智能助老助殘機(jī)器人研究

喬 棟，高 海，喬志業(yè)

(1.山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西大同037003；2.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009)

在社會老齡化愈加嚴(yán)重的背景下，助老助殘也越來越受到社會各界的廣泛關(guān)注。在日常生活中，很多事對于行為不便的老年人和殘疾人來說是很困難的。例如，疊衣服是非?，嵥槎l繁的工作，且對于失去自理能力的老年人、殘疾人及忙于工作的年輕人來說，長期的整理衣物是一件十分不易的事。

目前，市場上智能助老助殘機(jī)器人造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、修理困難。例如，美國FoldiMate公司的自動疊衣機(jī)和日本松下公司的“l(fā)aundroid”自動折疊[1]、整理衣物機(jī)器人[2-3]，前者價(jià)格較低但功能單一，后者更加智能但售價(jià)高昂，均無法成為民眾的中意之選。為此，本文基于機(jī)械傳動原理和可編程控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能助老助殘機(jī)器人，其獨(dú)具匠心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材使得研發(fā)制造成本大大降低。

1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原理

智能助老助殘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)三維渲染圖，見圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)三維渲染圖

該智能助老助殘機(jī)器人主要運(yùn)用了機(jī)械傳動原理和可編程控制技術(shù)。通過步進(jìn)電機(jī)控制立式絲桿滑塊滑動來實(shí)現(xiàn)置物臺的升降。置物臺采用雙層結(jié)構(gòu)，既能一定程度上的保持絲杠美觀，又能避免絲杠外凸妨礙下一步程序的運(yùn)行，而且置物臺的夾層空間還可做儲物之用，用來存放疊好的衣服。通過可伸縮的承壓式鉸鏈結(jié)構(gòu)將衣物壓制在置物臺以防止滑動，起固定作用，而且也可有效地防止因置物臺升降而影響衣物的穩(wěn)定性，伸縮自如[4]。以掃動方式為主對衣物進(jìn)行折疊，整體結(jié)構(gòu)由兩套光絲杠及U形桿組成，由步進(jìn)電機(jī)提供動力。通過滑塊帶動U形桿配合置物臺的升降實(shí)現(xiàn)對衣物的掃動折疊，不僅能在折疊的同時(shí)最大程度地減少對衣物的損壞，而且結(jié)構(gòu)簡單，不易出現(xiàn)機(jī)械性故障。動力系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)統(tǒng)一驅(qū)動。相對普通電機(jī)來說，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號[5]。且步進(jìn)電機(jī)配合驅(qū)動器使用，絕大多數(shù)驅(qū)動器都支持細(xì)分功能，即實(shí)現(xiàn)很小的步進(jìn)角，控制也更精確。此外，整個(gè)箱體采用可拆卸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，既方便清潔機(jī)器，又便于后期檢修維護(hù)工作。

具體系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)如下：

（1）升降裝置。采用立式絲杠滑塊滑動實(shí)現(xiàn)置物臺升降，由步進(jìn)電機(jī)提供動力，由統(tǒng)一的控制器操控，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的精確性。置物臺（見圖2）采用雙層結(jié)構(gòu)，既能一定程度上保證絲杠美觀，又能避免絲杠外凸妨礙下一步程序的進(jìn)行，而且置物臺的夾層空間還可作儲物之用，用來存放疊好的衣物。

圖2 置物臺

（2）按壓裝置。為避免折疊過程中，衣物出現(xiàn)非預(yù)料性偏移，采用承壓式鉸鏈（見圖3）固定衣物，鉸鏈由可伸縮的凹槽承載，通過控制凹槽回縮釋放鉸鏈至置物臺，將衣物壓制在置物臺上防止滑動；且采用鉸鏈?zhǔn)桨磯嚎捎行Х乐钩霈F(xiàn)因置物臺升降影響按壓穩(wěn)定性的狀況，伸縮自如。

圖3 承壓式鉸鏈

（3）掃動裝置。由兩套光杠和絲杠組成的U 形桿（見圖4、圖5）構(gòu)成，由步進(jìn)電機(jī)提供動力。通過滑塊帶動U形桿配合置物臺的升降實(shí)現(xiàn)對衣物的掃動折疊，不僅能在折疊的同時(shí)最大程度地減少對衣物的損壞，而且結(jié)構(gòu)簡單，不易出現(xiàn)機(jī)械性故障。

圖4 U型桿裝置1

圖5 U型桿裝置2

（4）動力系統(tǒng)。采用步進(jìn)電機(jī)統(tǒng)一驅(qū)動。相對普通電機(jī)來說，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號。且步進(jìn)電機(jī)配合驅(qū)動器使用，絕大多數(shù)驅(qū)動器都支持細(xì)分功能，即實(shí)現(xiàn)很小的步進(jìn)角，控制也更精確。

（5）箱體結(jié)構(gòu)。箱體采用可拆卸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，既方便清潔機(jī)器，又便于后期檢修維護(hù)工作。

通過整個(gè)團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)生產(chǎn)了第一臺物理樣機(jī)，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

2 元器件使用及可編程控制技術(shù)

2.1 3D打印元件

部分元器件通過SolidWorks 自主建模，使用自制的3D打印機(jī)以及Cura切片軟件切片完成3D打印。

2.2 主程序

通過51 單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。軟件流程，見圖6。

圖6 軟件流程圖

主程序如下：

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

在產(chǎn)品研發(fā)過程中，解決了在衣物折疊過程中的難題以及每個(gè)層面絲桿光桿的運(yùn)動沖突等問題。在技術(shù)方面，通過升降臺與直桿的相對運(yùn)動初步實(shí)現(xiàn)了衣物的折疊，通過51 單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動等電子元件實(shí)現(xiàn)了對每個(gè)結(jié)構(gòu)的配合運(yùn)動，整體上完成了對衣物折疊整理的主要目標(biāo)。但在實(shí)踐與理論的對比中，仍然有許多技術(shù)上的難題以及需要改進(jìn)的地方。例如，對衣物按壓方式的選擇、對直桿主從動配合的掌握以及對噪音響度的控制等，都是需要注意的地方。在下一步對產(chǎn)品的完善中，我們會著重對機(jī)械構(gòu)造、控制方式、相對運(yùn)動的協(xié)調(diào)性進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 展望

展望未來，對家庭服務(wù)型助老助殘機(jī)器人的需求是多面的，而本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的也盡可能實(shí)現(xiàn)大眾化服務(wù)，所以后期會向多功能方向發(fā)展。目前設(shè)想的后續(xù)方案有：

（1）加裝可同時(shí)傳送多件衣物的傳送帶，將衣物分批次送入機(jī)器內(nèi)部，可以更大程度地實(shí)現(xiàn)自動化、智能化，省出了在機(jī)器旁等待的時(shí)間。

（2）內(nèi)部加裝蒸汽噴頭進(jìn)行去皺，再為衣物噴上喜歡的香味并進(jìn)行消毒，實(shí)現(xiàn)更人性化的服務(wù)。

（3）對儲物夾層進(jìn)行改裝，附上傳送裝置，將疊好的衣物整齊地運(yùn)出。

另外，等待技術(shù)成熟后還可以進(jìn)行與洗衣機(jī)、衣柜的結(jié)合，加裝機(jī)器視覺模塊，對衣物進(jìn)行全方位的清潔、分類整理和保養(yǎng)維護(hù)，裝配語音識別模塊，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的遠(yuǎn)程操控等。