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1、上海交通大学 硕士学位论文 智能助行机器人概念样机设计 姓名：平伟 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：顿向明 20090201 V 智能助行机器人概念样机设计智能助行机器人概念样机设计 摘 要 智能助行机器人主要针对行走不便、视弱、盲人等的老年人和残 疾人，以日常生活和工作所需要的行走辅助为主要目标。助行机器人 样机不但广泛应用与医院和疗养院， 也常常作为家庭老人和残疾人的 康复设备。 本论文针对目前国内外助行机器人的重量过大、 承载能力、 不能适应室内/室外多种地面、辅助导航系统昂贵等不足展开研究， 研制了可适应室内/室外等环境、便携式的智能助行机器人样机，主 要包括助行机器
2、人的机械设计、运动学分析等方面。 首先，回顾和总结了助行机器人的研究历史和发展现状，对国内 外各主要研究机构设计的助行机器人进行了分析和对比， 并介绍了本 文研究的主要内容。 其次，对机器人研制目标进行了分析，讨论确定了助行机器人样 机的总体设计方案。 从整体上对机器人机械设计的特点和局部结构相 关元件的选择进行研究。根据作业环境的要求、负载能力，利用现代 机械设计方法，通过比较各种传动方式的优缺点，由助行机器人的底 盘机构设计出发，按从下到上的顺序相对独立地利用 Pro/E 设计了助 行机器人的机构，最后经过分析，设计出实际样机。 再次，建立了该机器人在平面上的运动学模型，讨论在该模型下 几
3、种基本运动形式的实现条件， 还分析齿轮传动对小车运动学模型的 影响，得出提高小车运动精度可采取的措施。 VI 最后简单介绍了样机的硬件结构，主要包括控制驱动单元、脉搏 传感器、GPS 接收器、RFID 读卡器、和激光传感器。对样机的智能 化提供了硬件支持。 关键词：助行机器人，机构设计，运动学分析，硬件结构 VII CONCEPTUAL DESIGN OF PROTOTYPE OF ASSISTANT ROBOT ABSTRACT The intelligent assistant robot mainly aims at helping the aged and the disabled w
4、ho are weak-eyed, blind, or have difficulty walking, and its main target is to assist in walking for those people during their daily life and work time. The assistant robot can not only be widely used in hospitals and nursing home, but also can be used for the rehabilitation equipment for the aged a
5、nd disabled. The thesis does research on the disadvantages of the assistant robot at home and abroad at present, which is usually overweighted, with low carrying capacity, unable to walk in both indoor and outside environment, and expensive in auxiliary navigation system. A conveniently portable pro
6、totype for assistant robot is designed which can be used in both inside and outside environment, its mainly content includes mechanism design and kinematics analysis. Firstly, the thesis reviews and summarizes the research history and development status of assistant robot, and does analysis and comp
7、arison mainly on assistant robot at home and abroad. Secondly, the research target of assistant robot is analyzed, and the overall design scheme of prototype is discussed and confirmed. The features of mechanism design of robot and the choice on components of VIII modules are researched as a whole.
8、According to the requirements of work environment, carrying capacity, Using Modern mechanical design method and making comparison on advantages and disadvantages of variable transmission methods, the mechanism of assistant robot is designed by Pro/E, and the design of robot is started from the chass
9、is mechanism which is from the bottom up independently. Thirdly, the kinematics model of the robot on the flat surface is established, and the conditions to realize 3 forms of motion are discussed under the model. Also, the effect of gear transmission on kinematics model is discussed and the measure
10、s to improve motion precision are made. Lastly, the hardware structure of prototype is introduced, which mainly includes the control and drive units, pulse sensor, GPS receiver, RFID Reader, Laser sensor and etc. The hardware supports the intelligentization of the prototype of assistant robot. KEY W
11、ORDS： Assistant robot, Mechanism design, Kinematics analysis, Hardware structure introduction III 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：平伟 日期：2009 年 2 月 2
12、 日 IV 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：平伟 指导教师签名：顿向明 日期：2009 年 2 月 2 日 日期：2009 年 2 月 2 日 1 第一章第一章 绪论
13、绪论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源于上海交通大学 863 重点项目助老/助残机器人概念样机研究 与开发子课题智能助行机器人概念样机研究与开发 。计划在四年之内研发 出一款当今世界比较先进的助行机器人。 本课题将解决总体目标中的行走辅助技术难题， 为各类性质辅助系统提供标 准移动平台。 因此在助行机器人研制中要充分考虑与操作臂和其它传感器的集成 需要。 1.2 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 依照联合国教科文组织对老龄化社会的划分标准， 中国已于上个世纪最后一 年 1999 年“国际老年人年”加入老年型国家的行列。2000 年第五次全国人口 普查数据显示，60 岁以上老年人口数
14、已达到 1.32 亿，是生活在我们身边的一个 较大的弱势群体，其中运动功能受限的老年人数量占相当的比例，而助行器是助 行设备中支撑稳定性较好的一类产品，为了弥补老年人行动障碍，有效的提高老 年人生活质量，设计人员通过设计实践不断探索适宜于我国老年人使用的助行 器。医学上把辅助人体、支撑体重、保持平衡和行走的工具通称为助行器。根据 其具体结构和功能，可将其分为单臂操作助行器和双臂操作助行器两大类。助行 器的种类很多，其中单臂操作助行器以各式拐杖为主，而双臂操作助行器则分为 框式、交替步进式、轮式、前臂支撑式助行器等，各类助行器所能提供的支撑能 力以及稳定程度有很大差异，所以并不是每一种助行器都适
15、宜于老年人使用。人 到老年，有其独特的生理和心理机制。除身高、体重等基本体态特征变化明显之 外，肌体的一些基本的体能特征也随之发生改变，各项指标呈下降趋势，导致人 体运动机能的衰退现象显著。加之不同程度的视力减弱，“前庭功能”（即空间运 动过程中维持身体平衡的能力）下降、应急反应时间延长、协调能力差等原因， 更是加大了老年人行动障碍的几率。 资料显示， 老年人摔倒有约 53%的是由于行 走或站立不稳定造成， 而摔倒又是造成人体损伤， 引发其它老年疾病的重要原因。 而且，随着年龄的增长，渴望行动自由和生活自理的愿望更加强烈。因此，设计 2 与研发适宜于老年人使用的助行器显得尤为重要2。 普通的助行器包括拐杖、助步架，是行走困难的老人和残疾人、以及感知困 难的视弱者和盲人等广泛使用的行走辅助设备，医学上把辅助人体、支撑体重、 保持平衡和行走的工具通称为助行器2。但是，由于这些设备的功能低级，其舒 适性和安全性还非常有限，无法帮助老年人和残疾人实现更高质量的独立生活。 近年来，机器人技术，包括运动控制、传感和导航，与上述传统行走辅助设备相 结合即为助行机器人，已经成为国内外研究热点。 虽然，目前已经开发出了众多的助行机器人样机系统，但其实用性还远未成 熟，在行走支持技术领域，需要解决移动灵活性、能源高效化、便携性和多种路 面适用性等技术难题。 1.3 国外助行机器人的研究国外
