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)代社會生活必不可少的一部分，各種機(jī)器人豐富和幫助人類的生活和學(xué)習(xí)，有效地提高了人類的生活水平，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)增多時出現(xiàn)的配送錯誤；工業(yè)機(jī)器人有效提高了工作效率。目前我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，僅2021 年到2025 年就會增加將近4 000 萬的退休人員，而預(yù)計到2030 年65 歲老人將達(dá)到20%，而到21 世紀(jì)中葉就將占比30%，老齡化社會將帶來一系列的醫(yī)療和看護(hù)問題，給社會和國家的經(jīng)濟(jì)和社會保險系統(tǒng)造成巨大的壓力。存在同樣問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區(qū)域。帶來的問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。老人和殘疾人越來越需要通過現(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)今社會的研究熱點(diǎn)。

2 國內(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、自動控制、計算機(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運(yùn)動方式一致，運(yùn)動的平穩(wěn)性比較好，成本也較低，市場普及率較高。比如法國TopChiar 公司研制的悍馬-H8 型爬樓梯輪椅，功能強(qiáng)大但價格昂貴；加拿大的T09-ROBY 型爬樓輪椅，價格比TopChiar公司的便宜；在國內(nèi)，長春理工大學(xué)研制的組合式電動爬樓輪椅，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)品美國已經(jīng)產(chǎn)品化的“IBOT 獨(dú)立機(jī)動系統(tǒng)”，腿式移動機(jī)器人的研發(fā)原理來自仿生學(xué)，運(yùn)動如同人類自己抬腳走路，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)器人在平地行走時摩擦力大行走不便的缺點(diǎn)，而上樓時則進(jìn)行履帶式的轉(zhuǎn)換。

3 擬解決的關(guān)鍵問題

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

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、傳動裝置、履帶裝置、電池組、中控臺，具體見圖1。

機(jī)器人的主要部分為輪椅機(jī)架底座，作為整個系統(tǒng)的骨架。傳動裝置位于機(jī)架的后部，主要由電機(jī)、轉(zhuǎn)動軸、鏈輪、傳動鏈條組成，機(jī)架上的轉(zhuǎn)動軸通過鏈輪與電機(jī)相連接，各鏈輪通過套入并嚙合傳動鏈條進(jìn)行傳動，傳動軸的端部為套有橡膠支撐的六角星輪。電池組作為整個系統(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，中央控制臺由按鍵和控制板組成，按鍵有開關(guān)鍵、前進(jìn)鍵、后退鍵、停車鍵、平地/爬樓切換鍵?？刂瓢寮捎姓Z音控制模塊，可以進(jìn)行安全提示及播放音樂和戲劇等音頻文件，同時具有GPS 定位功能和緊急報警功能。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)簡單、操作方便、安全可靠，同時具有聽歌聽?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)器人并打開開關(guān)按鍵時，會聽到“請系好安全帶”的提示音，隨即系好安全帶后，可以通過語音選擇播放的音樂和戲曲，比如“機(jī)器人，請播放《國際歌》”；同時，卡扣和觸碰式傳感器觸碰，將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，主控芯片進(jìn)行信號處理，也就是開放前進(jìn)鍵、后退鍵、停止鍵、平地/爬樓切換鍵，這時候注意一點(diǎn)如果沒有系好安全帶，也就是沒有觸碰信號的輸入，是不能啟動行走功能的，這樣做的優(yōu)勢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)動模式），機(jī)器人如果長時間沒有動，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，仍沒有回答，系統(tǒng)默認(rèn)為使用者可能需要幫助，則將播放報警提示音。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，同時具有意外防護(hù)措施，在上樓下樓途中發(fā)生意外事故，會自動停車。中控臺集成了控制板，控制板以STM32 為主控芯片，功能圖見圖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中所存在的隱患而設(shè)計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)計當(dāng)中，比如加入安全帶且在檢測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；機(jī)器人在爬樓時，在沒有旁人的情況下，可以停留在傾斜的樓梯上，這樣設(shè)計考慮到爬樓時出現(xiàn)的緊急情況；

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

4）加入了聽歌聽?wèi)虻葕蕵饭δ?，將“康養(yǎng)”的理念融入到設(shè)計中。