智能助老爬樓機器人的發(fā)展及應用

陳運勝 劉杰 張勇維 孫令真

摘 要：結合計算機技術、人工智能技術、機器人技術的快速發(fā)展，從智能助老爬樓機器人國內(nèi)外發(fā)展研究的現(xiàn)狀、發(fā)展方向及應用前景等方面對目前的智能爬樓機器人進行了綜合的論述，為工程技術人員進一步設計優(yōu)化智能助老爬樓機器人提供理論參考依據(jù)，以解決國家人口老齡化增長背景下，老年人因行動不便、上下樓梯困難的問題。

關鍵詞：人工智能;機器人;優(yōu)化;老齡化

Abstract：Combined with the rapid development of computer technology，artificial intelligence technology and robot technology，this paper comprehensively discusses the current intelligent building climbing robot from the aspects of the development and research status，development direction and application prospect of intelligent building climbing robot at home and abroad，so as to provide a theoretical reference for engineering technicians to further design and optimize intelligent building climbing robot，In order to solve the problem that it is difficult for the elderly to go up and down stairs due to inconvenient movement under the background of national population aging growth.

Keywords：Artificial intelligence;Robot;Optimization;Aging

隨著人口老齡化的增長，智能助老爬樓機器人也在不斷發(fā)展更新，呈現(xiàn)出了新特點，關注老年人生活方式成為近年來民生討論熱門。在爬樓機器人設計和使用的發(fā)展初期，其框架和體積一般都比較大，需要采用功率和體積較大的電機和減速機，在這種情況下，材料和能源的浪費會進一步增多，生產(chǎn)造價成本也會增加，同時自重和動能也會較大，造成爬樓機器人的危險系數(shù)進一步提高。隨著智能化技術的進一步發(fā)展和對機器人的持續(xù)性研究與不斷探索，研究設計的智能助老爬樓機器人在性能上不斷提升的同時，其輕量化設計也得到了進一步的優(yōu)化和調(diào)整。

1 智能助老爬樓機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外研究的步行式爬樓機器人的優(yōu)點有很多：一是步行式爬樓運動平穩(wěn)，液壓桿的液體阻尼系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，增強了使用者的人身安全保護作用。二是爬樓機器人可以適應多種不同環(huán)境和形式的樓梯。但是，步行式爬樓機器人存在不足之處。首先，它對控制系統(tǒng)和動能裝置的要求比較高。其次，行走效率和預期效果并沒有達到所需理想狀態(tài)，還有其爬樓動作操作困難，爬樓時間長。除此之外，在實施爬樓梯時容易造成側(cè)傾，存在一定的危險系數(shù)，這些缺點和不足直接導致了步行式爬樓機器人沒有被廣泛普及[1-3]。

隨著機器人技術在全世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展，助老爬樓機器人作為機器人的一種新形式，國外的一些發(fā)達國家對爬樓梯機器人的研究設計及理論研究都走在世界的前列。這些國家很早就開始對爬樓機器人的設計和研究，利用理論知識與實物相結合，研究設計出多種能夠行走攀爬樓梯的機器人，相對而言，輪式爬樓機器人和履帶式爬樓機器人的研究設計最多，研究產(chǎn)品也比較成熟。雖然國外在爬樓機器人方面的設計研究成果豐碩，但在使用過程中受到爬樓機構運動不平穩(wěn)、安全性能差、制造成本高等多方面因素的制約，使得產(chǎn)品目前市場使用較少。

我國對智能爬樓機器人的探索和研究設計在時間上相對于其他國家起步較晚，關于爬樓機器人這方面的發(fā)明和專利以及設計模型，雖然有很多，也提出了一些創(chuàng)新性的機構設計，但機構設計比較復雜，裝配困難，維修和控制難度大且工作效率不高。因此，要實現(xiàn)無障礙地連續(xù)爬樓運行，還有許多技術難點需要解決。根據(jù)市場需求，為解決老年人上下樓梯不便問題勢在必行。智能助老爬樓機器人正朝著功能集成化方向發(fā)展和不斷優(yōu)化，比如設計輕量化和健身功能的集成，操作簡單，方便出行。

2 智能助老爬樓機器人的發(fā)展方向及應用前景

2.1 發(fā)展方向

目前，市場上助老爬樓機器人的主體爬行機構較多，但桿上爬行機構并不多見，現(xiàn)有技術存在整體結構復雜、制造成本高、操作不方便等諸多問題。每種設計研究的爬樓機器人都具有自身的優(yōu)越性和局限性，對各種爬樓機器人展開研究設計，其發(fā)展的方向一是輕量化設計，二是結構優(yōu)化設計，能夠滿足老齡化人群使用，安全、便利、可靠，解決他們的出行問題?？傮w設計布置合理、結構簡單、造價成本低、輕量化、安全系數(shù)高、自鎖功能好、操作簡單、適用范圍廣，不但解決老年人上樓梯困難的問題，還解決了老年人可以在室內(nèi)健身的問題，見圖1所示。

經(jīng)過對智能助老機器人的結構分析，要求其模型最小安全系數(shù)顯著提高，質(zhì)量也有所減輕，使其具有質(zhì)量輕、強度高、密度小等優(yōu)質(zhì)的力學特性，極大地擴展輕量化設計方向，確定結構優(yōu)化的整體方案。從整體結構設計和材料更換這兩方面對智能爬樓機器人進行整體輕量化研究設計。例如，用鋁合金材料代替原來的材料，實現(xiàn)輕量化設計。輕量化設計后的爬樓機器人在保證整體強度和剛度滿足使用要求的基礎上減輕重量成果顯著。對主體結構進行輕量化設計涉及兩個方面：一方面是整體結構設計輕量化;另一方面是設計零部件材料輕量化。整體結構輕量化設計可進一步提高其機動性能，減少能量消耗。主要是在爬樓機器人減輕運動慣性、提高操作速度和動作準確度方面的優(yōu)勢突顯出來。設計材料輕量化相對于主體結構輕量化，使得爬樓機器人的減重潛力更大，應用范圍更廣[4-5]。

智能助老爬樓機器人的輕量化設計是基于負載自重比的設計研究。在同樣負載情況下，智能爬樓機器人的質(zhì)量和體積越小，它的負載自重比就會越大。爬樓機器人主體結構質(zhì)量越小，在設計和選型時可以選用質(zhì)量較小的電機和減速器，進而實現(xiàn)對機器人整體性能和結構的輕量化設計優(yōu)化。機器人主體結構優(yōu)化和材料輕量化的研究，也是未來智能爬樓機器人研究設計的重要方向。形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓撲優(yōu)化都是輕量化設計中的關鍵技術，其中拓撲優(yōu)化的目的是實現(xiàn)材料最優(yōu)分布。優(yōu)化部分就是指定的設計空間，對設計模型施加約束條件和載荷等一系列工況條件，在工況條件需求得到滿足的情況下，拓撲優(yōu)化與尺寸和形狀優(yōu)化相比，材料的浪費更少。

對智能助老爬樓機器人的主體結構優(yōu)化和材料輕量化設計研究，在一定程度上受限于傳統(tǒng)工藝的制造技術，優(yōu)化方法只是一些傳統(tǒng)的制造工藝方法，比如開孔、開槽、添加加強筋以及增大或減小尺寸等。大部分優(yōu)化設計都是在拓撲優(yōu)化的基礎上，利用傳統(tǒng)制造工藝的可加工性來進行二次建模。這種情況下，反而會破壞拓撲優(yōu)化所得到的最優(yōu)結構主體。而隨著增材制造技術的進一步發(fā)展，為滿足智能助老爬樓機器人結構具有高剛度、高振動頻率與低質(zhì)量等性能特征要求，提供新的主體結構優(yōu)化設計條件，也使得設計的助老爬樓機器人突破傳統(tǒng)工藝結構局限性，實現(xiàn)其特定功能和應用技術。

目前，智能助老爬樓機器人的主體結構設計復雜、操作及運動路線變化頻繁且復雜，在實際工作過程中，需要實時響應時間短，操控動作便捷，再加上機器人本身存在自重，因而機器人承載較大。智能助老爬樓機器人在工作過程中，一直處于高速度和高頻率的運動狀態(tài)中，運動工況比較復雜。助老機器人的整體質(zhì)量，各部分構件的材料、結構剛度和頻率改善，對于助老爬樓機器人綜合性能的進一步提升具有顯著效果。比如，整體質(zhì)量較輕的機器人，其整體安全和穩(wěn)定性能較好，運動精度和動作響應速度得到了進一步提高，工作噪音和震動情況會明顯減少等等。因此，對智能助老爬樓機器人進行主體結構優(yōu)化、零部件材料優(yōu)化和整體輕量化的研究設計極為重要。當前，形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓撲優(yōu)化等優(yōu)化方法被廣泛應用在目前機器人結構設計中，經(jīng)這些方法優(yōu)化設計完成后的機器人綜合應用性能得到了顯著改善和提高。實踐證明，這些方法可以較好地完成主體結構優(yōu)化的目的。但是在實際優(yōu)化設計過程中，智能助老機器人的結構剛度、整體質(zhì)量和固有頻率等優(yōu)化目標之間又存在相互矛盾關系。比如，減輕助老爬樓機器人質(zhì)量很可能會造成主體結構剛度的降低，在同樣負載條件下，會出現(xiàn)機器人最大位移量增加、爬樓運動精度降低等情況。

綜上，智能爬樓機器人應滿足以下設計要求：路面適應性能好，具有較強的越障能力;能翻越一般住宅建筑標準中絕大部分的樓梯[6]，并且能靈活通過樓道;爬樓機器人運行平穩(wěn)、安全可靠，可以全方位移動;控制簡單，容易操作。除此之外，要求體積小，質(zhì)量輕，要進行輕量化設計，在輕量化設計過程中涉及安全性能、材料的強度、剛度等力學性能是否滿足要求等一系列問題。輕量化后的智能機器人，蘊含著極大市場銷售份額。

2.2 應用前景

現(xiàn)如今，人們對健康越來越重視，而且隨著科學技術和人工智能技術的進一步發(fā)展，以及日趨嚴重的人口老齡化問題，失能和半失能的老齡年人口數(shù)量將越來越多。同時，我國的殘障人士的數(shù)量也是不斷上升，下肢發(fā)生殘疾人口的數(shù)量是肢體殘疾中最多和最常見的，他們需要借助輔助工具才能進行正常工作生活。而城市的活動空間極為有限，為有效利用空間，目前高層住宅已經(jīng)非常普遍。然而，那些殘障人士和一些失能、半失能的老年人，他們需要借助輪椅才能正常活動，當遇到臺階、斜坡和爬樓梯時，輪椅卻不能發(fā)揮它的作用。未來智能助老爬樓機器人的設計理念和一般步驟是經(jīng)人機分析確定爬樓機器人的主體尺寸，然后進行機構優(yōu)化設計和力學校驗。并對機器人傳動組件模型進行了運動學分析，掌握運動性能特征，驗證其優(yōu)化方案的可行性。在控制系統(tǒng)運動方面，設計控制流程圖，設定智能助老爬樓機器人功能。在外觀主體設計和應用性能方面，賦予智能助老爬樓機器人多種外觀設計，然后進行部分零部件的細節(jié)展示，并配合不同模塊的使用狀態(tài)和功能展示，最后設計出能夠輔助失能、半失能老年人和下肢殘障人士的智能助老爬樓機器人。助老爬樓機驅(qū)動多元化，操作簡單方便，適用性價比高，主體結構優(yōu)化，生產(chǎn)造價成本低，實用性強，市場前景廣闊。

結語

為進一步滿足智能助老爬樓機器人向輕巧高效、操作便捷和產(chǎn)品經(jīng)濟型等方面發(fā)展的需求，整體結構輕量化設計是未來爬樓機器人的發(fā)展趨勢。同時，部分智能助老爬樓機器人不僅可以爬樓，還具有運動健身功能，同時滿足老年人生活和健身需求[7]。目前國內(nèi)外市場上，智能助老爬樓機器人已開始投入生產(chǎn)及應用，但部分產(chǎn)品還存在結構復雜、造價成本高、笨重、智能化不高等問題。隨著科技的發(fā)展，以適應人口老齡化的快速增長帶來的生活問題，如何更好地對已有的產(chǎn)品進行結構優(yōu)化或輕量化設計，將是工程技術人員重點研究的方向之一。

參考文獻：

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[7]楊宇，賈永興，榮傳振，王淵，朱瑩.第2講多關節(jié)機器人技術研究進展[J].軍事通信技術，2017，38（02）：84-91.

基金項目：2021年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項目（編號：2021KTSCX349）

作者簡介：陳運勝（1982— ），男，漢族，海南樂東人，本科，副教授，研究方向：機械設計優(yōu)化。