以實現(xiàn)各輪的載荷分布均勻和系統(tǒng)支撐結構穩(wěn)定的優(yōu)點。即便這樣去設置，但四個輪子體制的設計結構形式還不止這些。不一樣的結構形式16的布局，很明顯它們也有著不一樣的的驅動性能。在某個運動方向上 Mecanum輪有一個比較大的缺點就是存在欠驅動現(xiàn)象，所以設計系統(tǒng)驅動性能時有它的基本要求即：（1）在三個自由度的方向上，系統(tǒng)的所有四個輪都是驅動輪，則該系統(tǒng)工作良好。（2）就算系統(tǒng)有欠驅動，欠驅動的方向也應該設計在不太重要的運動方向上。4.2 麥克納姆輪布局結構形式選擇（1）下面就介紹六種比較常用且具有象征性的四輪系統(tǒng)構造形式，如圖 4-1 所示，圖中阿拉伯數(shù)字 1、 2、 3、4 的方框就是代表四個輪子，每一個輪子觸碰到地上時輥子偏置角方向則是方框中的斜線。在表 1 中計算與六個布局和系統(tǒng)的結構參數(shù)相對應的逆運動學雅可比矩陣的秩等級 R 值。（2）能否滿足全向運動是運動學特性選擇系統(tǒng)結構形式的必有條件。從下面表格 1 可知：以下 6 個圖中只有圖(a)，圖(b) 、圖(d) 三個逆運動學雅可比矩陣秩排名（R）= 3 滿秩，即廣義逆陣。雅可比矩陣在其于三種構造樣式中都不是滿秩的，所以系統(tǒng)中一定存在奇異現(xiàn)象，從而使得移動底盤在一定方向上不能實現(xiàn)全向運動。從 3 種矩陣不滿秩的情況中，可以看到它們的共同特點是：這些滾輪都是安放在 Mecanum 輪上的同一個方向上的，所以該系統(tǒng)就不能實現(xiàn)全向動作。（3）結合系統(tǒng)傳動性能選擇，選擇滿足系統(tǒng)運動學要求的三種結構類型的動態(tài)性能描述如下：在如圖 4-1(a)設計結構形式中，當四個輪子的布局方式為正方形，當輥子偏置角都為 45 度時，這樣會使系統(tǒng)失去了 。原因在于采用了固 定 軸 旋 轉 能 力，因為四個輪子的 v1, v2, v3,v4 速度方向 在一正 方 形 布 局 構 造 樣 式 和 運 動 中 心條直線上，不管各個輪子的速度值進行怎樣的變化，它們都沒有辦法繞著 O 點進行轉動。所以該系統(tǒng)就沒有辦法完成全向運動。盡管布局結構系統(tǒng)逆運動學雅克比矩陣的秩曲線等于 3R 且排列滿，但他依然是有限的。所以它不是最優(yōu)的結構。如圖 4-2(b)所示的結構，系統(tǒng)不但可以進行全向動作，而且系統(tǒng)的駕駛性能很好，所以這種設計結構樣式是最優(yōu)的。因此選圖 b 作為基本結構。17圖 4-1 幾種常用四輪結構布局形式圖 4-2 構造形式的全向運動圖全方位運動系統(tǒng)的輪組有很多種設計構造樣式，而不是每一種設計構造樣式都可以進行全向動作，系統(tǒng)逆運動學雅克比矩陣是否列滿秩是判斷一個系統(tǒng)可以執(zhí)行全向動作性能好壞的必要條件。即使?jié)M足一定條件后，最佳結構設計的樣式也必須根據(jù)系統(tǒng)的驅動性能來選擇。4.3Mecanum 移動底盤的電機的計算與選擇因為直流電動機擁有著良好的調(diào)速平滑、易于進行快速啟動、比較容易控制和優(yōu)異的動態(tài)特性等的優(yōu)點，所以它一直是調(diào)速控制市場的佼佼者。雖然市18場中電動機的種類越來越多，但是在令人眼花繚亂的調(diào)速控制電動機市場中直流電動機依然是這個產(chǎn)品中的領跑者，直流電動機的應用前景也是十分龐多的。底盤摩擦系數(shù) 0.15，承載重量 30KG，移動速度 1.5m/s。選擇電動機的功率計算：移動底盤的受力圖如圖 4-2 所示：移動底盤所需的牽引力：（4-WfaF3） sinmgFW（4-4）（4-cosmgf5）式中 底盤移動需要的牽引力；aF因自身重力而產(chǎn)生的阻力；W底盤移動所受摩擦力。F圖 4-6 全方位移動底盤的受力簡圖則有：（4-cossinmgFa7）：摩擦系數(shù) ：最大爬坡的角度（據(jù)課題要求 可以按 0 計算）則機器人在水平面上運動的功率為：（4-WVFPa 15.68.93015.198）傳動裝置的總效率： （4-2BG9）傳動效率：（4-7.0G10）滾動軸承效率：（4-97.0B11）代入得到：（4-8.212）所需直流電機的最小的功率：（4-WpPw 2.68970/15.6/13）啟動時的力：（4-Nmguf 05.22893015.20 14）啟動摩擦力矩：（4-MNdfT 4.62580.21015）通過以上的比較和計算，決定選用 VTV YN70-15C 型可調(diào)速電動機（4-mDC8.1504.316）（4-in/815rsVN17）式中：C 底盤大輪的周長；D底盤大輪的直徑；20N可調(diào)電動機的轉數(shù)；V底盤的移動速度。所以為了滿足底盤的移動要求，可調(diào)速電動機的轉數(shù)決定控制在 50r/min。5 軸和滾動軸承5.1 軸直徑和長度的確定當零件在軸上的位置明確之后，軸具體的表面形狀也基本上隨之確定。軸直徑的數(shù)值是根據(jù)工作時傳動所承受的負載數(shù)值大小有關。在設計軸的結構之前最主要的是計算出傳動時所受到的扭矩，所以可以根據(jù)扭矩的數(shù)值大小來進一步算出軸的直徑數(shù)值。首先計算出軸作為承受扭矩軸段的最小直徑 ，最mind后再根據(jù)零件在軸上安放的具體位置按標準選取軸的直徑。根據(jù)扭矩強度計算：（5-TTdnPW32.0951）式中： 扭轉應力；TT 軸的扭矩；軸抗扭系數(shù)；WN 轉動速度；P 傳遞功率；D 軸的直徑；可用扭轉應力。T根據(jù)上式可就算出：(5-2)19.26m=502.06892.09533 nPdT所以根計算結果軸的直徑取 20mm。根據(jù)軸上零件的安裝，即輥子長度和輥子支架的厚度然后按標準選取軸的長度為 280mm。5.2 軸的校核已知軸的直徑為 D 為 20mm。21（1）轉矩： N.m10265T（2）求圓周力：（5-2603dFt3）（3）求徑向力：（5-4586N=2016TanTanFtr 4）（4）定跨距測跨：=65； =78； =431L23L（5-N478786032 FRbh5）N （5-121BHtDHF6）（5）垂直反力：N （5-3.29564785632LFRrDV7）N （5-71DVrBVRF8）5.3 當量彎矩（1）水平彎矩：N m （5-3.49784LRMBH 9）（2）垂直面彎矩：N m （5-121BVV 10）N m （5-.632LRMDVV11）22（3）總彎矩：N m （5-3221094.HVMM12）（4）扭矩：取 =0.6 得=0.6 1.26 10 =7.56 10 N m （5-13）T54（5）計算當量彎矩：N m （5-32210.8TMca14）5.4 軸強度校核（1）抗彎截面系數(shù)：mm （5-7852033dW315）（2）抗扭截面系數(shù)：mm （5-15702WT316）（3）彎曲應力：MPa （5-02.5WMb17）（4）剪切應力：0.8MPa （5-TW18）軸的材料為 40Cr，查文獻得：MPa， ， MPa 應力集中系數(shù) ，685BMPa3513513.1（5）材料敏感系數(shù)： ， 8.0q84.0q（5-9k19）（5-3.11q2320）（6）尺寸系數(shù)： ，6.08（7）軸表面質量系數(shù)： 92.0（8）材料特征系數(shù)： ，.3 取 0.120.1 取（5-1597.6092.mSk21）（5-11852.908.32940.40.6mSk22）則： （5-2229.708.791.5.caSS23）所以安全。5.5 滾動軸承概述 在現(xiàn)代機器中，滾動軸承是最常用且應用場合比較多的一個部件，它的工作原理是依靠主要元件之間的滾動接觸來進行支撐轉動零件的，如今市場中很大一部分的滾動軸承已經(jīng)實現(xiàn)了標準化，比較常用的滾動軸承是由一些專業(yè)性強規(guī)模大的工廠進行加工制造的并供應給市場。滾動軸承的優(yōu)點是比較多的，如在進行旋轉運動時它的旋轉精度比較高，啟動時所需要的的力矩是比較小的，種類多選擇性比較高。滾動軸承的主要結構 3 和保持架 4 等部分組、 滾 動 體它 是 由 內(nèi) 圈 1、 外 圈 2成。用來和軸頸部分接觸安置的部位是軸承的內(nèi)圈，和軸承座上的孔接觸安置的部位是外圈。一般情況下軸承在工作時主要是內(nèi)圈和軸頸是一起進行旋轉運動的，外圈通常是不進行轉動的，但有時候在特殊的情況下可以是外圈進行旋轉運動，內(nèi)圈不進行旋轉運動，二者也可以同時進行旋轉運動。當內(nèi)外圈保持相對運動時，它們之間的滾動體是沿著滾道進行滾動的。研究概述,研究方法,設計簡述,麥克納姆輪移動底盤設計 畢業(yè)答辯,學號：,指導老師：,20140601441,代素梅,答辯人：,高安俊,班級：,14機械單,論文結構,具體講述,畢設感悟,基于McNaum輪的全方位移動底盤具有出色的移動性能, 并且可以在任何方向上進行移動，而無需底盤進行旋轉運動。所以它的應用場合是十分多的，比如在空間狹小的環(huán)境和在物流運輸中運用。本次論文設計了一種可行的Mecanum輪設計方案,并基于Mecanum輪的全向移動底盤建立了運動學理論模型,它為全面的移動底盤控制算法提供了理論的基礎?；诖耍灾髟O計和開發(fā)了基于Mecanum輪的全方位移動底盤。,“,”,研究概述,研究方法,設計簡述,論文結構,具體講述,畢設感悟,研究方法,設計簡述,1,2,3,研究,研究目標,研究意義,研究的問題,機構以輪式結構進行運動，可以在比較平整的路面進行正常的工作并能實現(xiàn)全向運動。,對移動底盤總體進行設計，對重要零部件進行創(chuàng)新,主要研究的問題有：設計較為優(yōu)質的移動底盤主體結構、主要參數(shù)的選擇與計算,研究概述,論文結構,具體講述,畢設感悟,1,2,3,查閱資料了解麥克納姆輪移動底盤相對于其他形式移動底盤的優(yōu)勢。,調(diào)研現(xiàn)在市場上主流的移動底盤的結構形式，了解其優(yōu)點與不足。,針對了解的資料設計主體結構，并對主要不足零部件進行優(yōu)化。,研究概述,研究方法,設計簡述,論文結構,具體講述,畢設感悟,研究方法,具體講述,專題,主體,論文,參數(shù),傳動,設計簡述,論文結構,研究概述,畢設感悟,研究背景,研究方法,研究結果,問題討論,畢設感悟,論文緒論,A,B,C,感悟一,感悟二,感悟三,本次畢設是對我大學學習的考驗，各種理論與實踐綜合運用，是一次突破自我的挑戰(zhàn)。,對機器各個部件全方位的設計，包含的知識點眾多，需要考慮為問題繁多，充分鍛煉了我的細心程度。,做事需懂得協(xié)作，在做畢設過程中遇到了很多難解的問題，在導師與同學的幫助下得到了準確快速的解決。,感謝聆聽,答辯人：,指導老師：,嚴智旭,代素梅,畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ）年 5 月 26 日外文翻譯學 生 姓 名班 級學 號學 院 名 稱專 業(yè) 名 稱指 導 教 師8th Annual International Conference on Biologically Inspired Cognitive Architectures, BICA 2017 The Control System Based on Extended BCI for a Robotic WheelchairTimofei I. Voznenko_, Eugene V. Chepin, and Gleb A. Urvanov National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute) Moscow, Russia Abstract In most cases, the movement of wheelchairs is controlled by disabled people using a joystick or by an accompanying person. Significantly disabled patients need alternative control methods without using the wheelchair joystick because it is undesirable or impossible for these patients. In this article, we present the implementation of a robotic wheelchair based on a powered wheelchair that is controlled not by the joystick but by the onboard computer that receives and processes data from the extended brain-computer interface (extended BCI). Under this term we understand the robotic complex control system with simultaneous independent alternative control channels. In this robotic wheelchair version the BCI works with voice and gesture control channels. Keywords: extended brain-computer interface, robotic wheelchair, control channel, robotics 1 Introduction Technical projects on the development of robotic wheelchairs have been carried out since the last century. Modern mobile robotic complexes (MR) which include robotic wheelchairs are complex heterogeneous hardware and software systems and they should provide a certain level of comfort and reliability of control answering the fields of their application. Under the term MR we understand the robotic system having an onboard powerful, versatile, and inexpensive miniature computer with a modern CPU providing the ability to connect the modern peripherals to the system without any restrictions, unlike the microcontroller capabilities. Because of this, it is possible to use the maximum possible set of software, more memory and parallel programming techniques to achieve the real-time mode (RTM).The robotic wheelchair (hereinafter the “chair”) is designed for patients with severe disorders of the musculoskeletal system and other functions of the body (hands, speech, hearing, etc.). The patient is the operator of the chair sitting in it and controlling it via the control system. For clarity we will call them the “patient”. Along with it, the chair is controlled by the specialistoperator who can remotely monitor the chair. This is possible because of a parallel chair-control channel provided by the Wi-Fi connection of the onboard computer with a remote Tracking and Control Station (TCS). TCS is a remote computer through which the specialist-operator can control the chair “intercepting”, if necessary, the control from the patient-operator.2 Related WorksThe patients who use the wheelchairs in most cases are quite satisfied with them, if the chair is equipped with an electric drive and control system via the joystick. An example of such a robotic wheelchair called Wheelesley is described by Yanco 1. This chair provides additional opportunities for the patient during the driving by the provision of the information “with a lower level of navigation”.One of the modern trends in the development of the robotic wheelchairs is the projects such as the Chinese project Chiba (Robotic wheelchair) described by Morales et al. 2 and Szondy 3. The main objective of these projects is the control system of the mechatronics of the chair which effectively overcomes the obstacles in the way such as stairs and border stones. However, some patients are unable to control the chair with such functions. Therefore, for these patients the way to improve the quality of their lives is the development of the control systems for the robotic wheelchairs that would allow them to control their own wheelchair using their modest possibilities: weak hands, voice, etc.There is a great variety of the ways to control the MR. The most common is to control directly by the joystick as described by Jawawi et al. 4. However, the directly connected to the servomotor of the joystick Arduino opens the opportunity of controlling the chair using such methods as the brain-computer interface (BCI), voice or gesture control. Each MR has onboard a powerful general-purpose computer. It interacts during the operation with the external computing unit Tracking and Control Station (TCS). The TCS allows to carry out the remote control of the MRs work by the operator. Also, it is possible to send to the TCS the data to gather the statistics on the basis of which it is possible to make the changes in the values of the parameters to improve the quality of the MRs control. The global problem of increasing the intelligence of such complex systems is extremely relevant nowadays, especially in the transition to the control of the teams of robots, for example proposed by Bereznyak et al. 5. For some applications of the MRs their control circuit includes a human-operator. For example, in medicine it is extremely important to implement the control system based on the traditional paradigm of “control commands”, but on the basis of non-traditional methods of controlling the complex systems. There are several works describing BCI-controlled wheelchairs but the control accuracy is not high enough for reliable control, for example, 50% and above described by Ng et al. 6 and 79.38% presented by Achic et al. 7. In order to increase the control accuracy of BCI-controlled robotic wheelchair we propose using of other control channels like voice commands or gestures. In this project, we proposed the new non-traditional control method we called “extended BCI”, which involves the operation of three control channels in parallel: voice commands, gestures and the BCI. The urgency and necessity of this control method is determined by the field of its application: medical robotics.3 Theory 3.1 The Nontraditional Methods of MR Control Under the traditional method of MRs control we understand the way to control using the commands passed from the operator to the MRs control system via some interface. Under the non-traditional control methods we understand in this article the following: BCI, voice control, control with gestures. The BCI is an interface that provides a direct transmission of the information from the brain to the computing device as described by Tromov and Skrugin 8. Recently different companies has developed the portable BCI such as NeuroSky, MindFlex, Emotiv, as described by Stamps and Hamam 9. Some of these neurocomputing interfaces allows not only to obtain the EEG (electroencephalogram) data, but also to obtain data about the emotional state of the operator, for example used by Chepin et al. 10 and Voznenko et al. 11. The voice control is a way of interaction between a man and a computer by the voice. This method of control is based on the processing of audio signals coming from a microphone. Speech recognition system using phonemes and grammar follows Lamere et al. 12. The gesture recognition system was developed by Chistjakov et al. 13 in the “Robotics” laboratory of the NRNU MEPhI. The algorithm determines the fact of the hand getting in the graphics region (specified area) corresponding to a particular gesture. This system is installed into the wheelchair to control its movement by the hand gestures and finger movements of the patient. 3.2 Extended BCI The main scientific and engineering idea of the described project is the development of the control system. The general ideology of the project is based on the concept of “extended BCI” proposed by Tromov and Skrugin 8, Dyumin et al. 14, Chepin et al. 15 and Urvanov et al. 16, by which we mean the presence in the control system the following robot-control channels: BCI, voice control, control with gestures.The term “extended BCI” was introduced in order to emphasize that in addition to the control channel based on the parallel BCI there are other ones, not so common channels. BCI is the main control method, but in practice there are situations when a particular patient more effectively controls the wheelchair using the voice commands and/or gestures. With this approach, it is necessary to solve the problem of choosing the most correct control channel. In addition, the architecture should implement the possibility of taking into account the disease peculiarities of the particular patient and develop a decision-making mechanism based on the analysis of the information from all control channels. 3.3 The Task of Decision-Making The concept of “extended interface” includes several different control channels of the MR by the operator. The general scheme of the decision-making system based on the data from the extended BCI interface is presented in Figure 1. When using more than one data channel to control the MR it is needed to solve the problem of the decision-making. In general, the problem looks as follows: there are several control channels and it is necessary to decide what command should be executed at a given time. The decision-making system should have the following features: 1. To be deterministic. If we know the specificity of working with the extended BCI-interface system components it is possible to make the deterministic decision-making system taking into account the mentioned features of the components. 2. The ability to have the varying credibility degree for the control system channels . Since the channels have different degree of credibility, it is logical that the information coming to the decision-making system should have the different values. 3. Support an asynchronous data input. Despite the fact that the part of the data is received synchronously and during a long period of time, the solutions based on asynchronously incoming information having a greater relative value should be taken timely. 4. Work with continuous processes. For example, when working with thought-images it is important to record not only the state but also the dynamic characteristics of the process, and the previous state. Thus, the developed method of decision-making should be similar to the automaton with a memory. The decision-making system prototype satisfying all requirements was implemented using channels accuracy based priority accounting.Figure 1: General problem statement4 ImplementationThe current “chair” hardware-software complex consists of:1. The wheelchair with the electric drive “Titan” LY-103-120, which is designed for the independent movement in the premises and on roads with hard-surface for the disabled people with diseases of the musculoskeletal system and injuries of the lower extremities (Figure 2a). Instead of joystick control the chair has a control unit, which has an interface with the onboard computer port.2. The neural interface on the basis of the Emotiv Epoc (Figure 2b) and the software module. The Emotiv Epoc BCI allows one to obtain information not only about the fact that the user thought about the thought-images, but also the quantitative assessment of this fact (power).Channel 1Channel 2Channel 3Channel N。 。 。 。 。 。 。DecisionMakingSystemControlSignalb)a) c)Figure 2: a) The “chair”, b) BCI Epoc Emotiv, c) Intel RealSense3. The basic equipment for the operator video interface with the robot for the development of a system of gesture recognition (a stereo camera for fixing the movements and gestures of the operator and the set of individual cameras). The arm tracking is made using an Intel RealSense camera that is shown in Figure 2c. 4. The basic equipment for the operator audio interface with the chair. The voice recognition takes place with the help of English phonetics of the Sphinx-4 library developed by Lamere et al. 12. The dictionary consists of the words matched the available phonetics 5 Results and Conclusion The “chair” project has received quite a wide coverage in Russian and the foreign mass-media: a few reports on some Russian TV-channels, in particular, on the NTV 17, as well as in the press of Spain and Spanish-speaking countries, for example in El Diario de Hoy 18, El Universal 19 and in China (Science and Technology Daily 20). Acknowledgments We would like to thank the RFBR for support of this project by the grant No. 14-07-00843 “The intelligent robotic wheelchair”. References 1 H. A. Yanco. Wheelesley: A robotic wheelchair system: Indoor navigation and user interface. In Assistive technology and artificial intelligence, pages 256268. Springer, 1998.2 R. Morales, A. Gonzalez, V. Feliu, and P. Pintado. Environment adaptation of a new staircase-climbing wheelchair. Autonomous Robots, 23(4):275292, 2007.3 D. Szondy. Chiba robotic wheelchair turns wheels into legs. Gizmag, October 17, 2012, www.gizmag.com, 2012. 4 D. N. Jawawi, K. Kamal, M. A. S. Talab, M. Z. M. Zaki, N. M. Hamdan, R. Mohamad, R. Mamat, and S. Sabil. A Robotic Wheelchair Component-Based Software Development. INTECH Open Access Publisher, 2011. 5 5 I. S. Bereznyak, E. V. Chepin, and A. A. Dyumin. The actions language as a programming frame-work for cloud robotics applications. In Cloud System and Big Data Engineering (Confluence), 2016 6th International Conference, pages 119124. IEEE, 2016. 6 D. W. K. Ng, Y. W. Soh, and S. Y. Goh. Development of an autonomous bci wheelchair. In Computational Intelligence in Brain Computer Interfaces (CIBCI), 2014 IEEE Symposium on, pages 14. IEEE, 2014.7 F. Achic, J. Montero, C. Penaloza, and F. Cuellar. Hybrid bci system to operate an electric wheelchair and a robotic arm for navigation and manipulation tasks. In Advanced Robotics and its Social Impacts (ARSO), 2016 IEEE Workshop on, pages 249254. IEEE, 2016. 8 A. G. Trofimov and V. I. Skrugin. Brain-computer interfaces. review. Information Technologies, (2):211, 2011. 9 K. Stamps and Y. Hamam. Towards inexpensive bci control for wheelchair navigation in the enabled environmenta hardware survey. In International Conference on Brain Informatics, pages 336345. Springer, 2010. 10 E. V. Chepin, A. A. Dyumin, G. A. Urvanov, and T. I. Voznenko. The improved method for robotic devices control with operators emotions detection. In NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), 2016 IEEE, pages 173176. IEEE, 2016.11 T. I. Voznenko, G. A. Urvanov, A. A. Dyumin, S. V. Andrianova, and E. V. Chepin. The research of emotional state influence on quality of a brain-computer interface usage. Procedia Computer Science, 88:391396, 2016.12 P. Lamere, P. Kwok, E. Gouvea, B. Raj, R. Singh, W. Walker, M. Warmuth, and P. Wolf. The cmu sphinx-4 speech recognition system. In IEEE Intl. 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Software systems and computational methods, (1):4551, 2015. 17 V moskve ispytali invalidnoe kreslo, upravljaemoe siloj mysli (in moscow was experienced a wheelchair controlled by thought). http:/www.ntv.ru/novosti/1604180/, 2016. 18 La silla de ruedas del futuro sera guiada por el pensamiento y las emociones (the wheelchair of the future will be guided by thought and emotions). http:/www.elsalvador.com/articulo/internacional/ silla-ruedas-del-futuro-sera-guiada-por-pensamiento-las-emociones-109909, 2016. 19 La silla de ruedas del futuro sera guiada por el pensamiento (the wheelchair of the fu-ture will be guided by thought). http:/www.eluniversal.com/noticias/estilo-vida/ silla-ruedas-del-futuro-sera-guiada-por-pensamiento_305388, 2016. 20 Invalidnoe kreslo, upravljaemoe siloj mysli (wheelchair controlled by thought). http:/inosmi. ru/science/20160617/236896139.html, 2016.第 8屆國際生物認知架構年會，BICA 2017。擴展 BCI的機器人輪椅控制系統(tǒng)提莫菲沃斯納科奇，尤金v切平，以及格列布烏爾瓦諾夫國家研究核能大學(莫斯科工程物理研究所)莫斯科，俄羅斯。摘要在大多數(shù)情況下，輪椅的運動是由殘疾人用操縱桿或陪同人員控制的。嚴重殘疾的患者不需要使用輪椅操縱桿就需要其他的控制方法，因為對這些患者來說是不可取的或不可能的。在這篇文章中，我們介紹了一個基于電動輪椅的機器人輪椅的實現(xiàn)，它不是由操縱桿控制的，而是由機載計算機接收和處理來自擴展腦機接口(擴展 BCI)的數(shù)據(jù)。在這一術語下，我們了解機器人復雜的控制系統(tǒng)，同時擁有獨立的可選控制通道。在這個機器人輪椅版本的 BCI 工作與聲音和手勢控制頻道。關鍵詞:擴展腦機接口，機器人輪椅，控制通道，機器人。1介紹自上個世紀以來，機器人輪椅的發(fā)展技術項目一直在進行。包括機器人輪椅的現(xiàn)代移動機器人復合體(MR)是復雜的異構硬件和軟件系統(tǒng)，它們應該提供一定程度的舒適性和可靠性，以滿足其應用領域的需求。在這個術語中，MR .我們理解機器人系統(tǒng)擁有一個強大的、多功能的、便宜的微型計算機，它具有現(xiàn)代的 CPU，它提供了將現(xiàn)代外圍設備連接到系統(tǒng)的能力，而不受任何限制，不像微控制器的功能。因此，可以使用最大可能的軟件集、更多的內(nèi)存和并行編程技術來實現(xiàn)實時模式(RTM)。機器人輪椅(下稱“椅”)是為肌肉骨骼系統(tǒng)的嚴重疾病和身體的其他功能(手、說話、聽力等)的病人設計的。病人是坐在椅子上的椅子的操作員，通過控制系統(tǒng)控制它。為了清晰起見，我們稱他們?yōu)椤安∪恕?。與此同時，這把椅子由專門的操作員控制，他們可以遠程監(jiān)控椅子。這是可能的，因為由機載計算機的 Wi-Fi 連接提供的一個平行的座椅控制通道與一個遠程跟蹤和控制站(TCS)。TCS 是一種遠程計算機，通過它，專家操作人員可以控制椅子“攔截” ，必要時可以控制來自患者的控制。2相關的工作在大多數(shù)情況下病人對他們使用的輪椅感到非常滿意，椅子的操縱桿安裝了一個電力驅動和控制系統(tǒng)。Yanco1描述了一個叫做 Wheelesley 的機器人輪椅的例子。這張椅子為病人提供了額外的機會，在駕駛過程中提供信息“有較低水平的導航” 。機器人輪椅發(fā)展的現(xiàn)代趨勢之一是由 Morales 等2和 Szondy3所描述的中國項目 Chiba(機器人輪椅)等項目。這些項目的主要目標是控制系統(tǒng)的機電一體化的椅子，有效克服了障礙，如樓梯和邊界石。然而，有些患者無法控制這類功能的椅子。因此，對于這些患者來說，改善他們生活質量的方法是開發(fā)出機器人輪椅的控制系統(tǒng)，這樣他們就可以用他們有限的可能性來控制自己的輪椅:軟弱的手、聲音等等。有很多方法可以控制最常見的是由 Jawawi 等4所描述的操縱桿直接控制。然而，與操縱桿 Arduino 的伺服馬達直接相連的是利用腦-機接口(BCI)、聲音或手勢控制等方法來控制椅子的機會。每個人都有一臺功能強大的通用計算機。它在操作過程中與外部計算單元-跟蹤和控制站(TCS)進行交互。TCS 允許操作員對 MR 的工作進行遠程控制。此外，還可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到 TCS，以收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以對參數(shù)的值進行更改，以提高 MR 控制的質量。目前，增加這種復雜系統(tǒng)的智能的全球問題是極其相關的，特別是在由Bereznyak 等人提出的關于機器人團隊控制的過渡中。5。對于一些應用，他們的控制電路包括一個人操作員。例如，在醫(yī)學上，以傳統(tǒng)的“控制指令”范式為基礎實現(xiàn)控制系統(tǒng)是極其重要的，但在控制復雜系統(tǒng)的非傳統(tǒng)方法的基礎上。有幾幅作品描述了 bci 控制的輪椅，但控制精度不夠高，無法可靠控制，例如，Ng 等人所描述的 50%以上，Achic 等7提出的 79.38%。為了提高 bci 控制機器人輪椅的控制精度，我們建議使用語音命令或手勢等其他控制通道。在這個項目中，我們提出了一種新的非傳統(tǒng)的控制方法，我們稱之為“擴展 BCI”，它包括三個控制通道并行的操作:語音指令、手勢和BCI。這種控制方法的緊迫性和必要性是由其應用領域所決定的:醫(yī)用機器人。3理論3.1 MR控制的非傳統(tǒng)方法。在傳統(tǒng)的控制方法中，我們理解了通過一些接口將命令從操作符傳遞到 MR的控制系統(tǒng)的方法。在本文中我們理解的非傳統(tǒng)控制方法如下:BCI，語音控制，手勢控制。BCI 是一個接口，它提供從大腦到計算機設備的信息的直接傳輸8。最近，不同的公司開發(fā)了像 NeuroSky, MindFlex, Emotiv 這樣的便攜式 BCI9。其中一些神經(jīng)計算接口不僅可以獲得 EEG(腦電圖)數(shù)據(jù)，還可以獲得關于操作者情緒狀態(tài)的數(shù)據(jù)，例如 Chepin 等10和 Voznenko 等11。語音控制是一種人與計算機之間通過聲音進行交互的一種方式。這種控制方法是基于對來自麥克風的音頻信號的處理。語音識別系統(tǒng)使用音素和語法，12。這個手勢識別系統(tǒng)是由 Chistjakov 等人在 NRNU MEPhI 的“機器人”實驗室開發(fā)的。該算法決定了在圖形區(qū)域(指定區(qū)域)與特定手勢對應的手的實際情況。這個系統(tǒng)安裝在輪椅上，通過病人的手勢和手指的移動來控制它的運動。3.2擴展 BCI所述項目的主要科學和工程思想是控制系統(tǒng)的開發(fā)。項目的一般意識形態(tài)概念的基礎上提出的“擴展 BCI Tromov 和 Skrugin8,Dyumin et al。14,Chepin 等。15和 Urvanov et al。16,我們指的是在控制系統(tǒng)的以下機器人控制渠道:BCI,語音控制,控制手勢。“擴展 BCI”一詞是為了強調(diào)除了基于并行 BCI 的控制信道之外，還有其他的信道。BCI 是主要的控制方法，但在實踐中，當某一特定的患者使用語音指令和/或手勢更有效地控制輪椅時，就會出現(xiàn)這種情況。采用這種方法，有必要解決選擇最正確的控制信道的問題。此外，該體系結構還應實現(xiàn)考慮到特定患者的疾病特性的可能性，并在分析所有控制渠道的信息的基礎上制定決策機制。3.3決策的任務?！皵U展接口”的概念包括操作人員對 MR 的幾個不同的控制通道。基于擴展BCI 接口數(shù)據(jù)的決策系統(tǒng)總體方案如圖 1 所示。當使用多個數(shù)據(jù)通道來控制 MR時，需要解決決策問題。一般來說，問題是這樣的:有幾個控制通道，需要決定在給定的時間執(zhí)行什么命令。決策系統(tǒng)應具備以下特點:1.如果我們知道使用擴展的 bci 接口系統(tǒng)組件的特性，就可以考慮到組件的上述特性，從而做出確定性決策系統(tǒng)。2.對控制系統(tǒng)信道具有不同可信度的能力。由于渠道具有不同程度的可信度，進入決策系統(tǒng)的信息應該具有不同的價值是合乎邏輯的。3. 支持異步數(shù)據(jù)輸入。盡管數(shù)據(jù)的部分是同步接收的，而且在很長一段時間內(nèi)，基于異步傳入信息的解決方案具有更大的相對價值。4. 使用連續(xù)的過程。例如，在處理思想圖像時，不僅要記錄狀態(tài)，還要記錄進程的動態(tài)特性和前一個狀態(tài)。因此，開發(fā)的決策方法應該類似于具有內(nèi)存的自動機。采用基于信道精度的優(yōu)先級會計實現(xiàn)了滿足所有需求的決策系統(tǒng)原型。圖 1:一般問題陳述通道 1通道 2通道 3通道 N。 。 。 。 。 。 。決定制造系統(tǒng)控制信號4實現(xiàn)當前的“椅子”硬件軟件復雜包括:1. “Titan”-103-120 電動輪椅，其設計用于在建筑物內(nèi)和道路上的獨立運動，為殘障人士的肌肉骨骼系統(tǒng)疾病和下肢的損傷(圖 2a)。而不是操縱桿控制，椅子有一個控制單元，它有一個接口與機載計算機端口。2. 基于 Emotiv Epoc(圖 2b)和軟件模塊的神經(jīng)接口。Emotiv Epoc BCI 允許人們獲取信息，不僅是關于用戶對思想圖像的思考，還包括對這個事實(權力)的定量評估。3. 操作人員視頻接口的基本設備，用于開發(fā)一個手勢識別系統(tǒng)(用于固定操作人員的動作和手勢的立體攝像機和單個攝像頭的集合)。arm 跟蹤是使用英特爾的 RealSense 攝像機拍攝的，如圖 2c 所示。4. 操作人員音頻接口的基本設備