实用上楼轮椅

实用上楼轮椅 残疾人上楼轮椅机构设计 摘要 本篇论文针对残疾人上楼困难而设计的一款上楼轮椅，文中首先对国内外各种爬楼轮椅结构进行，在对比总结各自优缺点的基础上设计出一款结构简单，操作方便的上楼结构。 该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便。 关键词:上下楼轮椅;自动调平结构;服务机器人;残疾人 1 Disabled people upstairs wheelchair mechanism design Abstract This paper for the disabled upstairs and of the design difficulties a upstairs wheelchair, this paper first to the domestic and foreign various climbing up a wheelchair structure analysis, in contrast to summarize their respective advantages and disadvantages designed on the basis of a simple structure, convenient operation of the upstairs structure. The structure and the star wheel planetary wheel structure, on the ground, the planet round work, go upstairs, combined with the whole planet gear clutch after tooth department will become a rigid whole and conversion for star wheel structure model, that is, each gears are not only with the whole body rotation and flip together, so as to realize the upstairs function. Body used the slippery course type automatic levelling structure, this simple structure, convenient adjustment. Keywords:Upstairs wheelchair;automaticlevelling mechanism;service robot; the disabled 2 第一章 绪论 1.1 引言 目前市场上的轮椅存在一个很大的不足:由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。很多场合尤其是室外比如银行门前，购物中心门前等都或多或少有几级台阶，而对于室内仍有很多地方没有电梯，对于那些乘坐轮椅的残疾人，他们仍然有很多不便。当然，国家也花费了大量的人力和财力在某些场所修建了相应的轮椅坡道和其它公用设施以方便残疾人活动。但由于受各种因素的影响，这些措施起到的作用仍然非常有限。 解决这一问题的最好方法就是改进残疾人使用的行走设备，也就是说通过改进残疾人轮椅的机械结构，使其能够适应日常生活中所碰到大多数的地形。对于残疾人轮椅车的改进，已有不少人提出各种解决:有的使用履带式的辅助爬升设备帮助轮椅上下楼梯，有的采用步进式的结构一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺仪控制两轮结构的翻转，立起来上下楼梯，但这些方案都有一些不尽如人意的地方，比如:结构复杂，造价高，使用不便，不能很好的适应平地行驶等，因而都未能得到较广泛的应用。 正是基于此背景，一款结构简单，操作方便，价格合适的上楼机器既能为残疾人带来方便，同时也具有巨大的市场容量。在毕业之际，于是选择了残疾人上楼为主题设计了星轮行星轮转换式可爬楼梯轮椅:该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便,这也正是此设计的创新的地方。 1.2 上下楼梯轮椅发展历史 上下楼梯机构,轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机 构式等。机器人作为一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一(但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难( 越障机器人的研究(对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境(减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约 3 原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。。 国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。上下楼梯机构,轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机 构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机构式等。 行星轮式的典型代表为美国强生公司下属的独立技术公司研制出的爬楼梯轮椅IBOT。IBOTR的轮椅开发历时8年，耗资超过 1.5亿，是迄今为止推出的最尖端的产品。它配有感知人一轮椅重心位置的陀螺仪和复杂的计算机系统，可以随时调整重心位置以保证轮椅的平衡。IBOT结构紧凑，运动灵活，操作简便，可靠性、安全性等各方面指标都很高，它不仅可以爬21厘米以下高度的楼梯和不超过,,厘米高的“马路牙子:，也能够在沙滩、斜坡和崎岖的路面和小山坡上前进，而且能够两轮着地“站起来”直立行走，以使乘坐者可以升高到普通人的高度，也便于取放高处的物体。IBOT如此先进，价格也不菲12.9万美元的高价可能使很多人望而却步。 除此之外，国内外还发明了其它多种行星轮式爬楼梯机构。由于存在这样或那样的问题，尽管发明专利很多，真正推广使用的却很少。 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35?，上下楼梯速度为每分钟15--20个台阶。法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。 履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏;且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。 腿足式爬楼梯轮椅的主要特点是具有两套支撑装置，这两套装置交替支撑实现上下楼梯功能。由于这种爬楼梯方式类似于人类上下楼梯的过程，故也常称之为步行式爬楼梯轮椅。早期的爬楼梯轮椅大多采用这种方式，例如1892年bray发明的第一台爬楼梯轮椅就采用了这种方式。在爬楼梯时，先由其中一套支撑装置支撑并抬高轮椅及另一套支撑系统，然后另一套支撑系统前移到台阶上;在台 阶上停稳后，整个轮椅重心移 4 到该支撑装置上，先前那套支撑装置则收回，如此循环，直到爬完整段楼梯为止。 腿足式爬楼梯机构的主要特点是:爬行速度较慢，对重心设计要求较高但如果加装有传感装置则对不同尺寸的楼梯具有较高的适应能力。 为了解决腿足式爬楼梯机构爬行速度较慢的缺点，有学者提出了平行四杆式爬楼梯机构，就是在普通轮椅的两侧各加设一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构，它用四条“腿”托送轮椅上台阶。平行四杆式爬楼梯机构结构简单、价格低廉，但由于仅仅由四个点支撑整车，其平稳度不高，安全性也不太好。 综上所述，为了较好地解决老弱病残人员外出活动问题，其关键是提出一种比较完善的上下楼梯方案，且整个轮椅尺寸合适、质量适中、安全性好、使用方便，最好能够适应不同的阶梯尺寸，其价格也能为普通老百姓接受。此外，应考虑爬楼梯过程往往只是整个外出活动过程中的很少一部分，必须兼顾平地行驶情况。 可以看出，虽然经过多年的不懈努力，老弱病残人员出行问题已经得到了可喜的改善，但距离完美解决尚有不小的路径要走。 5 第二章 设计方案 2.1 上下楼梯机构的比较 一台轮椅要实现上楼功能，其关键是如何选择合适的运动机构。在目前的研究中，能实现该功能的机构主要有步进式，脚足式结构，履带式，轮式机构,辅助式机构等，下面通过对这几种机构的特点进行对比和分析，为选择本次设计要打好基础。 2.1.1步进式 受火车的曲柄连杆机构的启发，经过思考，开始想到一种连杆机构，如图1所示，通过驱动三个互成120度的曲柄带动三个踏板交替与楼梯接触前行。在平路的时候和普通的轮椅车是一样的，靠轮子行走，在爬楼梯的时候，驱动轮则切换成上述步进机构，较平稳的沿着楼梯的棱边往上爬，如同爬一个斜坡一样。 图1 曲柄连杆机构 经过分析发现步进式结构强度要求较高，而装配精度难以保证，从而使得整体性能会受很大影响。另外，这种步进式结构上第一级楼梯会比较困难，平地行走时其连杆机构是一个累赘，甚至会影响其平地行走功能。 2.1.2 脚足式机构 从理论上来讲，脚足式机构是最灵活的运动机构，地形适应能力强，可以解决大多数环境的行走问题，但是，其机械结构，控制复杂，效率低，要实稳定的高速行走，还有诸多问题需解决。它的典型代表是美国的CMU的Ambler移动机器人等，但仍在移动速度慢，控制复杂，承载能力不足等诸多缺点，普及比较困难。 6 2.1.3履带式机构 履带式机构的研究和应用相对来说是比较成熟的，在可以爬楼梯机器人等类似装置中应用比较广泛，履带型机构的爬楼梯轮椅应用也较多。其主要特点是:越障能力强，且可以适应不同的楼梯;行走比较连续，在上下楼梯过程中重心波动小，运动相当平稳;履带支撑面上有履齿，不易打滑 ，牵引附着性能好。但相比于轮式结构，它存在机构体积大，笨重，能量效率低;对台阶损坏大;转弯不方便，由于履带与地面的接触面积大而且摩擦系数较大，所以对地面及履带磨损都比较严重。 2.1.4 轮式机构 轮式机构轮椅广泛地应用于国外的一些爬楼机器人，其体积小，结构简单，控制方便，能够实现平衡，快速移动，能量效率高，采用差动传动时转向半径小，转向灵活，在平地行走时有绝对的优势，但遇到台阶，楼梯等障碍物是就显得力不从心。普通轮椅要想跨过台阶等障障物，其中一个必要条件是它的车轮半径至少要大于台阶高度，而且跨越台阶时需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大;而且楼梯宽度有限，如果一味的增加车轮半径会导致轮椅在台阶上失去支撑点，这也是目前常规轮椅采用大的后车轮而无法实现爬楼功能的主要原因。 下面介绍几种现有的典型上下楼梯轮椅，为进一步了解以上各种机构的使用情况，为本次设计的机构选型提供参考。 2.1.5 辅助式结构 辅助式机构主要是指通过给普通轮椅加装辅助机构使其具有爬楼 功能。目前此方面的主要研究成果为在普通轮椅的两侧各加一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构，四腿与轮椅原有的四个轮形成两套支撑系统，通过四边形机构的运动，两套支撑系统轮番着地，并将另一套支撑系统支撑托起送到上(或下)一个台阶。由于这种轮椅是以普通轮椅为基础改造而成的，所以结构简单，价格低，但是当这种轮椅用四条腿托起轮椅上台阶时，是四个点支撑整车，因为每个楼梯的尺寸是不同的，这四个点如果落在台阶边沿上，是很危险的。 7 1. DEKA IBOT 图2 IBOT轮椅 DEKA IBOT共有三种运运模式，一种是正常模式，像普通轮椅一样在平地上前进;如果遇到崎岖的路面，沙土或斜坡，它就进入四轮驱动状态，靠四个轮子行走;第二个状态是直立模式，只靠一地后轮接触地面，就像中国武术里的“金鸡独立”;第三种是爬楼梯模式，两对后轮交替爬到上一级台阶上。配备了一套计算机传感器和陀螺仪，具备较强的自我平衡功能，使用智能手柄操作，最大爬坡能力30度，最大台阶高度21CM。一味的追求全自动化的传统设计理念使得售价高达20万RMB，高达的费使得它的推广变得十分困难。 2 双联行星轮电动爬楼轮椅 此电动爬楼梯轮椅是内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平教授与清华大学 密仪器与机械学系的王人成教授共同设计的，它借鉴了IBOT的爬楼梯方式，采用了双联行星轮机构(如图3)。行星轮式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在 “,”形或“，’’字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线 自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转，而在爬 楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。 8 图3 双联行星电动轮椅结构 在平地行走时，各小轮自转，而在爬 楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。整体结构如图所示，前面的小轮,是导向轮，其转向原理与汽车的转向 梯形相同,,个行走轮2，3尺寸相同，同侧的两个后轮轴是相联的，左右两侧 也是相连的。,个行走轮的连接示意图和行星轮系工作原理见图，其中一对行走轮中装有电动轮毂，平地行走时，由这对电动轮毂驱动后轮自转;爬楼梯时，后轮自转停止并自锁，所有后轮由中轴上的电动机驱动，随中轴进行公转，两对轮交替进行翻爬楼梯。 该双联行星轮机构爬楼梯轮椅采用了效率高体积小的行星轮系作为爬楼梯 机构，能够较为轻松地实现上下楼梯功能，并选用了电动自行车轮毂为行走提供动力，使得整个轮椅结构紧凑、重量轻，整个外形尺寸相当于普通的轮椅，并省去了,,,,复杂的陀螺重心平衡系统，明显降低了制造成本。但该机构前后轮轴是相连的，左右两侧也是相连的，这样将导致转弯困难，运动灵活性降低。而且车轮直径较大，不适合在普通居民住宅楼梯上使用。这种爬楼梯轮椅也没有得到实际生产和推广使用。双联乃至三联，四联行星轮系在越障机器人上也有很广泛的应用。 2 其它可以上下楼的轮椅 介绍两种国外的产品，一种是英国的BARONMEAD公司正在国内经销的助推式上下楼电动轮椅车，一种是德国PERFEKTA公司已经发布的橡校履带式电动轮椅车。使用这种轮椅车时，一般由护理人员操纵更为安全。 BARONMEAD上下楼梯轮椅车，自重34KG，最大载重130KG，上下楼梯速度每分钟15个台阶左右，充足电后可连续上下楼梯800级。台阶限高25CM。 这种轮椅车可在平地自由运行，可拆卸为两部分，便于装运。 PERFEKTA为履带式传动，采用12V-15AH的蓄电池，12V/150W的直流电机，自重42KG，可爬坡楼梯的最大坡度32度。这种轮椅车除了可以单独使用外，还可以作为普通的轮椅搬运工具，直接把轮椅放在上面上下楼梯，因此作为车站，机场等移动轮椅乘客的专用 9 工具比较方便。而且，熟练操作可自行乘坐轮椅上下楼梯。 2.2 上楼轮椅及其主要结构的设计 通过对比各种机构及现有的上下楼梯轮椅，分析其各自的优势和不足，主要考虑控制的难易，使用的安全性，操作的方便性，最终选择轮式结构，为了实现上下楼梯的功能，采用行星轮结构。 该方案是基于一种新结构——星轮行星轮转换式结构，如图4和图5所示。其基本结构是具有三个行星齿轮的行星齿轮系，在中心齿轮外依次均布三惰轮和三行星齿轮，中心齿轮和惰轮、惰轮和行星齿轮间均为外啮合，左右两半箱体相联接作为转臂，由此构成具有三个行星齿轮的行星齿轮系。在各行星齿轮轴系箱体外伸端分别固定一个车轮，箱体中心固定有齿式离合器固定端，齿式离合器活动端与中心轴通过花键滑动联接，当齿式离合器活动端与固定端没有啮合时，整个结构便处于行星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动三个车轮旋转，便可以在平地上行走。当拨动齿式离合器活动端使其与齿式离合器固定端结合时，中心齿轮和箱体(转臂)锁死，从而各齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，整个行星齿轮系将变成一个刚性的整体而转变为星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动包括行星轮系在内的整个箱体翻转，此种结构模式可用于攀爬楼梯。 该方案的优点在于，同一结构通过简单转换得到两种驱动模式，分别适应爬楼和平地行走，各自适应性良好，并且结构紧凑，操作方便。 图4 星轮行星轮转换式结构 图5 离合器局部展开图 2.2.1 座椅调平结构 在上下时爬楼轮椅整体是倾斜的，坐在倾斜的轮椅上要使乘坐者感到不适，为了克服这一弊端和轮椅爬楼过程中重心的起伏，我们专门设计了一种滚道式的座椅调平机构(图6)。其主要由圆弧形轨道及滚轴组成。滑轨焊接在底架上，滚轴通过螺纹连接 10 固定的座椅底部的支架上，其轴端安装有轴承可以在滑轨里滑动，从而实座椅的调平。 图6 滑轨调平结构 2.2.2 星轮行星轮转换式结构离合器的选用 (1)牙嵌式离合器 牙嵌式离合器结构简单，安装方便，承载力较大，从功能上讲基本上可以满足使用要求。但是牙嵌式离合器牙数较少，满足我们使用要求的矩形牙嵌离合器只有7个牙，离合器的活动端与固定端自然对正的几率非常小，操纵时需要反复调整，很不方便。 (2)电磁离合器 电磁离合器在通电后依靠电磁力使活动端与固定端结合，其操纵方便，只需按下开关接通电源。电磁离合器有多种型号，有摩擦式的、牙嵌式的，有干式的、湿式的。摩擦式的重量都很重，不符合我们的使用要求。根据使用条件，只有牙嵌式电磁离合器DLY0系列符合要求。 使用电磁离合器最大的优点就是操纵方便，但是也有很多弊端，首先是重量问题，电磁离合器本身就有1.5kg重，还需要专门配备蓄电池，势必增加整车的重量。其次是可靠性问题，电磁式的没有机械式的可靠，爬楼时如果出现电磁离合器线圈突然烧坏或是蓄电池电量耗完的问题，将会发生危险。另外，蓄电池需要经常充电很不方便，电磁 11 离合器安装精度要求很高，尤其是活动端和固定端同轴度要求非常高，对加工和装配都提出了很高的要求。 (3)齿式离合器 齿式离合器与牙签式离合器比较相似，不同的是齿式离合器的齿数可以根据情况自己设计，可以取较多齿数。齿式离合器承载能力很大，根据我们的使用要求，可以取较小的模数和较多的齿数，齿端面倒成尖角，这样以来结合起来非常容易，操纵时不需要太多的调整。 综合分析比较，最终选择了齿式离合器，其结构紧凑，体积小，重量轻，操纵方便，安全可靠。(图七) 图7 齿式离合器 12 第三章 轮椅传动结构设计 3.1 驱动结构设计 3.1.1 驱动系统的初步选定 爬楼时重力大部分压于后轮，忽略前轮的阻力，受力图如图8和图9。 ,T,G,acos(重心后调后忽略前轮阻力) ,,,90时，驱动转矩主要克服重力阻力矩。 a,0.16m，单边G,50，10,500N ,图8 受力分析-重力阻碍翻转 图9 受力分析-重力有助翻转 ,0时，T,500，0.16,80N,m,max 驱动手柄r,0.16m,仅用两级链传动减速系统，总传动比10:1，人单手所需最大驱动力为:对A点列力矩平衡方程: F,T/i/r,50N相当于5公斤力max 考虑到驱动转矩比较大，若选用电机作为原动机，需要专门配备减速系统才能达到所需转矩，而且要配备较大容量的蓄电池。这样会增加整车的重量。通过分析比较可采用手柄手摇驱 动，双边驱动，以便于差动转向。 3..1.2 链的设计 (1)平地行走时链轮的设计 u=0.1 初设轮椅m=50kg 人体重80kg 平地行走速度0.4m/s 后轮d=200mm 有n,d/60，1000=V n=38.2r/min ，zn /n=z/z=18/38 求得n中心轴=18.1r/min ，z2213中心轴传动轴 n4=n中心轴=18.1r/min 初选传动比i=3,小链轮链数为17，大链传链数为51 设计功率 P=kk/k，P AEPd, 13 查表得 K=1.55 K=1 K=1 EAP P=1.55P d 传递功率P的计算 'F=Mgf/2=65N P=Fv v阻阻 '2P=0.960.9550.95P 得P=31.66W ，， 根据功率和转速初选链条节距为9.525 初定中心距 :a=45P=428.625 0 链长节数:L=2a+(z+z)/2+C/a=124.65 取L=124 2P1P0p0p 理论中心距 a=P[L-(z+z)]/K=425.4mm 2P1a ' 实际中心距 a=a-=425.4-0.002=424.5mm ,a，425.4 转速 n=18.13=54.3r/min ， 有效圆周力 F=1000P/V=210.4N 相当于提20公斤物体所费的力 为减小手动驱动力，在链轮轴上安装直径d=4d驱动手又小链轮分度圆大小 1 :有d=P/sin(180/z)=51.8m (2)爬楼时链轮的设计 由上知，由于采用总传动比为9的两级链传动的减速系统，当时的驱 ,,90: 转矩克服重力阻力矩，因为a=0.19 当=0时，所受转矩最大 , T=G/2，0.19=123.5N.m 取驱动手柄d=4d=207.2mm max 用两级链传动的减速系统 ，总传动比i=9:1，则人单手所需的最大驱动 力为F=T/i/r=66.3N, 相当于6公斤的力 max 总上所述，两级驱动中一级驱动小链轮d=d=52mm,d=d=156mm,如图102413所示。 14 图10 链传动系统 3.2 齿轮结构设计 3.2.1 三种情况下齿轮受力分析 (1)平地行走情形 如图11所示 2f=F 2f= F 阻阻 T =f R = F/2?R 3阻 R为车轮半径，F为行走阻力，主要是滚动摩擦阻力，非常小，因而此 阻 情况齿轮受力状况良好。 (2)在坡度为8度的地面行走时 ,,2f,Gsin8，F,Gsin8阻 ,,则f,0.5Gsin8,0.5，500，sin8,34.8N T,fR,34.8，0.1,3.5N,m3 图11 平地齿轮受力分析 图 12 爬楼齿轮受力分析 15 (3)爬楼时 如图12所示 T3=μ(1-x)G?R，取μ=0.3，x=0.3 T3=0.3×0.7×50×0.1=1.05 比较以上三种情况，在有坡度的地面行走时，齿轮受转矩最大。 ，考虑结构的根据三角星轮的大小要求，为降低安装精度要求，初选齿轮模数为3紧凑性，根据楼梯的尺寸确定各轮轮距，由此确定齿轮中心距和各齿轮大小: 中心轮，惰轮，行星齿轮齿数分别为38，26，18;在3个齿轮中中中心齿轮所承受的转矩最大，故最需要校核中心齿轮的强度即可。 33.2.2 齿轮设计与校核 (1)计算齿轮转矩T 根据4.2.1的比较知在爬坡时受转矩最大，T=2T/i=23.5/(18/38)=14800N.mm ，13113 (2)选材料 为了最大程度的减轻轮椅车的重量，并降低各方面维护的成本，决定选取聚酰胺46为材料制作此3个齿轮。 聚酰胺46(PA46)材料具有70%的结晶度，在高温下展现出良好的耐磨性和摩擦性能，并且很好地保持了其机械性能，适用于需在高扭矩和高温下工作的齿轮应用。PA46具有多种适于齿轮设计的性能，并可通过不可逆的高温退火处理进一步增强。PA46材料在玻璃转化温度以上的高温下经退火处理后，其硬度和强度性能可提高50%，并且改善了抗疲劳性、耐磨性和摩擦性能。另外，与其它聚酰胺材料相比，PA46的独特优点在于，经退火处理后可降低材料的吸水量。重要的是，在高温下退火处理的部件公差由其线性热膨胀(CLTE)系数决定，而不是由吸水引起的尺寸变化决定。有许多应用中，热塑性塑料已经替代了金属用于齿轮制造。与金属齿轮相比，热塑性塑料具有电气、机械和化学性能方面的优势;对润滑的要求极低，甚至无需润滑;重量轻;可以成型为更多的几何形状，制造速度快。 轮椅车本身空间有限，而自身的重量也直接影响到了其动力性能，另外作为家用产品，其使用者又都是行动不方便的人，因此方便快捷的维护甚至免维护才更能为使用者所接受。 选用金属材料制作齿轮，其使用精度高、寿命长等优势是明显的，但另一方面，金属齿轮运转过程中必然需要润滑，包括齿轮间及轴与齿轮之间，这必然增加了日常维护的难度，而且金属齿轮重量较大，必然导致轮椅车本身重量的增加，这无疑增加了轮椅在行驶尤其是攀爬楼梯过程中的负载。由于电动轮椅车运行速度并不高，完全可以选用聚酰胺46作为齿轮材料并 取消润滑。中间齿轮与轴之间也可以采用滑动配合，还通过提高轴颈的表面光洁进一步减少磨损。 16 (3) 根据三角星轮的大小要求，为降低安装精度要求，初选齿轮模数为3，考虑结构的紧凑性，根据楼梯的尺寸确定各轮轮距，由此确定齿轮中心距和各齿轮大小:中心轮，惰轮，行星齿轮齿数分别为38，26，18;选用标准直齿圆柱齿轮，则d=114mm, 1d=78mm, d=54mm,取齿宽系数为0.5，则b=39mm 223 以防止大小齿轮因装配误差产生的轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿单位齿宽的工作载荷，取b=b=35mm。 13 根据齿面接角触疲劳强度校核有 []=K/S ,,li1hhn1 假设该轮椅车预期寿命为10年，每天工作8小时，第年使有300天，在整个使用期限内，行走时间约占60%，则总工作时间 L=10300860%=14400h ，，，h 应力循环次数 7N=60nj N L=6018.1314400=4.6910 ，，，，11h 7N=4.5710 ，2 ,由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa，大齿轮的接触疲Hlim1 ,劳强度极限=550MPa。 Hlim2 查表得取接触疲劳强度寿命系数K=0.85; K=0.9 HN2HN1 计算接触疲劳许用应力。 取失效率为1%，安全系数为S=1，由式得 ,, []=K/S=6000.85=510MPa ，Hlim11HN1 ,, []=K/2=5500.90=495MPa ，H2lim2HN2 ,(kF/bd),(u,1)/u由公式=2.5Z HEt 其中k=kkkk=1，1，1.12，1.423=1.594 AF,H,V d=114mm, d=78mm, b=34mm, b=39mm,u=3,F=2T/ d=129.8N，221111t 17 12Z=189.8MPa E 129.8，1.594，4 =2.5189.8=126.6MP<[,] 所以.，,H1Ha134，114，3 129.8，1.594，4 =2.5189.8=142.89MP< [,] .，,H2Ha239，78，3 故齿面接触疲劳强度足够我。 根据齿根弯曲疲劳强度校核 查表得大齿轮的弯曲疲劳强度极限,=380MP;齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE1a ,=500MPa FE 查表得弯曲疲劳寿命系数K=0.88，K=0.85 FN2FN1 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳动全系数S=1.4， 由公式得 K,0.88，380FN1FE1,,, ===238.86MPa F1S1.4 ,,, =303.57 MPa 2F 由根根弯曲疲劳强度公式 2KTYYFaSa1,,,,, = HF32,mzd1 查表得齿形系数 =2.226 =2.65 YYFa1Fa2 查取应力校正系数。 =1.764 =1.58 YYSa1sa2 又=34/114=0.298，m=3, z=114 ,k=1.594,T=14800N.mm ,11d ,,,, 所以 =34MPa< F1F1 ,,,, =38MPa< F22F 故弯曲疲劳强度符合要求 3.2.3 轴的设计 选定轴的材料为选用45钢正火处理 18 由表15-1查得强度极限 ,,590MPab ,由表15-1查得其许用弯曲应力[]=55MPa ,1 (1) 中心轴的结构设计 初步估算轴的最小直径 p0.0315633-3，取A=126 由表15d,A,126，,15.2mm0n18.1 ,因轴截面上开有三个键轴径应增大15%，有d17.5mm 圆整后取d=20mm 根据轴上零件的装配，从右至左依次是轴承，齿轮，齿式离合器，链轮， 轴承，初步确定轴段长度与轴径 如图所示14所示 图13 后轮轴 由此直径确定轴承，选择深沟球轴承6204GB/T276-1994,其具体尺寸如下表: 表1 深沟球轴承基本尺寸 基本额定负荷 基本尺寸/mm 安装尺寸/mm 极限转速r/min /kn rdDrasCCd D B 脂 油 sminaminamaxr0rmax 20 32 7 0.3 22.4 30 0.3 2.7 1.75 17000 22000 19 (2)行星齿轮轴的结构设计 初步估算轴的最小直径 p0.02633-3，取A=126 由表15d,A,126，,11.08mm0n38.2 考虑到轴上需安装圆柱齿轮，其分度圆直径为54mm,故考虑将其 做成齿轮轴，又考虑轴的末端安装直径为200mm的轮子，齿轮宽为34mm将该轴做为 轴径为30mm的光轴。如下图所示 图14 齿轮轴 其中L=37mm,L=34mm,L==92mm 213 由此直径确定轴承，选择深沟球轴承6206GB/T276-1994,其具体尺寸如下表: 表2 深沟球轴承基本尺寸 基本额定极限转速基本尺寸/mm 安装尺寸/mm 负荷/kn r/min rdDrasCC脂 油 d D B sminaminamaxr0rmax 30 42 7 0.3 32.4 40 0.3 3.15 2.4 12000 16000 2滑轨滚轴的结构设计 由于该轴主要承受弯矩，根据车身及滑轨要求，设计成如下图所示， 由此直径确定轴承，选择深沟球轴承6202GB/T276-1994,其具体尺寸如下表: 20 表3 深沟球轴承基本尺寸 基本额定负 基本尺寸/mm 安装尺寸/mm 极限转速r/min 荷/kn rdDrasCCd D B 脂 油 sminaminamaxr0rmax 15 24 5 0.3 18.5 22 0.3 1.5 0.92 20000 28000 3.2.4 轴的校核 由于低速轴所受转矩大，且两轴的直径相差很小，只校核低速轴 链轮上作用力的大小 2 T T=14800N/mm, F==190N,F=1901.2=228N ，1r1t1d1 齿轮上作用力的大小 2T1T,T ,14800N ,F=260N ,21t2d2 根据受力分析有 F，F,650，95,110NV2NV1 - F，140，95，113，650，82,110，18.5,0NV2 F，F，190,260NH2NH1 ,F，140，260，113,190，18.5,0NH2 由上式解得: =443N ,=192N FFNV2NV1 =-115N,=185N FFNH2NH1 轴的载荷分析图如下所示 21 图16 轴的载荷分析图 观察上图可知剖面B，C所受的弯矩较大，经计算 22M，M M==12962N.mm HVA M =22905N.mm B 扭转切应力可视为脉动循环应力，取=0.6; , 由轴的弯扭合成强度条件为 22MT，(,),, =7.2MPa<[] ,ca,1W 故轴的强度服合 3.2.5 轴承的校核 由于低速轴的转矩大于高速轴，同时低速轴和高速轴的直径相差较小，所以只校核 高速轴的深沟球轴承。 由中心轴校核过程可知A,E两处轴承的受力情况: 22 22F=443，185=480.1N rA 22F=223.8N ,192，115rE 当量动载荷F=f F=1.2=576.12N ，480.1prA 6C10,4又轴承的基本额定寿命L=()=9.5h ，10hNP60 假设该轮椅车预期寿命为10年，每天工作8小时，第年使有300天，在整个使用 期限内，行走时间约占60%，则总工作时间 L=10300860%=14400h< L故轴承寿命符合要求。 ，，，hh3.2(6键的选择与校核 选用铸铁为键的材料 由中心轴上安装齿轮轴径为d=28mm,根据连接特点选用普通圆头平键 1 由轴径确定bmm,l=32mm ，h,8，7 由普通平键连接的强度条件 32，10Tpp,, =9.4MPa<=50MPa [],kld 故符合要求 由中心轴上安装链轮轴径d=23mm,选用普通圆头平键，由轴径确定bmm,l=20mm ，h,8，72 由普通平键连接的强度条件 32，10Tpp,,=18.4MPa<[]=50MPa ,kld 符合要求。 23 结 论 此次设计的题目是残疾人上楼轮椅结构设计，通过查阅大量资料，了解现有的爬楼轮椅产品，分析对比各种上楼轮椅机构的利弊，提出改造的手动爬楼轮椅。 该爬楼梯轮椅整个外形尺寸相当于普通的轮椅，没有IBOT复杂的陀螺重心平衡系统，制造成本明显降低。 通过齿式离合器的接合与断开来实现平地与上楼不同功能的功换，当齿式离合器断开为行星轮结构，实现在平地行走功能，当齿式离合器结合就切换为星轮结构实现上楼功能。而轮椅在上楼过程中最重要的便是保证人的安全性，而关键是要防止轮椅后翻，其中一个重要原因是重心偏后，基于此设计了一个滑轨自动调节重心结构。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但通过这次毕业设计的学习，各种零部件的选用标准，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的，了解一定的查阅文献知识等，深深的体会到机械学习的严谨细致。在整个过程中，得到了张高峰老师的很大帮助，最终能很好的解决一些方案上的问题。 由于我们经验技术有限,有些设计还不科学合理,在重心确定方面欠考虑，而轮椅平地行走速度较慢等方面考虑得不够细致，请老师给予指点批注。 24 结束语 当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下“结束语”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。 四年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。在这份大学的最后一页里，首先感谢学院给我们提供这个能自我展示的平台，感谢我们的指导老师，你们从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。谢谢我们班主任和在我四年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富无私地奉献给了我们，让我们能在学业上有所成绩;是你们让我倍感教师职业的伟大，交给我们知识，又不忘教育我们如何做人～在此，我还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这四年的生活。 25 参考文献 [1] 周良德，朱泗芳.现代工程图学[M].湖南:湖南科学技术出版社,2008.8 [2] 濮良贵，纪名刚.机械设计-第八版[M],北京:高等教育出版社，2006.5 [3] 宋宝玉.机械设计课程设计指导[M].北京: 高等教育出版社，2006.8 [4] 成大先.机械设计手册单行本-常用设计资料[M].北京:化学工业出版社，2004.1 [5] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社，2004.1 [6] 蔡自兴 21世纪机器人技术的发展趋势 南京化工大学学报 2000.7 [7] 苏和平 王人成. 一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计.中国临床康复.2005.7. [8] 陈慧宝 李婷 徐解民. 关节式履带机器人的爬梯性能研究. 电子机械工程.2006.11. [9] 苏和平 王人成. 爬楼梯轮椅的研究进展.中国康复医学杂志.2005.5 [10] 基于行星轮系的爬楼梯轮椅研究 现代机械杂志 26 附录 Android (robot) An android is a robot or synthetic organismdesigned to look and act like a human, and with a body having a flesh-like resemblance.Although "android" is used almost universally to refer to both sexes, and those of no particular sex, "Android" technically refers to the male form, while "Gynoid" is the feminine form. Until recently, androids have largely remained within the domain of science fiction, frequently seen in film and television. However, advancements in robotic technology have allowed the design of functional and realistic humanoid robots. Etymology The word was coined from the Greek root ?νδρ- 'man' and the suffix ，'having the form or likeness of'. The term "droid", coined by George Lucas for the original Star Wars film and now used widely within science fiction, originated as an abridgment of "android", but has been used by Lucas and others to mean any robot, including distinctly non-humaniform machines like R2-D2. The abbreviation "andy", coined as a pejorative by writer Philip K. Dick in his novel Do Androids Dream of Electric Sheep?, has seen some further usage, such as within the TV series Total Recall 2070. The Oxford English Dictionary traces the earliest use (as "Androides") to Ephraim Chambers' Cyclopaedia, in reference to an automaton that St. Albertus Magnus allegedly created.The term "android" appears in US patents as early as 1863 in reference to miniature human-like toy automatons.The term android was used in a more modern sense by the French author Auguste Villiers de l'Isle-Adam in his work Tomorrow's Eve (1886).This story features an artificial humanlike robot named Hadaly. As said by the officer in the story, "In this age of Realien advancement, who knows what goes on in the mind of those responsible for these mechanical dolls." The term made an impact into English pulp science fiction starting from Jack Williamson's The Commeteers (1936) and the distinction between mechanical robits and fleshy androids was popularized by Edmond Hamilton's Captain Future (1940-1944). Although Karel ?apek's robots in R.U.R. (Rossum's Universal Robots) (1921) – the play that introduced the word robot to the world – were organic artificial humans, the word "robot" has [3]come to primarily refer to mechanical humans, animals, and other beings. The term [3]"android" can mean either one of these, while a cyborg ("cybernetic organism" or "bionic 27 man") would be a creature that is a combination of organic and mechanical parts. Authors have used the term android in more diverse ways than robot or cyborg. In some fictional works, the difference between a robot and android is only their appearance, with androids being made to look like humans on the outside but with robot-like internal mechanics. In other stories, authors have used the word "android" to mean a wholly organic, [3][3]yet artificial, creation. Other fictional depictions of androids fall somewhere in between. Wilson, who defines androids as a "synthetic human being", distinguishes between three types of androids, based on their body's composition: , the mummy type - where androids are made of "dead things" or "stiff, inanimate, natural material", such as mummies, puppets, dolls and statues , the golem type - androids made from flexible, possibly organic material, including golems and homunculi , the automaton type - androids which are a mix of dead and living parts, including automatons and robots Although human morphology is not necessarily the ideal form for working robots, the fascination in developing robots that can mimic it can be found historically in the assimilation of two concepts: simulacra (devices that exhibit likeness) and automata (devices that have independence). Projects Japan 28 DER 01, a Japanese actroid The Intelligent Robotics Lab, directed by Hiroshi Ishiguro at Osaka University, and Kokoro Co., Ltd. have demonstrated the Actroid at Expo 2005 in Aichi Prefecture, Japan. In 2006, Kokoro Co. developed a new DER 2 android. The height of the human body part of DER2 is 165 cm. There are 47 mobile points. DER2 can not only change its expression but also move its hands and feet and twist its body. The "air servosystem" which Kokoro Co. developed originally is used for the actuator. As a result of having an actuator controlled precisely with air pressure via a servosystem, the movement is very fluid and there is very little noise. DER2 realized a slimmer body than that of the former version by using a smaller cylinder. Outwardly DER2 has a more beautiful proportion. Compared to the previous model, DER2 has thinner arms and a wider repertoire of expressions. Once programmed, it is able to choreograph its motions and gestures with its voice. The Intelligent Mechatronics Lab, directed by Hiroshi Kobayashi at the Tokyo University of Science, has developed an android head called Saya, which was exhibited at Robodex 2002 in Yokohama, Japan. There are several other initiatives around the world involving humanoid research and development at this time, which will hopefully introduce a broader spectrum of realized technology in the near future. Now Saya is working at the Science University of Tokyo as a guide. The Waseda University (Japan) and NTT Docomo's manufacturers have succeeded in creating a shape-shifting robot WD-2. It is capable of changing its face. At first, the creators decided the positions of the necessary points to express the outline, eyes, nose, and so on of a certain person. The robot expresses its face by moving all points to the decided positions, they say. The first version of the robot was first developed back in 2003. After that, a year later, they made a couple of major improvements to the design. The robot features an elastic mask made from the average head dummy. It uses a driving system with a 3DOF unit. The WD-2 robot can change its facial features by activating specific facial points on a mask, with each point possessing three degrees of freedom. This one has 17 facial points, for a total of 56 degrees of freedom. As for the materials they used, the WD-2's mask is fabricated with a highly elastic material called Septom, with bits of steel wool mixed in for added strength. Other technical features reveal a shaft driven behind the mask at the desired facial point, driven by a DC motor with a simple pulley and a slide screw. Apparently, the researchers can also modify the shape of the mask based on actual human faces. To "copy" a face, they need only a 3D scanner to determine the locations of an individual's 17 facial points. After that, they are then 29 driven into position using a laptop and 56 motor control boards. In addition, the researchers also mention that the shifting robot can even display an individual's hair style and skin color if a photo of their face is projected onto the 3D Mask. Korea EveR-2, the first android that has the ability to sing KITECH researched and developed EveR-1, an android interpersonal communications model capable of emulating human emotional expression via facial "musculature" and capable of rudimentary conversation, having a vocabulary of around 400 words. She is 160 cm tall and weighs 50 kg, matching the average figure of a Korean women in her twenties. EveR-1's name derives from the Biblical Eve, plus the letter r for robot. EveR-1's advanced computing processing power enables speech recognition and vocal synthesis, at the same time processing lip synchronization and visual recognition by 90-degree micro-CCD cameras with face recognition technology. An independent microchip inside her artificial brain handles gesture expression, body coordination, and emotion expression. Her whole body is made of highly advanced synthetic jelly silicon and with 60 artificial joints in her face, neck, and lower body; she is able to demonstrate realistic facial expressions and sing while simultaneously dancing. In South Korea, the Ministry of Information and Communication has an ambitious plan to put a robot in every household by 2020. Several robot cities have been planned for the country: the first will be built in 2009 at a cost of 500 billion won, of which 50 billion is direct government investment.The new robot city will feature research and development centers for manufacturers and part suppliers, as well as exhibition halls and a stadium for robot competitions. The country's new Robotics Ethics Charter will establish ground rules and laws for human interaction with robots in the future, setting standards for robotics users and manufacturers, as well as guidelines on ethical standards to be programmed into robots to prevent human abuse of robots and vice versa. 30 United States Walt Disney and a staff of Imagineers created Great Moments with Mr. Lincoln that debuted at the 1964 New York World's Fair. Hanson Robotics, Inc., of Texas and KAIST produced an android portrait of Albert Einstein, using Hanson's facial android technology mounted on KAIST's life-size walking bipedal robot body. This Einstein android, also called "Albert Hubo", thus represents the first full-body walking android in history (see video at ). Hanson Robotics, the FedEx Institute of Technology, and the University of Texas at Arlington also developed the android portrait of sci-fi author Philip K. Dick (creator of Do Androids Dream of Electric Sheep?, the basis for the film Blade Runner), with full conversational capabilities that incorporated thousands of pages of the author's works. In 2005, the PKD android won a first place artificial intelligence award from AAAI. United Kingdom In 2001, Steve Grand OBE, creator of the computer game, Creatures, created an android, or anthropoid, he named Lucy. The intention was that she would have to learn everything, including how to use her mechanical vocal chords to speak. Her systems were made to be similar to a human's. Use in fiction See also: List of fictional robots and androids Androids are one of the staples of science fiction. One thing common to most fictional androids, though, is that the real-life technological challenges associated with creating thoroughly human-like robots – such as the creation of strong artificial intelligence – are assumed to have been solved.Fictional androids are often depicted as mentally and physically equal or superior to humans – moving, thinking and speaking as fluidly as them. The tension between the nonhuman substance and the human appearance – or even human ambitions – of androids is the dramatic impetus behind most of their fictional depictions.Some android heroes seek, like Pinocchio, to become human, as in the films Bicentennial Man, Hollywood, Enthiran and A.I. Artificial Intelligence, or Data in Star Trek: The Next Generation. Others, as in the film Westworld, rebel against abuse by careless humans. Android hunter Deckard in Do Androids Dream of Electric Sheep? and its film adaptation Blade Runner discovers that his targets are, in some ways, more human than he is.Android stories, therefore, are not essentially stories "about" androids; they are stories 31 about the human condition and what it means to be human. One aspect of writing about the meaning of humanity is to use discrimination against androids as a mechanism for exploring racism in society, as in Blade Runner.Perhaps the clearest example of this is John Brunner's 1968 novel Into the Slave Nebula, where the blue-skinned android slaves are explicitly shown to be fully human. More recently, the androids Bishop and Annalee Call in the films Aliens and Alien Resurrection are used as vehicles for exploring how humans deal with the presence of an "Other". Female androids, or "gynoids", are often seen in science fiction, and can be viewed as a continuation of the long tradition of men attempting to create the stereotypical "perfect woman".Examples include the Greek myth of Pygmalion and the female robot Maria in Fritz Lang's Metropolis. Some gynoids, like Pris in Blade Runner, are designed as sex-objects, with the intent of "pleasing men's violent sexual desires". Fiction about gynoids has therefore been described as reinforcing "essentialist ideas of femininity", although others have suggested that the treatment of androids is a way of exploring racism and misogyny in society. 外文翻译 Android(机器人) 一词源自希腊的词根?νδρ——“男人”以及其后缀，使其有这种形式或看起来 很像。 术语“droid", 源自乔治?卢卡斯的原星球大战这部电影并且现在广泛应用在科幻小说 当中,最初是作为一个“android”的简称,但是已经被卢卡斯和其他人表示任何机器人, 包括明显非人类特征的机器像R2-D2。作家菲利普•k•迪克在他的小说机器人会梦到电动 羊吗?当中把缩写的“安迪”作为了一个反面角色。 已经看到一些进一步的用途,比如 在电视连续剧总回忆2070。 根据一个that St的自动机，《牛津英语词典》追溯到最早使用(像androides)的 百科全书--以法莲钱伯斯。据说是艾尔伯塔斯马格努斯写的。“android”这个词早在1863 年就出现在美国的专利中,表示像小人一样的机器人玩具。机器人被法国作家Auguste Villiers de l'Isle-Adam写入他的著作明天的夜里(1886年)，更有现代意义。这个故 事的特色是拥有一个名叫Hadaly有逼真特征的人造机器人。正如故事中的警官所说，“这 个时代的Realien进步,谁知道对这机械玩偶在心中的责任会变成怎样。“这个词在英语 32 中产生了影响，纸浆科幻小说通过Edmond Hamilton的队长未来(1940 - 1944)开始区别Jack Williamson的The CommeteersCommeteers(1936)和机械机器人以及类人机器人。尽管Karel ?apek的机器人在R.U.R. (Rossum一样的全能机械人)(1921)——这个词运用的发挥机器人对世界——有机人造人类,“机器人”这个词汇来主要是机械人类、动物和其他生物。术语“android”可以指其中之一,(“控制生物体”或“仿生人”)会是一个生物,是一个有机的结合和机械部件。 作者们使用了术语机器人在更多不同的方面而不仅仅robot(机器人)或(cyborg)机器人 。在一些虚构作品中,robot和android的区别仅仅在于它们的外貌，(androids)机器人制作的像人类而(robot)机器人像机械。在其他的故事,作者使用单词“android”指的是一个完整有机体,然而人工,创造。其他虚构的描写机器人介于二者之间。 威尔逊,他定义了androids是“合成的人”,根据身体的组成区分三种类型的机器人: , 木乃伊类型——机器人是由“死东西”或“僵硬,无生命的,天然的材料”制成, 比如木乃伊、木偶、玩偶和雕像 , 有生命的类型——机器人由灵活,可能是有机物质,包括傀儡和人体模型。 , 自动化类型——机器人是由一个无生命的和有生命的的部分混合而成,包括自动 装置和机器人。 尽管人类形态对工业机器人来说不一定是最理想的形态,着迷于发展机器人,可以模仿历史上能够找到它的两个相似概念:拟像(表现出相似的设备)和自动机(拥有独立的设备)。 项目 日本 智能机器人实验室，由大阪大学的Hiroshi Ishiguroat和Kokoro有限公司领导，在日本爱知县的2005年世博会上已经证实了Actroid。2006年，Kokoro公司开发了一种新的DER 2 android。DER2的人体身高是165厘米，有47个移动点。DER2不仅可以改变它的表达,而且也能动其双手和双脚和扭动其身体。“空中servosystem“是Kokoro公司最初研制用于执行机构。 因此有一个执行机构通过一个servosystem精确地控制气压， 33 该运动非常流畅，很少有噪音。DER2意识到通过使用一个小缸可以制造比前版本更苗条的身体。 表面上DER2有更美丽的比例。与旧型机比较，DER2拥有瘦手臂和更广的表达方式。一旦被编程,它能够编排其运动和手势与它的声音。 在东京科技大学Hiroshi Kobayashi 的领导下，智能机电一体化实验室开发出一个称为Saya的机器人头，并于2002年在日本横滨的Robodex上展出。在这个时间有几个世界各地的其他举措包括人形研究和开发,这将有希望在不久的将来实现引入一个范围更广的技术。现在,Saya正在工作东京科技大学作为一个向导。 早稻田大学(日本)和NTT Docomo的 制造商已经成功地创造WD-2可变形机器人。 它有能力改变它的脸。起初,创作者们决定用必要点的位置来表达某一个人的轮廓,眼睛,鼻子等等。他们说机器人通过移动所有关结的位置来表达它的表情。第一个版本的机器人是在2003年首先开发的。在那之后，一年后,他们做了两个主要的改进设计。机器人的特色是弹性面具由普通的头皮仿制品制成。I 它使用一个3个自由度单元驱动系统。WD-2机器人可以通过激活面具上特定的面部点改变它的面部特征，每个点拥有三个自由度 。这一个有17个面部点,共有56个自由度。至于他们使用的材料，WD-2的面具是用一个称为Septom高度弹性材料，为了增加强度混有一点点钢丝棉。其他技术特点揭示在想要的面部点面具后面是一个轴驱动，由一个直流电机驱动滑轮和一个光滑螺丝。 很显然，基于实际的人类的面孔研究人员也可以修改面具的形状。“复制”一张脸,他们只需要一个3 D扫描仪来确定一个人的17个面部点位置。 在那之后,他们便进入了一个用笔记本和56个电机控制面板的领域。此外,研究人员还提到,变换的机器人甚至可以显示一个人的头发和皮肤颜色如果照片他们脸上的表情是投射到3 D面具。 韩国 KITECH研究、开发EveR-1，一个机器人人际交流模型，能够通过面部“肌肉”模拟人工情感表达，拥有400字左右的词汇，能够进行基本的谈话。她是高160厘米，重50公斤，20岁配上韩国妇女的平均身材。EveR-1的名称来源于圣经夏娃，加上字母r意味着是机器人。EveR-1先进的计算处理能力使它能语音识别和声音合成,同时处理唇同步和通过90度的微型CCD相机来视觉识别，面部识别技术。一个在她人工大脑的独立的微芯片处理手势表情、身体协调,和情感表达。她的整个身体是由高度先进的合成果冻硅以及60人工关节在她的脸上,脖子,下肢;她能够显示出现实的面部表情和唱歌同时跳舞。在韩国，信息产业和沟通部有一个雄心勃勃的计划,在2020年每个家庭将有一个机器人。几个机器人城市已经为这个国家筹备了:第一个将于2009年花费5000亿韩元用于建设,其中500亿是政府直接投资。新机器人的城市将以给制造商和一部分供应商研究和开发中为心，以及展厅和一个体育馆为机器人比赛为特色。这个国家的新机器人技术伦理宪章 34 为人机交互和未来机器人将建立基本规则和法律，为机器人用户和制造厂家制定标准，以及道德标准指南将被编程进机器人以预防人类滥用机器人,反之亦然。 美国 沃尔特迪斯尼和员工幻想以林肯先生为主题创建伟大时刻并在1964年的纽约世博会上亮相。汉森机器人技术公司。,德克萨斯和韩科院制作了一个阿尔伯特?爱因斯坦的机器人肖像,使用汉森的面部机器人技术安装在韩科院的真人大小的身体双足步行机器人上。 这个爱因斯坦机器人,也被称为"Albert Hubo"，因此代表了历史上第一次全身步行的机器人。汉森机器人,联邦快递理工学院，和阿灵顿的德克萨斯大学也开发了科幻作家菲利普•k•迪克(机器人会梦到电动羊吗?的创造者，电影的基础)的android肖像与完整的会话能力，包含了数千页作者的作品。在2005年，PKD android赢得AAAI第一名人工智能奖。 英国 2001年,Steve Grand OBE，电脑游戏,生物的发明者，创建了一个机器人，或类人猿，他名之为露西。其目的是,她将不得不学习所有的东西,包括如何使用她的机械声带说话。她的系统类似于人类的。 在小说中使用 机器人是一个科幻小说的产物。一件常见的虚构的机器人的事而已，但是，现实生活中的技术带来的挑战与创建彻底仿生机器人——比如创造强大的人工智能–——都假定已解决。虚构的机器人通常描述为精神上和身体上平等或优于人类——移动,思考和说话像他们一样流畅。 非人类物质和人类的外观之间的紧张关系，甚至人类的野心——机器人是大部分的虚构的描写戏剧性的推动起来的。一些机器人英雄寻求成为人类，像皮诺曹，就如同他在电影一样。Bicentennial Man(机器管家)，Hollywood(好莱坞)，Enthiran和A.I.(人工智能)，或在Star Trek: The Next Generation(星舰迷航:下一代)的数据.。其他像影片中Westworld(西部世界)，粗心的人类的反抗虐待。Android猎人迪卡在机器人会梦到电动羊吗?和它的电影改编的银翼杀手发现他的目标是，在某些方面，他更像人类。因此，机器人的故事，并不是本质上有关“机器人”的故事;他们的故事是有关人类状况和作为人类意味着什么。 在社会上，对人类的意义写作的一个方面是使用歧视机器人作为一种机制来探索种族主义就像在银翼杀手中一样。也许最明显的例子就是约翰?布鲁纳的1968年的小说《变成奴隶星云》那里的蓝皮肤的机器人奴隶们是完整的人形。最近,电影中的机器人主教和Annalee Call ，电影外星人和外星人复活作为车辆用来探索人类如何处理其他物种的存在。 “女性机器人”或“雌” 经常在科幻小说中看到,可以被看作是一个持续的悠久传统的男人试图创建典型的“完美的女人”。实例包括希腊神话的皮格马利翁和在大城市的女机器人玛丽亚。一些女性机器人，像Pris在银翼杀手, 都被设计成性工具，意图“取悦男人的性暴力的欲望”。对女性机器人小说因此描述为加强“本质思想的女性气质”。尽管一些人指出对待的机器人是社会中一种探索种族主义和厌女症的方式。 35 36