CN105105990A - 一种助老机器人的伴行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助老机器人的伴行装置，包括行走驱动机构、双人字形位姿变换机构、助力防摔机构、座椅驱动机构、万向轮定轴机构等，主要实现轮椅输送、助力伴行、防摔保护三大功能。其特点在于：当主电动推杆收缩时，装置姿升高，处于助力伴行工位，装置通过人机交互接口感知使用者的运动意图实现自适应柔顺伴行，通过扶手对使用者进行助力支撑；当主电动推杆伸出时，装置位姿降低，坐椅在电机带动下自动伸出，处于轮椅输送工位，通过人机交互接口对装置进行行走驱动控制；所述助力防摔机构采用四周环绕、分体式结构设计，可以对老年人起到有效的助力支撑作用，防止老人向前后左右四个方向倾倒。

Description

一种助老机器人的伴行装置

技术领域

本发明涉及智能机器人技术，特别涉及一种服务于老年人的多功能机器人装置。

背景技术

随着人口老龄化的不断发展，我国老年人口占社会总人口的比重越来越大，权威统计数据显示我国现有老年人1.69亿，到2030年，老年人口数量将上升到4亿，老年人比例将从目前的14％上升到26％。大部分较高年龄老年人常常需要专人的看护和照顾，这样一方面需要高昂的花费和人力支出，另一方面使得老年人的生活质量在自由度上大为降低。各类行动不便老年人的大量存在，使得助老伴行问题已成为一个亟待解决的社会问题，老年人的生活质量越来越受到人们的关注。目前我国老年人总的服务需求满足率仅为16％，还有84％的老年人服务需求没有被满足，老年人用服务设备具有非常广阔的市场需求，正处于快速发展阶段，相继出现了一系列针对老年行走辅助与康复方面的器械或设备。传统的助行器具(如专用手杖、代步轮椅等)已经不能满足老年人对行走自主性、使用友好性以及防摔救护能力的需求。所以，如果能发明一种新型的智能化的能够帮助老年人完成自主、安全户外活动的伴行装置，不仅可以降低家庭负担，还可以很好得改善老年人的生活品质，具有广泛的社会经济效益。

随着微型传感技术、信号处理技术、人工智能和现代控制理论的发展，助老服务机器人也得以快速的发展。目前市面上所能见到的助行服务设备中，多采用自动化轮椅的形式。该种助老服务设备可以满足下肢几乎丧失行走能力的老人或者残疾人在一定空间内的自由移动，但对于大多数只是下肢无力、易疲劳的老年人来说，他们有很强的自主行走意愿、希望能有更加广阔的活动空间，那么轮椅式的助老设备就显得笨重和功能单一了。

近几年国内外见诸报道的助行机器人如中国专利CN201310086896.5，CN201310034245.1，CN200910307239.2，CN201010597105.1，公开了三种典型的助行机器人。其中，第一种是扶手助力式移动机器人，其类似于一个智能拐杖，结构功能较为单一，没有考虑老年人易疲劳的特点，只具有助力助行功能而没有轮椅输送功能；第二种是外骨骼式助力助行机器人，其对于下肢残疾的人群比较适合，但对于大多数老年人来说，其穿戴不便，结构复杂笨重不够友好；第三种的主体都是四轮轮椅形式，且都具轮椅输送和一定的助行能力，但结构笨重、复杂，助行和代步功能间的转换不自然，二者助行状态下的助力效果差、对使用者的安全保障考虑较少。

发明内容

综合考虑背景技术中提到的现有助老伴行机器人存在的缺陷，本发明的目的是提供一种结构轻便、功能多样(轮椅输送、助力伴行、摔倒防护)且功能间的转换简单自然的助老伴行机器人设备。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种助老机器人的伴行装置，包括座椅、行走装置，其特征在于：所述座椅通过其左右两侧的座椅支架连接左右对称的前支腿，每个前支腿的中部与一个后支腿的顶部铰接，前、后支腿之间连接有主伸缩推杆形成高度可调的左、右对称的人字撑结构；所述行走装置与人字撑结构的下端相连，所述座椅后方设有后备箱，该后备箱连接于左右前支腿之间；所述后备箱上部两侧对称设有左右扶手臂，每侧扶手臂均通过一个副伸缩杆与该侧前支腿成三角支撑连接；所述左右扶手臂前端设有防摔机构。

上述方案中，所述座椅及其左右两侧的座椅支架上设有翻折机构，包括每侧倒“T”字形座椅支架上水平方向的支撑驱动槽和垂直方向的导向槽，该导向槽与座椅上部一侧的销轴配合，支撑驱动槽上加工有齿条，所述座椅内部安装有驱动电机、贯穿于座椅两侧及该侧支撑驱动槽的传动轴，该传动轴中部设有轴中齿轮与驱动电机的输出齿轮啮合，传动轴两端设有端部齿轮分别与左右座椅支架支撑驱动槽中的齿条啮合。

所述行走装置包括置于两前支腿下端的装有带轮毂电机的驱动轮、置于两后支腿下端的万向从动轮。

所述装有万向从动轮的后支腿中设有定轴机构，该定轴机构包括设在后支腿中下部内侧的一个调轴电动推杆，调轴电动推杆与一个万向轮安装板铰接，该万向轮安装板用轴销与后支腿的下端连接后再与万向从动轮的转向轴相连。

所述防摔机构包括左右对称的扶手前臂，每侧扶手前臂均与该侧的扶手后臂通过扶手锁止机构相连接。所述扶手锁止机构包括设置在扶手前臂上的锁止孔、设置在扶手前后臂连接处的扶手后臂内部空腔中的锁止销、复位弹簧及解锁键，当锁止状态时，锁止销在复位弹簧作用下伸出，与锁止孔配合，从而限制扶手前臂相对于扶手后臂的水平转动；开锁时，通过按动解锁键，利用杠杆原理将锁止销下压，松开与锁止孔的配合，扶手前臂即可顺利得打开。

所述扶手前臂上设置手柄，用于安装包括触滑觉传感器、紧急启停按钮、位姿变换开关的人机交互控制接口。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1、实现了功能的多样化设计，具有伴行助力行走、轮椅输送和摔倒防护三大主要功能，相比于市场上现有的智能轮椅，更能满足老年人对助行器福利友好功能上的要求。

2、结构简单轻便，助力伴行和轮椅输送两大功能间的转换更加自然方便；

3、结构更加安全可靠。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1、图2为本发明机器人的总体结构示意图。其中，图1为轮椅输送工况；图2为助力伴行工况。

图3为本发明机器人的扶手助力及防摔机构示意图。

图4为本发明机器人的座椅翻折机构示意图。

图5为本发明机器人的万向从动轮的定轴机构示意图。

图6为图3分体式环绕防摔机构中的扶手锁止机构示意图。

图1至图6中：1-驱动轮(带轮毂电机)；2-座椅；3-前支腿；4-副电动推杆；5-扶手前臂；6-后备箱；7-扶手后臂；8-座椅支架；9-主电动推杆；10-后支腿；11-万向从动轮；12-把手；13-扶手锁止机构；14-扶手垫；15-座椅靠垫；16-支撑驱动槽；16’-导向槽；17-轴端齿轮；17’-销轴；18-传动系统；19-外壳；20-驱动电机；21-电机输出齿轮；22-传动轴；23-轴中齿轮；24-调轴电动推杆；25-万向轮安装板；26-锁止销；27-弹簧；28-解锁键。

具体实施方式

一种助老机器人的伴行装置，参考图1，两个左右对称的前支腿3的下端均装有带轮毂电机的驱动轮1(直径约250mm)，每个前支腿3的中部与一个后支腿10的顶部铰接，形成高度可调的左、右对称的人字撑结构。该左、右人字撑通过位于两前支腿上部之间的后备箱6、位于两前支腿中部内侧之间的座椅2实现四腿稳定结构；每个后支腿10的下端均设置有万向从动轮11(直径约80mm)。座椅2两侧连接有左右对称的座椅支架8，其上设有翻折机构，以实现对座椅2进行竖直收起和水平伸出的运动导向；主电动推杆9两端分别和前支腿3、后支腿10铰接，形成前后支腿之间角度可调的三角支撑(图2)；两套扶手前臂5、扶手后臂7左右对称，形成环形的防摔机构；副电动推杆4两端分别与扶手后臂7、前支腿3铰接，形成扶手后壁和前支腿间角度可调的三角支撑。

装置位置和姿态变换，是通过主电动推杆9实现的，主电动推杆的伸缩运动会引起前、后支腿间的夹角变化，从而实现人字形支腿结构的升高和降低，图1为伴行装置处于轮椅输送工况下的位姿，此时主电动推杆处于伸长状态，前后支腿之间的夹角增大，人字形支腿结构处于低位。

在图1轮椅输送工况下(人坐在座椅2上)，通过对驱动电机1进行差速驱动控制，可以实现装置的前进、后退、左前转向、右前转向、原地左转、原地后转、左后退转向、右后退转向等行走动作。

后备箱作为左右支撑腿的连接部分，包括箱体和靠垫两个部分，箱体用于安装电源、控制电路等，靠垫用来提高座椅的舒适性。

参考图2，此时主电动推杆9处于收缩状态，前后支腿之间的角度减小，人字形支腿位置升高使使用者站立时能够很好得获得辅助支撑(扶手前后臂5、7水平向处于人的腰部)。

参考图3，在扶手助力及防摔状态下，两个左右对称的扶手前臂5分别与两个左右对称的扶手后臂7通过铰链连接，使得扶手前臂可在水平面内转动，方便使用者进出助行工作位。扶手前臂5上设置把手12，用于安装触滑觉传感器、紧急启停按钮、位姿变换开关等作为人机交互控制接口。当使用者就位后，扶手前臂和扶手后臂可以通过位于两者铰接处的内部空腔中锁止机构13进行锁紧，将使用者的腰部约束在一个稳固的环形结构内(扶手前、后臂与座椅靠垫15围成)，起到防摔作用。副电动推杆4对扶手臂起到支撑调节作用：一方面副电动推杆4、扶手后臂7、前支腿3三者形成三角支撑；另一方面，副电动推杆4的伸缩运动可以用于调节扶手后臂的倾角。由于本发明存在两个工作位姿(轮椅输送状态、助力伴行状态)，在两者姿态转化过程中，必须保证扶手后臂始终处于水平位置，故副电动推杆4和主电动推杆9存在伺服随动控制过程，即当主电动推杆9伸长一段距离时，副电动推杆16收缩相应的一段距离；当主电动推杆9收缩一段距离时副电动推杆16应伸长相应的一段距离。另外，当本发明装置运行在斜坡上时，副电动推杆也应做出调整，保持扶手后臂水平，以提高上、下行的安全性。

参考图4，座椅2由外壳19、盖板(图中未画出)构成，座椅翻折机构包括安装于外壳19内的驱动电机20(可采用直流步进电机)、贯穿于座椅外壳下部(翻平后为前侧)及左右座椅支架支撑驱动槽16的传动轴22，驱动电机通过输出齿轮21与轴中齿轮23的啮合将转动力传递给传动轴。单侧座椅支架为倒“T”字形结构，其水平方向前端与该侧的前支腿固连，后端与后备箱固连，其中部加工有水平方向的支撑驱动槽16，支撑驱动槽上加工条形齿；座椅支架竖直部分上加工有导向槽16’，该导向槽与座椅外壳上部(翻平后为后侧)一侧的销轴17’相配合；传动轴两端设有轴端齿轮17，通过与支撑驱动槽上的条形齿啮合，将驱动电机20的转动变为轴端齿轮17的转动并在齿条上爬行，销轴17’在对应侧导向槽16’的约束下连同座椅外壳上部(翻平后为后侧)在竖直方向上上下滑动，从而实现座椅的自动翻折(水平与垂直)以及前后位置的调整。具体运动过程为：当驱动电机20通过传动系统18带动轴端齿轮17做顺时针转动时，轴端齿轮将连同座椅外壳下部(翻平后为前侧)在座椅支架水平方向上向前爬行，同时座椅外壳上部(翻平后为后侧)通过其两侧销轴在两侧导向槽内向下滑动，从而实现座椅的伸出；同理，电机反转亦可实现座椅的折叠。驱动电机20的自锁功能可以保证座椅在垂直状态时不会在重力的作用下自行下滑。

参考图5，装有万向从动轮11的后支腿中设有定轴机构，包括万向轮安装板25、调轴电动推杆24，目的是保证万向轮的转向轴在装置进行不同工况姿态调整的过程中始终保持竖直方向，保证万向从动轮转向的灵活性和可靠性。调轴电动推杆24的两端分别与后支腿10中下部内侧、万向轮安装板25的上端铰接，万向轮安装板25用轴销与后支腿的下端连接，万向轮安装板25上设安装孔，万向从动轮11的转向轴装入其中。当调轴电动推杆24做伸缩运动时将带动万向轮安装板25绕后支腿10的下端销轴转动，从而实现对转向轴垂直倾角的调节。调轴电动推杆24与图1所示主电动推杆9之间也存在伺服随动控制过程：即当主电动推杆9伸长一段距离时，调轴电动推杆24收缩相应的一段距离；当主电动推杆9收缩一段距离时，调轴电动推杆24应伸长相应的一段距离。

参考图6，图3中锁止机构13包括锁止销26、复位弹簧27、解锁键28。当本发明装置处于运行状态(助力伴行工况或轮椅输送工况)时，锁止机构处于锁止状态，即锁止销26在复位弹簧27弹力的作用下伸出，与图3所示扶手前臂5的锁止孔配合，从而限制扶手前臂相对于扶手后臂7的水平转动；当使用者要从装置的环形结构中出来时，通过按动解锁键28，利用杠杆原理将锁止销26下压，松开与扶手前臂4的锁止孔的配合，扶手前臂即可顺利得打开。

本发明采用双人字形的主体结构，可以很自然得实现轮椅输送、助力伴行两种工况位姿间的变化，当主电动推杆收缩时，伴行装置位姿升高，处于助力伴行工位，使用者站立于左右环形扶手内，手臂支撑在扶手垫上，双手握住把手，伴行装置通过安装在把手上的人机交互接口感知使用者的运动意图实现自适应柔顺伴行。当主电动推杆伸出时，伴行装置位姿降低，坐椅在翻折机构作用下从竖直翻平，处于轮椅输送工位，使用者坐在座椅上，双手自然握住把手，通过安装在把手上的人机交互接口对伴行装置进行行走驱动控制。另外，本发明通过设计环形扶手结构，可以对使用者起到有效的助力支撑作用，防止老人向前后左右四个方向的倾倒。

Claims (7)

1.一种助老机器人的伴行装置，包括座椅、行走装置，其特征在于，所述座椅通过其左右两侧的座椅支架连接左右对称的前支腿，每个前支腿的中部与一个后支腿的顶部铰接，前、后支腿之间连接有主伸缩推杆形成高度可调的左、右对称的人字撑结构；所述行走装置与人字撑结构的下端相连，所述座椅后方设有后备箱，该后备箱连接于左右前支腿之间；所述后备箱上部两侧对称设有左右扶手臂，每侧扶手臂均通过一个副伸缩杆与该侧前支腿成三角支撑连接；所述左右扶手臂前端设有防摔机构。

2.如权利要求1所述的助老机器人的伴行装置，其特征在于，所述座椅及其左右两侧的座椅支架上设有翻折机构，包括每侧倒“T”字形座椅支架上水平方向的支撑驱动槽和垂直方向的导向槽，该导向槽与座椅上部一侧的销轴配合，支撑驱动槽上加工有齿条，所述座椅内部安装有驱动电机、贯穿于座椅两侧及该侧支撑驱动槽的传动轴，该传动轴中部设有轴中齿轮与驱动电机的输出齿轮啮合，传动轴两端设有端部齿轮分别与左右座椅支架支撑驱动槽中的齿条啮合。

3.如权利要求1所述的助老机器人的伴行装置，其特征在于，所述行走装置包括置于两前支腿下端的装有带轮毂电机的驱动轮、置于两后支腿下端的万向从动轮。

4.如权利要求3所述的助老机器人的伴行装置，其特征在于，所述装有万向从动轮的后支腿中设有定轴机构，该定轴机构包括设在后支腿中下部内侧的一个调轴电动推杆，调轴电动推杆与一个万向轮安装板铰接，该万向轮安装板用轴销与后支腿的下端连接后再与万向从动轮的转向轴相连。

5.如权利要求1所述的助老机器人的伴行装置，其特征在于，所述防摔机构包括左右对称的扶手前臂，每侧扶手前臂均与该侧的扶手后臂通过扶手锁止机构相连接。

6.如权利要求5所述的助老机器人的伴行装置，其特征在于，所述扶手锁止机构包括设置在扶手前臂上的锁止孔、设置在扶手前后臂连接处的扶手后臂内部空腔中的锁止销、复位弹簧及解锁键，当锁止状态时，锁止销在复位弹簧作用下伸出，与锁止孔配合，从而限制扶手前臂相对于扶手后臂的水平转动；开锁时，通过按动解锁键，利用杠杆原理将锁止销下压，松开与锁止孔的配合，扶手前臂即可顺利得打开。

7.如权利要求6所述的助老机器人的伴行装置，其特征在于，所述扶手前臂上设置手柄，用于安装包括触滑觉传感器、紧急启停按钮、位姿变换开关的人机交互控制接口。