可穿戴气动平衡搬运助力机器人研究

摘要

为了解决未来人口老龄化社会带来的护理人员短缺问题，本研究开发了一种新型的可穿戴气动平衡搬运助力机器人，用以为护理人员搬运老年人时提供助力，减轻他们的劳动强度。
　　首先，本文对国内外可穿戴搬运助力机器人的研究现状进行了分析，发现大多数的机器人设计都带有复杂的控制系统及许多传感器，这不但导致机器人造价昂贵，而且降低了机器人的可靠性。因此本文提出了新型的可穿戴气动平衡搬运助力机器人的设计方案，实现了仅仅通过简单的控制系统，即可实现搬运助力过程中的助力控制。
　　可穿戴气动平衡搬运助力机器人由机械系统、控制系统和气动系统三大部分组成。其中，机械系统主要包括左右两个机械臂，每个机械臂主要由平行四边形杆系机构、滑轮导轨、竖直滑轨和可自锁关节组成的。控制系统主要通过研华板PCI-1710输入控制信号，控制比例调压阀。气动系统包括气源、比例调压阀、调速阀和气缸。
　　本研究设计出了一种新型的滑轮导轨，采用滑轮导轨组合的形式，可以保证机器臂即使在重载的条件下，也能自由地移动，而且自重较轻。适合可穿戴机器人对于部件轻量重载的要求。
　　本研究设计了具有平行四边形的杆系结构，该机构与滑轮导轨及竖直滑轨相结合能够使装置实现“随遇平衡”的功能。这大大地简化了搬运过程中的气缸力的控制。
　　本研究制作了试验样机，并使用试验样机进行了搬运助力实验。本研究使用机器人的样机，进行了直腰载重助力搬运实验、多角度弯腰搬运实验以及导轨力学性能测试实验。对于不同条件下机器人手臂在竖直方向以及水平方向上移动所需要的外力进行分析，并测试机械臂移动时所要克服的阻力。实验取得较为理想的结果，证明了当机械手臂在平衡状态下时，只需要较小的力就可以实现升降和平移，实验结果证实了本次的设计方案是可行的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 助力机器人国内外的研究概况

1．2．1 国外研究状况

1．2．2 国内研究状况

2 可穿戴气动平衡搬运助力机器人前期内容的研究

2．1 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的设计构想

2．2 前期研究及有待改进之处

3 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的研发

3．1 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的基本组成

3．2 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的机械系统

3．2．1 机械手臂的设计

3．2．2 可自锁的肘关节设计

3．2．3 水平导轨设计

3．2．4 竖直滑轨设计

3．2．5 竖直滑轨的驱动方式

3．2．6 支架设计

3．3 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的自由度配置

3．4 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的控制系统

3．4．1 控制系统的设备参数

3．4．2 控制系统的工作过程

3．5 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的气动系统

3．5．1 气动系统各元件的工作参数

3．5．2 气动系统设计

3．5．3 气动系统工作过程

4 机械手臂的分析及设计

4．1 机械手臂的受力分析

4．2 平行四边形杆系机构尺寸建模

4．3 平行四边形杆系机构的运动范围

5 实验

5．1 可穿戴气动平衡搬运助力机器人的搬运动作分析

5．1．1 直腰状态下的动作分析

5．1．2 弯腰状态下的动作分析

5．1．3 实物搬运

5．2 可穿戴气动平衡搬运助力机器人搬运重物实验

5．2．1 直腰状态下的搬运实验

5．2．2 弯腰状态下的搬运实验

5．2．3 滑轮导轨组合的力学性能实验

5．3 可穿戴性实验

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢