一種面向老齡人群的跟隨助理機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

周陳標(biāo)，曾 強(qiáng)

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

目前，中國(guó)已進(jìn)入老齡化社會(huì)并處于老齡化不斷加深的階段。根據(jù)2020 年全國(guó)第七次人口普查數(shù)據(jù)，中國(guó)現(xiàn)有60 歲及以上老年人口為2.64 億，占全國(guó)總?cè)丝诘?8.7%。隨著國(guó)內(nèi)老齡人口的增加，老齡化社會(huì)帶來(lái)了一系列醫(yī)療和看護(hù)問(wèn)題，加上國(guó)家中長(zhǎng)期科技服務(wù)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略的提出，中國(guó)社會(huì)對(duì)老齡人群服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)的需求越來(lái)越大。現(xiàn)在的研究大多是面向半失能老人，如馬金平等針對(duì)半失能老人設(shè)計(jì)行走輔助輪椅和移動(dòng)輔助機(jī)器人，輔助老人完成起坐、落座和上廁所等基本動(dòng)作，但設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不易操作。實(shí)際生活中還是健康的老齡人群居多，保護(hù)老人出行安全是家人最為關(guān)心的問(wèn)題，面向他們的服務(wù)機(jī)器人滿足跟隨、報(bào)警等基本功能即可，要求簡(jiǎn)單易行。本文以STM32F4 控制器核心，提出對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊以及軟件控制模塊不同的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)要求設(shè)計(jì)一種機(jī)器人，能夠穩(wěn)定地跟隨老人提供載物功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)老人的健康情況。

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一款面向老齡人的自動(dòng)跟隨機(jī)器人是一份非常復(fù)雜的工作，涉及到機(jī)械、電氣、傳感器以及計(jì)算機(jī)等諸多領(lǐng)域，所以本次設(shè)計(jì)要求劃分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)、傳感器和軟件控制4 個(gè)模塊，該4 個(gè)模塊的設(shè)計(jì)要求如下。

機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊：根據(jù)機(jī)器人跟隨特性和使用場(chǎng)所，要具有一定的運(yùn)載能力以及在狹小空間的機(jī)動(dòng)能力，整體設(shè)計(jì)輕量結(jié)實(shí)，并且能適應(yīng)部分惡劣的環(huán)境，在一定條件下機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠抗住外界沖擊載荷，具有一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

電機(jī)模塊：機(jī)器人可以靈活轉(zhuǎn)向控制，滿足各個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)半徑最小的姿態(tài)要求，使機(jī)器人能夠靈活地應(yīng)對(duì)不同的路面狀況。

傳感器模塊：機(jī)器人的挪移報(bào)警和手環(huán)遙控對(duì)當(dāng)前機(jī)器人姿態(tài)作出實(shí)施檢測(cè)和判斷，同時(shí)依靠老人的生理數(shù)據(jù)作出維護(hù)和判斷是否報(bào)警，檢測(cè)老年人的生命體征。

軟件控制模塊：將機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)和傳感器3 個(gè)模塊聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)程序的方式寫入電腦，完成對(duì)機(jī)器人所需的控制任務(wù)。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

總體方案原理如圖1 所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供載物功能并放置電機(jī)及傳感器，電機(jī)和傳感器相互聯(lián)通，傳感器檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)和老人生命體征觸發(fā)報(bào)警或通過(guò)手環(huán)供老人和家人查詢，電機(jī)控制機(jī)器人實(shí)時(shí)跟隨老人，其電量也可通過(guò)手環(huán)查詢，這些控制方案均通過(guò)以STM32F4 控制器為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件控制實(shí)施。

圖1 總體方案原理圖

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循2 個(gè)原則。首先是簡(jiǎn)潔，從而避免大量的焊接、裝配或撞擊造成的誤差累計(jì)；其次是強(qiáng)度重量應(yīng)比剛度重量大，使機(jī)器人在重量限制下盡可能的穩(wěn)定，耐撞擊。

2.1.1 底盤

底盤高度直接決定了機(jī)器人重心的高低，重心過(guò)高在快速運(yùn)動(dòng)或者突然撞擊時(shí)可能會(huì)發(fā)生側(cè)翻，而重心過(guò)低在面對(duì)復(fù)雜路況時(shí)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性不夠高，且導(dǎo)致底盤不同程度的受損。底盤高度設(shè)計(jì)圖如2 所示，將底盤的接近角為40°，通過(guò)角為37.2°，框架結(jié)構(gòu)選擇粗鋁方管，底盤采用2 塊碳纖維板中間通過(guò)2 根鋁方管墊高連接，搭配全包圍的防撞框架以及4 個(gè)導(dǎo)向輪的防撞系統(tǒng)。

圖2 底盤高度設(shè)計(jì)原理圖

2.1.2 輪系

在底盤模塊中，輪系是重要的組成部分，將輪系迭代，設(shè)計(jì)輪系如圖3 所示。通過(guò)對(duì)軸進(jìn)行校核計(jì)算，選擇8 mm 的軸作為轉(zhuǎn)軸，其次通過(guò)軸系側(cè)板、角碼、滾針軸承以及軸承座來(lái)固定輪系，實(shí)現(xiàn)麥輪的繞軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)為了更好地定位以及減小摩擦帶來(lái)不必要的損壞，采用軸套定位，用滾針軸承來(lái)降低摩擦，用卡簧來(lái)固定軸向位置。此設(shè)計(jì)使整車構(gòu)成良好阻尼系統(tǒng)，減震效果理想。

圖3 麥輪輪系剖面圖

2.2 電機(jī)設(shè)計(jì)

為了能夠讓機(jī)器人可以靈活轉(zhuǎn)向，采用M3508 減速電機(jī)和C620 電調(diào)，M3508 減速電機(jī)由電機(jī)與減速器完美集成，配備擁有FOC 控制技術(shù)的C620 電調(diào)，并采用單片機(jī)等芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，滿足各個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)半徑最小的姿態(tài)要求，使機(jī)器人能夠靈活應(yīng)對(duì)不同的路面狀況。

圖4 為電機(jī)控制邏輯框圖，程序采用FreeRTOS（實(shí)時(shí)系統(tǒng)）架構(gòu)，程序開(kāi)始運(yùn)行后進(jìn)入任務(wù)初始化，第一步創(chuàng)建起始任務(wù)（此時(shí)僅有一個(gè)任務(wù)），在起始任務(wù)中創(chuàng)建初始化任務(wù)、地盤任務(wù)等。然后刪除起始任務(wù)，進(jìn)入隊(duì)列模式，當(dāng)任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)會(huì)進(jìn)入隊(duì)列排隊(duì)，按照優(yōu)先級(jí)高低進(jìn)行排列，優(yōu)先級(jí)數(shù)字越低優(yōu)先級(jí)越高，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)排在低的前面執(zhí)行，相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)產(chǎn)生請(qǐng)求前的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

圖4 電機(jī)控制邏輯框圖

2.3 傳感器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人功能相對(duì)復(fù)雜，其核心功能是跟隨操作者，因此要確定使用者和機(jī)器人的距離，根據(jù)距離的變化，自動(dòng)給4 個(gè)輪子適當(dāng)調(diào)節(jié)。除此之外，跟隨行進(jìn)的過(guò)程中要具有簡(jiǎn)單的避障能力，獲取機(jī)器人的姿態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)老年人的陪護(hù)功能以及機(jī)器人自身的保護(hù)監(jiān)測(cè)。這要求設(shè)計(jì)中選擇合適的傳感器，以及確定傳感器在機(jī)器人上的放置位置。為了更好地實(shí)現(xiàn)上述功能，使用了大量的傳感器及其模塊。其中包括溫度傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器、裝甲模塊、燈條模塊、電源管理模塊、主控模塊、定位模塊、圖傳模塊、超級(jí)電容模塊以及Wi-Fi 模塊等。同時(shí)重新設(shè)計(jì)云臺(tái)，使云臺(tái)在整體上結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定，能精準(zhǔn)穩(wěn)定控制云臺(tái)俯仰軸向運(yùn)動(dòng)，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 性能指標(biāo)

2.4 軟件控制設(shè)計(jì)

以STM32F4 控制器為核心的軟件控制是最為關(guān)鍵的一步，為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，作出如下設(shè)計(jì)。初始化任務(wù)優(yōu)先級(jí)為3，任務(wù)開(kāi)始初始化外部硬件，執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，掛起初始化任務(wù)。撥盤任務(wù)優(yōu)先級(jí)為2，初始化撥盤獲取各硬件指針，設(shè)置電機(jī)PⅠD 參數(shù)和光電門計(jì)時(shí)時(shí)間，之后每2 ms 執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，更新電機(jī)、光電門反饋，設(shè)置遙控器狀態(tài)和電機(jī)PⅠD計(jì)算值，最后根據(jù)遙控器設(shè)置狀態(tài)及PⅠD 計(jì)算量。保護(hù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)為2，初始化設(shè)置開(kāi)始循環(huán)任務(wù)，獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，判斷系統(tǒng)是否失控，若失控則掛起除本任務(wù)以外的任務(wù)，并且解掛失控保護(hù)任務(wù)，若未失控則掛起失控保護(hù)任務(wù)。失控保護(hù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)為2，初始化所有外部硬件且將所有外部硬件計(jì)算值設(shè)為0。云臺(tái)任務(wù)優(yōu)先級(jí)為1，初始化云臺(tái)獲取各硬件指針，初始化相對(duì)位置PⅠD 和絕對(duì)位置PⅠD，設(shè)置視覺(jué)識(shí)別幀數(shù)組和云臺(tái)電機(jī)初始值，然后每1 ms 執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，更新云臺(tái)反饋量，遙控設(shè)置狀態(tài)，設(shè)置電機(jī)PⅠD 計(jì)算值，開(kāi)始云臺(tái)電機(jī)控制并進(jìn)行PⅠD 計(jì)算。底盤任務(wù)優(yōu)先級(jí)為0，初始化底盤獲取各硬件指針，初始化PⅠD參數(shù)并設(shè)置初始值，每3 ms 執(zhí)行一次循環(huán)任務(wù)，遙控設(shè)置狀態(tài)，更新底盤反饋量，遙控器根據(jù)狀態(tài)設(shè)置控制量。此外，本設(shè)計(jì)模塊通過(guò)手機(jī)APP 通過(guò)Wi-Fi 連接以及智能手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙連接實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，達(dá)到智能控制的目的。

3 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)的跟隨陪護(hù)機(jī)器人，基本滿足了設(shè)計(jì)要求，有很高的實(shí)用性?？沙潆娿U蓄電池與太陽(yáng)能板電池相結(jié)合的雙重電源為機(jī)器人提供充足續(xù)航能力；各模塊之間采用模塊化連接方式，在某一模塊發(fā)生故障時(shí)，可快速拆卸維修；智能手環(huán)藍(lán)牙連接、手機(jī)Wi-Fi連接等多種控制方式；豎置榫卯結(jié)構(gòu)云臺(tái)，云臺(tái)平滑性較好及控制精度較高。該款跟隨機(jī)器人有較強(qiáng)的移動(dòng)能力和運(yùn)載能力，在日常生活中可以幫助老年人運(yùn)載行李和物品，有挪移報(bào)警、體征警報(bào)檢測(cè)、手環(huán)遙控等功能，并且有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。此設(shè)計(jì)可應(yīng)用在老人出行的多種場(chǎng)所，在日常生活中為老年人提供幫助，實(shí)時(shí)收集老年人的部分生理信息，在異常時(shí)可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)，減少了老年人單獨(dú)出行的危險(xiǎn)性，提高老年人的生活質(zhì)量。