基于ROS的養老陪護機器人設計

摘" 要：針對老人經常忘服藥、養老院護工配藥和陪護老人工作量大的問題，設計一種基于ROS的養老陪護機器人。該機器人采用Jetson Nano作為主控，結合路徑規劃算法與上位機控制，最終實現自主夾取老人的藥盒并把藥盒運送到指定地點，或可輔助護工完成日常巡視老人的工作。大大提高護工為老人送藥的效率，并能有效地陪護老人。

關鍵詞：養老陪護機器人;ROS;路徑規劃算法;自主運送;上位機控制

中圖分類號：TP242" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0046-04

Abstract： In order to solve the problems of the elderly often forgetting to take medicine， nursing home nurses dispensing medicine and the heavy workload of accompanying the elderly， a kind of old-age accompanying robot based on ROS is designed. The robot uses Jetson Nano as the main control， combined with path planning algorithm and host computer control， and finally realizes to pick up the medicine box of the elderly and transport it to the designated place， or it can assist the nursing workers to complete the daily inspection of the elderly. Thus， it greatly improves the efficiency of nursing workers in delivering medicine to the elderly， and can effectively accompany the elderly.

Keywords： elderly care robot; ROS; path planning algorithm; autonomous transportation; host computer control

近年來，我國人口老齡化的現象日益凸顯[1]，養老院的入住率明顯增加，加上60歲以上的老人患慢性病的比率不斷上升[2]，導致養老院護工送藥以及陪護老人工作強度大。針對這一問題，文獻[3]采用OpenCV與深度學習的方法，實現對老人進行監測與人臉識別;文獻[4]在人臉識別與視頻監控的基礎上增加語音識別，實現老人與機器人的互動;文獻[5]引入SLAM建圖以及深度學習的方法，實現陪護機器人自主導航，但這些都是針對居家養老場景而設計的，功能比較單一，無法實現養老院中多人使用的場景。綜上所述，目前現有的產品以及研究成果存在以下不足：①機器人無法做到自主取走老人的藥物并進行派送;②缺乏用藥人身份識別的功能;③無房間巡視功能，無法及時了解老人的情況。

基于以上原因，本文設計了基于開源機器人操作系統（Robot Operating System，ROS）的養老陪護機器人。該機器人在自主設計機械機構的基礎上，采用Jetson Nano與STM32作為主控，基于SLMA建圖算法、路徑規劃算法與物聯網技術，結合上位機控制，實現機器人自主運送藥盒、身份識別、房間巡視與老人陪護等功能。

1" 機器人總體設計

系統總體設計主要由機器人本體、攝像頭、激光雷達、導航控制系統、通信傳輸系統、圖像處理等系統以及取藥機構、行走機構和云管理系統、上位機終端組成，如圖1所示。通過SLAM建圖完成二維地圖構建，基于路徑規劃算法完成室內自主導航與避障功能，采用深度學習圖像處理，完成機器人軌跡修正。

護工首先把老人需要服用的藥物分配好并存放在老人的藥盒中，在云管理系統上輸入不同老人的服藥時間。云管理系統根據老人的服藥時間以及藥盒配送的路徑信息，自主取走老人的藥盒并配送至指定區域。藥盒配送完畢，機器人向云管理系統傳送相應的信息。此外，可代替護工巡視老人房間，并把老人是否在房間、老人是否摔倒等反饋至云管理系統與手機APP等上位機終端。

1.1" 機器人系統結構設計

機器人主要由雙驅動輪車體、電動夾爪取放機構、平行四邊形機構、絲桿升降機構、載物旋轉轉盤機構、攝像頭、激光雷達、主控制系統和電池等構成?？傮w結構如圖2所示。

電動夾爪取放機構是基于老人藥盒的外形尺寸而設計的夾取與放松量程，由步進電機作為源動力，驅動正反牙梯形絲桿，從而帶動夾爪實現相對運動。此外，由于該機構受限于機器人內部空間，采用傘齒轉向，減少了對空間的占用，加強了齒間嚙合，保證了傳動的穩定。

平行四邊形機構是基于電動夾爪取放機構而設計的聯動機構，采用步進蝸輪蝸桿減速電機作為驅動，驅動著連桿帶動電動夾爪取放機構實現一定角度范圍內的任意擺轉，實現對機器人內部老人藥盒的夾取與外部老人藥盒的夾取。同時，利用蝸輪蝸桿的自鎖原理，不但避免機器人在配送過程中，內部機構因為慣性而發生的擺轉，也增強了在夾取過程中的穩定性。

絲桿升降機構則是基于電動夾爪取放機構與平行四邊形機構而設計的，采用絲桿聯動升降，保證在升降過程中的平穩性。相比采用液壓升降機構，不但結構緊湊、傳動效率高，體積小、使用靈活，還避免了液壓裝置發生液壓油泄露而對機器人內部機構造成污染。

1.2" 機器人控制系統設計

1.2.1" 硬件系統設計

機器人硬件控制系統主要由電源模塊、數據采集模塊、主控核心、電機驅動和通信模塊等模塊組成。設計采用XL4015芯片作為電源模塊;電機驅動模塊采用57步進電機驅動器驅動57步進電機;底盤行走機構采用2個直流電機進行控制。具體硬件系統如圖3所示。

1.2.2" 系統軟件設計

本機器人軟件是基于Linux環境與Keil for ARM環境下采用C/C++語言編程實現。機器人軟件系統包括機器人運動控制系統、機器人收發藥盒控制系統、機器人自主建圖與導航系統，程序流程如圖4所示。

行走運動控制。機器人行走運動控制包括機器人速度控制和方向控制。機器人的行走電機都安裝有相應的光電編碼器，采用單片機對脈沖信號進行采集并計數，確定電機走動的距離。在行走機構中心安裝陀螺儀，其Z軸垂直于車身，陀螺儀輸出的數據進行卡爾曼濾波處理，計算出機器人轉動的角度。

夾取藥盒機構控制。夾取藥盒機構有水平和垂直2個方向的運動，相應電機均采用步進電機驅動器進行驅動，通過圖像系統計算電機步進值，由單片機輸出脈沖信號加以控制，為防止電機出現越位的現象，采用限位開關對電機的最大運動距離進行限制。

1.2.3" 圖像處理系統設計

圖像處理系統是在Linux環境使用OpenCV庫以及ROS相關功能包開發實現。Jetson Nano主控對攝像頭采集的圖像進行圖像增強與濾波處理并進行背景分離，采用大律法對圖像進行二值化處理;對二值化后的圖像進行開運算、閉運算，去除小噪點后對目標進行特征提取，如目標顏色、形狀、像素值等。根據圖像距離機器人的遠近，分段設出閾值初步篩選目標[5]。再根據藥盒顏色及實際尺寸等信息，結合輪廓內各像素點的累加值，估算與藥盒的相似度，判定目標是否為藥盒，借助攝像頭獲取的深度信息，借助幾何變換算法，把像素點與現實坐標建立映射關系，確定藥盒實際擺放的位置與高度。藥盒識別圖如圖5所示。機器人夾取藥盒如圖6所示。

1.2.4" 導航控制系統設計

機器人導航控制系統是在Linux環境，基于ROS功能包[6]，結合Cartographer[7]構圖算法、徑規劃算法。結合機器人底盤以及機器人各個部件的實際坐標，Jetson Nano主控對激光雷達采集到的數據，機器人里程計數據等，應用Cartographer算法對激光點云數據及里程計數據進行處理，獲取機器人相對位姿與子地圖，最后通過回環檢測構建機器人導航地圖。機器人導航主要采用AMCL算法，結合ROS的Navigation軟件框架，對機器人位置信息、傳感器數據、里程計信息、地圖信息等進行處理，結合A*路徑規劃[8]算法以及TEB[9]路徑規劃算法，規劃機器人到目標路徑的軌跡并對機器人進行控制。機器人導航與避障效果如圖7所示。

2" 實驗結果

經過實驗測試，陪護機器人在不同環境下，對藥盒識別都比較準確且能順利夾取藥盒，機器人能順利地自主導航到設定的目標點并放置藥盒。在配送藥盒完畢后，能夠準確地把信息反饋至云管理平臺。

3" 結束語

本文設計的基于ROS的陪護機器人可擴展性較強，改變相應的機械結構即可完成對其他物體的拾取。應用SLAM建圖與圖像處理技術，也可為后續的不同物體進行識別與配送。該機器人應用于養老院中，可快速地完成老人藥盒配送的工作，也可完成護工日常的巡房工作，可減輕護工的工作負擔，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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