智能移乘護理機器人設(shè)計含catia三維及CAD圖
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智能移乘護理機器人設(shè)計學(xué)生姓名：XXX年級：XXX專業(yè)：XXXXX指導(dǎo)老師：XXX一.設(shè)計背景二.總體設(shè)計方案三.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 四.液壓系統(tǒng)原理設(shè)計智能移乘護理機器人設(shè)計
摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)跨時代的巨變，加上老齡化人口與日俱增，近幾十年來，各國對老年人和一些肢體有殘疾的人員等一些弱勢群體有了更多的關(guān)于精神上的關(guān)注。護理機器人的面世在給老年人們帶來了許多便捷和快樂的同時也減輕了護理工的負擔。幫助護理人員對病人進行抱起，移乘，放下等動作，以此來達到在護理機器人的幫助下進行轉(zhuǎn)移的目的，以此來減輕護理工的工作量。并且隨著人口的老齡化增長，信息技術(shù)的發(fā)展護理機器人在國內(nèi)外均有著廣闊的發(fā)展前景，市場潛力巨大。因此無論是亞洲國家還是歐美國家都在護理機器人的發(fā)展上投入了巨大的資金，各種創(chuàng)新的機器人相應(yīng)出現(xiàn)在人們的生活中。在本次設(shè)計中，首先對該機器人的功能進行了分析，主要是能實現(xiàn)對下肢不便或者體弱的人進行抱起，移乘，放下的動作；然后根據(jù)市場調(diào)查的實際情況設(shè)計主要結(jié)構(gòu)，并且進行了三維建模，得到智能移乘護理機器人的模型。
關(guān)鍵詞: 智能移乘；結(jié)構(gòu)設(shè)計；液壓傳動；控制系統(tǒng)；
Abstract
With the rapid changes in science and technology across the ages and the growing population of the aging population, in recent decades, countries in the world have paid more attention to the spiritual concerns of some vulnerable groups such as the elderly and some physically handicapped persons. The availability of nursing robots has brought many conveniences and happiness to elderly people while also reducing the burden on care workers. The subject of designing intelligent mobile robots is designed for people with inconvenient lower limb movements. The nursing staff is assisted in picking up, moving and lowering the patient to achieve the purpose of transferring with the help of the nursing robot, thereby reducing the workload of the nursing staff. With the aging of the population, the development of information technology nursing robots have broad prospects for development at home and abroad, and the market has great potential. Therefore, both Asian and European and American countries have invested huge funds in the development of nursing robots, and various innovative robots have appeared in people's lives. In this design, first of all, the robot's function was analyzed. It was mainly able to carry out the movements of picking up, transferring, and dropping people with inconvenience or weakness in the lower extremities. Then the main structure was designed according to the actual situation of the market investigation. In addition, a three-dimensional modeling was performed to obtain a model of an intelligent care robot.
Key words: Intelligent transfer; structural design; hydraulic transmission;
control system;
目 錄
引 言 1
第一章 緒論 4
1.1選題背景，目的和意義 4
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4
第二章 總體設(shè)計方案 7
2.1設(shè)計要求 7
2.2設(shè)計方案 7
2.3本章小結(jié) 10
第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
3.1 伸縮機構(gòu) 11
3.1.1 受力分析 12
3.1.2液壓缸外部負載的計算 13
3.1.3伸縮機構(gòu)抱起液壓系統(tǒng)原理圖 14
3.2胸部支承 19
3.2.1抱緊液壓缸外部負載的計算 19
3.2.2胸部支承抱緊液壓系統(tǒng)原理圖 20
3.2.3抱緊液壓缸的主要參數(shù) 21
3.3驅(qū)動裝置 25
3.3.1液壓站的設(shè)計 25
3.3.3輪轂電機的選用 31
3.4本章小結(jié) 31
第四章 控制系統(tǒng) 32
4.1硬件概述 32
4.1.1AT89C51單片機 32
4.1.2壓力傳感器 33
4.1.3角位移傳感器 33
4.2具體設(shè)計 34
4.2.1液壓控制原理圖設(shè)計 34
4.2.2程序流程圖 36
4.3本章小結(jié) 37
第五章 總結(jié) 37
參考文獻 38
謝 辭 39
引 言
當今社會飛速發(fā)展，關(guān)于機器人方面的研究成果也越來越令人贊嘆不已，已經(jīng)發(fā)展出的機器人現(xiàn)在基本上已經(jīng)能夠用于社會的各行各業(yè)，有從最基本的生產(chǎn)行業(yè)到服務(wù)領(lǐng)域，到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等等。由于近年來老齡化人口的增多，高齡人口已經(jīng)成為成為國家不可忽略的一個問題，國家和社會把越來越多的關(guān)注放在了這樣一群需要關(guān)注的人群上面?？蒲屑夹g(shù)的發(fā)展已經(jīng)不再是那些遠離我們生活的方面，越來越接近我們當代的生活，并且將逐漸融入我們的生活，成為我們生活中的一部分。在逐漸崛起成為經(jīng)濟大國的同時，人們對生活精神上的要求也逐漸提高，因此對這些老年群體和行動不便的弱勢群體也越來越重視了，希望能通過現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)改善他們的生活，給他們帶來生活和樂趣，提高他們對生活的幸福感。本課題所設(shè)計的智能移乘護理機器人，就可以很好地幫助這些下肢運動不便的人群進行位置的改變。
第一章 緒論
1.1選題背景，目的和意義
在社會經(jīng)濟發(fā)展迅速的今天，在機器人方面的研究成果也越來越令人嘆為觀止，已經(jīng)發(fā)展出的機器人現(xiàn)在基本上已經(jīng)能夠用于社會的各行各業(yè)，有從最基本的生產(chǎn)行業(yè)到服務(wù)領(lǐng)域，到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等等。近年來老齡化問題也越來越突出，成為國家不可忽略的一個問題，在最近的幾十年來，當代的中國已經(jīng)進入了老年社會，并且高齡老人會越來越多?？萍嫉娘w速發(fā)展，越來越接近并且將逐漸滲透我們的生活，很多高技術(shù)的產(chǎn)品逐漸走入大眾的視野之中。在逐漸崛起成為經(jīng)濟大國的同時，人們對生活精神上的要求也逐漸提高，因此對這些老年群體和行動不便的弱勢群體也越來越重視了，希望能通過現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)改善他們的生活，給他們帶來生活和樂趣，提高他們對生活的幸福感。本課題所設(shè)計的智能移乘護理機器人，就可以很好地幫助這些下肢運動不便的人群進行位置的改變，并且在這個過程中始終保持一種輕松的狀態(tài)。
當代的年輕人大多數(shù)忙于工作，沒有時間親自護理他們的親人，親自護理成為一件不可能，也很不現(xiàn)實的事情，因此很多的家庭可能會選擇找一個護理工，而護理工在照顧的過程中可能會遇到很多不便的事情，此時也很有可能會忽略了被照顧者本人的情緒和心理狀態(tài)，被照顧者很可能會不好意思或者很害羞，即使知道是雇主和雇傭的關(guān)系，也不愿意總是麻煩他們。由于肢體上的不便令他們感到自卑和羞澀，不敢過多地進行活動，不想過多地麻煩別人，認為自己是家庭和護理工的負擔，這樣的護理其實對他們的健康發(fā)展是有害的。但是如果使用一款智能移乘護理機器人的話，這樣便會給護理工減輕很大的工作量，護理工只需要稍加照看和輔助就能幫助實現(xiàn)各種動作的實現(xiàn)，這樣護理工的工作也會更加輕松，甚至能有更多精力來幫助調(diào)整被護理者的心理情緒，而且此時被護理者的內(nèi)心不會有太大的壓力，心理壓力和情緒也得以釋放。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
美國，日，韓，英，德國在機器人的發(fā)展方面遙遙領(lǐng)先于其他國家，眾所周知，美國是研發(fā)醫(yī)用機器人的先行者。近幾年來在醫(yī)療護理上的投資也是越來越多。日本則是居于第二，在機器人的研發(fā)歷史上比美國稍晚，但是機器人技術(shù)發(fā)展的十分迅速，有著十分先進的精密零件生產(chǎn)企業(yè)和醫(yī)療企業(yè)，并且近年來開始不斷在醫(yī)用機器人方面投入精力和研發(fā)資金。日本的老齡化問題已經(jīng)成為一個無法逃避的現(xiàn)實問題，老齡化的程度已經(jīng)領(lǐng)先于世界。所以日本在發(fā)展護理機器人這個方向特別重視。
圖1-1 日本護理機器人
圖1-2 日本松下老年人護理機器人
在17年的5月，河北工業(yè)大學(xué)的“白澤”機器人正式和大家見面，這是中國護理機器人研發(fā)的重要轉(zhuǎn)折點，是年老體弱者和下肢不便人群的福音。有關(guān)專家認為在不久的將來就可以普及到人類社會生活中去，為每個家庭服務(wù)，給每個家庭帶去歡樂和幸福。隨著科技的飛速發(fā)展和國內(nèi)老齡人口的增多，更加智能，更加經(jīng)濟的移乘護理機器人有著廣闊的市場。
圖1-3 “白澤”機器人
1.3 論文結(jié)構(gòu)及研究的內(nèi)容
本文主要介紹了一款智能移乘護理機器人，設(shè)計的過程中結(jié)合了三維軟件建模，matlab圖形處理。全文一共可以分為4個部分：
第一章是緒論，主要是從我國當今老年人口的變化趨勢和醫(yī)療機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，到世界各大國在護理機器人方面的發(fā)展情況，在現(xiàn)代社會都是一個值得關(guān)注的問題，并且存在著巨大的市場和不可估量的發(fā)展?jié)摿Α?
第二章是在本課題的設(shè)計要求的前提之下，提出了總體的設(shè)計方案。
第三章是智能移乘機器人的主要機械結(jié)構(gòu)的介紹。首先對智能移乘護理機器人的工作功能進行了介紹和說明，通過在某些預(yù)設(shè)的已知條件下對伸縮機構(gòu)進行了受力分析和運動分析。然后分別介紹了胸部支承，和驅(qū)動裝置部分的結(jié)構(gòu)的設(shè)計和相關(guān)結(jié)構(gòu)及元件的選用，并且對某些結(jié)構(gòu)和元件進行了校核檢驗。
第四章是對該課題的控制系統(tǒng)進行了相關(guān)說明，包括單片機的選用，傳感器的選擇，液壓控制原理圖和運行流程圖。
1.4本章小結(jié)
通過分析各國的人口成分和老齡化趨勢，發(fā)現(xiàn)在當今社會針對老年人口或者下肢運動不便的人群迫切需要一款智能化的移乘支援裝置，從當前各國護理機器人的發(fā)展及應(yīng)用來看，智能移乘護理機器人真正地走進每個需要他們的家庭還需要一段時間，因此迫切需要一種智能化，經(jīng)濟實惠的移乘支援裝置。本文就結(jié)合了當下的形式，設(shè)計了一款智能移乘護理機器人，為以后智能移乘護理機器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
第二章 總體設(shè)計方案
2.1設(shè)計要求
本設(shè)計中的智能移乘護理機器人主要用于醫(yī)院和理療機構(gòu)，主要能對下肢癱瘓或者高齡人員下肢運動不便的人員進行換位和移動。在設(shè)計時假定被轉(zhuǎn)移者的體重為， 通過了解一些普通的病床尺寸和一些病人用的輪椅的尺寸以此為基礎(chǔ)來參考設(shè)計支援裝置。當智能移乘護理機器人用于實際中時，主要考慮的是運行過程中的平穩(wěn)問題和被移乘者的舒適程度。
2.2設(shè)計方案
由于該智能移乘機器人主要實現(xiàn)的的動作就是抱緊，抱起，移乘，和放下的動作。抱緊這個動作的實現(xiàn)主要是通過胸部支承內(nèi)部的雙活塞液壓缸來實現(xiàn)的。而實現(xiàn)抱起的主要機構(gòu)就是使得下面的支承臂進行旋轉(zhuǎn)的伸縮機構(gòu)，通過伸縮機構(gòu)來帶動支承臂的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)將人抱起的動作。經(jīng)過市場調(diào)查知道，可以實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有電動推桿，液動推桿，氣動推桿，液壓缸。經(jīng)過反復(fù)比較最終決定用于將人抱緊的裝置和伸縮機構(gòu)均采用液壓缸來實現(xiàn)該運動。經(jīng)過長時間的思考，設(shè)計出本課題的三維模型如下所示：
圖2-1 智能移乘護理機器人的立體模型
圖2-2 智能移乘護理機器人主要結(jié)構(gòu)
本設(shè)計的機器主要是由上述7個部分組成的，下面分別列出它們的在智能
移乘機器人中作用。
1-胸部支承
主要對被移乘者起到抱緊和支撐的作用
2-支承臂
主要是在伸縮機構(gòu)的帶動下進行旋轉(zhuǎn)，從而達到將人抱起的目的
3-護膝支承
主要是支承被移乘者膝蓋，使得運行的過程中更加有安全感
4-伸縮機構(gòu)
主要通過伸長和收縮來達到抱起和放下被移乘者的目的
5-支承板
主要對整個裝置起到支承的作用
6-液壓站
主要是給胸部支承的抱緊和支撐臂的抱起和放下的動作
7-輪轂電機
主要作用是驅(qū)動整個裝置的運動
智能移乘機器人的工作原理概述：
首先由控制部分發(fā)出指令，智能移乘機器人走到移乘者的前方，當人做好準備時，1-胸部支承在液壓驅(qū)動部分的作用下現(xiàn)將人抱緊，抱緊之后，2-支承臂在4-伸縮機構(gòu)的帶動下將人抱起，當?shù)竭_最高位移點時，支援機器人開始運行至目的地，在該運行過程中，人始終保持在最高點的位置。到底目的時，2-支承臂在4-伸縮機構(gòu)的帶動下將人緩慢放下，完成此次移乘的過程。繪制二維平面運行軌跡如下圖；
圖2-3 二維運動平面圖
2.3本章小結(jié)
本章根據(jù)智能移乘護理機器人所要實際實現(xiàn)的功能進行機構(gòu)設(shè)計，并且介紹了智能移乘護理機器人的工作原理和工作過程。
第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 伸縮機構(gòu)
伸縮機構(gòu)其實就是指的是單活塞液壓缸，利用液壓油使得活塞桿的伸出或者收縮來帶動搖臂的擺動。主要由下圖所示的幾個部分組成。
圖3-1 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)組成
3.1.1 受力分析
圖3-2 受力分析示意圖
受力分析圖如上所示：為了方便計算，因此取角度用于接下來的計算中；為了方便計算，假設(shè)人的重心在上支撐臂和胸靠的交點處，則C處鉸鏈的力為因此只要對D點取矩，則可以得到如下的關(guān)系式：
； （3.1）
； （3.2）
； (3.3)
由此可以推出：
； （3.4）
由支撐臂固定角為150度，因此可以得出帶入上面的式子中得到最終的關(guān)系式有：公式中各個參數(shù)的確定：
將公式輸入進行圖形分析，如下圖所示：
圖3-3 伸縮液壓缸所受負載與支撐臂與水平夾角的關(guān)系
從上面的設(shè)計可以看出，當時，此時承受了最大的負載力。而在本設(shè)計公式中，初始角度，因此暫時取最大的負載力,可以根據(jù)上面的公式來算出最大的負載力為由此來進行下一步的分析，帶入計算得到的結(jié)果為2150N.
3.1.2液壓缸外部負載的計算
(1)工作負載(即為上面所求的最大負載力）
(2)機械摩擦負載
(3.5)
(3.6)
(3.7)
為靜摩擦阻力；為動摩擦阻力；取0.2；取0.2；
(3)慣性負載
(3.8)
(行走機械一般取在這里取最小值)
(4)工況分析
工況
負載組成
推力 F/
啟動階段
加速階段
恒速階段
減速制動階段
反方向啟動
反方向加速
反方向恒速階段
反方向制動階段
3.1.3確定本部分的液壓系統(tǒng)原理圖
通過對伸縮機構(gòu)功能的具體分析，可以繪制出相應(yīng)的液壓傳動原理圖；該部分與支撐臂結(jié)構(gòu)主要對人完成抱起，移動，放下的動作。
圖3-4 伸縮機構(gòu)的傳動系統(tǒng)原理圖
3為單向閥；4為電液比例換向閥；5為平衡閥；6為伸縮液壓缸 ；
抱起：在胸靠布置了一個柔性的壓力傳感器，檢測到設(shè)定的壓力范圍時，可以認為被護理者已經(jīng)準備就緒，可以進行抱起。當收到控制信號時，電液比例換向閥的右端接入電路中，此時液壓缸的活塞收縮，支撐臂向左旋轉(zhuǎn)，將人抱起至設(shè)定的高度。
移動：當?shù)竭_至移乘終點時，位移傳感器將位移的信息反饋至控制系統(tǒng)，此時電液比例換向閥的中位接入到回路中，此時平衡閥的作用是為系統(tǒng)保持一定的壓力。智能移乘機器人保持被護理者在這個高度，向目標運動。
放下：當?shù)竭_控制系統(tǒng)所設(shè)置的目的地時，此時電液比例控制閥的左端接入回路中，液壓缸的活塞桿伸長，將人緩慢放下。
3.1.4確定伸縮液壓缸的主要參數(shù)
（1） 缸筒直徑和活塞直徑的確定
本文是智能移乘機器人的設(shè)計，屬于小型的護理機器類，因此根據(jù)課程設(shè)計書上的標準初選液壓缸的工作壓力為1.0MPa.可以由這個經(jīng)驗值來確定液壓缸的基本尺寸。因為在本設(shè)計中,支承臂進行來回擺動，一次循環(huán)運動需要兩次供油，因此選擇雙作用的液壓缸，在本設(shè)計中選擇單活塞式液壓缸，試求缸筒面積如下：
（3.9）
式中
（3.10）
其中D--液壓缸的工作直徑 ；按標準取值：，然后確定活塞桿外徑的大小。由于在本設(shè)計過程中是對人體進行抱起，因此對平穩(wěn)性的要求很高，則抱起和放下的速度應(yīng)該近似相同，被移乘者才會感到有安全感。因此根據(jù)上述的要求有： ，則可以取
因此可以按照標準算出各面積為：
無桿腔面積：
（3.11）
有桿腔面積：
（3.12）
（3.13）
；
D——液壓缸內(nèi)徑(m)；
——缸筒材料的許用應(yīng)力，鋼管：。
=1.5X2.008=3.012Mpa
則在中低壓液壓系統(tǒng)中
（3.14）
因此可求出缸體的外經(jīng)為
（二）計算伸縮液壓缸各工作階段的壓力，流量和功率
（1） 伸縮液壓缸活塞收縮（即為將人從護理床或者椅子上抱起的過程,從市場上已經(jīng)生產(chǎn)的與智能移乘護理機器人相似的移位機來看，初步將活塞桿的運動速度定為）
（3.15）
（3.16）
（3.17）
（2）伸縮液壓缸活塞伸長（即為智能移乘護理機器人到達目的地之后，將人放下來的過程，同樣地，初步地將活塞桿的運動速度定為）
（3.18）
（3.19）
（3.20）
工況
壓力
流量
功率
抱起
2.008
0.4856
162.508
放下
1.7
0.6554
115.863
（三）編制伸縮液壓缸的工作情況圖
（1）圖
圖3-5 壓力循環(huán)圖
（2）圖
圖3-6 流量循環(huán)圖
（3）
圖3-6 功率循環(huán)圖
（4） 伸縮液壓缸行程的確定
由于在本設(shè)計中的智能移乘機器人，支承臂的擺角行程已經(jīng)確定，因此可以由以上的推導(dǎo)方程式求出行程。由第二章所給的條件可以了解到支承臂的擺角范圍為60度到100度。由（3.2）可以分別求出兩個極限位置的d的長度。
（3.21）
當導(dǎo)向長度對液壓缸的穩(wěn)定性也起著重要的影響，因此導(dǎo)向長度不能太短。
根據(jù)以往的經(jīng)驗，只要滿足如下的公式一般可以視為合格：
（3.22）
在上面的式子中，； D是指液壓缸的標準內(nèi)徑。
3.2胸部支承
圖3-8 胸部支承結(jié)構(gòu)圖
胸部支承主要是由壓力傳感器，突出支承，支承主體，扶手，雙活塞液壓缸等組成。突出支承的外部是可以伸縮的外殼，內(nèi)部設(shè)有滑道。該機構(gòu)主要起到支承人體上身和抱緊上身的作用。假設(shè)當壓力傳感器測得的力在時，可以視為兩個突出支承此時已經(jīng)將人抱緊。
3.2.1抱緊液壓缸外部負載的計算
（1）工作負載(則在后續(xù)的計算中取最大的負載力為800N）
（2）機械摩擦負載
（3.23）
（3.24）
(3.25)
；
(3)慣性負載
(3.26)
行走機械一般取在這里取最小值。
（4）工況分析
工況
負載組成
推力 F/
啟動階段
加速階段
恒速階段
減速制動階段
反方向啟動
反方向加速
反方向恒速階段
反方向制動階段
3.2.2胸部支承抱緊液壓系統(tǒng)原理圖
圖3-9 抱緊機構(gòu)液壓原理圖
7為電液比例換向閥；8,9為液控單向閥；10為雙活塞液壓桿；11為壓力傳感器；
抱緊：當智能移乘機器人已經(jīng)靠近被護理者時，人緊緊地貼在胸靠上，此時遠程控制電液比例換向閥7的左端接入電路，使得活塞桿收縮，抱緊病人。并在胸靠上的突出支撐部裝一個壓力傳感器，當達到一定的數(shù)值范圍時，在控制系統(tǒng)的作用下此時則視為智能移乘護理機器人已經(jīng)將人抱緊，此時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，使得電液比例換向閥處于中位。此時兩個液控單向閥在此處的作用是保壓，保持這個抱人的壓力值。
3.2.3抱緊液壓缸的主要參數(shù)
（一）初選執(zhí)行元件的設(shè)計壓力
參考伸縮機構(gòu)的壓力取值，在本機構(gòu)中取0.8Mpa，因為在本設(shè)計中的第二部分的液壓系統(tǒng)，胸靠上的支撐部分的兩側(cè)同時進行運動，達到將人抱緊的目的，一次循環(huán)運動需要兩次供油，因此選擇的和伸縮部分的一樣。
(3.27)
式中F---液壓缸上的外負載
--液壓缸的最大負載力 ---液壓缸的工作直徑
(3.28)
按標準取值： 根據(jù)活塞桿伸長和收縮的速度比值來確定活塞桿的直徑即可。由于在本設(shè)計過程中是對是對人體進行抱緊，則迅速抱緊和迅速放開的速度應(yīng)該近似相同，快速完成這一過程。因此根據(jù)上述的要求有： ，則可以取，剛好為標準值。
因此可以按照標準算出各面積為：
無桿腔面積：
(3.29)
有桿腔面積：
(3.30)
(二）計算液壓缸各工作階段的壓力，流量和功率
(1)液壓缸活塞伸長（由于在抱起人的過程中，因此在抱緊的過程中?。?
(3.31)
(3.32)
(3.33)
（2）液壓缸收縮（即為胸靠上的突出的支承部分抱緊人的過程，將人放下來的過程，此時初步地將活塞桿的運動速度定為）
(3.34)
(3.35)
(3.36)
工況
壓力
流量
功率
伸長準備
1.012
0.3016
50.867
收縮抱緊
1.91
0.198
115.863
（三）編制液壓缸的工況圖
（1）圖
圖3-10 壓力循環(huán)圖
（2）圖
圖3-11 流量循環(huán)圖
（3）圖
圖3-12 壓力循環(huán)圖
（四）抱緊液壓缸行程的確定
由上面的分析有，缸筒的內(nèi)徑D=40mm;活塞桿的直徑d=20mm;
該活塞桿進行往復(fù)運動是為了能夠使胸靠上面的突出支承部分可以將人抱緊，因此該行程應(yīng)該根據(jù)實際情況來確定。根據(jù)實際情況初步確定行程S2的尺寸為10cm.
導(dǎo)向長度對液壓缸的穩(wěn)定性影響很大，因此導(dǎo)向長度必需得滿足最小值。
根據(jù)以往的經(jīng)驗，只要滿足如下的公式一般可以視為合格：
(3.37)
在上面的式子中，； D是指液壓缸的標準內(nèi)徑。
3.3驅(qū)動裝置
圖3-13 液壓站結(jié)構(gòu)圖
該機構(gòu)的驅(qū)動裝置主要是由液壓站和輪轂電機。抱緊裝置和伸縮裝置都是由液壓站提供動力的，因此必需對該部分進行設(shè)計計算。
3.3.1液壓站的設(shè)計
（一）液壓泵的選擇
齒輪泵，葉片泵，柱塞泵等都是常用的泵，選擇液壓泵的主要依據(jù)是最大壓力和最大流量。同時還要考慮定量或者變量，原動機類型，轉(zhuǎn)速，容積效率等等，因此需要通過下面的計算來選擇液壓泵的型號。
（1）液壓泵的最大工作壓力的確定
(3.38)
，可以由已知的條件得知
是系統(tǒng)進油路上的總的損失，簡單的系統(tǒng)?。粡?fù)雜的系統(tǒng)取
工作壓力和額定壓力是所選用的液壓泵的主要參數(shù)
（2）計算液壓泵的最大流量
(3.39)
是系統(tǒng)中所需要的流量；，是同時動作的液壓缸或者液壓馬達的最大總流量，是指同時工作的液壓缸或者液壓馬達的最大流量值一般取
（3）液壓泵規(guī)格的選擇
按照上面所得到的泵的最大工作流量和最大工作壓力，從產(chǎn)品或者液壓手冊中選擇相應(yīng)的液壓泵的規(guī)格。為了保證滿足系統(tǒng)的流量和壓力的要求，因此在選擇液壓泵的型號時，一定要選大一個型號。
在智能移乘護理機器人的液壓系統(tǒng)的設(shè)計方案中，工作壓力不高，負載壓力不大，功率也不大，流量也不大。因此選擇雙作用葉片泵。雙作用葉片泵適用于中高壓的場合中，雙葉片泵有以下的特點：
1） 適用于中高壓系統(tǒng)。因為雙作用葉片泵的配流盤上，兩個吸油窗口，和壓壓油窗口對稱布置，因此作用在轉(zhuǎn)自和定子的液壓徑向力平衡，因此軸承承受的徑向力小，壽命小。
2） 流量均勻，平穩(wěn)。只要選擇合適的定子的過渡曲線形狀及葉片數(shù)目就能達到理論瞬時理論流量均勻。
因此，根據(jù)以上算得的和在查閱相關(guān)手冊，現(xiàn)選用型雙作用定量葉片泵，排量2.5~100ml/r，額定壓力6.3Mpa，額定轉(zhuǎn)速960r/min，容積效率，，容積效率達高達92%。驗證流量大于理論流量，滿足要求。
（二）電機的選擇
從上面的分析我們知道，智能移乘護理機器人的液壓系統(tǒng)最大功率出現(xiàn)在液壓缸
收縮把人抱起的狀態(tài)，這個時候液壓泵的供油壓力值為2.008Mpa，流量這個為已經(jīng)選定的雙作用葉片泵的理論流量值。是液壓泵的總效率。柱塞泵取0.80。在前面液壓泵的選擇中選擇的就是960r/min ,因此選用960r/min的電動機，由上面這些已知條件，可以求出驅(qū)動電機功率為：
(3.40)
選擇電動機 YB132S-6，其額定功率為3KW。
（三）液壓控制閥的選擇、
（1）液壓控制閥應(yīng)該滿足的要求
1)由于該設(shè)計為智能移乘護理機器人設(shè)計，因此要求可以遠程控制，且要求靈敏度高，使用可靠，工作噪聲小，速度平穩(wěn)，并且其損失小。
2) 由于是小型的智能機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計，因此密封性能必需達到一定要求。
（2）選擇各類閥的類型
由上面的分析計算可以知道各個油路的液壓控制閥在系統(tǒng)工作的最大工作壓力和通過該閥的實際流量，加上某些一些液壓閥需要接入反饋裝置或者是檢測裝置，還要考慮液壓控制閥的安裝固定方式，以及在油管中的損耗情況，工作環(huán)境和工作期限來選擇。
在智能移乘護理機器人的設(shè)計當中，所有閥的額定壓力都認為是6.3Mpa,因此來選擇各個系統(tǒng)中所需要的控制閥。由以上可知，系統(tǒng)中的泵所供給的流量是2.4L/min，額定的壓力為6.3Mpa,由這兩個條件來選擇各類的液壓閥。
在該智能移乘機器人的設(shè)計中，主要有兩個電液比例換向閥，一個平衡閥，一個溢流閥，兩個液控單向閥，一個單向閥。經(jīng)過查閱資料和各種產(chǎn)品的規(guī)格及其安裝方式，可以確定選用他們的型號如下。
三位四通電液比例換向閥選擇的型號為;其通徑為;溢流閥選擇Y-10B;其最大通過的流量為；單向閥選擇I-10B;其中允許通過的最大流量為，工作壓力為6.3Mpa；液控單向閥選擇的型號為Z2S6型，工作壓力最高可達31.5Mpa;平衡閥的型號選擇是XD4F,選擇工程通徑為10mm;
在各種液壓控制閥的連接方式中選擇了板式連接，這樣選擇有兩個比較明顯的好處：最大的優(yōu)點就是便于系統(tǒng)集成化和液壓裝置設(shè)計的合理化；第二，對于安裝和拆卸會變得非常方便。
（四）液壓輔助元件以及工作介質(zhì)的選定
（1） 油箱
油箱的作用有很多，例如說存儲液壓油，釋放空氣，將熱量從系統(tǒng)中排放出來等作用，絕大多數(shù)時候是自己設(shè)計的，但是在確定油箱的具體尺寸時，一定要滿足系統(tǒng)的供油要求。除此之外，還要考慮一些散熱，水分溢出，空氣逸出，水分分離等因素。整體式油箱，兩用油箱和獨立油箱是三種最常見的類型。獨立油箱是它們當中應(yīng)用最為廣泛的一種類型，通常被做成矩形的。因此油箱的流量一般先按照下面的經(jīng)驗公式計算，然后再按照系統(tǒng)的散熱進行校核。
(3.41)
其中V是油箱的有效面積；為液壓系統(tǒng)的額定總流量，L/min;a是與主機類型相關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；行走機械一般取1到2之間；低壓系統(tǒng)取2到4之間，中壓系統(tǒng)取5到7之間，并且可以自己根據(jù)實際情況再進行相應(yīng)的設(shè)計。因此根據(jù)液壓泵站油箱的公稱容量系列，選擇油箱的容量為4升。與此同時還應(yīng)該滿足通常的油箱的容量取泵每分鐘流量的3~8倍，則取六倍，則有,因此根據(jù)液壓泵站油箱的公稱容量系列，選擇油箱的容量為16升。從上面兩種油箱的公稱容量計算來看選擇大的容量。在設(shè)計油箱時應(yīng)該注意這些問題：油箱容量的確定，在上面已經(jīng)詳細說明選用的過程了，并且其油面的高度應(yīng)該不能超過油箱高度的80%。
首先，必需要有一個過濾器，使得通流順暢。并且其過濾器要時常清洗，因此還要考慮拆卸方便。
第二，油箱底部應(yīng)該做成適當?shù)男倍?，并且安放油塞?
第三，油位指示器一定要安裝在油箱的側(cè)壁，以此來提醒我們油位的高低變化。
吸油管和回油管之間一定要用隔板分開，帶來一定的緩沖作用，使得氣泡和雜質(zhì)可以完全分離出來。具體的尺寸應(yīng)該按照設(shè)計手冊上的經(jīng)驗值來選取。
(2) 過濾器：在泵的出口安裝一個網(wǎng)式的過濾器。是為了防止大顆粒的雜質(zhì)進入泵的入口，并且同時有較大的通流能力，不至于發(fā)生空穴現(xiàn)象。
(3) 油管和管接頭的選用
1.在液壓系統(tǒng)的使用的油管的種類有很多類型，比如說有鋼管、尼龍管、橡膠管、塑料管等，在選用時要根據(jù)該設(shè)計的需求來選用。本設(shè)計是設(shè)計智能護理機器人，從書中可以知道尼龍管用在低壓系統(tǒng)；塑料管一般用在回油管用。由于再設(shè)計智能移乘護理機器人的過程中，液壓缸與其他連接件之間會有相對運動，因此也在連接連個具有相對運動的連接件可以使用膠管。則在其余的部分選用鋼管。
管道內(nèi)徑計算：
(3.42)
式中 q——通過管道內(nèi)的流量
v——在允許的壓力損失下管內(nèi)允許流速 ；當P=2.5~16Mpa時，，因此根據(jù)要求帶入該數(shù)值即可。
然后根據(jù)液壓設(shè)計手冊選擇標準的鋼管外徑為8mm,管接頭的連接螺紋為10mm,并且螺距為1mm。管子的壁厚為1mm,推薦通過的流量為6.3L/min.符合本課題設(shè)計的要求。
2. 管接頭的選用：
管接頭是一種可以拆卸的連接，管接頭一般具有很多優(yōu)點，比如有可以很方便的拆卸、連接的很牢固、密封可以得到保證、外部尺寸小、通流能力很大、壓力損失小、易于加工等各種條件。在書中介紹的管接頭的種類很多，液壓系統(tǒng)中油管與管接頭的常見聯(lián)接方式有：用于硬管連接的主要有擴口式，焊接式，軟管接頭有可拆式和扣壓式兩種。由于在本設(shè)計中既需要軟管又需要硬管。因此具體的連接方式之后才能確定。
（4）工作介質(zhì)的選擇
液壓工作介質(zhì)的主要功能是載能和潤滑，冷卻，液壓介質(zhì)的工作特性對工作品質(zhì)和液壓系統(tǒng)的功能的實現(xiàn)具有很大的影響。由于在上面的泵的選擇中選擇了葉片泵，因此選擇的液壓油為L-HM型的抗磨液壓油。
下表列出了各個液壓元件的選用及型號
標號
名稱
大概通過流量
型號
規(guī)格
1
雙作用葉片泵
2.4
6.3Mpa，容積效率為92%
2
三位四通電液比例換向閥
6
6通徑，板式連聯(lián)接
3
溢流閥
4
Y-10B
10通徑，板式聯(lián)接
4
平衡閥
6
XD4F
10通徑，板式聯(lián)接
5
液控單向閥
80
Z2S6
10通徑，板式聯(lián)接
6
電機
-
YB132S-6
滿載轉(zhuǎn)速為960r/min
7
壓力表
-
YX型電接點壓力表
測量范圍0~6Mpa
8
壓力傳感器
-
FPT-100型壓力傳感器
測量范圍0~7Mpa
（6）液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率的估算和溫升驗算
液壓系統(tǒng)的壓力損失，容積損失構(gòu)成的能量損失，這些能量損失都將轉(zhuǎn)化為熱能，使得油溫或者整個液壓系統(tǒng)的油溫升高。由于油路中存在著各種液壓元件，因此產(chǎn)生了大的功率消耗，可以按照下面的公式來計算：
(3.43)
其中是指液壓泵的輸入功率；
已知油箱的容積則可以求得油箱的近似散熱面積，假設(shè)油箱通風(fēng)良好，，取油箱的散熱系數(shù)則可以算出此時的溫升為
(3.44)
設(shè)環(huán)境溫度為25度，,符合要求。
3.3.3輪轂電機的選用
根據(jù)實際情況，車輪選擇機器人常用的車輪型號，即為中菱4寸的微型機器人輪轂電機，是一種將傳統(tǒng)的電機，傳動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)和為一體的裝置，可以高精度地控制機器人的運行軌跡。
3.4本章小結(jié)
本章詳細地介紹了智能移乘護理機器人各部分機構(gòu)的組成及工作原理，并且根據(jù)相關(guān)的設(shè)計手冊進行設(shè)計計算，最終選取合適的元件。
第四章 控制系統(tǒng)
4.1硬件概述
4.1.1AT89C51單片機
當下是科技爆發(fā)的時代，幾乎所有的領(lǐng)域都能看到單片機的身影?，F(xiàn)在市場上的單片機的類型有很多種，通過對比和選擇，最終1確定選用51單片機。AT89C51單片機是一種如今隨著社會的發(fā)展使用的越發(fā)頻繁的單片機，性能很高，體積也小，可以精確地控制，可以用于多個方面，是設(shè)計智能移乘機器人首選的單片機。
圖4.1 AT89C51單片機
圖4.1 AT89C51單片機外形
4.1.2壓力傳感器
據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，壓力傳感器是使用的最為廣泛的一種傳感器，在工業(yè)，航天，軍事等多個方面均有應(yīng)用。常用的種類也非常之多。在本智能移乘護理機器人設(shè)計中主要選用壓力傳感器用來測量人與胸靠上面的突出的支撐部分的壓力是否達到預(yù)定值，還用于胸靠上用來測量是否人體的胸部與胸靠相貼合，將信息反饋到控制系統(tǒng)之后，再發(fā)出下一個指令。為了滿足這兩個檢測方面的要求，經(jīng)過多次對比與選擇，選用了這款cp201柔性壓力壓力傳感器。這類柔性壓力傳感器有許多的優(yōu)點，它的響應(yīng)速度非?？欤w積小而輕，耗能少，柔韌性也非常好，可以感應(yīng)到非常微小的變化非常符合智能移乘護理機器人的設(shè)計要求。
圖4-3 CP201柔性壓力傳感器
4.1.3角位移傳感器
角位移傳感器主要是指通過不直接接觸的方法，將機械轉(zhuǎn)動的變量轉(zhuǎn)化成電信號。角位移傳感器的應(yīng)用也相當廣泛，從電子到冶金領(lǐng)域均有應(yīng)用。在本智能移乘護理機器人的設(shè)計中主要是采用角位移傳感器來測量支承臂的轉(zhuǎn)動角位移，從而反饋給控制系統(tǒng)來發(fā)布下一個指令。因此根據(jù)實際情況，經(jīng)過各種挑選與對比，最終選擇R30A角位移傳感器。
圖4-4 R30A角位移傳感器
4.2具體設(shè)計
4.2.1液壓控制原理圖設(shè)計
圖4-5 液壓控制原理圖
該移乘護理機器人在工作時主要分為以下幾個步驟進行：抱緊，抱起，移動，放下。
抱緊：當智能移乘機器人已經(jīng)靠近被護理者時，人緊緊地貼在胸靠上，此時遠程控制電液比例換向閥7的左端接入電路，使得活塞桿收縮，抱緊病人。并在胸靠上的突出支撐部裝一個壓力傳感器，當達到一定的數(shù)值范圍時，在控制系統(tǒng)的作用下此時則視為智能移乘護理機器人已經(jīng)將人抱緊，此時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，使得電液比例換向閥處于中位。此時兩個液控單向閥在此處的作用是保壓，保持這個抱人的壓力。
抱起：在胸靠上也裝一個柔性的壓力傳感器，檢測到設(shè)定的壓力范圍時，可以認為被護理者已經(jīng)準備就緒，可以進行抱起。這時在控制系統(tǒng)的作用下，電液比例換向閥的右端接入電路中，此時液壓缸的活塞收縮，支撐臂向左旋轉(zhuǎn)，將人抱起至一定的高度。
移動：當?shù)竭_至移乘終點時，角位移傳感器將位移的信息反饋至控制系統(tǒng)，此時電液比例換向閥的中位接入到回路中，此時平衡閥可以起到長時間的鎖定作用。智能移乘機器人載著被護理人向目標地移動。
放下：當?shù)竭_控制系統(tǒng)所設(shè)置的目的地時，此時電液比例控制閥的左端接入回路中，液壓缸的活塞桿伸長，從而將人放到椅子上或者是護理床上。
4.2.2程序流程圖
圖4-6 運行流程圖
流程圖說明：機器人在控制系統(tǒng)發(fā)出指令后，達到指定目標地；此時被支援者貼近胸靠，貼在胸靠上的柔性傳感器檢測到壓力反饋到控制系統(tǒng)之后，則視為人已經(jīng)準備好，可以執(zhí)行下一步的命令，否則人繼續(xù)向前靠，直到檢測系統(tǒng)檢測到信號為止；如果人已經(jīng)準備好，則此時胸靠上面的突出支承部分在液壓油的作用下，向內(nèi)收縮，將人抱緊，直到柔性壓力傳感器反饋到測量系統(tǒng)的值達到設(shè)定的壓力值，否則繼續(xù)進行抱緊；如果壓力已經(jīng)到達預(yù)設(shè)值，此時在伸縮機構(gòu)的帶動下使得支承臂向左旋轉(zhuǎn)，逐漸實現(xiàn)將人抱起，直到角位移傳感器的輸出值達到預(yù)設(shè)值。此時，智能移乘機器人將進行移動直到到達目標地點，然后再將移乘者緩慢放下來。
4.3本章小結(jié)
本章主要是對智能移乘護理機器人控制和檢測裝置的元件進行了選擇，并且對智能移乘護理機器人的工作流程進行了詳細的說明。
第五章 總結(jié)
在本課題的研究中，首先通過在第一章分析了國內(nèi)外的老齡化程度，引出了研究本課題的意義和目的；在第二章中針對當前的國內(nèi)現(xiàn)狀，介紹了本課題所設(shè)計的智能移乘護理機器人，并且簡單地介紹了主要結(jié)構(gòu)和簡要敘述其中的工作原理；在第三章中，較為詳細地介紹了各個機構(gòu)，及它們的功能。最后在第四章中，簡單地介紹了這個控制系統(tǒng)。
本次設(shè)計的智能移乘護理機器人主要是用來協(xié)助護理工對被護理者進行移位，在這個設(shè)計中還有很多的不足之處，它的使用范圍非常有限，因為支承臂沒有設(shè)計成可以升降的結(jié)構(gòu)，因此在使用和推廣上很有限制。并且是采用液壓系統(tǒng)進行傳動，雖然平穩(wěn)性較好，動作靈敏，但是液壓油容易受到溫度的影響，并且對各個液壓元件的制造精度要求很高，因此成本高。因此在本設(shè)計上還有許多可以改進之處。
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謝 辭
在做畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，遇到過許多困難，當打下這段文字時，有一種千帆過盡的感覺。與之前的課程設(shè)計相比，畢業(yè)設(shè)計的難度提高了好幾級，所以在成功完成這個設(shè)計后，我要向給我提供諸多幫助的金山海老師表示十分的敬意和感謝。老師他思維敏捷，切中要點，每次給我指出的缺點都是我所沒有考慮到的。我們?nèi)柪蠋焼栴}的時候，老師也會放下手中的工作，但對某個問題有疑惑或者很久不明白時，老師都會給我們耐心地解答和舉例，生動的例子隨手捏來，讓我們豁然開朗。老師淵博的知識和豐富的實踐經(jīng)驗也深深感染我，讓我了解更廣闊的知識天地。最重要的是，老師的教育態(tài)度，對學(xué)術(shù)一絲不茍的嚴謹態(tài)度，對設(shè)計的認真負責(zé)，讓我們敬佩！
其次，我想感謝和我一起交流，一起解惑的同學(xué)，雖然他們的時間緊迫，但是依然回答我的問題。不厭其煩地面對我的請教，感謝他們的幫助，讓我有所進步。這次設(shè)計，我受益良多，從資料的檢索、傳動分析、機構(gòu)裝置的考慮和最終方案的選擇，每一個階段都離不開老師和同學(xué)的幫助和鼓勵。這將是我無法忘記的人生經(jīng)歷！
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