一种智能助行机器人的设计.pdf

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1、一种智能助行机器人的设计第一章绪论1.1智能助行机器人现状分析通过查阅相关文献，分析目前助行器和助行机器人的现状，发现一些问题：（1）助行器虽然价格便宜，结构简单，但是由于它的功能简单、安全性不足，不能满足老年人的需要。（2）智能助行机器人安全系数高而且功能比较全，装有很多传感器，例如激光测距传感器、全息摄像机、健康监测传感器，GPRS模块。因此，大多数助行机器人具有避障、自主导航、人机交互和轨迹规划、判断用户行走意图的功能。但是由于其传感系统和控制系统过于昂贵，而不能被普通家庭所接受。（3）目前的助行机器人都比较笨重、不易携带、而且大多数助行机器人只能适用于平坦地面。1.2设计内容本文所设计

2、的智能助行机器人主要针对视力不好，身体衰弱，肌肉无力的老年人，用于他们平时的行走锻炼。综合分析后，确定本文设计的智能助行机器人应具有以下功能：（1）为了满足不同身体状况的使用者，机器人的速度必须是可调的；（2）能够检测周围障碍，并且能够避障，而且要提醒使用者周围有障碍。（3）出现意外危险情况时，例如人摔倒，必须马上停车，防止对人造成伤害。（4）正常情况下，使用者可以完全控制助行机器人。第二章助行机器人的机械结构设计2.1机器人设计目标（1）适用人群和使用环境本文所设计智能助行机器人主要针对视力不好，身体衰弱，肌肉无力的老年人，用于他们平时的行走锻炼。（2）运行速度查阅文献，发现国内外大部分助行

3、机器人的速度在0.5m/s~1.0m/s之间。因此，为了满足不同老年人的需要，本文设计两个速度档位：0.4m/s、0.7m/s。（3）工作时间和重量考虑实际情况，设定机器人连续工作时间为4h。选用工作稳定、能量密度高、电压高的锂电池作为机器人的电源。机器人的主体结构材料以铝合金为主。（4）负载重量考虑大多数人的体重，本文将所设计的助行机器人的负载定为80kg。2.2机器人机械结构设计2.2.1传动部分设计助行机器人采用四轮差动转向机构，即两个前轮为驱动轮，两个后轮为万向轮，这样可以减小机器人的体积，便于携带。驱动轮通过螺钉与传动轴相连，传动轴的另一端与联轴器相连，联轴器与减速器相连。传动轴安装

4、在轴承座上，轴承座固定在底盘上。传动部分的装配图如图2-1所示。图2-1传动部分装配图1、驱动轮2、M5螺钉3、传动轴4、M5螺钉5、轴承端盖6、轴承座7、联轴器8、M4螺钉9、减速器支承10、电机与减速器2.2.2刹车设计为了应对紧急情况，在底盘上设计了刹车。本文设计的刹车是一种电动式的刹车，方便老人操作。其主要有直流推拉式电池铁与刹车轴和刹片组成，当机器人遇到障碍或出现其他紧急情况需要刹车时，按下开关，电磁铁通电，将刹车轴往下拉，从而刹车片打到车轮上，由于摩擦力而使车轮停转。其结构如图2-2所示。图2-3为其所安装的位置。电磁铁支承刹车轴刹片电磁铁图2-2刹车结构图2-3刹车安装位置传动部

5、分的装配图如图2-4所示，万向轮由螺钉固定在底板上，电动机安装在支承架上，传动轴安装在轴承座上。图2-4传动部分的装配图2.2.3辅助结构设计助行机器人的辅助结构包括手柄设计和外形设计。如图2-5所示，左右手柄的旁边各有一圈控制按键，分别控制机器人的启停、调速、左右转向和前进与后退。图2-5手柄外观图助行机器人的外形设计如图2-6所示，手柄通过支架固定在底板上，传动部分分布在底板下面。图2-6助行机器人外观图第三章助行机器人的控制系统硬件设计助行机器人的控制系统分为6个模块，其中由于助行机器人有调速、避障以及危险情况时制动的功能，因此设计了避障模块、电机驱动模块、安全保护模块。另外由于正常情况

6、下用户是完全可以控制助行机器人的，因此设计了用户控制模块。而电源模块用来为助行机器人提供动力。3.1电机驱动模块的设计助行机器人控制系统的控制器选为STM32开发板。直流电机的驱动模块选用L298N芯片，采用PWM调速的方法对电机调速并控制电机的启停。L298N的OUT1、OUT2、OUT3和OUT4引脚分别接两个电机。电机驱动器的电路原理图如图3-1所示，电路的逻辑功能表如表3-1所示。表3-1电机转动状态编码IN1IN2IN3IN4机器人的运动状态左电机右电机1010前行正转正转1001左转正转反转1011以左电机为中心原地左转正转停0110右转反转正转1110以右电机为中心原地右转停正转

7、0101后退反转反转图3-1电机驱动器原理图3.2避障模块设计3.2.1超声波避障模块设计（1）超声波发射电路设计因为机器人行走速度比较低，所以当前方障碍较远时，助行机器人不需要采取动作。本文采用超声波传感器检测前方1-2m之间的障碍物。当前方障碍物与机器人的距离大于2m时，机器人不采取任何动作，当前方障碍物与助行机器人的距离在1-2m之间时，机器人提醒使用者，同时，机器人以最低速度前进。当障碍物