仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人抱人機(jī)構(gòu)總體方案確定案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u8874仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人抱人機(jī)構(gòu)總體方案確定案例概述 1105131.1設(shè)計(jì)任務(wù) 1190441.1.1需求分析 1194611.1.2確定設(shè)計(jì)任務(wù)要求 1196521.2功能分析 2221041.1.1仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人主要功能分析 2211.1.2仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人主要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵技術(shù) 3127041.3總體方案確定 3189911.3.1總體布局方案（總體結(jié)構(gòu)方案） 332301.3.2仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人抱人機(jī)構(gòu)方案 397071.3.3仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)方案 41.1設(shè)計(jì)任務(wù)本課題設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一款兼具抱人、移動(dòng)功能且滿足被護(hù)理人舒適性的自動(dòng)移乘護(hù)理機(jī)器人。1.1.1需求分析在康復(fù)護(hù)理過(guò)程中，目前的移乘輔助器械大都使用不便，耗時(shí)費(fèi)力，普及率較低?，F(xiàn)階段急需一款可以擁有安全性、舒適度、省時(shí)省力的移乘護(hù)理機(jī)器人來(lái)幫助對(duì)半失能人群的護(hù)理工作。為實(shí)現(xiàn)下肢失能的人在生活器具間安全方便且舒適地移動(dòng)，本課題設(shè)計(jì)一款仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人。1.1.2確定設(shè)計(jì)任務(wù)要求（1）分析人背人動(dòng)作以及被護(hù)理人舒適性的影響因素：通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段或者通過(guò)借助運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，分析對(duì)人背人動(dòng)作，明確此動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)構(gòu)成（需要哪些自由度實(shí)現(xiàn)），為機(jī)器人的抱人部分構(gòu)型設(shè)計(jì)提供思路。結(jié)合背抱過(guò)程中可能對(duì)被護(hù)理人的舒適型的影響因素，明確設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)舒適背抱的重要?jiǎng)幼饕约敖Y(jié)構(gòu)構(gòu)型特點(diǎn)。（2）機(jī)器人抱人部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)器人抱人部分包括機(jī)器人動(dòng)作實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)（選擇串聯(lián)機(jī)構(gòu)或混連甚至并聯(lián)機(jī)構(gòu)）和與人接觸的熊靠（末端執(zhí)行器）的設(shè)計(jì)（胸靠本體、腋下支撐結(jié)構(gòu)、柔性抱人手臂）。機(jī)器人抱人部分在自由度上應(yīng)使機(jī)器人抱人動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也應(yīng)該具有自鎖機(jī)構(gòu)以保證工作過(guò)程中被護(hù)理人的必要安全。機(jī)器人末端熊靠應(yīng)該考慮抱起過(guò)程中與被護(hù)理人的接觸位置，具體抱起方式，以及末端胸靠應(yīng)該具有可調(diào)整性，以適應(yīng)不同的身高體重的被護(hù)理人。（3）機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)：機(jī)器人應(yīng)該具有自主行走功能。此機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境為家庭和醫(yī)療場(chǎng)所，因此要求機(jī)器人具有轉(zhuǎn)向，靈巧避障功能，并對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，傳感器安置等內(nèi)容。1.2功能分析1.1.1仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人主要功能分析根據(jù)任務(wù)書(shū)規(guī)定，仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人的工藝過(guò)程如下：機(jī)器人在通過(guò)設(shè)計(jì)好的程序，檢測(cè)到被護(hù)理人的位置與移動(dòng)需求，自主移動(dòng)至被護(hù)理人正前方，并實(shí)行抱人動(dòng)作，將被護(hù)理人平穩(wěn)的抱起。抱起后利用避障檢測(cè)等功能，通過(guò)識(shí)別被護(hù)理人移動(dòng)要求，運(yùn)送被護(hù)理人至指定地點(diǎn)并將其平穩(wěn)的放下。其效果圖[4]圖2-1仿人背抱機(jī)器人工藝過(guò)程由上述工藝過(guò)程描述可知，該機(jī)器人必須擁有如下兩個(gè)功能：1）抱人抱起功能該機(jī)器人必須用有抱人的功能：在機(jī)器人在工作過(guò)程中滿足擁有將被護(hù)理人在一地點(diǎn)緩慢抱起、將被抱起的被護(hù)理人緩慢放下兩種動(dòng)作。2）自主移動(dòng)功能該機(jī)器人必須用有自主移動(dòng)的功能：要求該設(shè)計(jì)成品機(jī)器人必須滿足在無(wú)人護(hù)理情況下，完成機(jī)器人自主移動(dòng)的功能。1.1.2仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人主要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要環(huán)節(jié)根據(jù)機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)出具有應(yīng)有功能的機(jī)構(gòu)，選用合適的驅(qū)動(dòng)方式，并進(jìn)行負(fù)載及強(qiáng)度的校核。最后應(yīng)用二維制圖軟件AutoCAD及三維制圖軟件Solidworks繪制相應(yīng)的裝配圖，零件圖及三維模型的繪制。1.3總體方案確定1.3.1總體布局方案（總體結(jié)構(gòu)方案）由于編者水平有限，暫有兩套符合該設(shè)計(jì)的總體布局方案有，具體方案如下：方案一：總體布局以焊接圓柱桿件作為機(jī)架的整體構(gòu)型，在焊接機(jī)架上配合螺栓及機(jī)座等裝配各個(gè)機(jī)構(gòu)。方案二：總體布局以金屬板作為機(jī)架的整體構(gòu)型，在金屬板上設(shè)置各個(gè)螺紋孔等配合螺栓裝配各個(gè)機(jī)構(gòu)。方案比較：（1）強(qiáng)度方面：焊接件與金屬板與螺栓連接體強(qiáng)度方面沒(méi)有太大區(qū)別，螺栓連接體可調(diào)整螺栓尺寸來(lái)確保強(qiáng)度，焊接件可根據(jù)焊接材料調(diào)整強(qiáng)度。（2）質(zhì)量方面：金屬板螺栓連接體因有較多部分為了保證強(qiáng)度，只起到連接作用，而無(wú)其他作用，所以其浪費(fèi)材料較多，質(zhì)量與焊接桿件相比較大。（3）空間方面：焊接件機(jī)架內(nèi)部空間大，可以放下各個(gè)零部件，而金屬板螺栓連接體內(nèi)部空間小，不易放下各個(gè)零部件。綜上所述：雖然焊接件在綜合性能上優(yōu)于金屬板螺栓連接件，但是由于本機(jī)器人零部件太多，焊接件又無(wú)法保證各個(gè)裝配尺寸要求，所以總體布局方案仍選用金屬板作為機(jī)架連接各個(gè)零部件。1.3.2仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人抱人機(jī)構(gòu)方案目前機(jī)器人可分為如下四種類(lèi)型，如下圖2-2至2-5所示,分別為極坐標(biāo)系型機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)系機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人[5]。圖2-2極坐標(biāo)系型機(jī)器人圖2-3多關(guān)節(jié)型機(jī)器人圖2-4直角坐標(biāo)系機(jī)器人圖2-5圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人對(duì)于本機(jī)器人，因?yàn)閯?dòng)作過(guò)程需要連續(xù)、緩慢的進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)軌跡要求為曲線，且抱人機(jī)構(gòu)整體為懸臂梁結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求高。直角坐標(biāo)系機(jī)器人強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)軌跡方面有欠缺。綜合考慮，選用多關(guān)節(jié)行機(jī)器人作為本護(hù)理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型?？蛇x用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)配套極坐標(biāo)軸型機(jī)械手的桿結(jié)構(gòu)，效果圖[10]圖2-6工業(yè)用機(jī)械手圖1.3.3仿人背抱式移乘護(hù)理機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)方案移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)要求末端裝置傳動(dòng)速度盡可能低，所以需要用到電機(jī)加減速箱配置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)方案選取如下：方案一：伺服電機(jī)：適用于閉環(huán)系統(tǒng)，控制精度高，響應(yīng)速度快，加速性能好，輸出力