一種面向老齡人群的跟隨助理機器人設計＊

周陳標，曾 強

（湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068）

目前，中國已進入老齡化社會并處于老齡化不斷加深的階段。根據2020 年全國第七次人口普查數據，中國現有60 歲及以上老年人口為2.64 億，占全國總人口的18.7%。隨著國內老齡人口的增加，老齡化社會帶來了一系列醫療和看護問題，加上國家中長期科技服務機器人發展戰略的提出，中國社會對老齡人群服務機器人市場的需求越來越大。現在的研究大多是面向半失能老人，如馬金平等針對半失能老人設計行走輔助輪椅和移動輔助機器人，輔助老人完成起坐、落座和上廁所等基本動作，但設計結構相對復雜，不易操作。實際生活中還是健康的老齡人群居多，保護老人出行安全是家人最為關心的問題，面向他們的服務機器人滿足跟隨、報警等基本功能即可，要求簡單易行。本文以STM32F4 控制器核心，提出對機械結構模塊、電機模塊、傳感器模塊以及軟件控制模塊不同的設計要求，根據要求設計一種機器人，能夠穩定地跟隨老人提供載物功能，實時檢測老人的健康情況。

1 設計要求

設計一款面向老齡人的自動跟隨機器人是一份非常復雜的工作，涉及到機械、電氣、傳感器以及計算機等諸多領域，所以本次設計要求劃分為機械結構、電機、傳感器和軟件控制4 個模塊，該4 個模塊的設計要求如下。

機械結構模塊：根據機器人跟隨特性和使用場所，要具有一定的運載能力以及在狹小空間的機動能力，整體設計輕量結實，并且能適應部分惡劣的環境，在一定條件下機械結構能夠抗住外界沖擊載荷，具有一定的機械結構強度。

電機模塊：機器人可以靈活轉向控制，滿足各個方向上旋轉半徑最小的姿態要求，使機器人能夠靈活地應對不同的路面狀況。

傳感器模塊：機器人的挪移報警和手環遙控對當前機器人姿態作出實施檢測和判斷，同時依靠老人的生理數據作出維護和判斷是否報警，檢測老年人的生命體征。

軟件控制模塊：將機械結構、電機和傳感器3 個模塊聯系起來，通過程序的方式寫入電腦，完成對機器人所需的控制任務。

2 設計內容

總體方案原理如圖1 所示，機械結構設計提供載物功能并放置電機及傳感器，電機和傳感器相互聯通，傳感器檢測電機狀態和老人生命體征觸發報警或通過手環供老人和家人查詢，電機控制機器人實時跟隨老人，其電量也可通過手環查詢，這些控制方案均通過以STM32F4 控制器為核心的控制系統進行軟件控制實施。

圖1 總體方案原理圖

2.1 機械結構設計

機械結構設計遵循2 個原則。首先是簡潔，從而避免大量的焊接、裝配或撞擊造成的誤差累計；其次是強度重量應比剛度重量大，使機器人在重量限制下盡可能的穩定，耐撞擊。

2.1.1 底盤

底盤高度直接決定了機器人重心的高低，重心過高在快速運動或者突然撞擊時可能會發生側翻，而重心過低在面對復雜路況時機器人的機動性不夠高，且導致底盤不同程度的受損。底盤高度設計圖如2 所示，將底盤的接近角為40°，通過角為37.2°，框架結構選擇粗鋁方管，底盤采用2 塊碳纖維板中間通過2 根鋁方管墊高連接，搭配全包圍的防撞框架以及4 個導向輪的防撞系統。

圖2 底盤高度設計原理圖

2.1.2 輪系

在底盤模塊中，輪系是重要的組成部分，將輪系迭代，設計輪系如圖3 所示。通過對軸進行校核計算，選擇8 mm 的軸作為轉軸，其次通過軸系側板、角碼、滾針軸承以及軸承座來固定輪系，實現麥輪的繞軸旋轉，同時為了更好地定位以及減小摩擦帶來不必要的損壞，采用軸套定位，用滾針軸承來降低摩擦，用卡簧來固定軸向位置。此設計使整車構成良好阻尼系統，減震效果理想。

圖3 麥輪輪系剖面圖

2.2 電機設計

為了能夠讓機器人可以靈活轉向，采用M3508 減速電機和C620 電調，M3508 減速電機由電機與減速器完美集成，配備擁有FOC 控制技術的C620 電調，并采用單片機等芯片對電機進行控制，滿足各個方向上旋轉半徑最小的姿態要求，使機器人能夠靈活應對不同的路面狀況。

圖4 為電機控制邏輯框圖，程序采用FreeRTOS（實時系統）架構，程序開始運行后進入任務初始化，第一步創建起始任務（此時僅有一個任務），在起始任務中創建初始化任務、地盤任務等。然后刪除起始任務，進入隊列模式，當任務需要執行時會進入隊列排隊，按照優先級高低進行排列，優先級數字越低優先級越高，優先級高的任務排在低的前面執行，相同優先級任務產生請求前的任務優先執行。

圖4 電機控制邏輯框圖

2.3 傳感器設計

本文設計的機器人功能相對復雜，其核心功能是跟隨操作者，因此要確定使用者和機器人的距離，根據距離的變化，自動給4 個輪子適當調節。除此之外，跟隨行進的過程中要具有簡單的避障能力，獲取機器人的姿態，同時實現老年人的陪護功能以及機器人自身的保護監測。這要求設計中選擇合適的傳感器，以及確定傳感器在機器人上的放置位置。為了更好地實現上述功能，使用了大量的傳感器及其模塊。其中包括溫度傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器、裝甲模塊、燈條模塊、電源管理模塊、主控模塊、定位模塊、圖傳模塊、超級電容模塊以及Wi-Fi 模塊等。同時重新設計云臺，使云臺在整體上結構合理、穩定，能精準穩定控制云臺俯仰軸向運動，具體參數如表1 所示。

表1 性能指標

2.4 軟件控制設計

以STM32F4 控制器為核心的軟件控制是最為關鍵的一步，為保證控制系統的穩定性，作出如下設計。初始化任務優先級為3，任務開始初始化外部硬件，執行一次循環任務，掛起初始化任務。撥盤任務優先級為2，初始化撥盤獲取各硬件指針，設置電機PⅠD 參數和光電門計時時間，之后每2 ms 執行一次循環任務，更新電機、光電門反饋，設置遙控器狀態和電機PⅠD計算值，最后根據遙控器設置狀態及PⅠD 計算量。保護任務優先級為2，初始化設置開始循環任務，獲取當前系統時間，判斷系統是否失控，若失控則掛起除本任務以外的任務，并且解掛失控保護任務，若未失控則掛起失控保護任務。失控保護任務優先級為2，初始化所有外部硬件且將所有外部硬件計算值設為0。云臺任務優先級為1，初始化云臺獲取各硬件指針，初始化相對位置PⅠD 和絕對位置PⅠD，設置視覺識別幀數組和云臺電機初始值，然后每1 ms 執行一次循環任務，更新云臺反饋量，遙控設置狀態，設置電機PⅠD 計算值，開始云臺電機控制并進行PⅠD 計算。底盤任務優先級為0，初始化底盤獲取各硬件指針，初始化PⅠD參數并設置初始值，每3 ms 執行一次循環任務，遙控設置狀態，更新底盤反饋量，遙控器根據狀態設置控制量。此外，本設計模塊通過手機APP 通過Wi-Fi 連接以及智能手環通過藍牙連接實現無線控制，達到智能控制的目的。

3 總結

本次設計的跟隨陪護機器人，基本滿足了設計要求，有很高的實用性。可充電鉛蓄電池與太陽能板電池相結合的雙重電源為機器人提供充足續航能力；各模塊之間采用模塊化連接方式，在某一模塊發生故障時，可快速拆卸維修；智能手環藍牙連接、手機Wi-Fi連接等多種控制方式；豎置榫卯結構云臺，云臺平滑性較好及控制精度較高。該款跟隨機器人有較強的移動能力和運載能力，在日常生活中可以幫助老年人運載行李和物品，有挪移報警、體征警報檢測、手環遙控等功能，并且有較強的擴展能力。此設計可應用在老人出行的多種場所，在日常生活中為老年人提供幫助，實時收集老年人的部分生理信息，在異常時可以及時發出警報，減少了老年人單獨出行的危險性，提高老年人的生活質量。