一種跟隨式助老機器人的設計與研究

湖南工程學院機械工程學院 李曉天

隨著電子信息、人工智能等技術的迅速發展，人們對助老類服務機器人方面的構想更多傾向于其具備適應復雜環境，能自主移動，具有環境感知和動態決策等能力。針對這一問題，文章從傳感系統、機械系統、控制系統、驅動系統等四個方面設計開發了一種全地形跟隨式多功能助老服務機器人。其能實現全地形跟隨、多功能助老服務這兩大功能，從而滿足老年人對于一種全新、便捷、低碳、高效率、人性化、智能化的生活、出行方式的迫切需求。

根據全國老齡工作委員會辦公室公布的數據，截至2017年底，我國60歲及以上老年人口2.41億人，占總人口的17.3%，其中2017年新增老年人口首次超過1000萬。隨著全球老齡化的日益加劇，老年人逐漸增多，他們的身體機能有所退化，但是絕大部分生活還是可以自理的，如果在他們出行、買菜、鍛煉、娛樂或者居家等生活過程中有一個能跟著老人在復雜多變非結構化的環境中去行駛并為他們提供運載、存取物品、監控、娛樂等行走輔助、日常監護和陪伴娛樂相關服務的產品，能大幅提高他們的生活質量。

1 超聲波自主跟隨原理

超聲波自主跟隨原理如圖1所示。在機器人的兩端各安裝一個單發單收超聲波，使用者手持一個超聲波模塊。這樣左側與右側和使用者三者之間就構成了一個三角形。當機器人正對著使用者時，裝在機器人上的兩個超聲波模塊，距離A=B。當使用者左拐時，A必定小于B，同理當使用者右拐時，A大于B；當人向前走時，A和B的距離必定大于設定距離，控制好距離即可實現自主跟隨功能。超聲波發射電路、超聲波接收電路如圖2、圖3所示。

圖1 超聲波自主跟隨原理示意圖

圖2 超聲波發射電路

圖3 超聲波接收電路

2 機器人系統設計

2.1 傳感系統

2.1.1 傳感系統概述

傳感系統的靈巧是精細化工作的重要保障。全地形跟隨式多功能助老服務機器人采用智能AI聯網+多傳感器信息采集融合分析控制技術，以圖像識別為主，超聲波模塊、聲源定位為輔，陀螺儀平衡，自適應避障，真正實現全地形運載、存放物品、監控、娛樂、天氣等多功能助老服務和自主運行自適應跟隨功能，切實符合老年人使用。

全地形跟隨式多功能助老服務機器人需要顯示屏模塊、圖像識別模塊，超聲波測距模塊，聲源定位模塊，聯網模塊，紅外傳感器，壓力/力矩傳感器，CCD攝像頭，陀螺儀等器件來保證其精準地完成全地形自適應跟隨及其相關助老服務。

2.1.2 傳感系統架構

顯示屏模塊、攝像頭模塊、驅動模塊、超聲波測距模塊分別安置在開發板上，開發板安裝在機器人上，顯示屏模塊和攝像頭模塊安裝在機器人頂部，用于識別目標物體，超聲波測距模塊安裝在攝像頭模塊和顯示屏的正下方。超聲波模塊、圖像識別、聲源定位三大模塊，通過對周邊環境的感知，以便控制系統對電機進行恰當操作。

超聲波模塊由于智能化程度較低，所以采用圖像識別模塊配合使用。因此只有在圖像跟蹤有效的情況下，才能使用超聲波進行測距。超聲波模塊解決了前后的問題，而左右的問題用攝像頭來解決。當攝像頭鎖定目標后，左右轉動小車，使目標居中，此時獲取超聲波距離，通過前后移動把距離調節到合適的位置。但由于圖像識別范圍有限，即使是廣角攝像頭也只能處理前方一定角度內的圖像，在攝像頭丟失圖像后則使用聲源定位來獲取人員位置。

另外考慮到聲源定位容易受到各種因素，比如電機轉動的影響，因此每次探測完成后等待電機做完所有動作才進行下一步探測。盡管超聲波模塊發射聲波時也會干擾聲源定位模塊，但是由于超聲波模塊有方向性并且強度不大，所以這個干擾忽略不計。

2.2 機械系統

全地形跟隨式多功能助老服務機器人外觀框架如圖4所示，機體表面采用曲面光滑設計，以便減少空氣阻力，增強機身磨損度。車輪結構如圖5所示，采用齒形輪結構設計，內部裝載空間采用減震系統（防止內部裝載物品的損壞）+可調隔板（根據需要調節各個區域空間大?。┰O計，在針對裝載要求較高的物品時，內部設有小艙（做防燃等處理）能輕松、高效、穩定地應對崎嶇路面，樓道階梯等復雜多變的非結構化地形和環境，實現爬樓梯和運載物品功能，進而還減輕了老年人出行、上下樓梯的負擔。

圖4 外觀框架示意圖

圖5 齒形輪示意圖

2.3 驅動系統

出于安全性，環境保護等因素的綜合考慮，且由于電驅動在輸出力矩、速度、質量、體積、可靠性、控制性能等指標上具有良好的綜合性能，全地形跟隨式多功能助老服務機器人采用電力驅動。具體采用微型電機和微型齒輪減速器作為驅動源，為其功能的實現提供動力。利用PWM（Pulse Width Modulation脈沖寬度調制）驅動方法，占空比越大，電機的速度越快，電機驅動芯片采用L298N，使用兩路pwm信號分別驅動左右輪，以實現前進、后退、減速、以及轉向等控制。而對于電池的要求，出于穩定性、價格、應用率、技術成熟度等方面的考慮，采用市面上應用較廣的鉛酸蓄電池。電機驅動模塊電路如圖6所示。

圖6 電機驅動模塊電路

2.4 控制系統

控制系統需要高速的數據采集與分析。全地形跟隨式多功能助老服務機器人擬采用以先進控制技術為核心，以計算機控制為手段，以功能強大的硬件做依托的綜合調度控制系統，其硬件框圖如圖7所示。

圖7 硬件框圖

全地形跟隨式多功能助老服務機器人采用盛群HT66F50作為主控制CPU，其電路如圖8所示，內部集成了4MHZ、8MHZ和12MHZ時鐘，可提供PWM產生功能。盛群HT66F50是一款具有8位高性能精簡指令集的flash單片機。它可以在不同的工作模式之間動態切換，從而優化了單片機操作，同時也降低了功耗，并且HT6F50提供了Pin Remapping功能，允許一個引腳可以選擇不同的功能。除此之外，單片機包含一個多通道12位A/D轉換器和雙比較器功能。

圖8 主控單片機模塊電路

3 程序設計

以圖像識別為主，放置在主程序循環中，超聲波模塊、聲源定位為輔，陀螺儀平衡，自適應避障。若圖像識別跟蹤能夠檢測到目標，調用超聲波模塊的傳感器數據，就不使用聲源定位。若目標丟失則啟用在獨立線程中實現的聲源定位。傳感器數據獲取工作在單片機中循環實現，另外開一個線程去接收，但是只管收而不使用，只在需要時超聲波距離數據時才使用這個數值。

文章設計的全地形跟隨式多功能助老服務機器人能穩定實現保持1m固定相對距離的全地形跟隨助老服務功能。全地形跟隨式多功能助老服務機器人的設計不僅提高了機器人的智能化程度，而且在機器人應用中比較實用，是機器人領域中值得研究的一個方向。雖然目前跟隨機器人的研究已經非常深入，但還未達到商用程度，特別是對于復雜地形自適應，尤其是在上下樓梯爬坡方面很有研究價值。全地形跟隨式多功能助老服務機器人能夠在老年人出行、買菜、鍛煉、娛樂或者居家等生活過程中跟著老人在復雜多變非結構化的環境中去行駛并為他們提供運載、存取物品、監控、娛樂等行走輔助、日常監護和陪伴娛樂相關服務的產品，能大幅提高老年人生活質量，是一個很有實際意義和實用性的機器人設計。