一種助老助殘康養(yǎng)機(jī)器人的研究

馮宇翔

（山西科技學(xué)院， 山西 晉城 048000）

1 研究背景和意義

機(jī)器人已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)生活必不可少的一部分，各種機(jī)器人豐富和幫助人類(lèi)的生活和學(xué)習(xí)，有效地提高了人類(lèi)的生活水平，掃地機(jī)器人和擦玻璃機(jī)器人讓居住環(huán)境更加得潔凈和舒適；送餐機(jī)器人極大地降低了用餐人數(shù)增多時(shí)出現(xiàn)的配送錯(cuò)誤；工業(yè)機(jī)器人有效提高了工作效率。目前我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，僅2021 年到2025 年就會(huì)增加將近4 000 萬(wàn)的退休人員，而預(yù)計(jì)到2030 年65 歲老人將達(dá)到20%，而到21 世紀(jì)中葉就將占比30%，老齡化社會(huì)將帶來(lái)一系列的醫(yī)療和看護(hù)問(wèn)題，給社會(huì)和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)保險(xiǎn)系統(tǒng)造成巨大的壓力。存在同樣問(wèn)題的還有一些由于自然災(zāi)害、工傷、交通事故等導(dǎo)致的傷殘人員，這兩類(lèi)人員都需要一種幫助他們生活和出行的康養(yǎng)機(jī)器人。

傳統(tǒng)的輪椅只能滿足老人和傷殘人士在平地上的日常代步，而公園、居民樓等有樓梯的地方則大大限制了他們的活動(dòng)區(qū)域。帶來(lái)的問(wèn)題就是為了他們的安全考慮，老人和殘疾人只能整天待在家中，大大降低了幸福指數(shù)和生活水平。老人和殘疾人越來(lái)越需要通過(guò)現(xiàn)代化技術(shù)改善他們的生活質(zhì)量和生活的自由度了，因此具有平地行駛和爬樓功能并集成一些輔助功能的康養(yǎng)機(jī)器人成為現(xiàn)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

具有平地行駛和爬樓功能的康養(yǎng)機(jī)器人融合了多學(xué)科技術(shù)，機(jī)械、電子、傳感器、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，爬樓機(jī)器人可以分為履帶式、輪組式、腿式、復(fù)合式等；國(guó)外此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較早也較成熟，履帶式機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)比較成熟。履帶支撐面有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。由于履帶式爬樓機(jī)器人在平地和爬坡時(shí)運(yùn)動(dòng)方式一致，運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性比較好，成本也較低，市場(chǎng)普及率較高。比如法國(guó)TopChiar 公司研制的悍馬-H8 型爬樓梯輪椅，功能強(qiáng)大但價(jià)格昂貴；加拿大的T09-ROBY 型爬樓輪椅，價(jià)格比TopChiar公司的便宜；在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)春理工大學(xué)研制的組合式電動(dòng)爬樓輪椅，北京理工大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人等。輪組式有明星產(chǎn)品美國(guó)已經(jīng)產(chǎn)品化的“IBOT 獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)”，腿式移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)原理來(lái)自仿生學(xué)，運(yùn)動(dòng)如同人類(lèi)自己抬腳走路，有豐田公司研制的具有6 自由度的雙足載人機(jī)器人iFoot，以及上海交通大學(xué)研制的具有12 自由度的載人兩足步行椅機(jī)器人JWCR，腿式機(jī)器人的技術(shù)難度大，研發(fā)成本高，市場(chǎng)普及率低。

結(jié)合上述分析，本項(xiàng)目擬采用履帶輪式復(fù)合機(jī)器人進(jìn)行研制，優(yōu)點(diǎn)是平地上可以用輪式，避免了履帶式機(jī)器人在平地行走時(shí)摩擦力大行走不便的缺點(diǎn)，而上樓時(shí)則進(jìn)行履帶式的轉(zhuǎn)換。

3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

老人和殘疾人在乘坐爬樓機(jī)器人上樓時(shí)的安全十分重要，所以本系統(tǒng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何保障機(jī)器人在有坡度的樓梯上隨時(shí)都可以停車(chē)且能停在樓梯上。

4 研究方法

助老助殘康養(yǎng)機(jī)器人由5 大部分組成，分別為輪椅機(jī)架底座、傳動(dòng)裝置、履帶裝置、電池組、中控臺(tái)，具體見(jiàn)圖1。

機(jī)器人的主要部分為輪椅機(jī)架底座，作為整個(gè)系統(tǒng)的骨架。傳動(dòng)裝置位于機(jī)架的后部，主要由電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、鏈輪、傳動(dòng)鏈條組成，機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)鏈輪與電機(jī)相連接，各鏈輪通過(guò)套入并嚙合傳動(dòng)鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，傳動(dòng)軸的端部為套有橡膠支撐的六角星輪。電池組作為整個(gè)系統(tǒng)的能量支柱，位于機(jī)架的底部，與電機(jī)連接，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；與中控臺(tái)連接，作為控制系統(tǒng)的電壓輸入。座椅的前方設(shè)有中央控制臺(tái)，中央控制臺(tái)由按鍵和控制板組成，按鍵有開(kāi)關(guān)鍵、前進(jìn)鍵、后退鍵、停車(chē)鍵、平地/爬樓切換鍵?？刂瓢寮捎姓Z(yǔ)音控制模塊，可以進(jìn)行安全提示及播放音樂(lè)和戲劇等音頻文件，同時(shí)具有GPS 定位功能和緊急報(bào)警功能。而座椅上設(shè)有安全帶、鎖扣和壓力傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠，同時(shí)具有聽(tīng)歌聽(tīng)?wèi)虻瓤叼B(yǎng)功能，為老年人和殘障人士提供舒心安全的服務(wù)。

5 設(shè)備工作原理

當(dāng)老年人或者殘障人士坐上康養(yǎng)機(jī)器人并打開(kāi)開(kāi)關(guān)按鍵時(shí)，會(huì)聽(tīng)到“請(qǐng)系好安全帶”的提示音，隨即系好安全帶后，可以通過(guò)語(yǔ)音選擇播放的音樂(lè)和戲曲，比如“機(jī)器人，請(qǐng)播放《國(guó)際歌》”；同時(shí)，卡扣和觸碰式傳感器觸碰，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，主控芯片進(jìn)行信號(hào)處理，也就是開(kāi)放前進(jìn)鍵、后退鍵、停止鍵、平地/爬樓切換鍵，這時(shí)候注意一點(diǎn)如果沒(méi)有系好安全帶，也就是沒(méi)有觸碰信號(hào)的輸入，是不能啟動(dòng)行走功能的，這樣做的優(yōu)勢(shì)就是極大地增加了使用者的安全。一切準(zhǔn)備就緒后，使用者就可以按下前進(jìn)鍵和后退鍵了（系統(tǒng)默認(rèn)是平地運(yùn)動(dòng)模式），機(jī)器人如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有動(dòng)，系統(tǒng)將發(fā)出“是否需要幫助”的提示音，可以再次按下前進(jìn)/后退鍵進(jìn)行語(yǔ)音解除，如果每隔半分鐘發(fā)送1 次，連續(xù)發(fā)出3 聲提示音后，仍沒(méi)有回答，系統(tǒng)默認(rèn)為使用者可能需要幫助，則將播放報(bào)警提示音。當(dāng)按下平地/爬樓切換鍵后，后輪將上升一段距離，并且履帶裝置將開(kāi)啟，老人和殘障人士的家人將傾斜著利用履帶裝置進(jìn)行爬樓，同時(shí)具有意外防護(hù)措施，在上樓下樓途中發(fā)生意外事故，會(huì)自動(dòng)停車(chē)。中控臺(tái)集成了控制板，控制板以STM32 為主控芯片，功能圖見(jiàn)圖2。

6 主要特色和創(chuàng)新之處

爬樓機(jī)器人為了解決生活不便人士行動(dòng)中所存在的隱患而設(shè)計(jì)的一種提高使用效果和實(shí)用性能的爬樓智能設(shè)備，其結(jié)構(gòu)緊湊可靠，可幫助腿腳不便的老年人和殘障人士進(jìn)行上下樓；另外還可以運(yùn)送額定質(zhì)量的物品進(jìn)行上下樓，同樣安全可靠。

本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處有四點(diǎn)：

1）考慮到特殊人群的特點(diǎn)，把安全性融入到設(shè)計(jì)當(dāng)中，比如加入安全帶且在檢測(cè)系好安全帶的情況下，機(jī)器人才可以進(jìn)行載人行駛；又比如在反復(fù)得不到回應(yīng)后將進(jìn)行報(bào)警；

2）在任何情況下，按下“停止鍵”，機(jī)器人將緩慢減速并剎車(chē)；機(jī)器人在爬樓時(shí)，在沒(méi)有旁人的情況下，可以停留在傾斜的樓梯上，這樣設(shè)計(jì)考慮到爬樓時(shí)出現(xiàn)的緊急情況；

3）可以與機(jī)器人進(jìn)行“對(duì)話”，而不用進(jìn)行復(fù)雜的操作；

4）加入了聽(tīng)歌聽(tīng)?wèi)虻葕蕵?lè)功能，將“康養(yǎng)”的理念融入到設(shè)計(jì)中。