助老機器人及運動控制分析

文 祥 李若雅 曾鵬程 陳桂平

(湖南涉外經濟學院，湖南 長沙 410205)

1 我國助老機器人的研究現狀

就我國的情況來看，關于助老機器人研究，還處于初級發展階段，近年來，受到了業界高度關注。在2006年，上海電氣集團聯合上海交通大學成功研究出智能輪椅，設置了防跌落與多傳感器測距機構，有著躲避障礙、自動行走、防跌、防碰、目標跟蹤等功能，很快就投入了使用。與傳統輪椅相比，智能輪椅易于操作、安全可靠，顯著提高了老年人、殘障人士的生活質量。在2007年，裝設了機械臂的智能輪椅誕生，在其中設置了遠程控制系統，對于殘疾人士、手功能障礙老年群體，可利用遠程語音控制系統來進行操作。哈爾濱工程大學也致力于康復機器人研究，已經成功研制出下肢康復訓練機器人與上肢康復訓練機器人，能夠幫助患者完成各項功能恢復訓練，如頸部運動訓練、脊椎運動訓練、手臂運動訓練、行走訓練等。

2 助老機器人及運動控制

2.1 功能設置

助老機器人是為患有重大疾病、老年人、殘疾人、懷孕婦女提供服務的一種醫療器械，可應用在醫院、福利院等場所，需要具備幾個功能：(1)輔助和引導行走；(2)按時喂藥、門窗開啟、物品提取、端茶水；(3)生命質量監測；(4)語音交互與人機交互。

為了滿足助老機器人的功能要求，在結構設計上，機械結構需要盡可能小巧，結構要做到合理、簡單，選擇強度大、質量輕的材料，減小機器人自重?？紤]到其工作環境復雜，為了確保助老機器人有良好的躲避障礙、自動導航能力，需要嚴格控制好機械臂的設計，既要滿足工作空間要求，也要做到重量輕、體積小。

2.2 移動機構方案

在助老服務機器人中，移動機構是其主體，常見的移動機構包括履帶式、輪式、步行式，如果路面條件良好，可以應用履帶式、輪式，如果路面條件不佳，可應用步行式，本文以室內環境為主。因此，在移動機構方案上，選擇了輪式。輪式機器人有三輪、四輪2種結構，三輪控制方便、結構簡單，但是負載較小，安全系數不如四輪，四輪的穩定性更好，因此，本研究應用四輪結構。

在移動機構的頂層中，設置CCD攝像機，頂部安裝簡單按鈕與觸摸屏，并安裝了機械臂，方便使用者的操作，同時，具備貼身護理功能，可以攜帶各類日常用品和藥品，如水杯、背包等，留有足夠的空間。控制系統硬件設置在第三層，包括控制器、電源模塊、電機驅動器組成。在最下層為底盤，安裝了直流電機、驅動輪、測速傳感器、齒輪減速器。在移動機構前方，安裝了超聲波傳感器，用于躲避障礙、測距，后方設置了助行手柄，利用助行手柄，使用者可以控制車體的運行快慢和方向。

2.3 電機選型

助老服務機器人在轉向、運動上，都要滿足精度要求，因此，在驅動裝置上，采用了伺服電機，常見的伺服電機類型有直流有刷伺服電機、步行電機、交流伺服電機、直流無刷伺服電機。助老服務機器人采用的是輪式結構，因此，驅動動力源選擇直流伺服電機，電機選型需要根據運行速率、質量、驅動輪直徑、滾動摩擦系數來確定。

2.4 手柄上力傳感器

助老服務機器人需要借助手柄力來運動，在手柄上，設置壓力傳感器，能夠測量作用在手柄上力的方向和大小，根據使用者意愿來控制機器人運動。在機器人的運動過程中，為了避免其與碰撞物相撞，需要借助傳感器感知周圍環境，對此，可以應用超聲波傳感器，超聲波傳感器裝置簡單、成本低廉、精度高，已經在機械領域得到了廣泛應用。但是，應用單個超聲波傳感器，無法準確感知環境信息，為了構建有效的環境模型，需要安裝多個傳感器，將其設置在不同位置，按照助老服務機器人在躲避障礙上的要求，應用6個超聲波傳感器。

2.5 機械臂設計

機械臂是設置在助老服務機器人移動結構一側，替代人手作用，必須要確保其具有一定的自由度，可以完成提物品、抓取等功能，在設計上，要做到體積小、重量輕、安全系數高。針對助老服務機器人的工作特點，對于機械臂初始位置，設置為垂直向下，可抓取最大負荷重量設置在1.5kg，最大重量設置為10kg，機械臂要做到動作迅速、平穩，具有足夠的剛度和強度。機械臂包括末端執行器、手臂組成，其中，手臂可以帶動末端執行器運動，為了確保其可以達到工作空間的位置，需要滿足3個自由度。

2.6 關節電機

在關節電機選擇上，需要首先關注電機類型，根據機械臂的設計要求，一般選擇無刷直流電機。

2.7 硬件方案

助老服務機器人的操作方式包括用戶控制模式、目標模式2類，要確?？刂葡到y具有良好的抗感染性能，根據其功能要求，將其劃分為觸摸屏模塊、電源模塊、傳感器模塊、語音模塊、移動機構控制模塊、通信接口模塊、攝像頭圖像采集模塊等。

2.8 總線接口方案

在控制器設計中，需要應用多個通訊結構，如CAN總線通訊、串口通訊，考慮到機械臂控制系統控制算法的特點，需要優先選擇CAN總線通訊方式，采集傳感器信息，并在外圍增加收發器，構建總線網絡。

3 結語

近年來，隨著我國老齡化進一步加重，我國老年人口數量不斷上升，而子女又時間精力有限無法及時照料老人的生活起居。這一現象使得家庭助老服務機器人的需求量得到日益增長。家庭助老服務機器人的研宄與應用可以協助老年人簡單的日常生活起居，使得老年人的晚年生活更加舒適，提高生活的品質。本文設計了一款輕便智能、運動靈活、簡潔方便、安全性高的家庭式助老機器人，值得進行推廣和使用。