多功能床椅一體化助老機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董緒斌，劉曉飛，周小龍，羅春陽(yáng)，李建永

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

隨著人口老齡化及城市化進(jìn)程的加快，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)空巢老人數(shù)量將增至1.18億[1].其中，因神經(jīng)系統(tǒng)控制能力下降，肌肉力量降低等因素引起的運(yùn)動(dòng)機(jī)能障礙老年人數(shù)量將急劇增加[2].然而，我國(guó)從事護(hù)理工作的專業(yè)看護(hù)人員數(shù)量卻嚴(yán)重不足[3].因此，研制助老機(jī)器人以代替護(hù)理人員或家人照看老年人顯得尤為重要[4-5].目前，關(guān)于助老機(jī)器人的研究大多集中在護(hù)理床[6-7]或智能輪椅[8-9]方面，即僅考慮多功能或多姿態(tài)的轉(zhuǎn)換而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自由行走，或存在舒適度不足、操作煩瑣等問(wèn)題.究其原因，主要是缺乏對(duì)相關(guān)設(shè)備的功能優(yōu)化，以及控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度低.隨著人們對(duì)助老機(jī)器人舒適度和智能化要求的提高，研發(fā)功能完善、操作方便、舒適度高的多功能護(hù)理設(shè)備已成為未來(lái)該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[10].鑒于上述原因，本文針對(duì)現(xiàn)有助老設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能特性，結(jié)合康復(fù)醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)、人機(jī)工程學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析理論，設(shè)計(jì)一款集床椅變換和體位調(diào)整、全向移動(dòng)等功能于一體的助老機(jī)器人，分別設(shè)計(jì)輪椅機(jī)構(gòu)、固定床身機(jī)構(gòu)及全向行走機(jī)構(gòu)，通過(guò)有限元分析對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，通過(guò)系統(tǒng)集成和調(diào)試實(shí)現(xiàn)完整功能驗(yàn)證.本研究通過(guò)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將輪椅和床進(jìn)行功能集成，為助老機(jī)器人的功能集成化提供一種解決途徑；通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件的分析和系統(tǒng)集成調(diào)試，為該助老機(jī)器人的實(shí)用化奠定技術(shù)基礎(chǔ).

1 功能分析與方案設(shè)計(jì)

針對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能障礙老人的特點(diǎn)，充分考慮康復(fù)護(hù)理的特殊需求，依據(jù)現(xiàn)有康復(fù)床的功能要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)助老機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)床椅結(jié)合功能.一方面，實(shí)現(xiàn)被護(hù)理者起背、屈腿、平躺等不同位姿的變換調(diào)節(jié)，有利于被護(hù)理者血液循環(huán)；另一方面，實(shí)現(xiàn)360°全方位自由平穩(wěn)地自動(dòng)行走與避障，滿足被護(hù)理者的代步要求.圖1為助老機(jī)器人功能與結(jié)構(gòu)，主要由輪椅機(jī)構(gòu)、固定床身機(jī)構(gòu)和自主移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成.

圖1 多功能床椅一體化助老機(jī)器人功能及結(jié)構(gòu)Fig.1 Function and structure of multifunctional bed chair integrated elderly robot

1.1 輪椅機(jī)構(gòu)

助老機(jī)器人輪椅機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2，主要由行走機(jī)構(gòu)、支撐座、坐板、扶手、靠背板、腿板及腳踏板等組成.行走機(jī)構(gòu)由控制系統(tǒng)獨(dú)立操控，可通過(guò)語(yǔ)音或操縱桿控制行走方向，并配合超聲波避障傳感器，實(shí)現(xiàn)自由行走及避障功能；支撐座為連接座椅與行走機(jī)構(gòu)的過(guò)渡部件，也為姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、控制器及電池組提供安裝空間；靠背板、腿板、腳踏板、扶手及坐板組成角度可調(diào)的座椅機(jī)構(gòu)，在電動(dòng)操縱桿控制下，既可實(shí)現(xiàn)坐/臥姿態(tài)調(diào)整，亦可實(shí)現(xiàn)靠背板與腿板角度的獨(dú)立調(diào)整，為使用者提供豐富的體位選擇.

圖2 輪椅機(jī)構(gòu)Fig.2 Wheelchair mechanism

圖3為輪椅姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)靠背角度、腿板角度、腳踏板聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié).為適應(yīng)床椅轉(zhuǎn)換的狀態(tài)需求，設(shè)計(jì)了扶手翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(圖4)，該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)扶手90°翻轉(zhuǎn).該機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿、限位塊及扶手組成，扶手與坐板用鉸鏈連接，電動(dòng)推桿通過(guò)支耳與扶手外側(cè)連接.為避免由于扶手水平保持能力不足導(dǎo)致受壓變形，在兩側(cè)扶手上設(shè)置了可調(diào)限位塊，用以提高扶手在水平狀態(tài)時(shí)的剛度.

圖3輪椅姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)Fig.3Wheelchair attitude adjustment mechanism 圖4扶手翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.4Armrest turnover mechanism

1.2 全向行走機(jī)構(gòu)

為保證輪椅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)360°全向自由行走，選用8輪Mecanum輪結(jié)構(gòu).圖5為行走機(jī)構(gòu)示意圖，由于左右對(duì)稱，故只給出左半側(cè)結(jié)構(gòu).

圖5 行走機(jī)構(gòu)Fig.5 Moving mechanism

1.3 固定床身機(jī)構(gòu)

機(jī)器人固定床身機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖6，主要由床身骨架、床板、對(duì)接導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及可調(diào)高腳輪組成.床身骨架整體設(shè)計(jì)成“C”形，由鋼管焊接而成，為便于運(yùn)輸和安裝，設(shè)計(jì)成左、右兩個(gè)固定床體，中間用鋼管連接，床身骨架底部安裝可調(diào)高腳輪，以滿足不同安裝高度的需要；骨架上方安裝固定床板，可與輪椅面構(gòu)成完整床面，考慮到床椅對(duì)接時(shí)避讓干涉的需要，將輪椅進(jìn)出側(cè)的床板設(shè)計(jì)成可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以保證輪椅機(jī)構(gòu)的順利進(jìn)出；為提高輪椅相對(duì)固定床身的定位精度，在固定床身底部設(shè)置了對(duì)接導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，用以約束輪椅上的滑輪組，實(shí)現(xiàn)輪椅的定位導(dǎo)正.

圖6 機(jī)器人固定床身機(jī)構(gòu)Fig.6 Fixed bed mechanism of robot

在床椅結(jié)合與分離過(guò)程中，輪椅需要進(jìn)出固定床身區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)限制，固定床身中有兩處床板與輪椅的進(jìn)出路線發(fā)生干涉，為此設(shè)計(jì)了翻折避讓機(jī)構(gòu).翻折避讓機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿、擺桿、連桿、翻折床板構(gòu)成(圖7 a)，通過(guò)電動(dòng)推桿伸縮，帶動(dòng)擺桿擺動(dòng)，再通過(guò)連桿控制翻折床板轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)床板水平狀態(tài)與豎直狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.在水平展開時(shí)，擺桿與連桿處于機(jī)械死點(diǎn)，有效提高了翻折床板水平狀態(tài)的剛度.圖7 b為翻折避讓豎直狀態(tài)，此時(shí)床板翻折，為輪椅進(jìn)出打開通道.

圖7 翻折避讓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)Fig.7 Structure and working state of folding and avoiding mechanism

表1為助老機(jī)器人各機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)功能及可調(diào)范圍.

表1 助老機(jī)器人各機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)功能及可調(diào)范圍Tab.1 The function and adjust range of each mechanism of service robot for elderly

2 關(guān)鍵部件有限元分析

助老機(jī)器人在不同位姿變換過(guò)程中，主要承力部件為底座支撐座和人體上半身靠板，因此，分析助老機(jī)器人關(guān)鍵零件在承力極限情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義.本次研究對(duì)助老機(jī)器人底座支撐座和上半身靠板在承力極限情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析.

2.1 固定床身機(jī)構(gòu)

作為輪椅機(jī)構(gòu)的核心部件，支撐座是主體承重結(jié)構(gòu)，選用規(guī)格為20 mm×20 mm×1.5 mm的Q345B方管焊接而成.根據(jù)受力特性，在支撐座上端4個(gè)鉸接處添加1 500 N豎直載荷力，在支撐座下端4個(gè)鉸接處添加固定鉸鏈約束，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.對(duì)網(wǎng)格化后的支撐座部件進(jìn)行有限元仿真分析.按照約束條件施加載荷后的變形及應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖8.由圖8 a可知，支撐座最大應(yīng)力分布比較均勻，未出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為248.2 MPa，Q345B屈服強(qiáng)度345 MPa，安全系數(shù)達(dá)到1.3，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；由圖8 b可知，支撐座的最大變形出現(xiàn)在中間部位，最大變形為5.462 mm，該變形量不會(huì)影響床椅結(jié)合與分離動(dòng)作.因此，所設(shè)計(jì)的支撐座強(qiáng)度及剛度符合要求.

圖8 支撐座有限元仿真Fig.8 Finite element simulation of support base

2.2 靠背板

靠背板是支撐操作者上半身的重要部件，主要承受操作者上半身載荷.靠背板主承載結(jié)構(gòu)為靠背骨架，選用規(guī)格為20 mm×20 mm×1.5 mm的Q235方管焊接而成，見(jiàn)圖9.該靠背骨架通過(guò)電動(dòng)推桿控制，可沿鉸鏈軸向上翻轉(zhuǎn)，圖9為平置狀態(tài)，該狀態(tài)要求骨架承力為500 N，依靠電動(dòng)推桿限制.在靠背骨架幾何中心施加500 N豎直向下力，將電動(dòng)推桿看成固定支承，驗(yàn)證兩個(gè)鉸鏈的強(qiáng)度.靠背骨架的變形見(jiàn)圖10 a，最大變形量為2.289 mm，滿足設(shè)計(jì)剛度要求；應(yīng)力分布見(jiàn)圖10 b，最大載荷出現(xiàn)在中心支點(diǎn)處，應(yīng)力為195.773 MPa，安全系數(shù)達(dá)到1.2，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

圖9 靠背板結(jié)構(gòu)Fig.9 Back panel structure

圖10 靠背骨架仿真Fig.10 Simulation of back panel frame

2.3 扶手翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

扶手翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖11.扶手骨架通過(guò)電動(dòng)推桿控制，可沿鉸鏈軸向上翻轉(zhuǎn)90°，圖11為平置狀態(tài)，該狀態(tài)下要求骨架承力500 N，依靠可調(diào)限位螺釘(兩個(gè))限制.對(duì)扶手骨架、鉸鏈及限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，在扶手骨架幾何中心施加500 N豎直向下力，驗(yàn)證兩個(gè)鉸鏈的強(qiáng)度，并驗(yàn)證扶手骨架在受載狀態(tài)下對(duì)兩個(gè)可調(diào)螺釘限位機(jī)構(gòu)造成的應(yīng)力及應(yīng)變情況.將鉸鏈與限位螺釘設(shè)置為固定約束，在扶手骨架上施加500 N的載荷(該部件不是主承力部件，故按照2/3載荷加載).

圖11 扶手翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平置狀態(tài)Fig.11 Horizontal state of the armrest turnover mechanism

扶手骨架變形見(jiàn)圖12 a，最大變形量為2.362 mm，該變形不影響康復(fù)床性能；扶手骨架應(yīng)力見(jiàn)圖12 b，最大應(yīng)力出現(xiàn)在矩形骨架拐角處，為152.772 MPa.骨架選用Q235，屈服極限為235 MPa，安全系數(shù)達(dá)到1.5，滿足設(shè)計(jì)要求.限位螺釘處的應(yīng)力為48.818 MPa，鉸鏈軸處的應(yīng)力為88.268 MPa，限位機(jī)構(gòu)及鉸鏈均滿足強(qiáng)度要求.

圖12 扶手翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有限元仿真Fig.12 Finite element simulation of armrest turnover mechanism

3 系統(tǒng)集成與調(diào)試試驗(yàn)

在前期對(duì)助老機(jī)器人進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維模型和控制系統(tǒng)，研制出該助老機(jī)器人的試驗(yàn)樣機(jī)，見(jiàn)圖13.試驗(yàn)樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)主體由普通碳鋼型材搭建而成，采用焊接和螺栓兩種連接方式，包括床身、座椅和移動(dòng)底盤.為了提高整體美觀度和舒適性，對(duì)助老機(jī)器人整體進(jìn)行打磨、噴漆處理，并在床身及椅座表面包覆由海綿、布料組成的雙層坐墊.在床身底部安裝了水平調(diào)節(jié)腳輪，以增強(qiáng)床身的可移動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié).

圖13 床椅一體化助老機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)Fig.13 The prototype of bed chair integrated elderly robot

3.1 移動(dòng)底盤行走機(jī)構(gòu)

移動(dòng)底盤行走機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖14.移動(dòng)底盤采用8個(gè)基于Mecanum技術(shù)的車輪，經(jīng)測(cè)試，在控制信號(hào)作用下底盤可以依靠Mecanum輪實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式，可有效提高移動(dòng)底盤行走的靈活性，降低操作難度.

3.2 對(duì)接機(jī)構(gòu)

對(duì)接機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖15.受限于外界條件，采用傳感器進(jìn)行床身和座椅對(duì)接時(shí)會(huì)存在一定誤差.為提高對(duì)接準(zhǔn)確性，在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)向軌道對(duì)接機(jī)構(gòu)，即在床身入口處的左、右兩側(cè)各安裝一條導(dǎo)向軌道，在移動(dòng)底盤的前、后方向各安裝4個(gè)導(dǎo)向輪.調(diào)試顯示，對(duì)接精度得到有效提高.

圖14移動(dòng)底盤行走機(jī)構(gòu) Fig.14Moving mechanism of chassis圖15對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.15Docking mechanism

3.3 一鍵脫離與對(duì)接

一鍵脫離與對(duì)接調(diào)試場(chǎng)景見(jiàn)圖16.啟動(dòng)床椅分離按鈕，避讓機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，輪椅在受控信號(hào)控制下進(jìn)行姿態(tài)初步調(diào)整，然后移動(dòng)底盤沿著導(dǎo)向軌道駛出；對(duì)接過(guò)程與此相反，即按下對(duì)接按鈕，輪椅行駛至對(duì)接區(qū)，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，完成床椅結(jié)合，此過(guò)程的機(jī)械運(yùn)動(dòng)均由助老機(jī)器人自主完成.調(diào)試可知，該功能可以有效實(shí)現(xiàn).

3.4 輪椅姿態(tài)調(diào)整

在輪椅駛出床身后，用戶可通過(guò)控制手柄對(duì)助老機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制以滿足身體對(duì)舒適度的要求.可進(jìn)行調(diào)整的部分主要包括靠背板、腿板和腳踏板，見(jiàn)圖17.實(shí)際測(cè)試的機(jī)器人綜合性能指標(biāo)見(jiàn)表2.

圖16一鍵脫離與對(duì)接調(diào)試Fig.16One key separation and docking debugging圖17輪椅姿態(tài)調(diào)整綜合調(diào)試Fig.17Integrated debugging of bed chair attitude adjustment

表2 多功能床椅一體化助老機(jī)器人性能指標(biāo)Tab.2 Performance of multifunctional bed chair integrated elderly robot

4 小 結(jié)

針對(duì)人口老齡化造成的護(hù)理資源不足，生活難以自理、行動(dòng)不便人群缺乏照顧的社會(huì)問(wèn)題，研制了一款多功能助老機(jī)器人.該機(jī)器人采用床椅一體化設(shè)計(jì)理念，將可移動(dòng)單元(輪椅)有機(jī)嵌入護(hù)理床體內(nèi)，采用一鍵啟動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)床椅離合，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)須他人輔助即可實(shí)現(xiàn)老人在床椅之間的轉(zhuǎn)換；采用室內(nèi)SLAM定位導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建和自動(dòng)路徑規(guī)劃；可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、操縱手柄等模態(tài)操控，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)老人護(hù)理的操作輔助、運(yùn)動(dòng)輔助、認(rèn)知輔助功能.通過(guò)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)和零件的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及有限元仿真分析，在理論上證明了該設(shè)計(jì)的可行性，并通過(guò)實(shí)際樣機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證了該機(jī)器人的設(shè)計(jì)可行性和工作可靠性.本研究可為床椅一體化助老機(jī)器人的研究提供參考，同時(shí)可為后續(xù)功能完備性研發(fā)奠定基礎(chǔ).