護(hù)士機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化

辛紹杰，張歡歡

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

護(hù)士機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化

辛紹杰，張歡歡

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

針對(duì)自理困難的家居老人和病人的需要，設(shè)計(jì)了一款護(hù)士機(jī)器人。該機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用基于工控機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方案。運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對(duì)該機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模、裝配以及干涉檢查。分別以操作手的拇指轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和大臂軸輸出轉(zhuǎn)矩最大值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)，利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)和手臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)參數(shù)仿真優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的構(gòu)件尺寸極大地改善了護(hù)士機(jī)器人的機(jī)械性能。

護(hù)士機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)；干涉檢驗(yàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于自理困難的老年人和由突發(fā)事故引起行動(dòng)不便患者的護(hù)理已成為當(dāng)今人們廣泛關(guān)注的社會(huì)問題之一。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，僅國(guó)內(nèi)需要康復(fù)護(hù)理器械的患者就有1 500多萬(wàn)人［1］。目前的康復(fù)產(chǎn)品大部分功能單一或價(jià)格偏高，且不能人性化地滿足病人的使用需求，而功能齊備、操作方便、安全可靠的服務(wù)機(jī)器人等相關(guān)產(chǎn)品將在很大程度上促進(jìn)病人康復(fù)，減輕護(hù)理強(qiáng)度。針對(duì)老年人和病人的需要，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用方便的一款護(hù)士機(jī)器人，對(duì)實(shí)現(xiàn)家居老人和病人的部分自理需求具有重要的意義。

1 護(hù)士機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)家居老人和病人在子女上班期間對(duì)護(hù)理的要求，護(hù)士機(jī)器人應(yīng)具有室內(nèi)自主移動(dòng)和取、送物品（食品、瓶裝藥、水果、瓶裝水和毛巾等）等功能。為完成上述要求，擬人護(hù)士機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、移動(dòng)平臺(tái)和控制系統(tǒng)等構(gòu)成。機(jī)械系統(tǒng)完成物品的抓取和抬升，移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人室內(nèi)的自主移動(dòng)，機(jī)械系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過控制系統(tǒng)實(shí)施控制。

1.1 移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

移動(dòng)平臺(tái)選用AS－R機(jī)器人，如圖1所示。該機(jī)器人為模塊化結(jié)構(gòu)，由動(dòng)力、控制、傳感3個(gè)模塊構(gòu)成，模塊間采用螺栓連接定位。整機(jī)采用前部2個(gè)差速驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪和后部一個(gè)萬(wàn)向輪實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)支撐。底箱為動(dòng)力系統(tǒng)，裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和鋰電池，鋰電池安放在底箱的后部。中箱為控制系統(tǒng)，裝有主板、電源、硬盤、計(jì)算機(jī)板卡、按鈕及接插口等。頂箱為傳感系統(tǒng)，圓盤型，裝有攝像頭和無(wú)線網(wǎng)卡等，其側(cè)面圓周均布12個(gè)孔，安裝了5個(gè)超聲傳感器和4個(gè)紅外傳感器。箱體的材料用鋁合金板，輪轂、輪盤等承力部件采用高強(qiáng)度硬鋁合金。

圖1 護(hù)士機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)Fig.1 Moving platform of the nursing robot

1.2 機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)

機(jī)器人的手臂采用關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)，由大臂、小臂及肩部、肘部、腕部處的類人關(guān)節(jié)構(gòu)成。在滿足護(hù)士機(jī)器人的功能要求前提下，手臂采用欠驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，選用如圖2所示的平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。其2個(gè)曲柄安裝于大臂，連桿固聯(lián)于小臂。僅需1個(gè)動(dòng)力就完成了大臂和小臂的運(yùn)動(dòng)要求，既減少了電動(dòng)機(jī)數(shù)目，減輕了手臂的質(zhì)量，又提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的整體穩(wěn)定性。根據(jù)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的性質(zhì)，連桿與機(jī)架始終保持平行，滿足手掌始終保持水平位置的要求。取機(jī)架與水平的夾角α為23°，由圖2運(yùn)動(dòng)軌跡可知，當(dāng)曲柄由垂直位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)67°時(shí)，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。取大臂的工作角度范圍為－10°～45°，該區(qū)域由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定。根據(jù)機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度要求，初定曲柄的長(zhǎng)度L1＝222mm；連桿的長(zhǎng)度L2＝51mm。考慮到左曲柄為細(xì)長(zhǎng)桿，且工作時(shí)受壓力作用，故對(duì)該桿進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定校核。根據(jù)初步確定的機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)尺寸，利用 SolidWorks軟件［2-3］建立其三維模型，如圖3所示。

1.3 操作手的設(shè)計(jì)

操作手的動(dòng)力為電動(dòng)機(jī)，手部選用四桿夾持機(jī)構(gòu)，根據(jù)夾持力和夾持空間的要求，確定四桿機(jī)構(gòu)的初步尺寸。利用SolidWorks軟件對(duì)操作手機(jī)構(gòu)建模，如圖4所示。

圖4 操作手機(jī)構(gòu)三維模型Fig.4 Three dimensional model of the Manipulator mechanism

1.4 機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)的三維建模與干涉檢驗(yàn)

在完成傳動(dòng)部分各零件的建模后，應(yīng)用Solid－Works軟件對(duì)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，所得模型如圖5所示。為檢查所建模型結(jié)構(gòu)尺寸的合理性，應(yīng)用SolidWorks軟件的碰撞檢查功能，查看相對(duì)運(yùn)動(dòng)之間的構(gòu)件是否干涉。如對(duì)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的曲柄與胸部機(jī)構(gòu)的輸出軸進(jìn)行干涉檢查時(shí)，在SolidWorks裝配體界面中，點(diǎn)擊移動(dòng)零部件，選擇自由拖動(dòng)模式，選中碰撞檢查，再點(diǎn)擊這些零部件之間選項(xiàng)，選擇曲柄以及輸出軸，并在碰撞時(shí)停止選項(xiàng)打勾。手臂在移動(dòng)過程中，連架桿與軸發(fā)生碰撞時(shí)就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，碰撞的零部件會(huì)顯示為綠色。運(yùn)用SolidWorks軟件的測(cè)量圖標(biāo)，測(cè)量這一位置時(shí)原動(dòng)件與水平之間的夾角位置沒有超出工作上限，故需要修改機(jī)器人相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，最終將機(jī)架與水平線之間的夾角由初始的23°修改為17°。

圖5 機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型Fig.5 Three dimensional model of the robot's drive system

1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行走控制系統(tǒng)采用了三軸運(yùn)動(dòng)控制卡、直流伺服電動(dòng)機(jī)及配套驅(qū)動(dòng)器。移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)主要完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退和原地轉(zhuǎn)身等動(dòng)作。系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)總線與外接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，主機(jī)配置較高，且具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和豐富的硬件資源，便于用戶擴(kuò)展。

護(hù)士機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制是采用基于工控機(jī)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、執(zhí)行電動(dòng)機(jī)反驅(qū)動(dòng)器等組成。通過運(yùn)動(dòng)控制卡控制各電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 機(jī)械系統(tǒng)的控制系統(tǒng)Fig.6 Control system of mechanical system

2 主要機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

機(jī)器人大臂需要的動(dòng)力決定了臂部動(dòng)力的配備和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，降低大臂轉(zhuǎn)動(dòng)力矩對(duì)于護(hù)士機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。ADAMS是典型的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件，在機(jī)構(gòu)的仿真優(yōu)化方面得到了廣泛應(yīng)用［4-13］。機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)是決定機(jī)器人性能的重要因素，其引起了研究人員的關(guān)注［14-15］。本文采用 ADAMS機(jī)械分析軟件，以大臂軸的輸出轉(zhuǎn)矩的最大值最小化為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。設(shè)置臂部雙曲柄機(jī)構(gòu)的初始位置點(diǎn)如表1和圖2所示，確定的設(shè)計(jì)變量如表2所示。

通過ADAMS提供的設(shè)計(jì)研究模塊，對(duì)上述變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得到各變量的大小變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。研究表明，DV＿2和DV＿3的靈敏度分別為－1 158.6和－699.6，遠(yuǎn)高于其他設(shè)計(jì)變量變化對(duì)大臂輸出轉(zhuǎn)矩的影響。利用ADAMS提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，以DV＿2和DV＿3為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行機(jī)構(gòu)構(gòu)件尺寸參數(shù)優(yōu)化，圖7所示為優(yōu)化前后機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩T的對(duì)比情況。

表1 機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)各點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.1 Coordinates of various points for robot's arm

表2 機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)各點(diǎn)設(shè)計(jì)變量坐標(biāo)Tab.2 Design variable's coordinates of variouspoints for robot's arm

圖7 優(yōu)化前后機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.7 Output torque contrast before and after optimization for robot's arm

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后大臂的輸出轉(zhuǎn)矩明顯減小。機(jī)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化3點(diǎn)的坐標(biāo)值由初始的（－48.771，－207.089）變化為（－48.771，－205.018），優(yōu)化前后構(gòu)件的尺寸變化幅度很小，機(jī)械手在達(dá)到工作上限時(shí)，小臂與水平線夾角向下傾斜約5°，大臂轉(zhuǎn)矩的最大值則減小23%，優(yōu)化效果非常顯著。明顯改善了機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能及機(jī)架的受力性能，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

運(yùn)用ADAMS軟件，以四桿機(jī)構(gòu)的連架桿（拇指）角速度的最大值最小化為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。初始位置如表3所示，設(shè)計(jì)變量如表4所示。

表3 機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)各點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.3 Coordinates of various points for robot's thumb

表4 機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)初始設(shè)計(jì)變量Tab.4 Initial design variables for robot's thumb

若夾緊過程中角速度ω過大，則夾緊裝置對(duì)夾緊物的沖擊過大，可能引起夾持物變形等問題。

通過ADAMS軟件提供的設(shè)計(jì)研究模塊，對(duì)各變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究得到 DV／＿2，DV／＿4和DV／＿5的敏感度最大，即對(duì)機(jī)構(gòu)的角速度影響最大。取3個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍：DV／＿2的變化范圍為－6%～0%，DV／＿4的變化范圍為－10%～0%，DV／＿5的變化范圍為0%～10%。利用優(yōu)化分析模塊，進(jìn)行各構(gòu)件尺寸的優(yōu)化，得到優(yōu)化前后機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)角速度對(duì)比情況，如圖8所示。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)優(yōu)化后角速度明顯減小，優(yōu)化后3個(gè)變量的值 DV／＿2為246.10，DV／＿4為240.28，DV／＿5為136.30，此時(shí)可以滿足設(shè)計(jì)要求。桿件上點(diǎn)2＿y方向坐標(biāo)由初始值8mm變?yōu)?.48mm，點(diǎn)3＿y方向坐標(biāo)值由初始值20.7mm變?yōu)?8.63mm，點(diǎn)4＿x方向坐標(biāo)由初始值13.8mm變?yōu)?5.18mm。

圖8 優(yōu)化前后機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)角速度對(duì)比Fig.8 Angular velocity contrast before and after optimization for robot's thumb

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械手臂和操作手機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力源較少，傳動(dòng)可靠。其手臂驅(qū)動(dòng)采用安裝于胸部的電動(dòng)機(jī)和減速器組合實(shí)現(xiàn)，大臂機(jī)構(gòu)以平行雙曲柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)，并使小臂始終保持水平。利用SolidWorks軟件完成了對(duì)護(hù)士機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三維建模、裝配以及干涉檢驗(yàn)。通過參數(shù)的修正滿足手臂與操作手的運(yùn)動(dòng)要求。以操作手的拇指轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度最大值最小化和大臂軸的輸出轉(zhuǎn)矩最大值的最小化作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過ADAMS分析軟件對(duì)兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的尺寸進(jìn)行了調(diào)整，即改變了構(gòu)件尺寸，極大地改善了護(hù)士機(jī)器人的整體性能。

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Optimization of Mechanism Parameters and System Design of Nursing Robot

XIN Shaojie，ZHANG Huanhuan
（School of Mechanical，Shanghai Dianji University，Shanghai 200245，China）

A nursing robot is designed to help the elderly and patients who cannot take care of themselves.The robot's moving platform and the control system use an industrial computer.With the software Solid Works，aprototype is modeled，assembled and interference－checked.The soft of ADAMS is used to simulate and optimize the motion of the robot mechanism.The goal of optimization is to minimize the maximum value of both angular velocity of the robot's thumb and output torque of the arm.With the optimized mechanism size，the robot's mechanical performance is greatly improved.

nursing robot；structure design；control system；interference checking；optimization design

TP 24

A

2095－0020（2011）06－0356－05

2011－09－26

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目資助（2007AA041604）；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科資助（J51902）

辛紹杰（1963－），男，教授，博士，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)器人技術(shù)，E－mail：xinsj＠sdju.edu.cn