一種跟隨式助老機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 李曉天

隨著電子信息、人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)助老類服務(wù)機(jī)器人方面的構(gòu)想更多傾向于其具備適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，能自主移動(dòng)，具有環(huán)境感知和動(dòng)態(tài)決策等能力。針對(duì)這一問(wèn)題，文章從傳感系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等四個(gè)方面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人。其能實(shí)現(xiàn)全地形跟隨、多功能助老服務(wù)這兩大功能，從而滿足老年人對(duì)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(jù)全國(guó)老齡工作委員會(huì)辦公室公布的數(shù)據(jù)，截至2017年底，我國(guó)60歲及以上老年人口2.41億人，占總?cè)丝诘?7.3%，其中2017年新增老年人口首次超過(guò)1000萬(wàn)。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(jī)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(mǎi)菜、鍛煉、娛樂(lè)或者居家等生活過(guò)程中有一個(gè)能跟著老人在復(fù)雜多變非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中去行駛并為他們提供運(yùn)載、存取物品、監(jiān)控、娛樂(lè)等行走輔助、日常監(jiān)護(hù)和陪伴娛樂(lè)相關(guān)服務(wù)的產(chǎn)品，能大幅提高他們的生活質(zhì)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(jī)器人的兩端各安裝一個(gè)單發(fā)單收超聲波，使用者手持一個(gè)超聲波模塊。這樣左側(cè)與右側(cè)和使用者三者之間就構(gòu)成了一個(gè)三角形。當(dāng)機(jī)器人正對(duì)著使用者時(shí)，裝在機(jī)器人上的兩個(gè)超聲波模塊，距離A=B。當(dāng)使用者左拐時(shí)，A必定小于B，同理當(dāng)使用者右拐時(shí)，A大于B；當(dāng)人向前走時(shí)，A和B的距離必定大于設(shè)定距離，控制好距離即可實(shí)現(xiàn)自主跟隨功能。超聲波發(fā)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(fā)射電路

圖3 超聲波接收電路

2 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感系統(tǒng)

2.1.1 傳感系統(tǒng)概述

傳感系統(tǒng)的靈巧是精細(xì)化工作的重要保障。全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人采用智能AI聯(lián)網(wǎng)+多傳感器信息采集融合分析控制技術(shù)，以圖像識(shí)別為主，超聲波模塊、聲源定位為輔，陀螺儀平衡，自適應(yīng)避障，真正實(shí)現(xiàn)全地形運(yùn)載、存放物品、監(jiān)控、娛樂(lè)、天氣等多功能助老服務(wù)和自主運(yùn)行自適應(yīng)跟隨功能，切實(shí)符合老年人使用。

全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人需要顯示屏模塊、圖像識(shí)別模塊，超聲波測(cè)距模塊，聲源定位模塊，聯(lián)網(wǎng)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(lái)保證其精準(zhǔn)地完成全地形自適應(yīng)跟隨及其相關(guān)助老服務(wù)。

2.1.2 傳感系統(tǒng)架構(gòu)

顯示屏模塊、攝像頭模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)距模塊分別安置在開(kāi)發(fā)板上，開(kāi)發(fā)板安裝在機(jī)器人上，顯示屏模塊和攝像頭模塊安裝在機(jī)器人頂部，用于識(shí)別目標(biāo)物體，超聲波測(cè)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(shí)別、聲源定位三大模塊，通過(guò)對(duì)周邊環(huán)境的感知，以便控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行恰當(dāng)操作。

超聲波模塊由于智能化程度較低，所以采用圖像識(shí)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(jìn)行測(cè)距。超聲波模塊解決了前后的問(wèn)題，而左右的問(wèn)題用攝像頭來(lái)解決。當(dāng)攝像頭鎖定目標(biāo)后，左右轉(zhuǎn)動(dòng)小車(chē)，使目標(biāo)居中，此時(shí)獲取超聲波距離，通過(guò)前后移動(dòng)把距離調(diào)節(jié)到合適的位置。但由于圖像識(shí)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(nèi)的圖像，在攝像頭丟失圖像后則使用聲源定位來(lái)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，因此每次探測(cè)完成后等待電機(jī)做完所有動(dòng)作才進(jìn)行下一步探測(cè)。盡管超聲波模塊發(fā)射聲波時(shí)也會(huì)干擾聲源定位模塊，但是由于超聲波模塊有方向性并且強(qiáng)度不大，所以這個(gè)干擾忽略不計(jì)。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)

全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人外觀框架如圖4所示，機(jī)體表面采用曲面光滑設(shè)計(jì)，以便減少空氣阻力，增強(qiáng)機(jī)身磨損度。車(chē)輪結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用齒形輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部裝載空間采用減震系統(tǒng)（防止內(nèi)部裝載物品的損壞）+可調(diào)隔板（根據(jù)需要調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域空間大?。┰O(shè)計(jì)，在針對(duì)裝載要求較高的物品時(shí)，內(nèi)部設(shè)有小艙（做防燃等處理）能輕松、高效、穩(wěn)定地應(yīng)對(duì)崎嶇路面，樓道階梯等復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)化地形和環(huán)境，實(shí)現(xiàn)爬樓梯和運(yùn)載物品功能，進(jìn)而還減輕了老年人出行、上下樓梯的負(fù)擔(dān)。

圖4 外觀框架示意圖

圖5 齒形輪示意圖

2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

出于安全性，環(huán)境保護(hù)等因素的綜合考慮，且由于電驅(qū)動(dòng)在輸出力矩、速度、質(zhì)量、體積、可靠性、控制性能等指標(biāo)上具有良好的綜合性能，全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人采用電力驅(qū)動(dòng)。具體采用微型電機(jī)和微型齒輪減速器作為驅(qū)動(dòng)源，為其功能的實(shí)現(xiàn)提供動(dòng)力。利用PWM（Pulse Width Modulation脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動(dòng)方法，占空比越大，電機(jī)的速度越快，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N，使用兩路pwm信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)左右輪，以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、減速、以及轉(zhuǎn)向等控制。而對(duì)于電池的要求，出于穩(wěn)定性、價(jià)格、應(yīng)用率、技術(shù)成熟度等方面的考慮，采用市面上應(yīng)用較廣的鉛酸蓄電池。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)需要高速的數(shù)據(jù)采集與分析。全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人擬采用以先進(jìn)控制技術(shù)為核心，以計(jì)算機(jī)控制為手段，以功能強(qiáng)大的硬件做依托的綜合調(diào)度控制系統(tǒng)，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(wù)機(jī)器人采用盛群HT66F50作為主控制CPU，其電路如圖8所示，內(nèi)部集成了4MHZ、8MHZ和12MHZ時(shí)鐘，可提供PWM產(chǎn)生功能。盛群HT66F50是一款具有8位高性能精簡(jiǎn)指令集的flash單片機(jī)。它可以在不同的工作模式之間動(dòng)態(tài)切換，從而優(yōu)化了單片機(jī)操作，同時(shí)也降低了功耗，并且HT6F50提供了Pin Remapping功能，允許一個(gè)引腳可以選擇不同的功能。除此之外，單片機(jī)包含一個(gè)多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和雙比較器功能。

圖8 主控單片機(jī)模塊電路

3 程序設(shè)計(jì)

以圖像識(shí)別為主，放置在主程序循環(huán)中，超聲波模塊、聲源定位為輔，陀螺儀平衡，自適應(yīng)避障。若圖像識(shí)別跟蹤能夠檢測(cè)到目標(biāo)，調(diào)用超聲波模塊的傳感器數(shù)據(jù)，就不使用聲源定位。若目標(biāo)丟失則啟用在獨(dú)立線程中實(shí)現(xiàn)的聲源定位。傳感器數(shù)據(jù)獲取工作在單片機(jī)中循環(huán)實(shí)現(xiàn)，另外開(kāi)一個(gè)線程去接收，但是只管收而不使用，只在需要時(shí)超聲波距離數(shù)據(jù)時(shí)才使用這個(gè)數(shù)值。

文章設(shè)計(jì)的全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)保持1m固定相對(duì)距離的全地形跟隨助老服務(wù)功能。全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅提高了機(jī)器人的智能化程度，而且在機(jī)器人應(yīng)用中比較實(shí)用，是機(jī)器人領(lǐng)域中值得研究的一個(gè)方向。雖然目前跟隨機(jī)器人的研究已經(jīng)非常深入，但還未達(dá)到商用程度，特別是對(duì)于復(fù)雜地形自適應(yīng)，尤其是在上下樓梯爬坡方面很有研究?jī)r(jià)值。全地形跟隨式多功能助老服務(wù)機(jī)器人能夠在老年人出行、買(mǎi)菜、鍛煉、娛樂(lè)或者居家等生活過(guò)程中跟著老人在復(fù)雜多變非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中去行駛并為他們提供運(yùn)載、存取物品、監(jiān)控、娛樂(lè)等行走輔助、日常監(jiān)護(hù)和陪伴娛樂(lè)相關(guān)服務(wù)的產(chǎn)品，能大幅提高老年人生活質(zhì)量，是一個(gè)很有實(shí)際意義和實(shí)用性的機(jī)器人設(shè)計(jì)。