CN101332145B - 一种助行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种福利友好助行机器人，包括底座、底座下部的万向轮和驱动轮、连接底座的支架及扶手杆，底座上设置有电池，驱动轮设有驱动装置受控于一个控制装置，控制装置的信号输入连接传感装置，控制装置包括一个设置在扶手杆中间的键盘、设置在电池上的基于DSP的控制器；传感装置包括对称设置在扶手杆两端上面的压力传感器、扶手杆两端三面上的滑觉传感器、设置在扶手杆中间后方的测距传感器；驱动装置为两个分别安装在左右驱动轮上的驱动电机。本发明以扶手杆两端的滑觉、压力传感器来感知老年人的动态关系及是否有摔跤趋向，以控制器来处理各种信息及对驱动系统发出指令，驱动系统作为执行器来改变机器人的运动状态对老年人进行友好扶助。

Description

一种助行机器人

技术领域

本发明涉及一种服务型机器人，特别涉及一种用于老年人的福利友好助行机器人。

背景技术

世界各国普遍对服务机器人的研究非常重视，并取得了不菲的成果。1987年，英国人研制的康复机器人样机能使一个患有脑瘫的11岁男孩独立就餐。美国、加拿大和法国都相继生产了能在已知的环境中按操作要求从相应的物品架上抓取所需物品的服务机器人。2004年10月日本的SECOM公司发布了面向被护理人员的自助护理机器人“SECOM升降机”，可以帮助需护理人员独自从床上换乘到轮椅或从轮椅换乘到床上。

我国在服务机器人领域的研发起步较晚。1995年清华大学开发了一个七自由度移动式护理机器人，能在无人看护的情况下替患者完成取药、送水、翻书等工作。2003年8月，华南理工大学机器人研究室成功研制出了一张机器人护理病床。但总的来说，我国目前在服务机器人方面的产品仍然很少，与发达国家的服务机器人产业仍有较大的差距。

目前在服务机器人方面，还没有主要帮助老年人行走的机器人出现，国外关于智能轮椅的研究，主要针对对象是瘫痪的老年人和残疾人，对于有一定活动能力、只是体力较弱的老年人来说并不适用。人到老年，有其独特的生理和心理机制，并且随着年龄的增长，渴望行动自由和生活自理的愿望更加强烈。除身高、体重等基本体态特征变化明显之外，肌体的一些基本的体能特征也随之发生改变，各项指标呈下降趋势，导致人体运动机能的衰退现象显著。加之不同程度的视力减弱，“前庭功能”(即空间运动过程中维持身体平衡的能力)下降、应急反应时间延长、协调能力差等等原因，更是加大了老年人行动障碍的几率。资料显示，老年人摔倒有约53％的是由于行走或站立不稳定造成，而摔倒又是造成人体损伤，引发其它老年疾病的重要原因。可以预计，在不远的将来，老年人的护理将成为社会的一个重要负担，因此，设计与研发适宜于老年人使用的助行器具显得尤为重要。而老年人助行器的开发与设计刚刚开始，尚处于培育期。目前市场上已有的助行器均是针对偏瘫患者进行康复训练用的，并不适于老年人日常生活所用。真正为老年人量身定做的助行器种类少，生产厂家少，产品种类缺乏，现有产品的安全性与使用效果都很难达到老年人要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够帮助老年人和残疾人行走的福利友好服务机器人，具有对老年人的行走进行跟随和预防摔倒的特点。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种福利友好助行机器人，包括底座、底座下部的万向轮和驱动轮、连接底座的支架、以及支架上的扶手杆，所述底座上设置有电池，所述驱动轮设有驱动装置，该驱动装置受控于一个控制装置，控制装置的信号输入连接传感装置，其特征在于，所述控制装置包括一个设置在扶手杆中间的键盘、一个设置在电池上的基于DSP的控制器；所述传感装置包括对称设置在扶手杆两端上面的压力传感器、扶手杆两端上侧、前方和后方三个面上的滑觉传感器、设置在扶手杆中间后方的两个测距传感器，该两个测距传感器均为超声传感器，其中，左侧的传感器为第一路传感器；右侧的传感器为第二路传感器；第一路传感器的发射头或第二路传感器的发射头与相对另一路传感器的接收头可组成第三路超声波传感器；所述驱动装置为两个分别安装在左右驱动轮上的驱动电机；所述滑觉传感器通过采集人手在扶手杆两端的不同滑觉信号，结合测距传感器采集到的人体与机器人的距离变化，通过控制器对驱动电机转速进行PWM波调节，使驱动轮跟随人的快慢行走及转向；所述压力传感器通过采集人手在扶手杆一端的突发性单边压力信号，通过控制器对相反方向的驱动轮加速，相同方向的驱动轮减速，迅速左转或右转并制动，阻止侧摔。

上述方案中，所述传感装置还包括设置在底座下面的多个路况传感器，每个路况传感器均为红外传感器，通过控制器信号连接一个安装在底座电池一侧的报警器。

所述基于DSP的控制器包括一个与A/D转换器连接的信号调理电路，所述滑觉传感器和测距传感器通过A/D转换器输出两路滑觉信号和三路测距信号连接一个行走判别模块；压力传感器通过A/D转换器输出两路压力信号连接一个摔倒判别模块；路况传感器通过A/D转换器输出多路路况信号连接一个路况判别模块；路况判别模块的信号输出连接报警器；行走判别模块、摔倒判别模块的输出连接一个电机控制模块，该电机控制模块输出两路控制信号分别连接左、右驱动电机。

所述滑觉传感器包括包裹在上端扶手杆两端臂撑部分的表面镀有金属银的PVDF敏感层，该PVDF敏感层上设置点阵状包封表皮，用导电胶将带有引线的输出电极与PVDF敏感层粘结在一起。所述PVDF敏感层可两片叠合，同极性的一侧相互粘合，中间引出输出导线，PVDF的外侧电极被接地。

所述控制器上还设置有一个储物篮。

本发明以扶手杆两端的滑觉、压力传感器作为感觉器官来感知老年人与机器人的动态关系及是否有摔跤行为发生，以驱动控制器作为机器人的大脑来处理感觉器官的各种信息及对驱动系统发出指令，以四轮双电机差速驱动系统作为机器人的执行器来改变机器人的运动状态，进而达到对老年人进行友好扶助的效果。其突出的特点是在它与人类的友好界面的设计方法上。充分体现以人为本的主旨，在老年人行走的时候替代“拐棍”的功能对老年人进行友好、可靠的搀扶；利用滑觉传感器以及测距传感器对机器人与老年人之间的动态关系进行检测，根据老年人的行走速度对助行机器人自身的速度进行柔性调节；结合压力传感器对老年人的摔跤行为进行预防，并通过路况传感器在路况不好时进行报警。从而着眼于为所有的老年人提供有效“助行”帮助，不仅可以节省护理人员，更可以增加老年人活动的范围和强度，对于增加无子女照顾的老年人的自尊心和自信心也具有不可估量的作用。一些残疾者通过使用这种助行机器人，可以获得与正常人同样的功能，从而既消除了他们的内心痛苦，又改善了残疾人的生活条件。此外，本发明是一种功能简单却又实用，制造成本较低，更易于产品化和为老年人所接受的专用机器人，走向实用化的门槛低，而且，许多功能用现有技术即可实现。相比之下，比通用机器人更能进入市场和具有良好的产业化前景。

附图说明

图1图2是本发明机器人的结构图，其中，图2是图1的仰视图。图1图2中：1-滑觉传感器；2-键盘；3-储物篮；4-控制器；5-电池；6-万向轮；7-报警器；8-驱动电机；9-驱动轮；10-测距传感器；11-压力传感器；12-路况传感器；13-上端扶手杆；14-支架；15-下端横杆；16-底座。

图3是图1中传感、控制及驱动三部分的功能结构框图。

图4是图1、图3中控制器的功能结构框图。

图5是行走跟随判别模块的判断和控制原理框图。

图6是摔倒判别模块的判断和控制原理框图。

图7是滑觉传感器放大的结构剖面图。图中：19-引线；20-包封表皮；21-PVDF敏感层；22-导电胶；23-输出电极；24-压条。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至图3所示，本发明机器人由控制器4、电池5、传感器、扶手杆13、键盘2、驱动轮9、万向轮6、驱动电机8等组成，其中，传感器包括压力传感器11、滑觉传感器1、测距传感器10和路况传感器12。压力传感器11测扶手杆13上手对机器人的压力，滑觉传感器1测老年人手与机器人扶手间的相对运动。滑觉信号和压力信号经过相应传感器采集后，进入控制器进行特征提取、判别，判别结果为老年人的运动倾向和摔倒倾向。根据判别结果，控制器发出控制指令，调节PWM波，对电机8的转速进行调节。滑觉传感器1安装在扶手杆13对称两端的上侧、前方和后方；压力传感器安装在扶手杆13对称两端的上侧，通过滑觉信号测知机器人与老年人在行走方向上的运动趋势。通过左右手压力差，以及压力传感器上的压力分布状态可以测知老年人摔倒的倾向。控制器4设置有大的速度档，采用键盘2可进行大范围的速度调节，而后，又根据滑觉传感器1所检测到的老年人与机器人的运动趋势，在小范围内对驱动轮9的速度进行调节，以保证机器人与老年人运动的相互协调。当压力传感器11的信号显示有突变时，则很可能是老年人具备了单侧摔倒倾向。路况传感器12安装在底座16的下方，为6个红外测距传感器，主要测机器人底盘与地面的距离。测距信息进入控制器4进行信息处理和判别后，若得出结果为路面不平，则对报警器7发出信号进行报警，提醒老年人转弯。机器人的控制器4上方还安装有一个储物篮3，方便老年人外出购物时使用。

扶手杆13中间后方设置有两个测距传感器10；两个测距传感器均为超声传感器，其中，左侧的传感器为第一路传感器；右侧的传感器为第二路传感器；第一路传感器的发射头或第二路传感器的发射头与相对另一路传感器的接收头可组成虚拟的第三路超声波传感器。人体为要测距的障碍物。虚拟形成的第三路超声传感器，其发射头与接收头的间距较第一路和第二路传感器的收、发头间距要大许多，因此其可测得的前方人体在X，Y方向的信息都较第一路和第二路传感器要大；同时它对人体的信息捕获受人体与机器人的角度的敏感性较第一路、第二路传感器也要小。因此，当形成虚拟的第三路超声波传感器后，移动机器人的感知能力可得到明显提高。

如图4所示，各路传感器信号经过信号调理电路的调理，进行A/D转换，其中，两路滑动信号和三路测距信号进入行走跟随判别模块，进行老年人的行走跟随判别，判别结果进入电机控制模块，控制驱动电机8的运转速度；两路压力信号进入摔倒判别模块进行判别，判别结果进入电机控制模块来控制驱动电机8的转速；另外，多路路况信号进入路况判别模块进行路况判别，若判别结果为路况不好，则发出判别指令，通过报警器进行报警。

如图5所示，行走跟随判别模块的判断和控制原理主要是利用滑觉传感器和测距传感器的方法，滑觉传感器检测到人的前臂或手有向前或向后滑动的倾向，同时，测距传感器检测到人车的距离增加或减小，则人对于机器人有加快或减慢行走的倾向，将检测到的滑觉信息和距离信息进行处理，判别老年人的行走意向，进而对电机控制模块发出指令控制两个驱动电机8，使两个电机同时加速或减速；同样的，当左右滑觉传感器检测到有向左或向右的滑动倾向时，信息处理后，控制器对电机控制模块发出指令使相应的左右驱动电机加减速，以适应人的拐弯倾向。

如图6所示，摔倒判别模块的判断和控制原理主要是利用压力传感器的方法，将检测到的压力信息进行信息处理，判断老年人的摔倒意向，进而对电机控制模块发出指令控制两个驱动电机8，使相反方向的驱动轮加速、相同方向的驱动轮减速，迅速左转或右转，并对驱动轮9制动，防止老年人单侧摔倒。

如图7所示，滑觉传感器1采用高分子压电材料PVDF设计，利用老年人手部在相对于传感器表面滑动过程中所产生的摩擦力所引发的包封表皮20产生的微振动，生成交变电压信号.用于进行滑觉的判断，进而对老年人手与机器人扶手的相对关系进行动态检测，以便于控制机器人的速度来适应老年人的行走速度。

敏感材料PVDF是一种薄膜状的有机材料，厚度约50um，有良好的压电特性和柔顺、可弯曲的机械特性。将PVDF做成敏感层21，包裹在上端扶手杆13的臂撑部分，传感器的两侧边用微型压条24和小螺钉固定，而后再用硅胶粘住。PVDF表面已经镀有金属银，用导电胶22将带有引线19的电极23和PVDF敏感层20粘结在一起。为了提高传感器的抗干扰性能，可以将两片PVDF膜21叠合，同极性的一侧相互粘合，中间引出输出信号，PVDF的外侧电极被接地，这样传感器在同样面积大小的情况下，灵敏度提高了一倍，由于外侧接地，抗干扰性也大大增强。

用PVDF薄膜制作的滑觉传感器不仅很薄，可以像皮肤一样粘贴在机器人扶手杆13对称两端的表面，而且利用物体滑动引起点阵状表皮20振动产生的交变压电信号，来判断是否存在滑动，结构简单，信号处理简单，可以进行实时监视和反馈。触感柔软，传感器的面积可以做得比较大，符合臂撑部位传感器的要求。

Claims (5)

1.一种助行机器人，包括底座、底座下部的万向轮和驱动轮、连接底座的支架、以及支架上的扶手杆，所述底座上设置有电池，所述驱动轮设有驱动装置，该驱动装置受控于一个控制装置，控制装置的信号输入连接传感装置，其特征在于，所述控制装置包括一个设置在扶手杆中间的键盘、一个设置在电池上的基于DSP的控制器；所述传感装置包括对称设置在扶手杆两端上面的压力传感器、扶手杆两端上侧、前方和后方三个面上的滑觉传感器、设置在扶手杆中间后方的两个测距传感器，该两个测距传感器均为超声传感器，其中，左侧的传感器为第一路传感器；右侧的传感器为第二路传感器；第一路传感器的发射头或第二路传感器的发射头与相对另一路传感器的接收头组成第三路超声波传感器；所述驱动装置为两个分别安装在左右驱动轮上的驱动电机；所述滑觉传感器通过采集人手在扶手杆两端的不同滑觉信号，结合测距传感器采集到的人体与机器人的距离变化，通过控制器对驱动电机转速进行PWM波调节，使驱动轮跟随人的快慢行走及转向；所述压力传感器通过采集人手在扶手杆一端的突发性单边压力信号，通过控制器对相反方向的驱动轮加速，相同方向的驱动轮减速，迅速左转或右转并制动，阻止侧摔。

2.如权利要求1所述的助行机器人，其特征在于，所述传感装置还包括设置在底座下面的多个路况传感器，每个路况传感器均为红外传感器，通过控制器信号连接一个安装在底座电池一侧的报警器。

3.如权利要求1所述的助行机器人，其特征在于，所述基于DSP的控制器包括一个与A/D转换器连接的信号调理电路，所述滑觉传感器和测距传感器通过A/D转换器输出两路滑觉信号和三路测距信号连接一个行走判别模块；压力传感器通过A/D转换器输出两路压力信号连接一个摔倒判别模块；路况传感器通过A/D转换器输出多路路况信号连接一个路况判别模块；路况判别模块的信号输出连接报警器；行走判别模块、摔倒判别模块的输出连接一个电机控制模块，该电机控制模块输出两路控制信号分别连接左、右驱动电机。

4.如权利要求1至3之一所述的助行机器人，其特征在于，所述滑觉传感器包括包裹在上端扶手杆两端臂撑部分的表面镀有金属银的PVDF敏感层，该PVDF敏感层上设置点阵状包封表皮，用导电胶将带有引线的输出电极与PVDF敏感层粘结在一起；所述PVDF敏感层两片叠合，同极性的一侧相互粘合，中间引出输出导线，PVDF的外侧电极被接地。

5.如权利要求1所述的助行机器人，其特征在于，所述控制器上还设置有一个储物篮。

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