一種助老助殘康養機器人的研究

馮宇翔

（山西科技學院， 山西 晉城 048000）

1 研究背景和意義

機器人已經成為現代社會生活必不可少的一部分，各種機器人豐富和幫助人類的生活和學習，有效地提高了人類的生活水平，掃地機器人和擦玻璃機器人讓居住環境更加得潔凈和舒適；送餐機器人極大地降低了用餐人數增多時出現的配送錯誤；工業機器人有效提高了工作效率。目前我國已經進入老齡化社會，僅2021 年到2025 年就會增加將近4 000 萬的退休人員，而預計到2030 年65 歲老人將達到20%，而到21 世紀中葉就將占比30%，老齡化社會將帶來一系列的醫療和看護問題，給社會和國家的經濟和社會保險系統造成巨大的壓力。存在同樣問題的還有一些由于自然災害、工傷、交通事故等導致的傷殘人員，這兩類人員都需要一種幫助他們生活和出行的康養機器人。

傳統的輪椅只能滿足老人和傷殘人士在平地上的日常代步，而公園、居民樓等有樓梯的地方則大大限制了他們的活動區域。帶來的問題就是為了他們的安全考慮，老人和殘疾人只能整天待在家中，大大降低了幸福指數和生活水平。老人和殘疾人越來越需要通過現代化技術改善他們的生活質量和生活的自由度了，因此具有平地行駛和爬樓功能并集成一些輔助功能的康養機器人成為現今社會的研究熱點。

2 國內外現狀分析

具有平地行駛和爬樓功能的康養機器人融合了多學科技術，機械、電子、傳感器、自動控制、計算機等。根據結構的不同，爬樓機器人可以分為履帶式、輪組式、腿式、復合式等；國外此項技術發展較早也較成熟，履帶式機構平穩性好，結構簡單，技術比較成熟。履帶支撐面有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發揮較大的牽引力。由于履帶式爬樓機器人在平地和爬坡時運動方式一致，運動的平穩性比較好，成本也較低，市場普及率較高。比如法國TopChiar 公司研制的悍馬-H8 型爬樓梯輪椅，功能強大但價格昂貴；加拿大的T09-ROBY 型爬樓輪椅，價格比TopChiar公司的便宜；在國內，長春理工大學研制的組合式電動爬樓輪椅，北京理工大學研制的關節式履帶機器人等。輪組式有明星產品美國已經產品化的“IBOT 獨立機動系統”，腿式移動機器人的研發原理來自仿生學，運動如同人類自己抬腳走路，有豐田公司研制的具有6 自由度的雙足載人機器人iFoot，以及上海交通大學研制的具有12 自由度的載人兩足步行椅機器人JWCR，腿式機器人的技術難度大，研發成本高，市場普及率低。

結合上述分析，本項目擬采用履帶輪式復合機器人進行研制，優點是平地上可以用輪式，避免了履帶式機器人在平地行走時摩擦力大行走不便的缺點，而上樓時則進行履帶式的轉換。

3 擬解決的關鍵問題

老人和殘疾人在乘坐爬樓機器人上樓時的安全十分重要，所以本系統解決的關鍵問題是如何保障機器人在有坡度的樓梯上隨時都可以停車且能停在樓梯上。

4 研究方法

助老助殘康養機器人由5 大部分組成，分別為輪椅機架底座、傳動裝置、履帶裝置、電池組、中控臺，具體見圖1。

機器人的主要部分為輪椅機架底座，作為整個系統的骨架。傳動裝置位于機架的后部，主要由電機、轉動軸、鏈輪、傳動鏈條組成，機架上的轉動軸通過鏈輪與電機相連接，各鏈輪通過套入并嚙合傳動鏈條進行傳動，傳動軸的端部為套有橡膠支撐的六角星輪。電池組作為整個系統的能量支柱，位于機架的底部，與電機連接，將電能轉換為機械能；與中控臺連接，作為控制系統的電壓輸入。座椅的前方設有中央控制臺，中央控制臺由按鍵和控制板組成，按鍵有開關鍵、前進鍵、后退鍵、停車鍵、平地/爬樓切換鍵?？刂瓢寮捎姓Z音控制模塊，可以進行安全提示及播放音樂和戲劇等音頻文件，同時具有GPS 定位功能和緊急報警功能。而座椅上設有安全帶、鎖扣和壓力傳感器。系統結構簡單、操作方便、安全可靠，同時具有聽歌聽戲等康養功能，為老年人和殘障人士提供舒心安全的服務。

5 設備工作原理

當老年人或者殘障人士坐上康養機器人并打開開關按鍵時，會聽到“請系好安全帶”的提示音，隨即系好安全帶后，可以通過語音選擇播放的音樂和戲曲，比如“機器人，請播放《國際歌》”；同時，卡扣和觸碰式傳感器觸碰，將電信號轉換為數字信號后，主控芯片進行信號處理，也就是開放前進鍵、后退鍵、停止鍵、平地/爬樓切換鍵，這時候注意一點如果沒有系好安全帶，也就是沒有觸碰信號的輸入，是不能啟動行走功能的，這樣做的優勢就是極大地增加了使用者的安全。一切準備就緒后，使用者就可以按下前進鍵和后退鍵了（系統默認是平地運動模式），機器人如果長時間沒有動，系統將發出“是否需要幫助”的提示音，可以再次按下前進/后退鍵進行語音解除，如果每隔半分鐘發送1 次，連續發出3 聲提示音后，仍沒有回答，系統默認為使用者可能需要幫助，則將播放報警提示音。當按下平地/爬樓切換鍵后，后輪將上升一段距離，并且履帶裝置將開啟，老人和殘障人士的家人將傾斜著利用履帶裝置進行爬樓，同時具有意外防護措施，在上樓下樓途中發生意外事故，會自動停車。中控臺集成了控制板，控制板以STM32 為主控芯片，功能圖見圖2。

6 主要特色和創新之處

爬樓機器人為了解決生活不便人士行動中所存在的隱患而設計的一種提高使用效果和實用性能的爬樓智能設備，其結構緊湊可靠，可幫助腿腳不便的老年人和殘障人士進行上下樓；另外還可以運送額定質量的物品進行上下樓，同樣安全可靠。

本系統的創新之處有四點：

1）考慮到特殊人群的特點，把安全性融入到設計當中，比如加入安全帶且在檢測系好安全帶的情況下，機器人才可以進行載人行駛；又比如在反復得不到回應后將進行報警；

2）在任何情況下，按下“停止鍵”，機器人將緩慢減速并剎車；機器人在爬樓時，在沒有旁人的情況下，可以停留在傾斜的樓梯上，這樣設計考慮到爬樓時出現的緊急情況；

3）可以與機器人進行“對話”，而不用進行復雜的操作；

4）加入了聽歌聽戲等娛樂功能，將“康養”的理念融入到設計中。