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金陵科技學(xué)院畢業(yè)論文 ABSTRACT
養(yǎng)老助殘機(jī)器人設(shè)計(jì)――機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
為滿足新型服務(wù)機(jī)器人研制的需求，本文研究了多功能養(yǎng)老助殘服務(wù)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種平地和樓梯兩用的助行服務(wù)機(jī)器人方案，并建立了機(jī)器人的模型，論文的研究主要內(nèi)容如下：
針對助老助殘服務(wù)機(jī)器人的需求，提出了一種平地、樓梯兩用養(yǎng)老助殘機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了爬樓梯機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬樓梯功能，并分析了各部分機(jī)構(gòu)工作原理。在前輪通過連桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)運(yùn)動過程中的車體姿態(tài)，保證車體水平，并減小了機(jī)器人車體的波動程度，同時后輪采用兩組電機(jī)分別控制驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)任意轉(zhuǎn)彎。
在整體方案設(shè)計(jì)完成后，分別對養(yǎng)老助殘機(jī)器人的驅(qū)動方式進(jìn)行分析，計(jì)算每部分電機(jī)的功率和扭矩，再對前期設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核，確認(rèn)其安全性能，最后在SolidWorks三維軟件中搭建運(yùn)動仿真模型，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)老助殘機(jī)器人爬樓的整個過程。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；養(yǎng)老助殘；機(jī)械系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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Elderly Paralyzed Robot Design - Structural Design of Mechanical System
Abstract
In order to meet the needs of the development of new service robots, this paper studies the multi-function aged and disabled service robot, and designs a multi-functional robot scheme for helping the disabled and staircase, and establishes a model of the service robot. The main contents are as follows:
In view of the needs of the robot for assisting the disabled and helping the disabled, a design scheme for the two use walking aid robot for flat ground and staircase is proposed, and the stair climbing mechanism is designed to realize the function of the staircase and the working principle of each part of the mechanism is analyzed. The front wheel adjusts the body posture in the motion process by the connecting rod mechanism, ensures the body level and reduces the fluctuation of the body of the robot. At the same time, the rear wheel uses two sets of motor to control the drive to achieve arbitrary turn.
After the completion of the overall plan design, the driving mode of the auxiliary robot is analyzed, the power and torque of each part of the motor are calculated, and then the key parts of the previous design are checked to confirm the safety performance. Finally, the simulation model of the SolidWorks 3D software is built to realize the whole process of climbing stairs of the auxiliary robot.
Key Words: Robot; Caring for the disabled and the elderly；Mechanical system；Structure design
II
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目錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 課題研究背景與意義 1
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.4 論文研究的主要內(nèi)容 3
2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案 4
2.1 引言 4
2.2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范 4
2.3 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案介紹 4
2.4主要硬件設(shè)計(jì)選擇 11
2.5關(guān)鍵材料選擇 12
3 機(jī)器人工作原理與核心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.1 引言 13
3.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 13
3.3 爬樓梯工作原理和上下樓過程 13
4 機(jī)器人驅(qū)動方式 15
4.1 引言 15
4.2 驅(qū)動方案的構(gòu)思 15
4.3 大輪電機(jī)扭矩與功率 15
4.4 小輪電機(jī)扭矩與功率 16
5 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核 17
5.1 引言 17
5.2 滾動軸承的選擇及校核計(jì)算 17
5.3 軸的校核計(jì)算 18
5.4 齒輪的選擇和校核計(jì)算 19
III
6 機(jī)器人上樓過程的運(yùn)動仿真 22
6.1 引言 22
6.2 運(yùn)動仿真的原理 22
6.3 創(chuàng)建驅(qū)動模型 23
總結(jié) 27
參考文獻(xiàn) 28
1 緒論
致謝 30
1 緒論
1.1 引言
目前我國社會老齡化程度十分嚴(yán)重，年齡超過60歲的老年人口數(shù)量已經(jīng)達(dá)到2.12億，占總?cè)丝跀?shù)的15.5%，其增長速度為每年平均3.3%。預(yù)計(jì)到2050年左右，我國60以上的老年人口數(shù)量將會突破4億[1]。人口老齡化使得我國在養(yǎng)老事業(yè)方面正面臨著巨大的壓力，大大增加了年輕人的負(fù)擔(dān)。隨著我國老年人口數(shù)量的日益增漲,養(yǎng)老助殘機(jī)器人的需求量將會越來越大。
在每個城市中都會存在著大量的樓梯、臺階等障礙物。殘疾人與老年人借助普通的電動輪椅，只能在家里或者戶外平地上活動，無法自己通過家中或戶外的樓梯與臺階等障礙[2]。這些障礙使得他們的活動范圍大大縮小，也給他們的看護(hù)者帶來了不小的負(fù)擔(dān)。殘疾人和老年人急切的需要先進(jìn)的技術(shù)來改善其生活質(zhì)量,擴(kuò)大他們的活動范圍。因此設(shè)計(jì)一種具有爬樓功能的養(yǎng)老助殘機(jī)器人是勢在必行的。
養(yǎng)老助殘機(jī)器人在服務(wù)殘疾人和老年人的領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ欠?wù)型機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大的一次重大的機(jī)遇。為了能使服務(wù)型機(jī)器人有更好的發(fā)展形勢，針對人口老齡化對養(yǎng)老助殘機(jī)器人的需求，設(shè)計(jì)出一種能夠爬樓梯的、效率高的、性價比高的電動輪椅，既能夠擴(kuò)大殘疾人和老年人的活動范圍，又可以減輕看護(hù)著的負(fù)擔(dān)，對我國服務(wù)型機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大的意義。
1.2 課題研究背景與意義
目前國內(nèi)外擁有爬樓功能的養(yǎng)老助殘服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)還比較少，且大多數(shù)都處于實(shí)驗(yàn)室階段，真正成熟的產(chǎn)品還比較少，而且價格昂貴[2]。在人口老齡化的影響下，各國對養(yǎng)老助殘服務(wù)機(jī)器人的需求量越來越大。國內(nèi)外都在不斷地研究和開發(fā)新的設(shè)計(jì)方案和控制技術(shù)，來制造出擁有更高性能和性價比的養(yǎng)老助殘機(jī)器人。目前適用于老齡化社會的具有爬樓功能的養(yǎng)老助殘機(jī)器人要求其結(jié)構(gòu)相對簡單、運(yùn)動安全平穩(wěn)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)主要存在的問題如下：
具有爬樓功能的養(yǎng)老助殘機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案：
養(yǎng)老助殘機(jī)器人作為一種能夠翻越障礙的機(jī)器人，首先在實(shí)現(xiàn)爬樓功能的基礎(chǔ)上要對臺階具有良好的適應(yīng)性，其次是穩(wěn)定性，在上下樓時使車身保持水平，起伏不能太大，然后要保證使用者距離地面的高度不能太大，否則會造成乘坐者
心理恐慌，最后機(jī)器人的運(yùn)動狀況要符合人類日常運(yùn)動習(xí)慣[3]。此外樓梯尺寸會
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1 緒論
很大的限制養(yǎng)老助殘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，這些要求給養(yǎng)老助殘機(jī)器人的設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)在已被研發(fā)出來的爬樓機(jī)構(gòu)在其設(shè)計(jì)方案中，機(jī)構(gòu)的體積大小和機(jī)構(gòu)的越障功能之間通常不能夠很好地協(xié)調(diào)，如果只采用輪組式或履帶式機(jī)構(gòu)會造成乘坐不舒適、地形適應(yīng)能力較差、效率較低等問題，而且這種結(jié)構(gòu)的爬樓裝置有很多都是反向上樓的[4]。所以設(shè)計(jì)出一個行駛效率高、能夠正面上樓、車體波動小的平地樓梯兩用的養(yǎng)老助殘機(jī)器人,值得進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動技術(shù)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)逐漸設(shè)計(jì)出了多種具有爬樓功能的養(yǎng)老助殘機(jī)器人。根據(jù)養(yǎng)老助殘機(jī)器人所使用的爬樓機(jī)構(gòu)來分類，大致可分為4類：履帶式爬樓機(jī)構(gòu)、輪組式爬樓機(jī)構(gòu)、腿式爬樓機(jī)構(gòu)和復(fù)合式爬樓機(jī)構(gòu)[5]。
法國Topchiar公司設(shè)計(jì)制造了悍馬-H8型助行機(jī)器人。它是在普通的電動輪椅的基礎(chǔ)上加上了履帶式爬樓機(jī)構(gòu)，平地行駛時由后輪電機(jī)驅(qū)動，爬樓時通過專門的機(jī)構(gòu)把車輪收起，履帶機(jī)構(gòu)接觸地面，同時調(diào)節(jié)輪椅座位位置，讓車身在上樓的過程中始終保持水平狀態(tài)。悍馬-H8的總重量為130kg，最大爬坡角度為35°，最大越障高度可以達(dá)到200mm，最多能夠連續(xù)上下300多階樓梯[6]。履帶式爬樓機(jī)器人使用履帶作為爬樓機(jī)構(gòu)，依靠履帶和地面之間的摩擦力來進(jìn)行爬樓，是目前段使用比較廣泛的一種爬樓機(jī)構(gòu)。履帶式爬樓機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于原理比較簡單，平穩(wěn)性好，技術(shù)比較成熟。履帶支撐面有履齒，牽引附著性能好，不容易打滑，具有較大的牽引力。履帶式爬樓機(jī)構(gòu)在平地、樓梯和斜坡等多種地形上的運(yùn)動方式基本一致，助行機(jī)器人的重心相對于地面幾乎不發(fā)生波動，運(yùn)動平穩(wěn)性比較好，使用的范圍比較廣泛。功能比較強(qiáng)大，但售價也非常昂貴，約30萬人民幣[7]。加拿大某公司設(shè)計(jì)的輪椅爬樓機(jī)器人，其最高爬樓速度可達(dá)到毎分鐘20階樓梯。這種裝置將輪椅與履帶拆分為兩個獨(dú)立的部分，方便運(yùn)輸，也能夠和普通電動輪椅固定起來，不過使用輪椅機(jī)器人上下樓時需要他人進(jìn)行輔助操作，所以價格比較便宜，３萬人民幣左右。在上下樓過程中能夠調(diào)整多節(jié)履帶的角度，來更好地適應(yīng)助行機(jī)器人上樓過程中樓梯坡度變化[8]。
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
1.4 論文研究的主要內(nèi)容
本文主要介紹了養(yǎng)老助殘機(jī)器人的研究背景和意義，概述了具有爬樓功能的養(yǎng)老助殘機(jī)器人的國內(nèi)外研究狀況。主要綜述了現(xiàn)階段國內(nèi)外主流機(jī)器人爬樓梯機(jī)構(gòu)的研究狀況?？偨Y(jié)了養(yǎng)老助殘機(jī)器人研究目前存在的問題和挑戰(zhàn)。
本文設(shè)計(jì)了一種能夠上下樓梯的養(yǎng)老助殘機(jī)器人，通過設(shè)計(jì)一種爬樓機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)正面上樓的功能，通過連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在上樓過程中車體姿態(tài)的調(diào)整，使車身能夠始終處于水平狀態(tài)。本文詳細(xì)介紹了養(yǎng)老助殘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和各個部分尺寸的設(shè)計(jì)；然后通過對各個部件的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，在SolidWorks 中建立養(yǎng)老助殘機(jī)器人的三維模型,最后介紹了驅(qū)動電機(jī)、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核計(jì)算以及養(yǎng)老助殘機(jī)器人的運(yùn)動仿真過程。
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
2.1 引言
本文所設(shè)計(jì)的一種能夠爬樓梯的養(yǎng)老助殘機(jī)器人，在實(shí)現(xiàn)正面上樓的同時，通過連桿滑軌機(jī)構(gòu)來調(diào)整養(yǎng)老助殘機(jī)器人在爬樓過程中的車體姿態(tài)，使車身始終保持水平狀態(tài)。本文主要給出了養(yǎng)老助殘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，各個部分的尺寸的設(shè)計(jì),在solidworks軟件中創(chuàng)建養(yǎng)老助殘機(jī)器人的三維模型,進(jìn)一步確立執(zhí)行電機(jī)及其驅(qū)動控制方案,該方案設(shè)計(jì)符合人的習(xí)慣,擁有良好的應(yīng)用前景。
2.2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范
國內(nèi)外現(xiàn)階段所研制出來的爬樓助行裝置大多數(shù)都處于實(shí)驗(yàn)室階段，形成規(guī)模化產(chǎn)品的還很少，因此到現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的性能指標(biāo)[8]。本文所設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人所依據(jù)的樓梯步距與坡度是由我國民用建筑設(shè)計(jì)中規(guī)定的，選用樓梯的參數(shù)為高度170mm,寬度260mm，坡度33度[9]。由于養(yǎng)老助殘機(jī)器人主要面向一些行動不便的殘障人士和老年人，要求比較高的安全性，不需要很快的速度。本文設(shè)計(jì)的助行機(jī)器人是參考了室外型電動輪椅國家標(biāo)準(zhǔn)GB1996-91, 本文設(shè)定機(jī)器人的平地運(yùn)動的最大速度不超過6km/h, 一次充電最大的行程大于20km，爬坡能力大于20°。
參照國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出來的產(chǎn)品來設(shè)計(jì)養(yǎng)老助殘機(jī)器人的爬樓速度和續(xù)航能力。由于養(yǎng)老助殘機(jī)器人主要服務(wù)的對象是殘障人士和老年人，出于對安全性的考慮，養(yǎng)老助殘機(jī)器人的上樓過程要比較平穩(wěn)，不需要以過快的速度上樓，因此本文將養(yǎng)老助殘機(jī)器人的爬樓速度設(shè)定為4-10級/分鐘，設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人充電一次能夠攀爬的臺階數(shù)量至少要達(dá)到300階[10]。養(yǎng)老助殘機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要要求有以下幾個方面：
（1）操作方便簡單，平地行駛效率高；
（2）上下樓梯時具有較好的穩(wěn)定性，確保使用者的安全；
（3）爬樓時重心不能有太大的波動，當(dāng)遇到不平坦的地形是，對于系統(tǒng)的重心進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免給使用者帶來恐慌；
（4）爬樓過程要符合人類的日常運(yùn)動習(xí)慣，盡量避免反方向爬樓梯給使用者帶來不適。完成機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等全部主體構(gòu)件設(shè)計(jì)。
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
2.3 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案介紹
（1） 設(shè)計(jì)思路
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本文需要設(shè)計(jì)一個能夠正面上樓的養(yǎng)老助殘機(jī)器人，現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)上樓功能的養(yǎng)老助殘機(jī)器人大多采用履帶式爬樓梯機(jī)構(gòu)、輪組式爬樓梯機(jī)構(gòu)、腿式爬樓機(jī)
2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
構(gòu)、復(fù)合式爬樓梯機(jī)構(gòu)。其中履帶式爬樓機(jī)構(gòu)大多是反向上樓，不符合要求；輪組式爬樓梯機(jī)構(gòu)上下樓時他人需要輔助，不能夠?qū)崿F(xiàn)自主上下樓梯；腿式爬樓梯機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性不好，故不采用。綜合上述觀點(diǎn)，養(yǎng)老助殘機(jī)器人要能夠正面上樓，并且重心波動不能太大。本文采用一種由四組小輪與連桿機(jī)構(gòu)組合的上樓機(jī)構(gòu)，在上樓的過程中調(diào)整重心，并實(shí)現(xiàn)正面上樓。
（2） 組成部分
本文設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人主要由四個部分組成：行走機(jī)構(gòu)、上樓機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)和乘坐機(jī)構(gòu)。
①行走機(jī)構(gòu)：本文采用后輪驅(qū)動，單獨(dú)安裝電機(jī)驅(qū)動后輪用于運(yùn)動。
采用鏈傳動的方式來驅(qū)動后輪，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
鏈輪參數(shù)：小鏈輪齒數(shù)z1= 8；大鏈輪齒數(shù)z2=15；
鏈條參數(shù)：鏈號：16A，鏈條節(jié)距p2=25.4mm，鏈長節(jié)數(shù)X0= 35.6，實(shí)際鏈長節(jié)數(shù)X=36，鏈條長度L=0.91m
圖2.1 行走機(jī)構(gòu)
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
鏈傳動機(jī)構(gòu)由電機(jī)、主動鏈輪、鏈條、從動鏈輪組成。
圖2.2鏈輪傳動
圖 2.3 主動鏈輪
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
圖 2.4 從動鏈輪
圖2.5 鏈條
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②上樓機(jī)構(gòu)：采用四組小輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行上樓，每組小輪用單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動。
圖2.3 上樓機(jī)構(gòu)
圖2.4 齒輪傳動機(jī)構(gòu)
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
③調(diào)整機(jī)構(gòu)：前面兩側(cè)連桿內(nèi)側(cè)固定有鋼珠式滑軌，滑軌一端與座椅側(cè)內(nèi)面連接，高度有差異時會帶動滑軌的同步運(yùn)動，保證座椅平衡。
圖2.5 調(diào)整機(jī)構(gòu)
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
④乘坐機(jī)構(gòu)
寬：460mm;高：750mm;長：650mm
圖2.6 乘坐機(jī)構(gòu)三維圖
圖2.7 乘坐機(jī)構(gòu)二維圖
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
（3）總體結(jié)構(gòu)
養(yǎng)老助殘機(jī)器人的模型如圖所示。養(yǎng)老助殘機(jī)器人主要由連桿滑軌機(jī)構(gòu)、車身、行走機(jī)構(gòu)、四組爬樓梯機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)組成。四個大輪用于養(yǎng)老助殘機(jī)器人的平地行駛，兩個前輪固定在連桿滑軌機(jī)構(gòu)的末端外側(cè)，兩個后輪固定在支架的末端外側(cè)，平地運(yùn)動時兩個后輪分別使用電機(jī)驅(qū)動。車身前后各有兩組爬樓機(jī)構(gòu)。
圖2.8 養(yǎng)老助殘機(jī)器人三維模型
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2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案
2.4主要硬件設(shè)計(jì)選擇
1）電機(jī)的選擇：選用功率為200W、額定電壓為24 V的電機(jī)，內(nèi)置減速箱，增大轉(zhuǎn)矩，以降低轉(zhuǎn)速，同時斷電狀態(tài)可以作為駐車裝置[11]。
2）傳動裝置：選擇齒輪傳動，無打滑和彈性滑動，能保持準(zhǔn)確的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高。本輪椅共有4套相同型號的電機(jī)及相對應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)，
12
3 機(jī)器人工作原理與核心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
并使它們安裝于輪胎內(nèi)側(cè)，目的是使每組小輪能夠獨(dú)立的進(jìn)行控制完成移動功能，單獨(dú)安裝電機(jī)驅(qū)動后輪用于運(yùn)動，這樣設(shè)計(jì)也便輪椅在運(yùn)動過程中有良好的穩(wěn)定性；最后利用電機(jī)配合鏈傳動機(jī)構(gòu)完成后輪驅(qū)動。
2.5關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料選擇
1）根據(jù)實(shí)際需求，在電機(jī)下部焊接4 mm鋼板，電機(jī)底座與鋼板用螺栓連接，
以保證電機(jī)牢固及底盤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固[12]。
2）小輪連接軸采用光軸，光軸進(jìn)行機(jī)加工其上形成鍵槽，光軸與齒輪通過鍵連接位置相對固定，光軸上安裝軸承，利用軸承座固定在底盤上。
3）為了保證座椅移動的平穩(wěn)，在底盤上豎直焊接有 4 個立柱，前面兩側(cè)立柱內(nèi)側(cè)有固定的鋼珠式滑軌，滑軌一端與座椅側(cè)內(nèi)面相連接，當(dāng)高度有差異時會帶動滑軌的同步運(yùn)動，保證座椅平衡。
3 機(jī)器人工作原理與核心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 引言
本文根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理來確定養(yǎng)老助殘機(jī)器人的車身尺寸，根據(jù)地形參數(shù)來設(shè)計(jì)養(yǎng)老助殘機(jī)器人的核心部件尺寸，以確保養(yǎng)老助殘機(jī)器人能夠在大多數(shù)樓梯中使用，然后在SolidWorks中建立養(yǎng)老助殘機(jī)器人模型。
3.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成
爬樓機(jī)構(gòu)和連桿滑軌機(jī)構(gòu)是養(yǎng)老助殘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)正面上樓的核心部件，在不同的地形狀況下，爬樓機(jī)構(gòu)與連桿滑軌機(jī)構(gòu)互相協(xié)調(diào)運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)正面爬樓的功能。養(yǎng)老助殘機(jī)器人的核心部件如下圖所示，由爬樓機(jī)構(gòu)與連桿滑軌機(jī)構(gòu)兩個部分組成。為了在上下樓時能夠使車身始終保持水平狀態(tài),車身左右兩側(cè)各安裝一組連桿滑軌機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)是由前面兩側(cè)連桿，座椅側(cè)內(nèi)面相連接的滑軌組成。為了確保在上下樓的過程中養(yǎng)老助殘機(jī)器人的安全穩(wěn)定，機(jī)器人前后各安裝了兩組爬樓裝置，每組爬樓裝置由擺臂、小輪、驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動軸組成。
圖3.1 養(yǎng)老助殘機(jī)器人核心部件結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 爬樓梯工作原理和上下樓過程
養(yǎng)老助殘機(jī)器人的平地運(yùn)動狀態(tài)和普通的電動輪椅基本相同，由后輪驅(qū)動。爬樓機(jī)構(gòu)的小輪和連桿滑軌機(jī)構(gòu)是固定不動的。當(dāng)遇到地形起伏比較大的情況時，車體的姿態(tài)由連桿機(jī)構(gòu)滑軌來調(diào)整，來保持車體的平衡。養(yǎng)老助殘機(jī)器人的上樓步驟如下圖所示:
13
（1）當(dāng)養(yǎng)老助殘機(jī)器人前輪到達(dá)樓梯邊緣時，前輪進(jìn)入上樓狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動前面兩組爬樓機(jī)構(gòu)，擺臂一和擺臂二同向同速轉(zhuǎn)動，小輪一抬上第一階樓梯，
此時由前后大輪支撐車體的重量。小輪二在擺臂二的作用下接觸地面，此時小輪一已登上了第一階樓梯，車體重量由后輪與兩個小輪支撐，連桿滑軌機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(圖b)。前輪被抬起并登上第一階樓梯，小輪二收回。擺臂一和擺臂二恢復(fù)初始狀態(tài),前輪登上第一階樓梯。這時前輪與下一階樓梯之間還有一段距離，需要后輪向前滾動，來推進(jìn)養(yǎng)老助殘機(jī)器人向前行進(jìn)到前輪碰到下一節(jié)樓梯為止(圖c)。在前輪上樓過程中連桿滑軌機(jī)構(gòu)可以根據(jù)前輪高度的變化,連桿向上移動,來保持車體水平。
（2）前輪重復(fù)上述過程，繼續(xù)向上攀爬第二階樓梯（圖d-圖e）。
（3）當(dāng)后輪到達(dá)樓梯邊緣時，前后的爬樓機(jī)構(gòu)同時上樓。前后兩組爬樓機(jī)構(gòu)的擺臂帶動其小輪進(jìn)行同向同速轉(zhuǎn)動，前后兩組爬樓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完全同步運(yùn)動(圖f)。由于后輪與車身是以支架連接的，所以在爬樓的過程中車身會和后輪一起抬起。每當(dāng)爬完一階樓梯時后輪都會向前滾動一段距離，使前、后兩輪運(yùn)動到臺階處(圖g)。在此過程中連桿滑軌機(jī)構(gòu)保持不變 ,使車體保持水平狀態(tài)。
（4）前輪爬上最后一階樓梯，來到平地時，是出樓梯狀態(tài)。前輪爬樓機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動，小輪恢復(fù)初始狀態(tài)，后輪爬樓機(jī)仍然保持爬樓梯狀態(tài)，連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整車身的姿態(tài)(圖h-圖i)。當(dāng)后輪爬樓機(jī)構(gòu)爬上最后一階樓梯時，后輪恢復(fù)平地行駛狀態(tài)，小輪恢復(fù)初始狀態(tài)，完成爬樓過程。
養(yǎng)老助殘機(jī)器人下樓梯原理與上樓相似，如下圖所示。
圖3.2 養(yǎng)老助殘機(jī)器人上樓步驟示意圖
16
4 機(jī)器人驅(qū)動方式
4 機(jī)器人驅(qū)動方式
4.1 引言
養(yǎng)老助殘機(jī)器人的主要組成有以下四個部分：爬樓機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、行駛機(jī)構(gòu)和座椅。使用者通過操縱手柄選擇養(yǎng)老助殘機(jī)器人的運(yùn)動模式和速度;驅(qū)動控制系統(tǒng)規(guī)定了機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡,根據(jù)反饋的信息來計(jì)算驅(qū)動力矩,驅(qū)動機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動;運(yùn)動機(jī)構(gòu)是由連桿滑軌機(jī)構(gòu)、爬樓機(jī)構(gòu)和行駛機(jī)構(gòu)組成的,在控制系統(tǒng)的指令下完成爬樓動作[12]。
4.2 驅(qū)動方案的構(gòu)思
養(yǎng)老助殘機(jī)器人的攀爬能力會受到臺階或樓梯高度的限制，為了能夠保證乘坐者在上下樓時的安全性，需要設(shè)計(jì)一個用來測量樓梯高度的傳感器系統(tǒng)，用來判斷養(yǎng)老助殘機(jī)器人是否能夠成功翻越此臺階[14]。在前輪上安裝兩個測距傳感器,用來測量前輪和臺階之間的距離;在連桿滑軌機(jī)構(gòu)上安裝兩個測距傳感器,用來測量前輪與下一階臺階之間的距離,對比兩組傳感器的數(shù)據(jù),可以計(jì)算出臺階的寬度。在爬樓梯機(jī)構(gòu)上安裝兩組測距傳感器，用來測量小輪與臺階面高度之間的距離。在兩個后輪上分別安裝一個傳感器用來檢測后輪和臺階邊緣的距離[12]。
執(zhí)行電機(jī)及其驅(qū)動控制方案。外部信號包括調(diào)速按鈕的速度控制信號、來自操縱手柄的模式選擇信號及測距傳感器信號，外部的信號通過各自的通信口輸出，將信號傳遞給控制器，控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行的分析、運(yùn)算。經(jīng)過控制系統(tǒng)的對信號分析判斷，將控制系統(tǒng)將信號分別傳輸給每個電機(jī)的驅(qū)動器，由驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)，經(jīng)過減速齒輪和鏈輪，帶動各電機(jī)所連接的負(fù)載。本文設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人一共有6個電機(jī)，其中兩電機(jī)分別用來實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)老助殘機(jī)器人兩個后輪的控制，剩余四個電機(jī)分別用來驅(qū)動四組爬樓機(jī)構(gòu)。六個電機(jī)轉(zhuǎn)子用來分別檢測每個電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，最后將信號反饋給各個電機(jī)驅(qū)動器，形成閉環(huán)回路[12]。
4.3 大輪電機(jī)扭矩與功率
空氣阻力Fw是空氣會對前進(jìn)中的養(yǎng)老助殘機(jī)器人形成的一種反向作用力，空氣阻力跟速度的平方成正比關(guān)系；V=5Km/h ，m=100kg+75kg=175kg，本文中因?yàn)檠芯康氖窃诘退傧逻\(yùn)動，并且主要是在室內(nèi)運(yùn)動，故空氣阻力可以忽略不計(jì)[13]。
1 滾動摩擦力
平路：
（4.1）
15
4 機(jī)器人驅(qū)動方式
爬坡30°時：
由于：a/c=sin30o c=a/sin30o=1/（1/2）=2 128x2=256kg
（4.2）
2 扭矩
平路：
（4.3）
斜坡：
（4.4）
3 功率
由于斜坡運(yùn)動時，所需的扭矩交平路要大，此處電機(jī)功率的選型按照斜坡來計(jì)算
（4.5）
由于大輪周長為800mm，V=5Km/h，故v=104r/min。
（4.6）
養(yǎng)老助殘機(jī)器人主要由后面兩輪獨(dú)立驅(qū)動，每個輪子扭矩=總扭矩/驅(qū)動輪個數(shù)，同時鏈傳動的傳動比為1:2，故輪子所需的驅(qū)動扭矩為17.836N.m，功率為194.25w。
選用直流電型號DM12SGU,功率:200w,電壓24V。
4.4 小輪電機(jī)扭矩與功率
因?yàn)樾≥喼饕蓚鲃虞S帶動小輪連桿轉(zhuǎn)動，此時的扭矩相當(dāng)于轉(zhuǎn)軸克服車身自重的過程。
（4.7）
（4.8）
車身在上樓過程中需要連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動來調(diào)整車身的姿態(tài)，由于運(yùn)動到樓梯中間階段時連桿機(jī)構(gòu)只需要保持不變，所以整個運(yùn)動過程中所需要的驅(qū)動力矩比較小[13]。車身連桿處電機(jī)扭矩和功率只要考慮車身和人自身重量，經(jīng)過分析可以選
16
和大輪同等型號的電機(jī)：型號：DM12SGU,功率:200w,電壓24V。
5 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核
5 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核
5.1 引言
本章主要從養(yǎng)老助殘機(jī)器人的關(guān)鍵零部件的選型、計(jì)算以及校核入手，分別對軸承、軸和齒輪進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。
5.2 滾動軸承的選擇及校核計(jì)算
本文的軸承選用7002C，內(nèi)徑15mm，外徑32mm，厚度9mm。
1.兩軸承受到的橫向載荷和F∝1和Fd2
（5.1）
（5.2）
（5.3）
（5.4）
（5.5）
（5.6）
2.計(jì)算兩軸承的軸向力Fa1、Fa2
對于7類軸承，派生的軸向力Fd=e?Fr，其中e查資料可得判斷系數(shù)，其值由Fal的大小確定，但現(xiàn)軸承的軸向力Fa未知，故先取e=0.4,因此可估算[14]。
（5.7）
（5.8）
（5.9）
所以軸有向左移動的趨勢，左端軸承外圈提供一個向右的軸向平衡力Fd2.
3.近似計(jì)算
（5.10）
（5.11）
（5.12）
（5.13）
（5.14）
17
金陵科技學(xué)院畢業(yè)論文 5 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核
對軸承1：
22
5 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核
（5.15）
對軸承2：
（5.16）
取 ：
（5.17）
（5.18）
4.驗(yàn)算軸承的壽命
因?yàn)?，所以按軸承的受力驗(yàn)算
（5.19）
此軸承合格。
5.3 軸的校核計(jì)算
小輪傳動軸的校核計(jì)算
由于軸作為給小輪傳輸動力，故本文此處可以簡化為簡支梁的模型，集中力矩集中在軸的齒輪配合處。模型的主要簡圖如下所示，其中，梁長500 mm，力矩由第四章的計(jì)算可知為128.625N.m，載荷類型屬于集中力矩，
圖5.1 麥迪軟件的軸校核示意圖
軸材料選用45鋼調(diào)制，其中 。
取
取整的d=30
齒輪鍵連接設(shè)計(jì)
輪轂長度為12，選用圓頭平鍵,
,強(qiáng)度符合要求
5.4 齒輪的選擇和校核計(jì)算
1 選擇齒輪材料及精度等級
小齒輪采用45鋼調(diào)質(zhì)，硬度為220HBW；大齒輪采用45鋼正火，硬度為170HBW。初步估計(jì)齒輪線速度v＜10m/s，選擇8級精度[14]。
2確定齒輪許用應(yīng)力
通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，可以得到σ和σ。
（5.20）
19
5 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核
（5.21）
查得S和S。
（5.22）
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，齒輪工作年限為20年，每年52周，每周工作日為7天，單班制，每天工作8小時，應(yīng)力循環(huán)數(shù)：
（5.22）
（5.23）
（5.24）
通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，查得Z和Y：
（5.25）
（5.26）
由上式，求得許用應(yīng)力：
（5.27）
（5.28）
（5.29）
（5.30）
3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1)小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩
（5.31）
2)載荷因數(shù)K
選取K=1.1
3）齒數(shù)z和齒寬因數(shù)Ψ
選擇小齒輪的齒數(shù)z1=20，則大齒輪的齒數(shù)z2=40，選取Ψ=1
4）齒數(shù)比μ
μ=2
5）材料彈性系數(shù)
由于大、小齒輪使用的材料均為鋼，查得Z=189.8
6）計(jì)算小齒輪直徑d及其模數(shù)m
20
5 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與校核
因?yàn)樾↓X輪選用的是軟齒面，根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度公式計(jì)算：
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2.5mm
1. 計(jì)算大齒輪和小齒輪的幾何尺寸
（5.32）
（5.33）
（5.34）
（5.35）
（5.36）
（5.37）
（5.38）
（5.39）
（5.40）
取b=50mm,b=100mm
2. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（5.41）
（5.42）
σ===190.8MPa<[σ]（5.43）
σ===179MPa<[σ] （5.44）
、
1.0-1.1
1.3-1.4
1.1-1.2
1.4-1.6
1.3
1.6-2.2
0.1, 0.12, 0.15, 0.2, 0.25，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1，1.25， 1.5， 2， 2.5， 3， 4， 5， 6， 8， 10， 12， 16， 20， 25， 32， 40， 50
1-1.2
1.2-1.6
1.6-1.8
1.2-1.6
1.6-1.8
1.9-2.1
1.6-1.8
1.8-2.0
2.2-2.4
21
Z
12
14
16
17
18
19
20
22
25
28
30
Y
3.47
3.22
3.03
2.97
2.91
2.85
2.81
2.75
2.65
2.58
2.54
Y
1.44
1.47
1.51
1.53
1.54
1.55
1.56
1.58
1.59
1.61
1.63
6 機(jī)器人上樓過程的運(yùn)動仿真
6.1 引言
前面五章內(nèi)容主要進(jìn)行養(yǎng)老助殘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案確定、設(shè)計(jì)計(jì)算以及理論校核。本章利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人三維模型，添加驅(qū)動來進(jìn)行運(yùn)動仿真。
6.2 運(yùn)動仿真的原理
運(yùn)動仿真在solidworks里被稱為運(yùn)動算例，主要包括以下幾個部分：
1、動畫（在核心SolidWorks內(nèi)生成）：
6 機(jī)器人上樓過程的運(yùn)動仿真
6.3 創(chuàng)建驅(qū)動模型
本文首先在SolidWorks三維軟件中建立養(yǎng)老助殘機(jī)器人模型，再設(shè)計(jì)樓梯裝置，通過在SolidWorks軟件中啟動動畫插件。
養(yǎng)老助殘機(jī)器人模型
特征集合
約束配合
動畫鍵碼
圖6.1 solidworks動畫過程
根據(jù)養(yǎng)老助殘機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的思路，分解養(yǎng)老助殘機(jī)器人的上樓動作，通過添加約束配合來設(shè)置不同的上樓動作，并做出完整的動畫視頻，如上圖所示為整個軟件仿真的界面。
23
6 機(jī)器人上樓過程的運(yùn)動仿真
圖6.2 上樓過程1
圖6.3 上樓過程2
24
6 機(jī)器人上樓過程的運(yùn)動仿真
圖6.4 上樓過程3
圖6.5 上樓過程4
25
6 機(jī)器人上樓過程的運(yùn)動仿真
圖6.6 上樓過程5
圖6.7 上樓過程6
結(jié)論：本文所設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)正面上樓，結(jié)構(gòu)合理。
26
結(jié)論
本文主要對養(yǎng)老助殘機(jī)器人的爬樓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了正面上樓功能，但還存在很多不足：
（1） 本文所設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人擁有六個電機(jī)，使機(jī)器人的控制問題比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化。
（2） 本文所設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人，雖然能夠正面上樓，但對于臺階的高度限制較大，無法翻越過高的臺階。
（3） 本文所設(shè)計(jì)的養(yǎng)老助殘機(jī)器人，未考慮地面起伏對機(jī)器人的影響，在不平的地面上對機(jī)器人的穩(wěn)定影響較大。
總之，在實(shí)現(xiàn)養(yǎng)老助殘機(jī)器人正面上樓方面，本文提出了一種可行的方案，
但對于穩(wěn)定性與安全性方面還有較大的欠缺。
本文主要研究了養(yǎng)老助殘機(jī)器人的上樓方式，還有許多問題沒有解決，還需要作出進(jìn)一步的優(yōu)化。在以后的研究中我們可以對機(jī)器人的控制系統(tǒng)和穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化。
致謝
32
致謝
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致謝
致謝
我首先要感謝我的論文指導(dǎo)老師，金陵科技學(xué)院機(jī)電院的鞠全勇老師。鞠全勇老師對我論文的研究方向做出了指導(dǎo)性的意見和推薦，在論文撰寫過程中及時對我遇到的困難和疑惑給予指導(dǎo)，對我的論文提出了許多改善性的意見，投入了很多的心血和精力。我對鞠全勇老師給我的幫助和指導(dǎo)表示誠摯的謝意!同時，也要感謝金陵科技學(xué)院機(jī)電院機(jī)械專業(yè)所有的授課老師們和同學(xué)們，在大家的互相幫忙下，我們一起度過了一段美好難忘的時光。
此外，還要我感謝朋友以及同學(xué)們在論文編寫中帶給我的大力支持和幫助，給我?guī)砹藰O大的啟發(fā)。同時也要感謝參考文獻(xiàn)中的作者們，通過他們的研究文章，使我對養(yǎng)老助殘機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案有了很大的啟發(fā)。
最后，感謝論文評閱老師們的辛苦工作。衷心感謝我的老師、朋友以及同學(xué)們。
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