护理机器人行走及手臂系统的设计

摘 要
随着老龄化的加剧和医患护理费用的增加，对能为患者与行动不便的老人等提供 简单护理的机器人的需求也变得更加急切，本课题设计的护理机器人的整个过程中， 综合应用所学知识，不断获取和完善相关的专业知识，达到知识的增加与能力的提高 的目的。

本文介绍了国内外护理机器人技术的发展现状及前景，按课题需要进行护理机器 人手臂和底盘行走系统的结构设计，手臂为三自由度手臂，用电机带动扇形齿轮的啮 合实现手抓的放松与夹紧，底盘行走则采用双电机带动，实现差动行驶。

进行部件、 电机选型并对手臂齿轮的传递强度进行计算，最后从硬件和软件两个方面设计了单片 机在机械手控制中的应用。

设计了单片机的控制电路，绘制了程序流程图。

关键词：护理机器人，机器人手臂，行走系统，单片机
ABSTRACT
With the increased of aging and the cost of doctor­patient care .The demand for simple care robot for patients of the elderly has become more urgent, Throughout the process of the design of the subject of care robot, need an integrated application of knowledge, access and improve the relevant expertise to achieve the purpose of increasing knowledge and capabilities.
This article introduces the development status and prospects of the nursing robotics domestic and international , design the care robot arm and chassis walking system according to the requirement, the degree of freedom for arm is three, use the motor drive the fan gear stretch and clamp, the chassis have two­motor drives to achieve the differential driving. And finish the selection of the parts and the motors.As well as the checking of the transmission intensity of arm gears.At the last design application of the microcontroller in the robot in both hardware and software .Design of the MCU control circuit, draw the program flowchart.
Key words: care robot, robot manipulator,move system, SCM
目 录
1 绪论 (1)
1.1 护理机器人概述 (1)
1.2 课题背景及其意义 (1)
1.3 国内外研究现状 (1)
1.4 本课题的设计要求 (4)
2 护理机器人手臂部分的设计 (5)
2.1手臂的结构设计 (5)
2.2 电机的选择 (6)
2.3大臂处齿轮的计算 (7)
2.4大臂处同步带的计算 (10)
2.5本章小结 (14)
3 护理机器人底盘系统的设计 (15)
3.1 底盘结构的设计 (15)
3.2 底盘处电机的选择 (15)
3.3 机器人底盘行走运动的简略分析 (16)
4 控制系统设计 (17)
4.1 引言 (17)
4.2 电机介绍 (17)
4.4 硬件设计 (26)
4.5 软件设计 (29)
4.6 本章小结 (33)
5 结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 (36)
1 绪论
1.1 护理机器人概述
此护理机器人，主要服务对象为行动不便，或者重病在床的患者。

通过单片机植 入预定工作程序使机器人移动、抓取物件为患者拿放所需物件，实现对患者比较简单 的如帮助患者喝水、送药、进食等简单护理。

本文主要做的是行走和手臂系统的设 计，行走和手臂系统是护理机器人的重要组成部分。

机器人手臂为三自由度，可实现 大臂、小臂和手抓在同一平面内的运动。

行走系统为两轮差动系统，可实现任意角度 的转动。

1.2 课题背景及其意义
随着老龄化的加剧和医患护理费用的增加，对能为患者与行动不便的老人等提供简 单护理的机器人的需求也变得更加急切，本课题的目的就是为了满足这一社会需求， 设计一种为行动不便的患者提供简单护理的机器人，在为人们提供利的同时，降低有 长期重症患者家庭的护理费用。

护理机器人具有巨大的发展前景,首先是因为社会老龄人口的急剧增加，导致了社 会市场对护理机器人需求的增加，据统计我国现阶段花甲年龄之上的老人近十分之 一，并有可能在2015年突破2亿人这会是中国发展所急需解决的问题，其中挑战性不言 而喻。

此外，在世界各国范围内我国残疾人口比例属于偏多的国家。

可以预计，在不 远的将来，随着社会生活成本的提高老年人和残疾人的护理也将会困扰着社会，必然 成为社会及其家庭的沉重负担，因此如果能提供一大批护提供诸如取物、喂饭、搀扶 等多种多样服务功能理机器人，必将对帮助照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他 们的生活水准，同时减少整个社会对护理消费行业的巨大投入与消耗，并且可以适当 解决护理行业的发展压力。

不久的未来,服务机器人必将大量涌入人们的日常生活之中，成为一道风景。

不久 的未来,服务机器人必将大量涌入人们的日常生活，护理机器人是服务机器人的重要组 成部分，其专业性与实用性必将使它渐进深入人们的生活，极大的为人们提供方便。

1.3 国内外研究现状
根据WTEC评估结果，美国在机器人如下领域保持领先地位：机器人室外导航、机 器人体系结构（控制、机构和计算的集成）、以及部分服务和个人机器人领域。

日本 和韩国在机器人移动技术、人形机器人和部分服务和个人机器人（包括娱乐）领域处 于领先位置。

欧洲在结构化环境的移动技术，包括城市交通领域保持领先。

欧洲还在 助老和家庭服务机器人领域资助了重大计划。

澳大利亚在定位和导航的理论和应用方
面具有优势。

随着机械及相关行业技术的发展，适合家庭护理服务的机器人在各国的 发展已经进入了飞速发展的阶段，这些机器人主要是治疗与保健类机器人。

恩格耳伯 格认为服务型的机器人将是以后最具有应用潜力的机器人，也因此这位机器人之父成 立了TRC公司。

这反应了当前机器人行业工作者的认识。

目前，清洁机器人，导盲机器 人，外科助手机器人，汽车加油机器人，助残机器人及家务机器人等服务机器人已经 发展了一段时间，需求也正在增加。

目前，基于移动机器人的机械手，是目前最先进的康复机械手，其安装在移动机 器人、自主或半自主小车上，在加大机械手活动范围的同时，提高了抓取准度，适于 更多的患者。

S.Tachi等人在MIT日本实验室研发出了一种移动式的康复机器人 MELDOG [9] ，作为“导盲狗”以帮助盲人完成操作和搬运物体的事情；法国Evry大学研 制的移动式康复机器人ARPH [2] ，使用者可从工作站进行远程控制，使移动机器人实现 定位和抓取操作。

护理机械的发展中，著名的“护理助手”比较是TRC在1985开始发展并在1990销售 的第一个机器人产品。

目前在世界40多个医院中有。

只要你按下一个按钮，发送“护 士助理”就能完成病房的医疗器械和设备的转移，送饭，运送毒品的案件，报告和信 件发送，运输实验样品和结果，在住院分送邮件和包裹。

它大大降低了医院的开支提 高了工作效率。

并且它可以打开门，进入电梯，紧急时会给别人让路。

十九世纪八十 年代日本开发的一款名为MYISUPUN的护理机器人，它可以根据病人的命令用两个机 械手轻轻抱住病人，病人从床上到汽车，送病人检查;它也可以推轮椅的病人户外活动 或为病人洗澡。

东京都三鹰市SEKOMUS研究所最近开发机器人名为MYISUPUN，帮 助有障碍的人进行饮食。

在护理人员短缺，没有足够的时间服务残疾人进食的医院很 受欢迎。

这主要是由于交通意外事故受伤后，颈部一偶活动的人用。

不久前，日本专 门的护理人员的发展设计“护理人员”护理机器人。

因为在女性居多的护理人员中， 力气太小，帮助病人有时将非常困难。

有了这一套“护士助手”甚至比较弱的女护士 可以成为“大力士”。

人工神经网络的护理助理有很多传感器，分别与一个人的手 臂，大腿，小腿和臀部肌肉。

通过这些传感器的人体肌肉收缩的信息很快就过去了， 护理服务，连接计算机的计算机发送一个信号“激活”护理服务，增强人体肌肉力 量。

这种气压驱动的机器人，穿上它会很安全。

日本芝浦工业研究所技术部系统工程 教授T.komeda和他的研究小组开发了一个帮助残疾人士的日常生活移动机器人系统。

通过局域网络系统，该系统可以由多人同时用。

在监视器屏幕上输入指令可以将高达3 公斤食品顺利拿到残疾人面前，操作简单。

护理机器人系统逐步发展，当前世界上已经有日常生活上的极其柔软系统。

这一 系统可在重残人处于卧床状态、身体不能自由活动的情况下通过没置在床边的护理装 置（机器人部件），对重残人进行饮食照料包括从贮藏柜中拿物品等服务。

长期卧床 而意识健全的重残人可在病房、家庭中使用这种机器人在相应机构的配合下可实现的
护理项目有体位变换、躯体移动、饮食料理、信息传递、紧急逃离等。

从长远的角度 看，许多规划人员认为随着老年人的数量和家庭护理的费用增加，用于个人护理的机 器人需求量肯定会飞速增长。

护理机器人的研究是康复工程的重要组成部分。

康复就 是要使残疾人与健全人同样平等地参与各种社会活动，成为人类社会中普通的一员， 实现自身价值，为社会做出贡献。

在这些帮助中需要工程技术及其产品——技术辅助 器具等实物给以支持如轮椅假肢、矫形器等。

辅助器具在残疾人康复的各个环节上都 起着不可缺少、无法替代的作用。

1991年MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人 系统MIT­MANUS如图1­1所示。

图1-1机器人介绍
在国内，护理机械手经过50多年的发展，从总的情况来看我国生产的护理机器器 械除部分科技含量较大的产品外，大多只具备国外90年代末的水平，跟国外还有一定 的差距。

我国学术界和企业界在863计划和国家自然科学基金等项目的支持下，先后针 对各项机器人技术进行攻关，并取得大量研究成果。

但值得注意的是，上述研究成果 大都停留在理论研究层面，并没有将研究成果在产品技术上体现出来。

从成果应用上 看，我国的服务机器人主要以吸尘器机器人和教育平台为主，但现在已能够生产医用 降温毯，智能输液泵，多功能医疗护理床等。

“智能药丸”已开始临床实验,小型隔离 病房设备研制在预防非贝中发挥了重要作用。

台湾国立大学成功设计了一种应用于平面上肘关节屈/伸运动的康复机器人,利用 模糊控制器，完成了准确的位置与力控制。

对一定数量的正常人、偏瘫患者，进行圆 形轨迹运动的临床试验中,在运动方向，给予适当的阻力由刚性参数、测得的肱二头 肌、肱三头肌肌电信号，分别对运动控制能力，运动协调性进行量化评估。

随后,清华 大学研制了二连杆机构的复合康复装置。

患者可握住机构末端手柄,由装置带动上肢， 在一定面积的水平面上，完成上肢平面复合运动 ,也可固定在手臂外侧，完成肩部3个 自由度的训练 。

该装置具有被动训练及辅助主动训练和约束阻抗训练三个模式。

研究 人员通过比较康复训练期间画出圆，直线的轨迹及运动学相关数据，进行对比定性的 给出患者的恢复情况。

清华大学曾研制一款移动式护理机器人 ，以高位截瘫作为护理对象 ，主要用在 医院病房 内或患者家中。

( 1 ) 通过引入环境信息数据库和采用工作站作业的方式， 减少整个系统实施上的技术难度 ( 2 )将环境设备的控制引入系统， 扩大系统的功 能， 增强用户的环境控制能力( 3 )通过采用最新的多媒体技术和 Windows NT操作系 统来增加系统的人一 机交互能力和系统的集成度。

使机器人能在无人看护的情况下独 立承担 4 ～8小时的患者护理工作。

在此期间它可替患者完成取药、送水、翻书、从 录音机 中取放磁带，从计算机中取放磁盘(考虑国外用户需求) 、操纵室内家用电器 等任务 。

护理器械总的发展趋势是体积小、功能强自动化程度高使用方便、为患者考虑得 越来越周到。

随着医疗卫生体制改革的深化，医疗市场竞争的加剧，如果没有合适而 又有效护理器械，就何有可能会在激烈竞争的医疗市场中处于被动，甚至导致纠纷以 及失去病人，甚至造成医疗过失或事故，重视护理器械的配置与更新问题，不仅是为 了减轻护理人员的劳动强度与负担，也是提高医疗质量和对满足病人需要的要求。

它 也有助于加快我国护理学科的发展，促进我国护理器械的研制水平的提高。

1.4 本课题的设计要求
本课题将要完成的主要任务如下:
(1) 利用三维设计软件，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计。

(2)利用三维模型，检查模型中是否存在干涉问题，得到满足设计要求的手臂及行 走系统
(3)对护理机器人的手臂及行走系统等部件的结构设计进行计算与校核。

(4)对控制系统的设计上设计出整体电气控制方案，本机器人拟采用单片机进行控 制，选取单片机型号，根据机械手的工作流程编制出单片机程序流程图。

2护理机器人手臂部分的设计
2.1 手臂的结构设计
本设计主要任务是完成手臂系统的结构方面设计，确定手臂的座标形式、自由 度、驱动机构等。

手臂系统是家庭护理机器人的重要组成部分，根据机器人的功能要 求，需要三轴联动，主要完成取物、随机动作等功能。

护理机器人手臂有三个自由 度：肩关节、肘关节、腕关节，每个自由度的旋转使护理机器人的大臂、小臂及手抓 能够在一个平面内运动，并能使手抓抓起0.5Kg的托盘；大臂长度为200mm,小臂长度 150mm，手抓长度100mm。

在设计中，采用扇形齿轮传动机构，以便于减少手臂运动 之间的摩擦阻力，使手臂运动尽可能平衡，减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别是 防止机构运动中卡死（自锁）。

图2-1手臂的结构设计
本文设计的手臂传动机构中，电机输出轴与同步带相连，将转矩传到齿轮轴上。

齿轮轴上通过齿轮和扇形齿轮相连输出转矩以控制下一关节的运动。

其中，下爪固 定，通过双螺母机械锁死固定，上抓通过电机带动扇形齿轮转动，与下抓夹紧盘子。

图2-2手抓的结构设计
2.2 电机的选择
2.2.1 手抓处电机的选择
本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角
g D = 0 60 ，夹取重量为0.5Kg 。

常用的机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两 大类。

吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。

本 设计机械手采用夹持式手指, 设计下爪固定，通过双螺母机械锁死固定，上抓通过电机 带动扇形齿轮实现转动，与下手抓夹紧盘子。

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。

必须对大小、方向和作用点 进行分析计算。

一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化 的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

设腕关节总重为2Kg ，重力为G=19.6N 。

重心心距旋转中心的距离约为30mm 。

在 重力的作用下对肘关节产生的转矩为则对上爪所产生的力矩
mm
N mm N M × = × ´ = 588 30 6 . 19 1 （2­1）
一级减速器的减速比为4，则所需电机的最小转矩为
mm N mm N mm N M M × = × = × = 147 4 588 4 1 min （2­2） 表2-1电机CMK233PAP手册 型号 相
数 相电 流 步距
角 保持转 矩 转动惯 量 重量 驱动器 重量 励磁方 式 A 度 N.m Kg.cm Kg Kg
MK233PA P 2 1.5 1.8 0.18 9*10~7 0.11 0.05
微步驱
动 选日本山社公司生产的微型步进电机为CMK233PAP ，其提供转矩为180N*mm 满足使 用要求。

2.2.2 大臂处电机的选择
设小臂以上总重为5Kg ，重力为G=49N ，所产生的力矩约为830N.mm 。

采用一级减 速器，减速比为4。

则所需电机的最小转矩为
mm N mm N mm N M M × = × = × = 5 . 212 4
830 4 1 min 表2-2 微型步进电机SS1703E08A 型号 步距
角 接线 额定 电压 额定 电流 接线 电阻 感应
系
数 保持转 矩 电机 长度 旋转惯 量
质量 SS1703
E08A 1.8° 单极 1.65 V 0.75 A 2.2 W 5.5 0.24N.m 47mm 2 . 68 cm g 310g
选日本山社公司生产的微型步进电机SS1703E08A ，其提供转矩240N.mm 满足使用要 求。

2.2.3 小臂处电机的选择
大臂处电机已满足要求，为简化设计任务，降低设计难度，大臂小臂的结构具有 相似性，所以小臂处也选日本山社公司生产的微型步进电机SS1703E08A ，其提供转矩 240N.mm 满足使用要求。

2.3 大臂处齿轮的计算
2.3.1 齿轮结构设计
选小齿轮的材料为40Cr ，调质处理，硬度为280HBS ，大齿轮材料为45钢，调质处 理，硬度为240HBS 。

小齿轮齿数为 12 1 = z ，扇形大齿轮完整齿数为28。

齿宽为8mm， 模数为1mm。

精度选为7级。

2.3.2 齿轮强度设计
按齿面接触强度设计
按下式试算，即
t d 1 ≥2.32
[ ] 3 2
1 · ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + ´ H E d t Z u u T K σ φ （2-3) （1）确定公式内的各计算数值
①试选Kt＝1.3
②计算小齿轮传递的转矩。

图2-3转矩计算
取 l =125mm>122.6mm
mm N l × = = = 75 . 93 125 * 75 . 0 *
mg T 1 ③选取尺宽系数φd＝1
④查得材料的弹性影响系数Z E ＝189.8Mpa
⑤按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 600 1 lim = H s MPa；大齿轮的接触疲劳 强度极限 550 2 lim = H s MPa。

⑥ 由下式计算应力循环次数
60n1jLh 1 = N ＝60´970´1´（2´8´365´10）＝3.4´ 9
10
(2-4)
9
9
2 10 488 . 1 285
. 2 10 40 . 3 ´ = ´ = N ⑦查得接触疲劳寿命系数: 1 HN K ＝0.92； 2 HN K ＝1.0 ⑧计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1％，安全系数S＝1，得
1 ] [ H s ＝ 1 HN K * 1 lim H s =0.92×600MPa＝552MPa （2-5）
2 ] [ H s ＝ 2 HN K *
2 lim H s =1.0×550MPa＝550MPa （2-6）
（2）计算
算小齿轮分度圆直径d1，代入 ] [ H s 中较小的值于式（3-1）
1 d ≥ [ ] 3
2
1 1 · 3
2 . 2 ÷ ÷ ø
ö ç ç è æ + ´ H E d t Z u u T K σ φ = 3
2
550 8 . 189 285 . 2 1 285 . 2 · 1 75 . 93 3 . 1 32 . 2 ÷ ø
ö
ç è æ + ´ ´ =19.3mm
由于齿轮接触强度只与直径有关所以强度满足要求。

计算齿宽与齿高之比
h=2.25m=2.25×1mm=2.25mm
b/h=8/2.25=3.56
计算载荷系数。

取 v K =1.1； 直齿轮 a a F H K K = =1
由表10-2查得使用系数KA=1.1
查得7级精度小齿轮相对支撑非对称布置时
b H K =1.32
由b/h=3.56， b H K =1.32 查表10—13查得 b F K =1.24 故载荷系数
K=K A K V K H αK H β=1.1×1.1×1×1.32=1.597
（2-7）
按齿根弯曲强度设计 由式
m≥ [ ] 3
2
1
2
· cos 2 F Sa
Fa d Y Y z K σ φ β D （2-8）
（1）确定公式内的计算数值
①由图10-20c查得小齿轮得弯曲疲劳强度极限 1 FE s =500Mpa；大齿轮得弯曲疲劳极限 强度 2 FE s =380MPa
②由10-18查得弯曲寿命系数 1 FN K =0.86 2 FN K =0.89
③计算弯曲疲劳许用应力 取安全系数S=1.4 见表10-12得
1 1 ] [ FE s =（ 1
1 FE FN K s ´ ）/S= 4 . 1 500
86 . 0 ´ =307.14Mpa （2-9） 2 2 ] [ FE s = （ 2
2 FE FN K s ´ ）/S= 4
. 1 380
89 . 0 ´ =241.57Mpa （2-10）
④计算载荷系数
K=K A K V K F αK F β=1.25×1.1×1×1.24=1.705
（2-11）
⑤查取应力校正系数
由表10－5查得 1 Sa Y =1.49； 2 Sa Y =1.645 ⑥查取齿形系数
由表10－5查得 14 . 3 1 = Fa Y 2 Fa Y =2.58
⑦计算大、小齿轮的并 [ ] F
Sa Fa Y Y σ 加以比较
[ ] 1
1
1 F Sa Fa Y Y σ = 14 . 307 49 . 1 14 . 3 ´ =0.01523
（2-12）
[ ] 2
2 2 F Sa Fa Y Y σ = 57 . 241 58 . 2 645 . 1 ´ =0.01756
（2-13）
大齿轮的数值大。

(2)设计计算
m≥
3
01756 . 0 · 14
* 14 * 1 75
. 93 * 705 . 1 * 2 =0.306
所以齿轮弯曲强度也远远满足要求。

计算中心距
a=( 1 d + 2 d )/2=20mm。

（2-14）
2.4 大臂处同步带的计算
同步带也叫同步齿形带，其内侧的工作面侧成齿形，带与带轮间不会产生相对滑 动，传动比恒定。

本文设计初始数据为：传递功率 043 . 0 = p kw ；主、从动轮的转速比 为2。

在同步带的规格选择上面，选用梯形齿同步带进行传动。

其主要结构和特点入图 2­4所示。

图2-4 梯形齿同步带外形简图
（1）确定同步带传动的设计功率 d
P d A P K P
= （2­15）
式中：K---载荷修正系数，根据原动机工作类型和每日运转时间等因素查表8-7 （机械设计第八版.濮良贵主编），载荷变动微小，每天工作小时<10h，取
K=1.2
p1 P ---工作机上的电机功率 p1 P = 43w
则
KW
P K P A d 047 . 0 043 . 0 2 . 1 = ´ = = （2） 确定带的型号和节距
根据 KW P d 06 . 0 = 和 min / 20r n = 选择带型，根据同步带选型图初步选得XXL 型的 梯形同步带基本符合设计要求。

对应节距 b P =3.715mm （见《机械制造》1989年第12期 表1） （3） 选择小带轮齿数和节圆直径
在确定小带轮齿数 1 z 时应注意使 1min z z ³ ，查表得在 min / 20r n = 的情况下XXL型同 步带的最小齿数 12 min = z ，且在带速v 和安装尺寸允许时， 1 z 尽可能使用较大值。

于是
拟定 20
1 = z 。

查得小带轮节圆直径 mm d 10 = 。

此时同步带的速度v 应满足：
max
1
1 1000
60 v n d v £ ´ =
p （2­16）
查得XXL 型带的极限带速 m a x
v 为 s m v / 50
~ 40 max = 代入上式得：
max
1
1 1 .
2 / 1000
60 21 . 20 20 1000 60 v s m n d v £ = ´ ´ ´ = ´ =
p p 说明小带轮节圆直径初步满足要求。

（4）确定大带轮齿数 2 z 和节圆直径 2
d 大带轮齿数由传动比i 确定，本设计中i =2，所以大带轮齿数 40 2 1 2 = = z z ；大带 轮节圆直径 mm d d 20
2 1 2 = = 。

（5）中心距 0 a 、带的节线长度 op L 、带的齿数 b z 的确定 由式
12012 0.7()2()
d d a d d +££+ （2­17）
得 60 15 0 £ £ a 。

初选为28mm 。

由式
2
21 012 0
() 2() 24 op d d L a d d a p
- »+++
（2­18）
得
mm L p 5 . 123
0 = 由计算结果 p L 取标准值为 mm L p 127 = ，对应的XXL 型同步带的齿数为40齿。

实际中心距a 应该可调整，以便获得适当的张紧力。

为：
0 2
p op
L L a a - »+
(2­19)
代入 p L 和 op L 得：
mm
mm L L a a p
p 30 2
5
. 123 127 29 2
0 0 » - + = - +
= 取实际的中心距为30mm 。

（6） 计算基准额定功率 0 p 基准额定功率为：
2 0 () 1000
a T mv v
p - =
（2-20）
式中 0 p 为所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为kw ； a T 是带宽为 0 s b 时的许用工作拉力，单位为N，如表所示；查机械设计手册得
N T a = m 带宽为 0 s b 时的单位长度的质量，单位为 / kg m ，如表所示； v 是同步带的线速度，单位为 / m s 。

在计算基准额定功率 0 p 前，首先要对同步带的线速度v 进行计算。

由公式：
s
m s m n d v / 05 . 1 / 1000
60 20
10 14 . 3 1000 60 1
1 = ´ ´ ´ =
´ =
p （2-21）
将数据代入公式3-6得：
KW KW v mv T P a 072 . 0 1000
1 .
2 ) 05 . 1 01 . 0 31 ( 1000 ) ( 2 2
= ´ ´ - = - = 满足功率传递的要求。

（6）确定同步带设计功率为 b P 时所需带宽 实际所需同步带宽度 s b 为：
1/1.14 0 0 (
) d
s s z P b b K P
³ （2­22）
式中 0 s b 为选定型号的基准带宽，如表所示； z k 是小带轮啮合齿数系数，如表所示。

表2-3 小带轮啮合齿数系数
因为前面已求出 116 m z => ，所以小带轮啮合齿数系数为1，代入公式3­8得：
mm P K P b b z d
s s 6 . 4 ) 072 . 0 047 . 0( 4 . 6 ) ( 14 . 1 14 . 1 0
= ´ = ³ 查表得最接近的标准带宽 mm b s 8 . 4 = （7）结果整理
1) 带：选用XXL型同步带 mm 715 . 3 b = P mm 127 p = L 40 b = Z mm b s 8 . 4 = 2）带轮： 1 z =20 mm d 10 1 = 2 z =40 mm d 20 2 = 3）传动中心距a ：精确计算， mm
30 a = 2.5 本章小结
本章对机器人手臂进行了结构设计，并对大臂处传动机构进行了校核，由于小臂 处部件选择同大臂处，而小臂处转矩小、惯量低。

所以在大臂处各传动部件满足传动 要求和强度要求时，小臂处同步带和齿轮可不必再作校核。

3 护理机器人底盘系统的设计
3.1 底盘结构的设计
机器人行走方式有移动式、步行式两大类，步行式机器人可分为多足行走和两足 行走等形式。

例如：八足的蜘蛛机器人、还有六足、四足机器人、两足行走的仿人机 器人、脚底有吸盘的爬壁机器人。

移动式机器人分为：车轮式和履带式，履带式机器 人适用于地面环境较差的如军用无人驾驶坦克、森林砍伐机器人，它们可以在凸凹不 平的地面上行走自如；车轮式机器人只适用于地面预先平整好的区域内的才能正常运 转，可用于车间的货物搬运、医院、餐厅服务等。

根据护理机器人功能要求，本设计底盘采用车轮式两轮差动行走，当两个驱动电 机同速驱动齿轮转动时，机器人直线行走；当驱动右轮的1号电机减速时，机器人向右 转动；当驱动左轮的2号电机减速时，机器人向左转动。

底盘结构如图3-1所示
图3-1底盘电机结构设计
3.2 底盘处电机的选择
在底盘的电机选择中，为简化底盘同时保持其控制性，选择空心杯直流电机作为 驱动电机。

空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。

空心杯电动机具有突出的节 能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表 了电动机的发展方向。

空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的 是无铁芯转子。

空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。

设电机总重50Kg ，地面摩擦因数为0.12，所以机器人在行走时所受摩擦阻力f 为
N
60 10 * 50 * 12 . 0 mg f = = = m (3­1)
即电机所需牵引力为F £60N 。

机器人运动功能所需最大速度设计为2m/s。

则机器人所需牵引功率p为
1000
V F P · = =120W (3­2)
据此选择选择145W 空心杯直流电机即可满足使用要求。

3.3 机器人底盘行走运动的简略分析
机器人行走小车的移动系统机械结构由小车车体、两驱动轮和一随动轮组成，其 运动模型如图3-2所示：
图3-2机器人行走系统运动模型
在固定参考系的二维空间中运动中，机器人的位姿状态表示中，用x，y表示机器 人两驱动轮轴线中点，在二维空间坐标系中的坐标，J 表示机器人小车前进的方向， 与二维空间坐标系Fw的X轴正方向的夹角；v1，V2分别表示机器人驱动轮1和驱动轮2运 动时轮心线速度，V机器人运动的线速度，w 表示机器人车轮运动的角速度，L表示机 器人小车到两驱动轮之间的距离。

假设车轮行走时与地面接触为纯滚动（忽略轮子与 地面间的变形）。

要想得到机器人小车在运动时的当前位姿状态，只要控制好机器人 主动轮l和主动轮2运动的线速度就可以。

这样就实现了当驱动右轮的1号电机时，机器 人向左转动；当驱动左轮的2号电机时，机器人向右转动的功能。