一种助老助残康养机器人的研究

2022-11-03冯宇翔

现代工业经济和信息化 2022年9期

冯宇翔

（山西科技学院，山西晋城 048000）

1 研究背景和意义

机器人已经成为现代社会生活必不可少的一部分，各种机器人丰富和帮助人类的生活和学习，有效地提高了人类的生活水平，扫地机器人和擦玻璃机器人让居住环境更加得洁净和舒适；送餐机器人极大地降低了用餐人数增多时出现的配送错误；工业机器人有效提高了工作效率。目前我国已经进入老龄化社会，仅2021 年到2025 年就会增加将近4 000 万的退休人员，而预计到2030 年65 岁老人将达到20%，而到21 世纪中叶就将占比30%，老龄化社会将带来一系列的医疗和看护问题，给社会和国家的经济和社会保险系统造成巨大的压力。存在同样问题的还有一些由于自然灾害、工伤、交通事故等导致的伤残人员，这两类人员都需要一种帮助他们生活和出行的康养机器人。

传统的轮椅只能满足老人和伤残人士在平地上的日常代步，而公园、居民楼等有楼梯的地方则大大限制了他们的活动区域。带来的问题就是为了他们的安全考虑，老人和残疾人只能整天待在家中，大大降低了幸福指数和生活水平。老人和残疾人越来越需要通过现代化技术改善他们的生活质量和生活的自由度了，因此具有平地行驶和爬楼功能并集成一些辅助功能的康养机器人成为现今社会的研究热点。

2 国内外现状分析

具有平地行驶和爬楼功能的康养机器人融合了多学科技术，机械、电子、传感器、自动控制、计算机等。根据结构的不同，爬楼机器人可以分为履带式、轮组式、腿式、复合式等；国外此项技术发展较早也较成熟，履带式机构平稳性好，结构简单，技术比较成熟。履带支撑面有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。由于履带式爬楼机器人在平地和爬坡时运动方式一致，运动的平稳性比较好，成本也较低，市场普及率较高。比如法国TopChiar 公司研制的悍马-H8 型爬楼梯轮椅，功能强大但价格昂贵；加拿大的T09-ROBY 型爬楼轮椅，价格比TopChiar公司的便宜；在国内，长春理工大学研制的组合式电动爬楼轮椅，北京理工大学研制的关节式履带机器人等。轮组式有明星产品美国已经产品化的“IBOT 独立机动系统”，腿式移动机器人的研发原理来自仿生学，运动如同人类自己抬脚走路，有丰田公司研制的具有6 自由度的双足载人机器人iFoot，以及上海交通大学研制的具有12 自由度的载人两足步行椅机器人JWCR，腿式机器人的技术难度大，研发成本高，市场普及率低。

结合上述分析，本项目拟采用履带轮式复合机器人进行研制，优点是平地上可以用轮式，避免了履带式机器人在平地行走时摩擦力大行走不便的缺点，而上楼时则进行履带式的转换。

3 拟解决的关键问题

老人和残疾人在乘坐爬楼机器人上楼时的安全十分重要，所以本系统解决的关键问题是如何保障机器人在有坡度的楼梯上随时都可以停车且能停在楼梯上。

4 研究方法

助老助残康养机器人由5 大部分组成，分别为轮椅机架底座、传动装置、履带装置、电池组、中控台，具体见图1。

机器人的主要部分为轮椅机架底座，作为整个系统的骨架。传动装置位于机架的后部，主要由电机、转动轴、链轮、传动链条组成，机架上的转动轴通过链轮与电机相连接，各链轮通过套入并啮合传动链条进行传动，传动轴的端部为套有橡胶支撑的六角星轮。电池组作为整个系统的能量支柱，位于机架的底部，与电机连接，将电能转换为机械能；与中控台连接，作为控制系统的电压输入。座椅的前方设有中央控制台，中央控制台由按键和控制板组成，按键有开关键、前进键、后退键、停车键、平地/爬楼切换键。控制板集成有语音控制模块，可以进行安全提示及播放音乐和戏剧等音频文件，同时具有GPS 定位功能和紧急报警功能。而座椅上设有安全带、锁扣和压力传感器。系统结构简单、操作方便、安全可靠，同时具有听歌听戏等康养功能，为老年人和残障人士提供舒心安全的服务。

5 设备工作原理

当老年人或者残障人士坐上康养机器人并打开开关按键时，会听到“请系好安全带”的提示音，随即系好安全带后，可以通过语音选择播放的音乐和戏曲，比如“机器人，请播放《国际歌》”；同时，卡扣和触碰式传感器触碰，将电信号转换为数字信号后，主控芯片进行信号处理，也就是开放前进键、后退键、停止键、平地/爬楼切换键，这时候注意一点如果没有系好安全带，也就是没有触碰信号的输入，是不能启动行走功能的，这样做的优势就是极大地增加了使用者的安全。一切准备就绪后，使用者就可以按下前进键和后退键了（系统默认是平地运动模式），机器人如果长时间没有动，系统将发出“是否需要帮助”的提示音，可以再次按下前进/后退键进行语音解除，如果每隔半分钟发送1 次，连续发出3 声提示音后，仍没有回答，系统默认为使用者可能需要帮助，则将播放报警提示音。当按下平地/爬楼切换键后，后轮将上升一段距离，并且履带装置将开启，老人和残障人士的家人将倾斜着利用履带装置进行爬楼，同时具有意外防护措施，在上楼下楼途中发生意外事故，会自动停车。中控台集成了控制板，控制板以STM32 为主控芯片，功能图见图2。