一種面向老齡人群的跟隨助理機器人設(shè)計＊

周陳標，曾 強

（湖北工業(yè)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(jù)2020 年全國第七次人口普查數(shù)據(jù)，中國現(xiàn)有60 歲及以上老年人口為2.64 億，占全國總?cè)丝诘?8.7%。隨著國內(nèi)老齡人口的增加，老齡化社會帶來了一系列醫(yī)療和看護問題，加上國家中長期科技服務(wù)機器人發(fā)展戰(zhàn)略的提出，中國社會對老齡人群服務(wù)機器人市場的需求越來越大。現(xiàn)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(shè)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(shè)計結(jié)構(gòu)相對復(fù)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(guān)心的問題，面向他們的服務(wù)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(jié)構(gòu)模塊、電機模塊、傳感器模塊以及軟件控制模塊不同的設(shè)計要求，根據(jù)要求設(shè)計一種機器人，能夠穩(wěn)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(shè)計要求

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

機械結(jié)構(gòu)模塊：根據(jù)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(shè)計輕量結(jié)實，并且能適應(yīng)部分惡劣的環(huán)境，在一定條件下機械結(jié)構(gòu)能夠抗住外界沖擊載荷，具有一定的機械結(jié)構(gòu)強度。

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

傳感器模塊：機器人的挪移報警和手環(huán)遙控對當前機器人姿態(tài)作出實施檢測和判斷，同時依靠老人的生理數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)、電機和傳感器3 個模塊聯(lián)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(wù)。

2 設(shè)計內(nèi)容

總體方案原理如圖1 所示，機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(lián)通，傳感器檢測電機狀態(tài)和老人生命體征觸發(fā)報警或通過手環(huán)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(huán)查詢，這些控制方案均通過以STM32F4 控制器為核心的控制系統(tǒng)進行軟件控制實施。

圖1 總體方案原理圖

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)比剛度重量大，使機器人在重量限制下盡可能的穩(wěn)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(fā)生側(cè)翻，而重心過低在面對復(fù)雜路況時機器人的機動性不夠高，且導(dǎo)致底盤不同程度的受損。底盤高度設(shè)計圖如2 所示，將底盤的接近角為40°，通過角為37.2°，框架結(jié)構(gòu)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(dǎo)向輪的防撞系統(tǒng)。

圖2 底盤高度設(shè)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(shè)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(zhuǎn)軸，其次通過軸系側(cè)板、角碼、滾針軸承以及軸承座來固定輪系，實現(xiàn)麥輪的繞軸旋轉(zhuǎn)，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(shè)計使整車構(gòu)成良好阻尼系統(tǒng)，減震效果理想。

圖3 麥輪輪系剖面圖

2.2 電機設(shè)計

為了能夠讓機器人可以靈活轉(zhuǎn)向，采用M3508 減速電機和C620 電調(diào)，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(shù)的C620 電調(diào)，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(zhuǎn)半徑最小的姿態(tài)要求，使機器人能夠靈活應(yīng)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(tǒng)）架構(gòu)，程序開始運行后進入任務(wù)初始化，第一步創(chuàng)建起始任務(wù)（此時僅有一個任務(wù)），在起始任務(wù)中創(chuàng)建初始化任務(wù)、地盤任務(wù)等。然后刪除起始任務(wù)，進入隊列模式，當任務(wù)需要執(zhí)行時會進入隊列排隊，按照優(yōu)先級高低進行排列，優(yōu)先級數(shù)字越低優(yōu)先級越高，優(yōu)先級高的任務(wù)排在低的前面執(zhí)行，相同優(yōu)先級任務(wù)產(chǎn)生請求前的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

圖4 電機控制邏輯框圖

2.3 傳感器設(shè)計

本文設(shè)計的機器人功能相對復(fù)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(jù)距離的變化，自動給4 個輪子適當調(diào)節(jié)。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(tài)，同時實現(xiàn)老年人的陪護功能以及機器人自身的保護監(jiān)測。這要求設(shè)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(xiàn)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(shè)計云臺，使云臺在整體上結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定，能精準穩(wěn)定控制云臺俯仰軸向運動，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 性能指標

2.4 軟件控制設(shè)計

以STM32F4 控制器為核心的軟件控制是最為關(guān)鍵的一步，為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，作出如下設(shè)計。初始化任務(wù)優(yōu)先級為3，任務(wù)開始初始化外部硬件，執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，掛起初始化任務(wù)。撥盤任務(wù)優(yōu)先級為2，初始化撥盤獲取各硬件指針，設(shè)置電機PⅠD 參數(shù)和光電門計時時間，之后每2 ms 執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，更新電機、光電門反饋，設(shè)置遙控器狀態(tài)和電機PⅠD計算值，最后根據(jù)遙控器設(shè)置狀態(tài)及PⅠD 計算量。保護任務(wù)優(yōu)先級為2，初始化設(shè)置開始循環(huán)任務(wù)，獲取當前系統(tǒng)時間，判斷系統(tǒng)是否失控，若失控則掛起除本任務(wù)以外的任務(wù)，并且解掛失控保護任務(wù)，若未失控則掛起失控保護任務(wù)。失控保護任務(wù)優(yōu)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(shè)為0。云臺任務(wù)優(yōu)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(shè)置視覺識別幀數(shù)組和云臺電機初始值，然后每1 ms 執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，更新云臺反饋量，遙控設(shè)置狀態(tài)，設(shè)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(wù)優(yōu)先級為0，初始化底盤獲取各硬件指針，初始化PⅠD參數(shù)并設(shè)置初始值，每3 ms 執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，遙控設(shè)置狀態(tài)，更新底盤反饋量，遙控器根據(jù)狀態(tài)設(shè)置控制量。此外，本設(shè)計模塊通過手機APP 通過Wi-Fi 連接以及智能手環(huán)通過藍牙連接實現(xiàn)無線控制，達到智能控制的目的。

3 總結(jié)

本次設(shè)計的跟隨陪護機器人，基本滿足了設(shè)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(jié)合的雙重電源為機器人提供充足續(xù)航能力；各模塊之間采用模塊化連接方式，在某一模塊發(fā)生故障時，可快速拆卸維修；智能手環(huán)藍牙連接、手機Wi-Fi連接等多種控制方式；豎置榫卯結(jié)構(gòu)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(huán)遙控等功能，并且有較強的擴展能力。此設(shè)計可應(yīng)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(fā)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(zhì)量。