助老机器人及运动控制分析

文 祥 李若雅 曾鹏程 陈桂平

(湖南涉外经济学院，湖南 长沙 410205)

1 我国助老机器人的研究现状

就我国的情况来看，关于助老机器人研究，还处于初级发展阶段，近年来，受到了业界高度关注。在2006年，上海电气集团联合上海交通大学成功研究出智能轮椅，设置了防跌落与多传感器测距机构，有着躲避障碍、自动行走、防跌、防碰、目标跟踪等功能，很快就投入了使用。与传统轮椅相比，智能轮椅易于操作、安全可靠，显著提高了老年人、残障人士的生活质量。在2007年，装设了机械臂的智能轮椅诞生，在其中设置了远程控制系统，对于残疾人士、手功能障碍老年群体，可利用远程语音控制系统来进行操作。哈尔滨工程大学也致力于康复机器人研究，已经成功研制出下肢康复训练机器人与上肢康复训练机器人，能够帮助患者完成各项功能恢复训练，如颈部运动训练、脊椎运动训练、手臂运动训练、行走训练等。

2 助老机器人及运动控制

2.1 功能设置

助老机器人是为患有重大疾病、老年人、残疾人、怀孕妇女提供服务的一种医疗器械，可应用在医院、福利院等场所，需要具备几个功能：(1)辅助和引导行走；(2)按时喂药、门窗开启、物品提取、端茶水；(3)生命质量监测；(4)语音交互与人机交互。

为了满足助老机器人的功能要求，在结构设计上，机械结构需要尽可能小巧，结构要做到合理、简单，选择强度大、质量轻的材料，减小机器人自重。考虑到其工作环境复杂，为了确保助老机器人有良好的躲避障碍、自动导航能力，需要严格控制好机械臂的设计，既要满足工作空间要求，也要做到重量轻、体积小。

2.2 移动机构方案

在助老服务机器人中，移动机构是其主体，常见的移动机构包括履带式、轮式、步行式，如果路面条件良好，可以应用履带式、轮式，如果路面条件不佳，可应用步行式，本文以室内环境为主。因此，在移动机构方案上，选择了轮式。轮式机器人有三轮、四轮2种结构，三轮控制方便、结构简单，但是负载较小，安全系数不如四轮，四轮的稳定性更好，因此，本研究应用四轮结构。

在移动机构的顶层中，设置CCD摄像机，顶部安装简单按钮与触摸屏，并安装了机械臂，方便使用者的操作，同时，具备贴身护理功能，可以携带各类日常用品和药品，如水杯、背包等，留有足够的空间。控制系统硬件设置在第三层，包括控制器、电源模块、电机驱动器组成。在最下层为底盘，安装了直流电机、驱动轮、测速传感器、齿轮减速器。在移动机构前方，安装了超声波传感器，用于躲避障碍、测距，后方设置了助行手柄，利用助行手柄，使用者可以控制车体的运行快慢和方向。

2.3 电机选型

助老服务机器人在转向、运动上，都要满足精度要求，因此，在驱动装置上，采用了伺服电机，常见的伺服电机类型有直流有刷伺服电机、步行电机、交流伺服电机、直流无刷伺服电机。助老服务机器人采用的是轮式结构，因此，驱动动力源选择直流伺服电机，电机选型需要根据运行速率、质量、驱动轮直径、滚动摩擦系数来确定。

2.4 手柄上力传感器

助老服务机器人需要借助手柄力来运动，在手柄上，设置压力传感器，能够测量作用在手柄上力的方向和大小，根据使用者意愿来控制机器人运动。在机器人的运动过程中，为了避免其与碰撞物相撞，需要借助传感器感知周围环境，对此，可以应用超声波传感器，超声波传感器装置简单、成本低廉、精度高，已经在机械领域得到了广泛应用。但是，应用单个超声波传感器，无法准确感知环境信息，为了构建有效的环境模型，需要安装多个传感器，将其设置在不同位置，按照助老服务机器人在躲避障碍上的要求，应用6个超声波传感器。

2.5 机械臂设计

机械臂是设置在助老服务机器人移动结构一侧，替代人手作用，必须要确保其具有一定的自由度，可以完成提物品、抓取等功能，在设计上，要做到体积小、重量轻、安全系数高。针对助老服务机器人的工作特点，对于机械臂初始位置，设置为垂直向下，可抓取最大负荷重量设置在1.5kg，最大重量设置为10kg，机械臂要做到动作迅速、平稳，具有足够的刚度和强度。机械臂包括末端执行器、手臂组成，其中，手臂可以带动末端执行器运动，为了确保其可以达到工作空间的位置，需要满足3个自由度。

2.6 关节电机

在关节电机选择上，需要首先关注电机类型，根据机械臂的设计要求，一般选择无刷直流电机。

2.7 硬件方案

助老服务机器人的操作方式包括用户控制模式、目标模式2类，要确保控制系统具有良好的抗感染性能，根据其功能要求，将其划分为触摸屏模块、电源模块、传感器模块、语音模块、移动机构控制模块、通信接口模块、摄像头图像采集模块等。

2.8 总线接口方案

在控制器设计中，需要应用多个通讯结构，如CAN总线通讯、串口通讯，考虑到机械臂控制系统控制算法的特点，需要优先选择CAN总线通讯方式，采集传感器信息，并在外围增加收发器，构建总线网络。

3 结语

近年来，随着我国老龄化进一步加重，我国老年人口数量不断上升，而子女又时间精力有限无法及时照料老人的生活起居。这一现象使得家庭助老服务机器人的需求量得到日益增长。家庭助老服务机器人的研宄与应用可以协助老年人简单的日常生活起居，使得老年人的晚年生活更加舒适，提高生活的品质。本文设计了一款轻便智能、运动灵活、简洁方便、安全性高的家庭式助老机器人，值得进行推广和使用。