养老助残机器人设计机械系统结构设计【含6张cad图纸+文档全套资料】
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金陵科技学院毕业论文 ABSTRACT
养老助残机器人设计――机械系统结构设计
摘要
为满足新型服务机器人研制的需求，本文研究了多功能养老助残服务机器人，设计了一种平地和楼梯两用的助行服务机器人方案，并建立了机器人的模型，论文的研究主要内容如下：
针对助老助残服务机器人的需求，提出了一种平地、楼梯两用养老助残机器人的设计方案，设计了爬楼梯机构实现机器人爬楼梯功能，并分析了各部分机构工作原理。在前轮通过连杆导轨机构调节运动过程中的车体姿态，保证车体水平，并减小了机器人车体的波动程度，同时后轮采用两组电机分别控制驱动，能够实现任意转弯。
在整体方案设计完成后，分别对养老助残机器人的驱动方式进行分析，计算每部分电机的功率和扭矩，再对前期设计的关键零部件进行校核，确认其安全性能，最后在PROE三维软件中搭建运动仿真模型，实现养老助残机器人爬楼的整个过程。
关键词：机器人；养老助残；机械系统；结构设计
3
Abstract
Elderly Paralyzed Robot Design - Structural Design of Mechanical System
Abstract
In order to meet the needs of the development of new service robots, this paper studies the multi-function aged and disabled service robot, and designs a multi-functional robot scheme for helping the disabled and staircase, and establishes a model of the service robot. The main contents are as follows:
In view of the needs of the robot for assisting the disabled and helping the disabled, a design scheme for the two use walking aid robot for flat ground and staircase is proposed, and the stair climbing mechanism is designed to realize the function of the staircase and the working principle of each part of the mechanism is analyzed. The front wheel adjusts the body posture in the motion process by the connecting rod mechanism, ensures the body level and reduces the fluctuation of the body of the robot. At the same time, the rear wheel uses two sets of motor to control the drive to achieve arbitrary turn.
After the completion of the overall plan design, the driving mode of the auxiliary robot is analyzed, the power and torque of each part of the motor are calculated, and then the key parts of the previous design are checked to confirm the safety performance. Finally, the simulation model of the PROE 3D software is built to realize the whole process of climbing stairs of the auxiliary robot.
Key Words: Robot; Caring for the disabled and the elderly；Mechanical system；Structure design
II
目录
目录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题研究背景与意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 论文研究的主要内容 3
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案 4
2.1 引言 4
2.2 养老助残机器人机械结构设计的规范 4
2.3 机构的设计方案介绍 4
2.4主要硬件设计选择 11
2.5关键材料选择 12
3 机器人工作原理与核心结构的设计 13
3.1 引言 13
3.2 机器人结构组成 13
3.3 爬楼梯工作原理和上下楼过程 13
4 机器人驱动方式 15
4.1 引言 15
4.2 驱动方案的构思 15
4.3 大轮电机扭矩与功率 15
4.4 小轮电机扭矩与功率 16
5 机器人关键零部件设计与校核 17
5.1 引言 17
5.2 滚动轴承的选择及校核计算 17
5.3 轴的校核计算 18
5.4 齿轮的选择和校核计算 19
III
6 机器人上楼过程的运动仿真 22
6.1 引言 22
6.2 运动仿真的原理 22
6.3 创建驱动模型 23
总结 27
参考文献 28
1 绪论
致谢 30
1 绪论
1.1 引言
目前我国社会老龄化程度十分严重，年龄超过60岁的老年人口数量已经达到2.12亿，占总人口数的15.5%，其增长速度为每年平均3.3%。预计到2050年左右，我国60以上的老年人口数量将会突破4亿[1]。人口老龄化使得我国在养老事业方面正面临着巨大的压力，大大增加了年轻人的负担。随着我国老年人口数量的日益增涨,养老助残机器人的需求量将会越来越大。
在每个城市中都会存在着大量的楼梯、台阶等障碍物。残疾人与老年人借助普通的电动轮椅，只能在家里或者户外平地上活动，无法自己通过家中或户外的楼梯与台阶等障碍[2]。这些障碍使得他们的活动范围大大缩小，也给他们的看护者带来了不小的负担。残疾人和老年人急切的需要先进的技术来改善其生活质量,扩大他们的活动范围。因此设计一种具有爬楼功能的养老助残机器人是势在必行的。
养老助残机器人在服务残疾人和老年人的领域有着非常广阔的应用前景，具有极大的发展潜力，是服务型机器人产业发展壮大的一次重大的机遇。为了能使服务型机器人有更好的发展形势，针对人口老龄化对养老助残机器人的需求，设计出一种能够爬楼梯的、效率高的、性价比高的电动轮椅，既能够扩大残疾人和老年人的活动范围，又可以减轻看护着的负担，对我国服务型机器人产业的发展具有重大的意义。
1.2 课题研究背景与意义
目前国内外拥有爬楼功能的养老助残服务机器人的设计还比较少，且大多数都处于实验室阶段，真正成熟的产品还比较少，而且价格昂贵[2]。在人口老龄化的影响下，各国对养老助残服务机器人的需求量越来越大。国内外都在不断地研究和开发新的设计方案和控制技术，来制造出拥有更高性能和性价比的养老助残机器人。目前适用于老龄化社会的具有爬楼功能的养老助残机器人要求其结构相对简单、运动安全平稳，在系统中设计主要存在的问题如下：
具有爬楼功能的养老助残机器人总体设计方案：
养老助残机器人作为一种能够翻越障碍的机器人，首先在实现爬楼功能的基础上要对台阶具有良好的适应性，其次是稳定性，在上下楼时使车身保持水平，起伏不能太大，然后要保证使用者距离地面的高度不能太大，否则会造成乘坐者
心理恐慌，最后机器人的运动状况要符合人类日常运动习惯[3]。此外楼梯尺寸会
1
1 绪论
很大的限制养老助残机器人的结构，这些要求给养老助残机器人的设计带来了很大的挑战。
现在已被研发出来的爬楼机构在其设计方案中，机构的体积大小和机构的越障功能之间通常不能够很好地协调，如果只采用轮组式或履带式机构会造成乘坐不舒适、地形适应能力较差、效率较低等问题，而且这种结构的爬楼装置有很多都是反向上楼的[4]。所以设计出一个行驶效率高、能够正面上楼、车体波动小的平地楼梯两用的养老助残机器人,值得进行进一步的研究。
1.3 国内外研究现状
随着机械设计技术、计算机技术、电机驱动技术等高新技术产业的不断发展，国内外的科研机构已经逐渐设计出了多种具有爬楼功能的养老助残机器人。根据养老助残机器人所使用的爬楼机构来分类，大致可分为4类：履带式爬楼机构、轮组式爬楼机构、腿式爬楼机构和复合式爬楼机构[5]。
法国Topchiar公司设计制造了悍马-H8型助行机器人。它是在普通的电动轮椅的基础上加上了履带式爬楼机构，平地行驶时由后轮电机驱动，爬楼时通过专门的机构把车轮收起，履带机构接触地面，同时调节轮椅座位位置，让车身在上楼的过程中始终保持水平状态。悍马-H8的总重量为130kg，最大爬坡角度为35°，最大越障高度可以达到200mm，最多能够连续上下300多阶楼梯[6]。履带式爬楼机器人使用履带作为爬楼机构，依靠履带和地面之间的摩擦力来进行爬楼，是目前段使用比较广泛的一种爬楼机构。履带式爬楼机构的优点在于原理比较简单，平稳性好，技术比较成熟。履带支撑面有履齿，牵引附着性能好，不容易打滑，具有较大的牵引力。履带式爬楼机构在平地、楼梯和斜坡等多种地形上的运动方式基本一致，助行机器人的重心相对于地面几乎不发生波动，运动平稳性比较好，使用的范围比较广泛。功能比较强大，但售价也非常昂贵，约30万人民币[7]。加拿大某公司设计的轮椅爬楼机器人，其最高爬楼速度可达到毎分钟20阶楼梯。这种装置将轮椅与履带拆分为两个独立的部分，方便运输，也能够和普通电动轮椅固定起来，不过使用轮椅机器人上下楼时需要他人进行辅助操作，所以价格比较便宜，３万人民币左右。在上下楼过程中能够调整多节履带的角度，来更好地适应助行机器人上楼过程中楼梯坡度变化[8]。
2
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
1.4 论文研究的主要内容
本文主要介绍了养老助残机器人的研究背景和意义，概述了具有爬楼功能的养老助残机器人的国内外研究状况。主要综述了现阶段国内外主流机器人爬楼梯机构的研究状况。总结了养老助残机器人研究目前存在的问题和挑战。
本文设计了一种能够上下楼梯的养老助残机器人，通过设计一种爬楼机构和调整机构来实现正面上楼的功能，通过连杆机构来实现机器人在上楼过程中车体姿态的调整，使车身能够始终处于水平状态。本文详细介绍了养老助残机器人的机械结构的设计方案和各个部分尺寸的设计；然后通过对各个部件的尺寸进行设计，在PROE 中建立养老助残机器人的三维模型,最后介绍了驱动电机、关键零部件设计与校核计算以及养老助残机器人的运动仿真过程。
5
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
2.1 引言
本文所设计的一种能够爬楼梯的养老助残机器人，在实现正面上楼的同时，通过连杆滑轨机构来调整养老助残机器人在爬楼过程中的车体姿态，使车身始终保持水平状态。本文主要给出了养老助残机器人的机械系统结构设计方案，各个部分的尺寸的设计,在PROE软件中创建养老助残机器人的三维模型,进一步确立执行电机及其驱动控制方案,该方案设计符合人的习惯,拥有良好的应用前景。
2.2 养老助残机器人机械结构设计的规范
国内外现阶段所研制出来的爬楼助行装置大多数都处于实验室阶段，形成规模化产品的还很少，因此到现在还没有统一的性能指标[8]。本文所设计的养老助残机器人所依据的楼梯步距与坡度是由我国民用建筑设计中规定的，选用楼梯的参数为高度170mm,宽度260mm，坡度33度[9]。由于养老助残机器人主要面向一些行动不便的残障人士和老年人，要求比较高的安全性，不需要很快的速度。本文设计的助行机器人是参考了室外型电动轮椅国家标准GB1996-91, 本文设定机器人的平地运动的最大速度不超过6km/h, 一次充电最大的行程大于20km，爬坡能力大于20°。
参照国内外已经研发出来的产品来设计养老助残机器人的爬楼速度和续航能力。由于养老助残机器人主要服务的对象是残障人士和老年人，出于对安全性的考虑，养老助残机器人的上楼过程要比较平稳，不需要以过快的速度上楼，因此本文将养老助残机器人的爬楼速度设定为4-10级/分钟，设计的养老助残机器人充电一次能够攀爬的台阶数量至少要达到300阶[10]。养老助残机器人的设计主要要求有以下几个方面：
（1）操作方便简单，平地行驶效率高；
（2）上下楼梯时具有较好的稳定性，确保使用者的安全；
（3）爬楼时重心不能有太大的波动，当遇到不平坦的地形是，对于系统的重心进行调节，避免给使用者带来恐慌；
（4）爬楼过程要符合人类的日常运动习惯，尽量避免反方向爬楼梯给使用者带来不适。完成机器人的机械系统结构设计等全部主体构件设计。
4
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
2.3 机构的设计方案介绍
（1） 设计思路
5
本文需要设计一个能够正面上楼的养老助残机器人，现在能够实现上楼功能的养老助残机器人大多采用履带式爬楼梯机构、轮组式爬楼梯机构、腿式爬楼机
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
构、复合式爬楼梯机构。其中履带式爬楼机构大多是反向上楼，不符合要求；轮组式爬楼梯机构上下楼时他人需要辅助，不能够实现自主上下楼梯；腿式爬楼梯机构稳定性不好，故不采用。综合上述观点，养老助残机器人要能够正面上楼，并且重心波动不能太大。本文采用一种由四组小轮与连杆机构组合的上楼机构，在上楼的过程中调整重心，并实现正面上楼。
（2） 组成部分
本文设计的养老助残机器人主要由四个部分组成：行走机构、上楼机构和调整机构和乘坐机构。
①行走机构：本文采用后轮驱动，单独安装电机驱动后轮用于运动。
采用链传动的方式来驱动后轮，并对其结构进行设计。
链轮参数：小链轮齿数z1= 8；大链轮齿数z2=15；
链条参数：链号：16A，链条节距p2=25.4mm，链长节数X0= 35.6，实际链长节数X=36，链条长度L=0.91m
图2.1 行走机构
6
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
链传动机构由电机、主动链轮、链条、从动链轮组成。
图2.2链轮传动
图 2.3 主动链轮
9
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
图 2.4 从动链轮
图2.5 链条
8
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
②上楼机构：采用四组小轮的结构进行上楼，每组小轮用单独电机驱动。
图2.3 上楼机构
图2.4 齿轮传动机构
9
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
③调整机构：前面两侧连杆内侧固定有钢珠式滑轨，滑轨一端与座椅侧内面连接，高度有差异时会带动滑轨的同步运动，保证座椅平衡。
图2.5 调整机构
11
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
④乘坐机构
宽：460mm;高：750mm;长：650mm
图2.6 乘坐机构三维图
图2.7 乘坐机构二维图
10
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
（3）总体结构
养老助残机器人的模型如图所示。养老助残机器人主要由连杆滑轨机构、车身、行走机构、四组爬楼梯机构及其驱动控制系统组成。四个大轮用于养老助残机器人的平地行驶，两个前轮固定在连杆滑轨机构的末端外侧，两个后轮固定在支架的末端外侧，平地运动时两个后轮分别使用电机驱动。车身前后各有两组爬楼机构。
图2.8 养老助残机器人三维模型
11
2 养老助残机器人机械结构总体设计方案
2.4主要硬件设计选择
1）电机的选择：选用功率为200W、额定电压为24 V的电机，内置减速箱，增大转矩，以降低转速，同时断电状态可以作为驻车装置[11]。
2）传动装置：选择齿轮传动，无打滑和弹性滑动，能保持准确的传动比，结构紧凑，传动效率高。本轮椅共有4套相同型号的电机及相对应的减速机构，
12
3 机器人工作原理与核心结构的设计
并使它们安装于轮胎内侧，目的是使每组小轮能够独立的进行控制完成移动功能，单独安装电机驱动后轮用于运动，这样设计也便轮椅在运动过程中有良好的稳定性；最后利用电机配合链传动机构完成后轮驱动。
2.5关键结构材料选择
1）根据实际需求，在电机下部焊接4 mm钢板，电机底座与钢板用螺栓连接，
以保证电机牢固及底盘结构的稳固[12]。
2）小轮连接轴采用光轴，光轴进行机加工其上形成键槽，光轴与齿轮通过键连接位置相对固定，光轴上安装轴承，利用轴承座固定在底盘上。
3）为了保证座椅移动的平稳，在底盘上竖直焊接有 4 个立柱，前面两侧立柱内侧有固定的钢珠式滑轨，滑轨一端与座椅侧内面相连接，当高度有差异时会带动滑轨的同步运动，保证座椅平衡。
3 机器人工作原理与核心结构的设计
3.1 引言
本文根据人机工程学原理来确定养老助残机器人的车身尺寸，根据地形参数来设计养老助残机器人的核心部件尺寸，以确保养老助残机器人能够在大多数楼梯中使用，然后在PROE中建立养老助残机器人模型。
3.2 机器人结构组成
爬楼机构和连杆滑轨机构是养老助残机器人实现正面上楼的核心部件，在不同的地形状况下，爬楼机构与连杆滑轨机构互相协调运动可实现正面爬楼的功能。养老助残机器人的核心部件如下图所示，由爬楼机构与连杆滑轨机构两个部分组成。为了在上下楼时能够使车身始终保持水平状态,车身左右两侧各安装一组连杆滑轨机构。连杆机构是由前面两侧连杆，座椅侧内面相连接的滑轨组成。为了确保在上下楼的过程中养老助残机器人的安全稳定，机器人前后各安装了两组爬楼装置，每组爬楼装置由摆臂、小轮、驱动电机和驱动轴组成。
图3.1 养老助残机器人核心部件结构示意图
3.3 爬楼梯工作原理和上下楼过程
养老助残机器人的平地运动状态和普通的电动轮椅基本相同，由后轮驱动。爬楼机构的小轮和连杆滑轨机构是固定不动的。当遇到地形起伏比较大的情况时，车体的姿态由连杆机构滑轨来调整，来保持车体的平衡。养老助残机器人的上楼步骤如下图所示:
13
（1）当养老助残机器人前轮到达楼梯边缘时，前轮进入上楼状态。电机驱动前面两组爬楼机构，摆臂一和摆臂二同向同速转动，小轮一抬上第一阶楼梯，
此时由前后大轮支撑车体的重量。小轮二在摆臂二的作用下接触地面，此时小轮一已登上了第一阶楼梯，车体重量由后轮与两个小轮支撑，连杆滑轨机构向上运动(图b)。前轮被抬起并登上第一阶楼梯，小轮二收回。摆臂一和摆臂二恢复初始状态,前轮登上第一阶楼梯。这时前轮与下一阶楼梯之间还有一段距离，需要后轮向前滚动，来推进养老助残机器人向前行进到前轮碰到下一节楼梯为止(图c)。在前轮上楼过程中连杆滑轨机构可以根据前轮高度的变化,连杆向上移动,来保持车体水平。
（2）前轮重复上述过程，继续向上攀爬第二阶楼梯（图d-图e）。
（3）当后轮到达楼梯边缘时，前后的爬楼机构同时上楼。前后两组爬楼机构的摆臂带动其小轮进行同向同速转动，前后两组爬楼机构实现完全同步运动(图f)。由于后轮与车身是以支架连接的，所以在爬楼的过程中车身会和后轮一起抬起。每当爬完一阶楼梯时后轮都会向前滚动一段距离，使前、后两轮运动到台阶处(图g)。在此过程中连杆滑轨机构保持不变 ,使车体保持水平状态。
（4）前轮爬上最后一阶楼梯，来到平地时，是出楼梯状态。前轮爬楼机构停止运动，小轮恢复初始状态，后轮爬楼机仍然保持爬楼梯状态，连杆机构调整车身的姿态(图h-图i)。当后轮爬楼机构爬上最后一阶楼梯时，后轮恢复平地行驶状态，小轮恢复初始状态，完成爬楼过程。
养老助残机器人下楼梯原理与上楼相似，如下图所示。
图3.2 养老助残机器人上楼步骤示意图
16
4 机器人驱动方式
4 机器人驱动方式
4.1 引言
养老助残机器人的主要组成有以下四个部分：爬楼机构、调整机构、行驶机构和座椅。使用者通过操纵手柄选择养老助残机器人的运动模式和速度;驱动控制系统规定了机器人各机构的运动轨迹,根据反馈的信息来计算驱动力矩,驱动机器人各机构的运动;运动机构是由连杆滑轨机构、爬楼机构和行驶机构组成的,在控制系统的指令下完成爬楼动作[12]。
4.2 驱动方案的构思
养老助残机器人的攀爬能力会受到台阶或楼梯高度的限制，为了能够保证乘坐者在上下楼时的安全性，需要设计一个用来测量楼梯高度的传感器系统，用来判断养老助残机器人是否能够成功翻越此台阶[14]。在前轮上安装两个测距传感器,用来测量前轮和台阶之间的距离;在连杆滑轨机构上安装两个测距传感器,用来测量前轮与下一阶台阶之间的距离,对比两组传感器的数据,可以计算出台阶的宽度。在爬楼梯机构上安装两组测距传感器，用来测量小轮与台阶面高度之间的距离。在两个后轮上分别安装一个传感器用来检测后轮和台阶边缘的距离[12]。
执行电机及其驱动控制方案。外部信号包括调速按钮的速度控制信号、来自操纵手柄的模式选择信号及测距传感器信号，外部的信号通过各自的通信口输出，将信号传递给控制器，控制系统对信号进行的分析、运算。经过控制系统的对信号分析判断，将控制系统将信号分别传输给每个电机的驱动器，由驱动器驱动电机，经过减速齿轮和链轮，带动各电机所连接的负载。本文设计的养老助残机器人一共有6个电机，其中两电机分别用来实现对养老助残机器人两个后轮的控制，剩余四个电机分别用来驱动四组爬楼机构。六个电机转子用来分别检测每个电机的转子位置，最后将信号反馈给各个电机驱动器，形成闭环回路[12]。
4.3 大轮电机扭矩与功率
空气阻力Fw是空气会对前进中的养老助残机器人形成的一种反向作用力，空气阻力跟速度的平方成正比关系；V=5Km/h ，m=100kg+75kg=175kg，本文中因为研究的是在低速下运动，并且主要是在室内运动，故空气阻力可以忽略不计[13]。
1 滚动摩擦力
平路：
（4.1）
15
4 机器人驱动方式
爬坡30°时：
由于：a/c=sin30º c=a/sin30º=1/（1/2）=2 128x2=256kg
（4.2）
2 扭矩
平路：
（4.3）
斜坡：
（4.4）
3 功率
由于斜坡运动时，所需的扭矩交平路要大，此处电机功率的选型按照斜坡来计算
（4.5）
由于大轮周长为800mm，V=5Km/h，故v=104r/min。
（4.6）
养老助残机器人主要由后面两轮独立驱动，每个轮子扭矩=总扭矩/驱动轮个数，同时链传动的传动比为1:2，故轮子所需的驱动扭矩为17.836N.m，功率为194.25w。
选用直流电型号DM12SGU,功率:200w,电压24V。
4.4 小轮电机扭矩与功率
因为小轮主要由传动轴带动小轮连杆转动，此时的扭矩相当于转轴克服车身自重的过程。
（4.7）
（4.8）
车身在上楼过程中需要连杆机构运动来调整车身的姿态，由于运动到楼梯中间阶段时连杆机构只需要保持不变，所以整个运动过程中所需要的驱动力矩比较小[13]。车身连杆处电机扭矩和功率只要考虑车身和人自身重量，经过分析可以选
16
和大轮同等型号的电机：型号：DM12SGU,功率:200w,电压24V。
5 机器人关键零部件设计与校核
5 机器人关键零部件设计与校核
5.1 引言
本章主要从养老助残机器人的关键零部件的选型、计算以及校核入手，分别对轴承、轴和齿轮进行了系统的分析。
5.2 滚动轴承的选择及校核计算
本文的轴承选用7002C，内径15mm，外径32mm，厚度9mm。
1.两轴承受到的横向载荷和F∝1和Fd2
（5.1）
（5.2）
（5.3）
（5.4）
（5.5）
（5.6）
2.计算两轴承的轴向力Fa1、Fa2
对于7类轴承，派生的轴向力Fd=e∙Fr，其中e查资料可得判断系数，其值由Fal的大小确定，但现轴承的轴向力Fa未知，故先取e=0.4,因此可估算[14]。
（5.7）
（5.8）
（5.9）
所以轴有向左移动的趋势，左端轴承外圈提供一个向右的轴向平衡力Fd2.
3.近似计算
（5.10）
（5.11）
（5.12）
（5.13）
（5.14）
17
金陵科技学院毕业论文 5 机器人关键零部件设计与校核
对轴承1：
22
5 机器人关键零部件设计与校核
（5.15）
对轴承2：
（5.16）
取 ：
（5.17）
（5.18）
4.验算轴承的寿命
因为，所以按轴承的受力验算
（5.19）
此轴承合格。
5.3 轴的校核计算
小轮传动轴的校核计算
由于轴作为给小轮传输动力，故本文此处可以简化为简支梁的模型，集中力矩集中在轴的齿轮配合处。模型的主要简图如下所示，其中，梁长500 mm，力矩由第四章的计算可知为128.625N.m，载荷类型属于集中力矩，
图5.1 麦迪软件的轴校核示意图
轴材料选用45钢调制，其中 。
取
取整的d=30
齿轮键连接设计
轮毂长度为12，选用圆头平键,
,强度符合要求
5.4 齿轮的选择和校核计算
1 选择齿轮材料及精度等级
小齿轮采用45钢调质，硬度为220HBW；大齿轮采用45钢正火，硬度为170HBW。初步估计齿轮线速度v＜10m/s，选择8级精度[14]。
2确定齿轮许用应力
通过查机械设计手册，可以得到σ和σ。
（5.20）
19
5 机器人关键零部件设计与校核
（5.21）
查得S和S。
（5.22）
根据设计要求，齿轮工作年限为20年，每年52周，每周工作日为7天，单班制，每天工作8小时，应力循环数：
（5.22）
（5.23）
（5.24）
通过查机械设计手册，查得Z和Y：
（5.25）
（5.26）
由上式，求得许用应力：
（5.27）
（5.28）
（5.29）
（5.30）
3 按齿面接触疲劳强度设计
1)小齿轮所传递的转矩
（5.31）
2)载荷因数K
选取K=1.1
3）齿数z和齿宽因数Ψ
选择小齿轮的齿数z1=20，则大齿轮的齿数z2=40，选取Ψ=1
4）齿数比μ
μ=2
5）材料弹性系数
由于大、小齿轮使用的材料均为钢，查得Z=189.8
6）计算小齿轮直径d及其模数m
20
5 机器人关键零部件设计与校核
因为小齿轮选用的是软齿面，根据齿面接触强度公式计算：
取标准模数m=2.5mm
1. 计算大齿轮和小齿轮的几何尺寸
（5.32）
（5.33）
（5.34）
（5.35）
（5.36）
（5.37）
（5.38）
（5.39）
（5.40）
取b=50mm,b=100mm
2. 校核齿根弯曲疲劳强度
（5.41）
（5.42）
σ===190.8MPa<[σ]（5.43）
σ===179MPa<[σ] （5.44）
、
1.0-1.1
1.3-1.4
1.1-1.2
1.4-1.6
1.3
1.6-2.2
0.1, 0.12, 0.15, 0.2, 0.25，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1，1.25， 1.5， 2， 2.5， 3， 4， 5， 6， 8， 10， 12， 16， 20， 25， 32， 40， 50
1-1.2
1.2-1.6
1.6-1.8
1.2-1.6
1.6-1.8
1.9-2.1
1.6-1.8
1.8-2.0
2.2-2.4
21
Z
12
14
16
17
18
19
20
22
25
28
30
Y
3.47
3.22
3.03
2.97
2.91
2.85
2.81
2.75
2.65
2.58
2.54
Y
1.44
1.47
1.51
1.53
1.54
1.55
1.56
1.58
1.59
1.61
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6 机器人上楼过程的运动仿真
6.1 引言
前面五章内容主要进行养老助残机器人的结构方案确定、设计计算以及理论校核。本章利用PROE软件设计的养老助残机器人三维模型，添加驱动来进行运动仿真。
6.2 运动仿真的原理
运动仿真在PROE里被称为运动算例，主要包括以下几个部分：
1、动画（在核心PROE内生成）：
6 机器人上楼过程的运动仿真
6.3 创建驱动模型
本文首先在PROE三维软件中建立养老助残机器人模型，再设计楼梯装置，通过在PROE软件中启动动画插件。
养老助残机器人模型
特征集合
约束配合
动画键码
图6.1 PROE动画过程
根据养老助残机器人设计方案的思路，分解养老助残机器人的上楼动作，通过添加约束配合来设置不同的上楼动作，并做出完整的动画视频，如上图所示为整个软件仿真的界面。
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6 机器人上楼过程的运动仿真
图6.2 上楼过程1
图6.3 上楼过程2
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6 机器人上楼过程的运动仿真
图6.4 上楼过程3
图6.5 上楼过程4
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6 机器人上楼过程的运动仿真
图6.6 上楼过程5
图6.7 上楼过程6
结论：本文所设计的养老助残机器人能够实现正面上楼，结构合理。
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结论
本文主要对养老助残机器人的爬楼机构进行了设计，实现了正面上楼功能，但还存在很多不足：
（1） 本文所设计的养老助残机器人拥有六个电机，使机器人的控制问题比较复杂，结构不够优化。
（2） 本文所设计的养老助残机器人，虽然能够正面上楼，但对于台阶的高度限制较大，无法翻越过高的台阶。
（3） 本文所设计的养老助残机器人，未考虑地面起伏对机器人的影响，在不平的地面上对机器人的稳定影响较大。
总之，在实现养老助残机器人正面上楼方面，本文提出了一种可行的方案，
但对于稳定性与安全性方面还有较大的欠缺。
本文主要研究了养老助残机器人的上楼方式，还有许多问题没有解决，还需要作出进一步的优化。在以后的研究中我们可以对机器人的控制系统和稳定性进行优化。
致谢
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致谢
致谢
我首先要感谢我的论文指导老师，金陵科技学院机电院的鞠全勇老师。鞠全勇老师对我论文的研究方向做出了指导性的意见和推荐，在论文撰写过程中及时对我遇到的困难和疑惑给予指导，对我的论文提出了许多改善性的意见，投入了很多的心血和精力。我对鞠全勇老师给我的帮助和指导表示诚挚的谢意!同时，也要感谢金陵科技学院机电院机械专业所有的授课老师们和同学们，在大家的互相帮忙下，我们一起度过了一段美好难忘的时光。
此外，还要我感谢朋友以及同学们在论文编写中带给我的大力支持和帮助，给我带来了极大的启发。同时也要感谢参考文献中的作者们，通过他们的研究文章，使我对养老助残机器人的设计方案有了很大的启发。
最后，感谢论文评阅老师们的辛苦工作。衷心感谢我的老师、朋友以及同学们。
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