轮履变结构的轮椅式服务机器人设计（机械部分）(附件)【字数：13117】
随着我国进入老龄化社会的进程逐渐加快，各种疾病、灾害、交通事故等造成下肢损伤的人数也逐渐增加，为老年人和残疾人提供多功能的代步工具已经成为社会的焦点之一。轮椅式服务机器人作为一种先进的代步工具可以帮助他们出行，使他们重新获得生活的自理能力,更好地融入社会。目前世界各国都在积极开展有关轮椅式服务机器人相关技术的研究，也都取得了一定的进展。我国对于轮椅式服务机器人的研究起步相对较晚，在研究水平上和一些发达国家还有一定差距。在这种情况下，本文设计了一种基于轮-履变结构的轮椅式服务机器人来改善老年人和残疾人的出行状况。本文首先分析了国内各种外轮椅式服务机器人的发展情况，然后针对轮椅式服务机器人的功能要求，设计了一种轮-履变结构的轮椅式服务机器人的结构方案。并在此基础上对轮椅式服务机器人滚轮、旋转机构、座椅和前部支撑机构等进行了详细的结构设计，利用ProE三维建模软件建立了轮椅式服务机器人的三维模型，对各零部件进行强度校核。接下来对轮椅式服务机器人在各种工况下的运行情况进行了运动学分析，着重研究和分析了轮椅式服务机器人在履带模式下攀越台阶和斜坡以及越过壕沟的运动原理。同时针对轮椅式服务机器人的康复训练机构功能的实现，进行了各机构之间联动的计算。最后完成了轮椅式服务机器人整体模型的装配并对机构进行仿真研究。本文设计的轮椅式机器人可以有效改善老年人和残疾人的出行状况，使他们更好地融入社会，对促进社会的和谐具有重大意义。关键词轮履变结构；康复训练机构；轮椅式服务机器人；结构设计；
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2轮椅式服务机器人的国内外研究现状 1
1.3 本文的主要研究内容 3
第二章 轮椅式服务机器人的结构设计 5
2.1轮椅式服务机器人的设计要求分析 5
2.2轮椅式服务机器人的整体结构设计 5
2.3 轮履变结构滚轮设计 6
2.3.1 打开机构的设计 7
2.3.2驱动系统设计 9
2.3.3 外轮和弹性履带设计 13
2.4旋转机构设计 14
2.4.1滚轮轴处的旋转机构设计 14
2.4.2旋转臂处的旋转机构设计 17
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.5座椅设计 18
2.6前支撑轮的设计 20
2.7本章小结 21
第三章 轮椅式服务机器人的运动学分析 23
3.1引言 23
3.2滚轮模式时的运动学分析 23
3.3履带模式时的运动学分析 23
3.3.1攀爬台阶时的运动学分析 24
3.3.2攀爬斜坡时的运动学分析 25
3.3.3越过壕沟时的运动学分析 26
3.3.4履带前进时的运动学分析 27
3.4康复训练机构的运动学分析 27
3.5本章小结 28
第四章 轮椅式服务机器人仿真研究 30
4.1引言 30
4.2仿真模型的建立 30
4.3轮履变结构滚轮的仿真研究 31
4.4康复训练机构的仿真研究 33
4.5 本章小结 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着我国社会的发展，老龄化和残疾人口的增加已经逐渐成为我们必须要面对的问题之一。截止到2014年，我国60岁以上的老龄人口已占到全国总人口的15.5%，共计21242万人，而各种残疾人士的总数也已达到8500万。无法自由行动是老年人和残疾人不得不面对的一个重大问题，现在如何帮助老年人和残疾人恢复自由行动的能力已经成为了整个社会的焦点。
目前我国市场上的轮椅大都是手动轮椅，因其低廉的价格而受到市场的青睐。但是手动轮椅只能是上肢健全的青壮年人群使用或者需要其他人的推动，这就对手动轮椅的使用带来了很大的限制。而且手动轮椅仅适用于良好的路况，也将很多老年人和残疾人对手动轮椅的使用拒之门外。基于上述情况，为了给老年人和残障人提供安全方便、功能丰富的代步工具,对于轮椅式服务机器人的设计研究和产品设备的开发已经成为我国的重要课题之一。本课题的目的在是设计一种多功能的轮椅式服务机器人，可以适用于平地、楼梯、斜坡等多种路况，还可以帮助他们做一些平时做不到的事情。这对改善该他们的生活质量、帮助他们重新获得生活能力以及促进整个社会的和谐发展和经济增长都具有积极意义。
1.2轮椅式服务机器人的国内外研究现状
1986年英国首先研制了第一台轮椅式服务机器人，从此拉开了轮椅式服务机器人研究的序幕。目前已经有了很多国家加入到轮椅式服务机器人研究的队伍之中，如德国Ulm研制的MAID项目、美国麻省理工学院研究的WHEELESLEY项目以及法国研究的VAHM项目等。由于各个项目的研究方法和针对对象的差异，每个实验室研究的轮椅式服务机器人所能解决的问题和功能范围也都不尽相同[14]。
如图11所示是德国的不莱梅大学研发的轮椅式服务机器人Rolland，这款机器人是通过操作杆控制的，得益于其可以把语言转换为XML形式的能力，用户可以通过语言扩展这款机器人的地图信息。此外这所大学的自动化研究所同时也开发了可以声控的轮椅式服务机器人FRIEND，如图12所示的。
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图11 Rolland 图12 FRIEND 图13 MAID
如图13所示是德国UIM大学1998年在诺威工业商品博览会上展示的轮椅式服务机器人MAID。该轮椅式服务机器人是乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上改造的，曾在人口众多的乌尔姆市中心车站进行了超过36小时的现场实验。实验表明，该轮椅式服务机器人可以自动检测前方有无行人或障碍物并自动避让，当判断出现无法行驶的状况时甚至可以提醒前方的行人让道。针对不同的运行环境，该轮椅式服务机器人应对有两种运行模式——宽区域航行和狭窄区域航行，这大大提高了运行的准确性。鉴于此项目的先进性，德国科学技术部给予其了大量的财政支持，并计划两年后正式推出面世[13]。
如图14所示的是日本残疾人国家康复中心开发的轮椅式服务机器人，主要针对的使用者是物理残疾者。有别于其他同类产品，该轮椅式服务机器人在使用者的上方安装了多个视觉传感器，不仅可以实现通过手势控制，甚至可以探测周围360度范围内的物体。在智能系统的控制下，当探测器发现存在障碍物时机器人可以随时停下。得益于无线集成技术，该轮椅式服务机器人也可以把探测到的图像发送到手机上。
日本研制的另一种轮椅式服务机器人同样也具有视觉功能，可以通过检测使用者的脸部的方向获得使用者的意图，把使用者的操作将至最低。实验样机是由一个商业轮椅改造而成的，现在已经投入实验，由一台PC机控制。现在已经实现了通过检测人脸的方向来控制机器人的运动的功能，这只是该项目的第一步。
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图13 日本开发的轮椅式服务机器人
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2轮椅式服务机器人的国内外研究现状 1
1.3 本文的主要研究内容 3
第二章 轮椅式服务机器人的结构设计 5
2.1轮椅式服务机器人的设计要求分析 5
2.2轮椅式服务机器人的整体结构设计 5
2.3 轮履变结构滚轮设计 6
2.3.1 打开机构的设计 7
2.3.2驱动系统设计 9
2.3.3 外轮和弹性履带设计 13
2.4旋转机构设计 14
2.4.1滚轮轴处的旋转机构设计 14
2.4.2旋转臂处的旋转机构设计 17
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.5座椅设计 18
2.6前支撑轮的设计 20
2.7本章小结 21
第三章 轮椅式服务机器人的运动学分析 23
3.1引言 23
3.2滚轮模式时的运动学分析 23
3.3履带模式时的运动学分析 23
3.3.1攀爬台阶时的运动学分析 24
3.3.2攀爬斜坡时的运动学分析 25
3.3.3越过壕沟时的运动学分析 26
3.3.4履带前进时的运动学分析 27
3.4康复训练机构的运动学分析 27
3.5本章小结 28
第四章 轮椅式服务机器人仿真研究 30
4.1引言 30
4.2仿真模型的建立 30
4.3轮履变结构滚轮的仿真研究 31
4.4康复训练机构的仿真研究 33
4.5 本章小结 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着我国社会的发展，老龄化和残疾人口的增加已经逐渐成为我们必须要面对的问题之一。截止到2014年，我国60岁以上的老龄人口已占到全国总人口的15.5%，共计21242万人，而各种残疾人士的总数也已达到8500万。无法自由行动是老年人和残疾人不得不面对的一个重大问题，现在如何帮助老年人和残疾人恢复自由行动的能力已经成为了整个社会的焦点。
目前我国市场上的轮椅大都是手动轮椅，因其低廉的价格而受到市场的青睐。但是手动轮椅只能是上肢健全的青壮年人群使用或者需要其他人的推动，这就对手动轮椅的使用带来了很大的限制。而且手动轮椅仅适用于良好的路况，也将很多老年人和残疾人对手动轮椅的使用拒之门外。基于上述情况，为了给老年人和残障人提供安全方便、功能丰富的代步工具,对于轮椅式服务机器人的设计研究和产品设备的开发已经成为我国的重要课题之一。本课题的目的在是设计一种多功能的轮椅式服务机器人，可以适用于平地、楼梯、斜坡等多种路况，还可以帮助他们做一些平时做不到的事情。这对改善该他们的生活质量、帮助他们重新获得生活能力以及促进整个社会的和谐发展和经济增长都具有积极意义。
1.2轮椅式服务机器人的国内外研究现状
1986年英国首先研制了第一台轮椅式服务机器人，从此拉开了轮椅式服务机器人研究的序幕。目前已经有了很多国家加入到轮椅式服务机器人研究的队伍之中，如德国Ulm研制的MAID项目、美国麻省理工学院研究的WHEELESLEY项目以及法国研究的VAHM项目等。由于各个项目的研究方法和针对对象的差异，每个实验室研究的轮椅式服务机器人所能解决的问题和功能范围也都不尽相同[14]。
如图11所示是德国的不莱梅大学研发的轮椅式服务机器人Rolland，这款机器人是通过操作杆控制的，得益于其可以把语言转换为XML形式的能力，用户可以通过语言扩展这款机器人的地图信息。此外这所大学的自动化研究所同时也开发了可以声控的轮椅式服务机器人FRIEND，如图12所示的。
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图11 Rolland 图12 FRIEND 图13 MAID
如图13所示是德国UIM大学1998年在诺威工业商品博览会上展示的轮椅式服务机器人MAID。该轮椅式服务机器人是乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上改造的，曾在人口众多的乌尔姆市中心车站进行了超过36小时的现场实验。实验表明，该轮椅式服务机器人可以自动检测前方有无行人或障碍物并自动避让，当判断出现无法行驶的状况时甚至可以提醒前方的行人让道。针对不同的运行环境，该轮椅式服务机器人应对有两种运行模式——宽区域航行和狭窄区域航行，这大大提高了运行的准确性。鉴于此项目的先进性，德国科学技术部给予其了大量的财政支持，并计划两年后正式推出面世[13]。
如图14所示的是日本残疾人国家康复中心开发的轮椅式服务机器人，主要针对的使用者是物理残疾者。有别于其他同类产品，该轮椅式服务机器人在使用者的上方安装了多个视觉传感器，不仅可以实现通过手势控制，甚至可以探测周围360度范围内的物体。在智能系统的控制下，当探测器发现存在障碍物时机器人可以随时停下。得益于无线集成技术，该轮椅式服务机器人也可以把探测到的图像发送到手机上。
日本研制的另一种轮椅式服务机器人同样也具有视觉功能，可以通过检测使用者的脸部的方向获得使用者的意图，把使用者的操作将至最低。实验样机是由一个商业轮椅改造而成的，现在已经投入实验，由一台PC机控制。现在已经实现了通过检测人脸的方向来控制机器人的运动的功能，这只是该项目的第一步。
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图13 日本开发的轮椅式服务机器人
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