CN105234944A

CN105234944A - 一种护理机器人与运动控制系统

Info

Publication number: CN105234944A
Application number: CN201510559421.2A
Authority: CN
Inventors: 陈殿生; 罗玄海; 张本光
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2015-09-06
Filing date: 2015-09-06
Publication date: 2016-01-13

Abstract

本发明公开一种护理机器人与运动控制系统，包括硬件平台和运动控制系统；其中硬件平台包括全向移动底盘、躯干骨架结构、自主充电模块、双目视觉模块、机械臂模块、显示屏模块。运动控制系统采用广义矩阵对四个麦克纳姆轮矩形分布的移动底盘进行正逆运动学分析，实现底盘中心速度的闭环控制与反馈；基于底盘四个方向的超声波传感器与速度值线性映射设定阈值实现底盘的避障控制。运动控制系统实现了护理机器人全向灵活运动、自主避障、自主充电等功能。本发明属于一种智能化室内移动机器人，满足了老年人对于生活辅助的多样化需求。

Description

一种护理机器人与运动控制系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，确切地说，是一种具备自主移动、环境感知、取物开门、人机交互等功能的智能护理机器人。

背景技术

我国老年人口比例的增长速度呈现加速趋势，将持续到2050年；其中老年残疾人占所有残疾人的比例为53.2％，由于各种残疾导致行动不便的老人的数量相当惊人；同时，空巢老人的比例逐年提高。相当一部分老人不与子女同住，身边也没有雇佣人员照顾。专业护理人员严重缺乏，护理费用也在不断提高。绝大部分家庭都缺乏专业的家庭医疗信息服务，老年人就医也非常困难。随着护理人员的人力成本越来越高，护理机器人取代保姆成为一大趋势，用护理机器人来服务于广大老年人已然成为未来老年护理的必选方式之一。具体到生活场景中，当老年人需要帮助时，护理机器人科研辅助老年人完成一些动作，如取送物品、开关门等；当老年人需要精神上的陪伴时，机器人可以充当一个电子宠物，为老人提供娱乐方面的服务；同时，机器人还监控者室内各项参数指标，保障老人的生命安全和维持室内良好的环境。

现有的护理机器人相关专利产品结构过于简单，功能简单化、单一化，控制系统阐述不清，可实施性不强。经过对现有技术的检索发现，申请号为CN201210418615.7的发明专利“家居服务机器人”，包括一躯干、一头部和四肢，各部分可拆卸，且头部包括一表情显示装置，可以根据控制信号显示表情，但应用场景简单，无法实现生活辅助的功能；申请号为CN201110239654.6的发明专利“护理机器人”，是采用分体式双层床面结构，是一种智能代步工具，可满足护理中的多样化体位要求和智能坐便要求，与本专利所涉及的室内移动机器人不是一个类型，虽然名称一致，但功能上没有可比性；申请号为CN201410706366.0的发明专利“一种宠物型陪护机器人及系统”，包括宠物外壳及设置在宠物外壳内部的传感器部件、主控制器及执行部件，但很显然，该机器人功能实现较为简单，且并不具备自主移动及辅助完成取物开门等功能。

发明内容

本发明专利针对上述现有技术存在的不足，提供一种护理机器人与运动控制系统，该专利所述内容包括机器人硬件平台与其运动控制系统，使得机器人具备灵活的全向运动、自主避障、自主充电等功能。本发明属于一种智能化室内移动机器人，满足了老年人对于生活辅助的多样化需求。

一种护理机器人与运动控制系统，其特征在于：包括硬件平台和运动控制系统；

所述硬件平台包括全向移动底盘、躯干骨架结构、自主充电模块、双目视觉模块、机械臂模块、显示屏模块；

所述全向移动底盘包括底盘结构、电机及全向轮模块、驱动器模块、车载充电模块、激光雷达模块、超声波传感器模块和移动电源模块；

所述底盘结构为具备连接孔和走线孔的中凹形钢板，中凹处可放置四个移动电源模块；其上表面通过三角连接件与躯干骨架结构相固连，且安装有车载充电模块和激光雷达连接板；

所述电机及全向轮模块包括直流伺服电机、电机安装支架、联轴器、电机连接轴、轮轴、轴承座、轴承、啮合直齿轮、全向轮；

所述驱动器模块包括电机驱动器和驱动器安装支架；所述驱动器安装支架为凸形薄钢板，一个驱动器安装支架可以在其安装平面上下布置两个驱动器；

所述车载充电模块为L形钢板，钢板一面布置有两块充电接触铜片，安装在底盘结构的正后位置，且同为自主充电模块的车载部分；

所述激光雷达模块包括激光雷达和激光雷达连接板；所述激光雷达连接板为矩形钢板结构，其孔位与激光雷达安装孔相对应；

所述超声波传感器模块包括超声波传感器和其连接件；所述连接件为小尺寸的L形钢片，将超声波传感器固定在底盘结构的四周；

所述移动电源模块包含四个铅酸蓄电池，放置于底盘结构的中凹处，且通过电池放置处四周的螺栓进行定位，防止电源在机器人运动过程中位置的改变；

所述躯干骨架结构由铝合金材料架构而成，底部的两根横置铝型材杆件通过三角连接件与底盘结构相固连，向上分为两层，一层用于安装工控机、电源转换模块和控制器，另一层用于安装双目视觉模块、机械臂模块和显示屏模块；其特征为下层面积大于上层面积，并使得机械臂模块安装位置位于底盘结构的正中心，可提高整机的稳定性；内部空间较大，便于电线布置与功能扩展；在机械臂模块安装位处通过四根铝合金杆件垂直支撑，增加支撑强度；结构顶部固定有上支撑板，所述支撑板为钢板结构，具备安装孔与走线孔，是连接双目视觉模块、机械臂模块和显示屏模块的安装平面；

所述自主充电模块包括车载充电模块和充电器组装模块；所述充电器组装模块包括充电器、支撑架构和弹簧柱塞模块；所述支撑架构由角钢、角钢桁架、底盖和底脚构成，为长方体结构件，充电器放置于该支撑架构的上侧；所述弹簧柱塞模块包括弹簧柱塞、弹簧柱塞支架和弹簧柱塞面板；所述弹簧柱塞为较细的圆柱钢管结构，钢管内置缓冲钢制弹簧，弹簧外连长条形铜帽，当长柱形铜帽与车载充电模块的接触铜片相接触时即可开始充电过程；所述弹簧柱塞支架和弹簧柱塞面板为钢板材质，用于将弹簧柱塞的钢管部分固定在所述支撑架构上；

所述双目视觉模块包括双目视觉摄像头、二自由度云台、支撑框架结构；所述二自由度云台具备旋转和俯仰两个自由度，下部与支撑框架结构连接，上部与双目视觉摄像头连接；所述支撑框架结构为铝合金材质杆件组合而成，是双目视觉模块与躯干骨架结构中上支撑板连接的部件；

所述机械臂模块包括多自由度机械臂和机械臂安装底座；所述机械臂安装底座为弯角为50°的粗弯管两端焊接连接圆形平面而成，上连多自由度机械臂，下连躯干骨架结构中上支撑板；

所述显示屏模块包括显示屏、显示屏外壳、1自由度舵机系统、连接弯管、安装法兰；所述显示屏外壳内嵌显示屏，外连1自由度舵机系统，从而完成显示屏的旋转；所述1自由度舵机系统包括舵机、舵机法兰、限位部件、轴承、轴承座，上述所有部件均固定在连接弯管末端的焊接平面上；所述连接弯管弯角为90°，下端与安装法兰固连；所述安装法兰为整个显示屏模块与躯干骨架结构中上支撑板连接的部件；

所述运动控制系统用来实现护理机器人底盘的运动与避障，包括遥控发射器、遥控接收器、上位机、USB转CAN模块、控制器、电机驱动器、编码器、超声波传感器。

所述遥控发射器与遥控接收器配套，配套设备具有4个通道，4个通道功能分别为：控制底盘沿X轴方向移动速度；控制底盘沿Y轴方向移动速度；控制底盘沿Z轴方向转动速度；上位机与遥控器控制模式的切换。

所述遥控发射器发射信号，遥控接收器接收信号并将信号传输给控制器，控制器根据第4通道设置当前为遥控器控制模式或上位机控制模式。当为遥控器控制模式时，控制器根据通道1～3的值分别控制底盘沿X\Y\Z轴方向的速度。当为上位机控制模式时，上位机发送USB信号，通过USB转CAN模块将其转化为CAN总线信号并将信号发送给控制器，控制器根据接收到的数据信息控制底盘沿X\Y\Z轴方向的速度。

所述遥控器与上位机用来将移动底盘机构的X、Y、Z轴方向的速度v_x、v_y、w_z发送给控制器，控制器将遥控器或上位机发送的X、Y、Z轴方向的速度v_x、v_y、w_z转化为4个麦克纳姆轮的角速度w₁、w₂、w₃、w₄：

[\begin{matrix} w_{1} \\ w_{2} \\ w_{3} \\ w_{4} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{1}{R} & - \frac{1}{R t a n α} & - \frac{l_{1} t a n α + l_{2}}{R t a n α} \\ \frac{1}{R} & \frac{1}{R t a n α} & \frac{l_{1} t a n α + l_{2}}{R t a n α} \\ \frac{1}{R} & \frac{1}{R t a n α} & - \frac{l_{1} \tan α + l_{2}}{R \tan α} \\ \frac{1}{R} & - \frac{1}{R t a n α} & \frac{l_{1} t a n α + l_{2}}{R \tan α} \end{matrix}] [\begin{matrix} v_{x} \\ v_{y} \\ w_{z} \end{matrix}]

其中，w₁、w₂、w₃、w₄分别为位于左前、右前、左后、右后的麦克纳姆轮角速度，R为麦克纳姆轮半径，α为麦克纳姆轮的偏置角，l₁为底盘中心与4个麦克纳姆轮的横向距离，l₂为底盘中心与4个麦克纳姆轮的纵向距离。麦克纳姆轮角速度是由电机角速度经减速器减速与齿轮减速得到，由4个麦克纳姆轮角速度可以得到4个电机的角速度。

由此，通过控制器将4个电机的角速度值发送给分别控制4个电机的驱动器，从而通过4个驱动器分别控制4个电机的角速度，实现移动底盘的全向移动。

由所述的编码器采集电机的角速度，根据电机的减速比与齿轮减速比计算得到4个麦克纳姆轮角速度，由4个麦克纳姆轮的角速度w₁、w₂、w₃、w₄转化为移动底盘中心在X、Y、Z轴方向的速度v_x、v_y、w_z，并将其返回给上位机：

[\begin{matrix} v_{x} \\ v_{y} \\ w_{z} \end{matrix}] [\begin{matrix} \frac{R}{4} & \frac{R}{4} & \frac{R}{4} & \frac{R}{4} \\ - \frac{R \tan α}{4} & \frac{R \tan α}{4} & \frac{R \tan α}{4} & - \frac{R \tan α}{4} \\ - \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} & \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} & - \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} & \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} \end{matrix}] [\begin{matrix} w_{1} \\ w_{2} \\ w_{3} \\ w_{4} \end{matrix}]

所述超声波传感器分别安装在移动底盘4个方向上，采用分时控制的方法依次对各个超声波传感器进行测量。超声波的上阈值与下阈值分别为T_H与T_L，所在方向的速度范围为0～V_max，将超声波上下阈值与速度最大最小值呈线性对应，可获得对应速度的阈值距离。当移动底盘所在速度方向与障碍物的距离小于该阈值时，控制移动底盘停止移动，否则，移动底盘保持原有的运动状态。4个方向同理。

附图说明

图1为本发明中护理机器人整体结构示意图；

图2为本发明中护理机器人全向移动底盘模块结构组成示意图；

图3为本发明中护理机器人自主充电模块结构组成示意图；

图4为本发明中护理机器人显示屏模块结构组成示意图；

图5为本发明中护理机器人整体详细结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明为一种护理机器人与运动控制系统，包括硬件平台1和运动控制系统2；硬件平台1为该机器人的机械系统及主体部分，是传感器系统、控制系统的承载平台，运动控制系统2实现了护理机器人全向灵活运动、自主避障、自主充电等功能。

所述硬件平台1包括全向移动底盘11、躯干骨架结构12、自主充电模块13、双目视觉模块14、机械臂模块15、显示屏模块16，如图1所示。

所述全向移动底盘11包括底盘结构111、电机及全向轮模块112、驱动器模块113、车载充电模块114、激光雷达模块115、超声波传感器模块116和移动电源模块117，如图2所示和图5所示。

所述底盘结构111为具备连接孔和走线孔的中凹形钢板，中凹处可放置四个移动电源模块117；其上表面通过三角连接件118与躯干骨架结构12相固连，且安装有车载充电模块114和激光雷达连接板1152，如图2和图5所示。

所述电机及全向轮模块112包括直流伺服电机1121、电机安装支架1122、联轴器1123、电机连接轴1124、轮轴1125、轴承座与轴承1126、啮合直齿轮1127、全向轮1128，如图2所示。

所述驱动器模块113包括电机驱动器1131和驱动器1132安装支架；所述驱动器安装支架1132为凸形薄钢板，一个驱动器安装支架1132可以在其安装平面上下布置两个驱动器113，如图2所示。

所述车载充电模块114为L形钢板1141，钢板一面布置有两块充电接触铜片1142，安装在底盘结构111的正后位置，且同为自主充电模块13的车载部分，如图2和图5所示。

所述激光雷达模块115包括激光雷达1151和激光雷达连接板1152；所述激光雷达连接板1152为矩形钢板结构，其孔位与激光雷达1151安装孔相对应，如图2所示。

所述超声波传感器模块116包括超声波传感器1161和其连接件1162；所述连接件1162为小尺寸的L形钢片，将超声波传感器固定在底盘结构的四周，如图2所示。

所述移动电源模块117包含四个铅酸蓄电池，放置于底盘结构的中凹处，且通过电池放置处四周的螺栓进行定位，防止电源在机器人运动过程中位置的改变，如图2和图5所示。

所述躯干骨架结构12由铝合金材料架构而成，底部的两根横置铝型材杆件121通过三角连接件118与底盘结构111相固连，向上分为两层，一层用于安装工控机122、电源转换模块123和控制器，另一层用于安装双目视觉模块14、机械臂模块15和显示屏模块16；其特征为下层面积大于上层面积，并使得机械臂模块15安装位置位于底盘结构111的正中心，可提高整机的稳定性；内部空间较大，便于电线布置与功能扩展；在机械臂模块15安装位处通过四根铝合金杆件123垂直支撑，增加支撑强度；结构顶部固定有上支撑板124，所述支撑板124为钢板结构，具备安装孔与走线孔，是连接双目视觉模块14、机械臂模块15和显示屏模块16的安装平面，如图1和图5所示。

所述自主充电模块13包括车载充电模块114和充电器组装模块131；所述充电器组装模块131包括充电器1311、支撑架构1312和弹簧柱塞模块1313；所述支撑架构1312由角钢1312a、角钢桁架1312b、底盖1312c和底脚1312d构成，为长方体结构件，充电器1311放置于该支撑架构1312的上侧；所述弹簧柱塞模块1313包括弹簧柱塞1313a、弹簧柱塞支架1313b和弹簧柱塞面板1313c；所述弹簧柱塞1313a为较细的圆柱钢管结构，钢管内置缓冲钢制弹簧，弹簧外连长条形铜帽，当长柱形铜帽与车载充电模块114的接触铜片相接触时即可开始充电过程；所述弹簧柱塞支架1313b和弹簧柱塞面板1313c为钢板材质，用于将弹簧柱塞1313a的钢管部分固定在所述支撑架构1312上，如图3所示。

所述双目视觉模块14包括双目视觉摄像头141、二自由度云台142、支撑框架结构143；所述二自由度云台142具备旋转和俯仰两个自由度，下部与支撑框架结构143连接，上部与双目视觉摄像头141连接；所述支撑框架结构143为铝合金材质杆件组合而成，是双目视觉模块14与躯干骨架结构12中上支撑板124连接的部件，如图5所示。

所述机械臂模块15包括多自由度机械臂151和机械臂安装底座152；所述机械臂安装底座152为弯角为50°的粗弯管两端焊接连接圆形平面而成，上连多自由度机械臂151，下连躯干骨架结构12中上支撑板124，如图5所示。

所述显示屏模块16包括显示屏161、显示屏外壳162、1自由度舵机系统163、连接弯管164、安装法兰165；所述显示屏外壳162内嵌显示屏161，外连1自由度舵机系统163，从而完成显示屏161的旋转；所述1自由度舵机系统163包括舵机1631、舵机法兰1632、限位部件1633、轴承和轴承座1634，上述所有部件均固定在连接弯管164末端的焊接平面上；所述连接弯管164弯角为90°，下端与安装法兰165固连；所述安装法兰165为整个显示屏模块16与躯干骨架结构12中上支撑板124连接的部件，如图4所示。

[\begin{matrix} w_{1} \\ w_{2} \\ w_{3} \\ w_{4} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{1}{R} & - \frac{1}{R t a n α} & - \frac{l_{1} t a n α + l_{2}}{R t a n α} \\ \frac{1}{R} & \frac{1}{R t a n α} & \frac{l_{1} t a n α + l_{2}}{R t a n α} \\ \frac{1}{R} & \frac{1}{R t a n α} & - \frac{l_{1} \tan α + l_{2}}{R \tan α} \\ \frac{1}{R} & - \frac{1}{R t a n α} & \frac{l_{1} t a n α + l_{2}}{R \tan α} \end{matrix}] [\begin{matrix} v_{x} \\ v_{y} \\ w_{z} \end{matrix}]

[\begin{matrix} v_{x} \\ v_{y} \\ w_{z} \end{matrix}] [\begin{matrix} \frac{R}{4} & \frac{R}{4} & \frac{R}{4} & \frac{R}{4} \\ - \frac{R \tan α}{4} & \frac{R \tan α}{4} & \frac{R \tan α}{4} & - \frac{R \tan α}{4} \\ - \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} & \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} & - \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} & \frac{R \tan α}{4 (l_{1} \tan α + l_{2})} \end{matrix}] [\begin{matrix} w_{1} \\ w_{2} \\ w_{3} \\ w_{4} \end{matrix}]

Claims

1.一种护理机器人与运动控制系统，其特征在于：包括硬件平台和运动控制系统；

2.如权利要求1所述一种护理机器人与运动控制系统，其特征在于：所述全向移动底盘整体外形俯视为矩形，四个全向轮两两异侧布置；采用一对啮合直齿轮传动，使得四个电机交错布置以获得较窄的底盘宽度；从电机轴至全向轮的传动链为：电机轴、联轴器、电机连接轴、小齿轮、大齿轮、轮轴、全向轮。

3.如权利要求1所述一种护理机器人与运动控制系统，其特征在于：所述三角连接件共有4种，截面都为三角形；三角连接件的一侧顶住横至的铝合金杆件，一侧顶在底盘结构上，通过螺栓紧固从而将铝合金杆件固定在底盘结构；其与底盘结构固连的部分的孔位与底盘结构下侧的轴承座孔位相对应，从而一根螺栓可将三角连接件、底盘结构、轴承座三者固连在一起，增加了整体的稳定性。

4.如权利要求1所述一种护理机器人与运动控制系统，其特征在于：所示二自由度云台由两个舵机驱动，与双目视觉摄像头连接的是铝制U形板，下部舵机通过止推轴承带动上部进行旋转运动。