CN202397747U - 助老与助残机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种助老与助残机器人，包括一个能旋转的单目视觉系统、用于识别生活用品和来访客人及障碍物体、一双用于实现人手动作的五指形仿人机械手和用于驱动机器人行走的三角联动轮驱动机构。单目视觉系统自动识别生活用品和来访客人及障碍物；机器人的一双五指形仿人机械手灵巧地完成抓、握、捏、夹、推、拉、敲、打等作业，以便帮助老人与残疾人完成各种动作；机器人的轮式驱动机构用三角联动轮，在任何路况下，三个轮子均有两个着地，机器人因此可以灵活地前、后、左、右移动，上下楼梯，并行走自如；本实用新型可用于防盗监测、安全检查、监护诊疗、辅助行走、物品搬运、家电控制、清洁卫生、家庭娱乐、报时催醒、儿童教育。

Description

助老与助残机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，具体涉及一种助老与助残机器人。

背景技术

根据最新的国情调查资料显示，近二十年来我国的独生子女家庭数量在持续稳定地增长，老年人与残疾人口数量也在逐年上升。由于人们的工作和生活节奏加快，照顾老人与残疾人及教育小孩的时间越来越少。因此，中高收入家庭及一些单位用户都急需要助老与助残机器人来帮助他们完成照料老年人与残疾人和住宅守护等各项工作。

助老与助残机器人主要是指以半自主和全自主方式运行，提供和完成防盗监测、安全检查、监护诊疗、辅助行走、物品搬运、家电控制、清洁卫生、家庭娱乐、报时催醒、儿童教育等服务的机器人，它有益于老人与残疾人的健康和生活。

到目前为止，在欧美、日本等西方发达国家，助老与助残机器人的研究与开发主要集中在医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务、家庭生活服务等方面。现在，国外已经开发出了一些商业化产品，如游泳池清洗机器人、机器人吸尘器、机器人锄草机等。美国Probotics公司1999年生产的Cye小型家用移动式服务机器人，它可牵引一辆小型拖车在室内运送饮料、信件等生活用品，或牵引吸尘器进行室内清扫工作。Cye采用双轮差动驱动方式，环境信息的获取采用地图输入方式，可跟踪声音信号，任务完成后能自动返回总站待命。

美国Denning公司与Windsor工业公司90年代初合作生产的地面吸尘机器人（Robo-Scrub），它采用超声传感检测障碍，并配有高精度激光导航系统。Robo Scrub的导航系统需要光码条来实现机器人定位，限制了其应用范围。Kent公司设计了另外一种清扫机器人Robo Kent。它不需要导引条码或定位路标，但需要操作者辅助其完成对清扫区域周边的探测，因而其清扫区域限于简单的矩形区域。另外，Denning公司还设计了保安机器人Denning Sentry，Help Mate公司设计了医用物品运输机器人 （Help Mate）。

导盲机器人主要是通过摄像机、超声波和红外线传感器来分辨周围是否有障碍物。一旦障碍出现，导盲机器人会感应到，自动避开，并且挑最近的路走。只要在其身上再装几个传感器，比方说方向传感器、声音传感器等就可以为盲人领路。此导盲机器人具有在一个已知环境内自动实现避障和到达目标的功能。系统采用多种传感器的组合，完成导航任务，在已知地图的情况下实现漫游。采用高性能DSP运动控制芯片来实现高精确度的运动控制。使用前，将这个机器人在盲人常去的地方走一遍，让它先认路。如果想去什么地方，只要报一下地名，机器人就会乖乖领路了。

    本田公司从1986年至今已经推出了P系列3种仿人机器人。本田公司的研究宗旨就是“机器人应该要与人类共存并合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从而对人类社会产生附加价值”。本田公司着重设计并不针对特殊任务的一般家用的机器人。这种设计的最大挑战是要让机器人在布满家具的房间中来去自如，而且还要能上下楼梯。本田公司的研究工作，尤其是“P3”和“ASIMO”的推出将仿人机器人的研制工作推上了一个新的台阶，使仿人机器人的研制和生产正式走向实用化、工程化和市场化。

2006年10月，投资近2000万，由江苏扬州大学联手上海交通大学历时四年完成研制的炒菜机器人成功面世。只要把原料交给机器人，揿一下按钮，几分钟后，一道热气腾腾的菜肴就能上桌。这个机器人外表酷似一台冰箱，它内部有一套特制的菜肴软件，使用者只要放入菜料，按照操作提示选择相应的菜名揿按钮，机器人即按程序开始工作，并迅速完成烹饪过程。根据研究人员的设计，它能够制作包括生炒蝴蝶片、水晶虾仁、大煮干丝等60多种菜品，其中50道是淮扬菜。中国菜肴因其复杂和精美，一直难以实现标准化，而这台机器人与传统的一些烹饪设备相比，不仅能完成烤、炸、煮、蒸等工艺，还可以实现中国菜独有的炒、爆、煸、烧、熘等技法，完全模拟人的动作。这对于无法正常做菜和做饭的老人与残疾人来说，无疑是一大福音。

根据联合国欧洲经济委员会在日内瓦发表的世界机器人市场预测报告，家务劳动由机器人代劳在10年后将成为普遍现象。装备了传感器、信息处理系统和机械手臂的机器人可以承担各种各样的家务活动，如吸尘、抹地、收拾餐具、倒垃圾、看门或看护老弱病残者等工作。目前，世界上至少有服务型机器人5000台，主要应用清洁、医疗、水底作业以及家庭服务等领域，其中家庭服务机器人有近2000台。2002年，功能比较简单的自动除尘机器人的总数近50万台，而服务机器人亦有2.4万台。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提出了一种所述的助老与助残机器人，它可以帮助老人和残疾人完成防盗监测、安全检查、监护诊疗、辅助行走、物品搬运、家电控制、清洁卫生、家庭娱乐、报时催醒、儿童教育等服务，它有益于老人与残疾人的健康和生活，具体技术方案如下。

一种助老与助残机器人，其特征在于包括：

——一个能旋转的单目视觉系统，用于识别生活用品和来访客人及障碍物体；

—— 一双用于实现人手动作的五指形仿人机械手；

——用于驱动机器人行走的三角联动轮驱动机构。

上述的助老与助残机器人中，所述单目视觉系统包括由一个摄像机和两个用于控制摄像机上、下、左、右运动的直流伺服电机。

上述的助老与助残机器人中，所述一双五指形仿人机械手共包括21个关节，其中一双手有21×2个自由度，一双手臂和一双手腕有7×2个自由度。

上述的助老与助残机器人中，21个关节均各自采用小型直流伺服电机驱动，在各个小型直流伺服电机上安装有测量关节角度的光电编码器。

上述的助老与助残机器人中，所述三角联动轮驱动机构包括材质和大小完全相同的四套三角联动轮组成，其中两套三角联动轮通过轮轴联接起来并安装在机器人底部的前端，另外两套三角联动轮通过轮轴联接起来且安装在机器人底部的后端。

上述的助老与助残机器人中，每套三角联动轮由三个圆形轮子构成，所述的三个圆形轮子分别固定在正三角形支架的三个角上，在任何路况下三个轮子均有两个着地，以提供良好、有效的摩擦。两节式的车体可以让整车随地形起伏，及时改变重心的位置。无论如何翻滚，车总是轮子着地，车身腾空的。助老与助残机器人因此可以灵活地前、后、左、右移动，上下楼梯，并行走自如。

上述的助老与助残机器人中，还包括控制电路，所述单目视觉系统的摄像头及伺服电机、五指形仿人机械手的各个伺服电机和三角联动轮驱动机构的伺服电机均各自与控制电路连接，由控制电路控制个伺服电机的工作。

上述的助老与助残机器人中，所述控制电路还连接有红外传感器、超声传感器、温度传感器、火焰传感器、可燃气体传感器、声音传感器、光敏传感器、碰撞传感器和数字指南针（传感器），控制电路采集这些传感器的数据，根据内部程序对传感器检测到的数据进行分析和判断并通过有线或无线通信将检测结果发送给老人或残疾人或存储在数据库中。

上述的助老与助残机器人中，所述控制电路通过人机交互接口与无线遥控器、触摸屏、互联网、手机短信、语音、键盘和鼠标进行通信连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果： 

1）单目视觉系统可以利用诸如编号，建筑物本身的信息等，自律地或和人一起协同工作；助老与助残机器人的数据库中还可以找到一些其它的信息。如有关工作地点的分布情况，电话号码等。需要时可与他们进行联系；在日常服务中，数据库可以自动更新。

2）单目视觉系统可以在家庭、医院、工厂、超市、餐厅、街道、公园等场所，帮助老人与残疾人，特别是盲人实时地识别一些生活用品和来访客人及路障等，并在机器人的数据库中快速地进行比对，以便及时地完成各种动作或鉴别来访人员身份及障碍物；

3) 单目视觉系统可以获取障碍物的图像信息，利用超声波和红外线传感器探测障碍物的距离和大小等信息。据此计算在机器人运动方向上障碍物的遮挡空间或者多个障碍物之间的实际距离，再根据机器人自身的尺寸计算避开障碍物应该转动的方向及角度，从而实现自律导航；

4）五指形仿人机械手及其手腕和手臂根据接手腕处装配的力/力矩反馈对手及其手腕和手臂的惯性、粘性、刚性参数进行调节，对机械手及其手腕和手臂进行协调控制；通过机械手作业描述语言，可以对一双机械手及其双手腕和双手臂进行协调控制，在实际环境下是替代老人和残疾人完成各种复杂的工作，比如用其帮助老人和残疾人吃饭和喝水等。

5）一双具有5个手指及手掌的仿人机械手；按照确定好的五指形仿人机械手的关节设置和几何尺寸，用小型直流伺服电机作为各个关节的驱动机构。在各个小型直流伺服电机上安装测量关节角度的光电编码器；

6）五指形仿人机械手的运动学和动力学数学模型；采用五指形仿人机械手的前向运动学和动力学来计算各手指及手掌的关节角轨迹，检验控制算法。

7）助老与助残机器人的驱动机构采用行星轮链接式越野底盘——三角联动轮驱动机构（即三角行星轮驱动系统），在路况良好的情况下，运动子轮平稳行驶，遇到小型障碍三角机构自动翻转轻松翻越障碍；

8）底盘与车体为链接式，当遇到大型障碍时及时自动调整整车重心，有效防止了车体的倾覆；链接式的车体可以自动调整车体重心，使行星轮结构的优势发挥到最大，越障高度可以高于整组行星轮结构的高度。三角轮链接式底盘能够快速适应不断变化的地面特性，可以攀越楼梯等复杂障碍，具有极强的机动性、灵活性和地面适应性；

9）这种结构的越垂直障碍的高度能达到其一个小车轮高度的1.5倍左右。通过两侧驱动电机差速实现的转向，半径从0到无穷大都可以实现，非常灵活，不会出现跑偏的问题。

附图说明

图1 是实施方式中的助老与助残机器人示意图。

图2 是实施方式中助老与助残机器人单目视觉控制系统控制流程示意图。

图3 是实施方式中助老与助残机器人硬件组成。

图4a和图4b是实施方式中助老与助残机器人驱动机构行走示意图。

具体实施方式

以上内容已经对本实用新型作了清楚的说明，本领域技术人员可以根据该内容进行实施，以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施不限于此。

如图1，助老与助残机器人包括单目视觉系统， 2左手腕和手臂，3右手腕和手臂，4驱动机构。

其中所示可旋转的单目视觉系统，用于识别生活用品和来访客人及障碍物体等目标识别和障碍避免作业；由一个摄像机、两个直流伺服电机构成，一个摄像机相当于人的一个眼球，分别具有上、下、左、右运动功能。如图2所示，为单目视觉控制系统的控制流程示意图，摄像头采集图像数据，并将数据发送给图像处理器进行处理，再由控制电路进行分析，对采集到的图像进行判断，同时还可以通过超声传感器对检查到的障碍物进行测距。

所示一双五指形仿人机械手，用于完成抓、握、推、拉、插、按、剪、切、敲、打作业，以便帮助老人与残疾人，特别是帮助那些肢体残障的人员能够自己吃饭和喝水，以及自理地完成一些生活琐事；所述的一双五指形仿人机械手均由拇指、食指、中指、无名指、小拇指、手掌构成，所述的每一只五指形仿人机械手由拇指、食指、中指、无名指、小拇连接到手掌而构成，所述的每一个手指均分别包含3个用于弯曲功能的直流伺服电机和1个用于旋转弯曲功能的直流伺服电机，手掌只有1个用于弯曲功能的直流伺服电机。手掌及其五个手指共包括21个关节，一双手有21×2=42个自由度、一双手臂和一双手腕有7×2=14个自由度。

所示三角联动轮驱动机构，用三角联动轮代替了普通轮胎，在任何路况下三个轮子均有两个着地，以提供良好、有效的摩擦。本实施方式还采用两节式的车体，可以让整车随地形起伏，及时改变重心的位置。无论如何翻滚，车总是轮子着地，车身腾空的。通过直流电机和减速箱以及驱动轮和导向轮等使机器人灵活地前、后、左、右移动，上下楼梯，并且行走自如。

如图4所示，所述三角联动轮驱动机构包括材质和大小完全相同的四套三角联动轮组成，其中两套三角联动轮通过轮轴联接起来并安装在机器人底部的前端，另外两套三角联动轮通过轮轴联接起来且安装在机器人底部的后端。每套三角联动轮由三个圆形轮子构成，所述的三个圆形轮子6分别固定在正三角形支架5的三个角上，在任何路况下三个轮子均有两个着地。

图3所示主机板包含有控制电路，所述单目视觉系统的摄像头及伺服电机、五指形仿人机械手的各个伺服电机和三角联动轮驱动机构的伺服电机均各自与控制电路连接，由控制电路控制个伺服电机的工作。所述控制电路还连接有红外传感器、超声传感器、温度传感器、火焰传感器、可燃气体传感器、声音传感器、光敏传感器、碰撞传感器和数字指南针（传感器），控制电路采集这些传感器的数据，根据内部程序对传感器检测到的数据进行分析和判断并通过有线或无线通信将检测结果发送给老人或残疾人或存储在数据库中。

本实施方式的助老与助残机器人，其主体材料为防锈铝合金及部分不锈钢，整机重量小于15 kg；执行部件为五指形仿人机械手，可以夹持重量不大于1 kg物品；控制方式采用人机交互接口（无线遥控、互联网、手机短信等）多种指令控制方式；移动速度0－0.2 m/秒可调；外型尺寸320×320×400 mm³；供电采用可充电镍氢电池，可连续运行10小时；

本实施方式的助老与助残机器人，老人与残疾人在日常生活中可以随时地通过人机交互接口（无线遥控器、触摸屏、互联网、手机短信、语音、键盘、鼠标）命令、中断或暂停机器人完成各种工作。

通过上述方案，助老与助残机器人利用感知系统及其相关程序（包括CCD摄像机与人脸及障碍物等识别程序、红外传感器与障碍检测程序、超声传感器与距离测量程序、温度传感器与室温检测程序、火焰传感器与火灾报警程序、可燃气体传感器与易燃气体检测程序、声音传感器与语音识别程序、光敏传感器与识别报时催醒程序、碰撞传感器与障碍避免程序、数字指南针与辩识方向程序等）来完成识别生活用品和来访客人及障碍物体等目标识别和障碍避免作业。

本实施方式中，助老与助残机器人的控制电路采用美国Motolar公司高可靠性的单片机系统。它集成了CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、A/D、输入输出接口、中断和复位系统等各种部件。用了其CPU较强的计算能力和丰富的指令集。此外，“助老与助残机器人”的控制器可以采用无线遥控器、互联网、手机短信控制等。

 除上述已述及的相关程序外，本助老与助残机器人的控制电路还可以包含有如下程序：录放声卡及简单会话程序；无线遥控器及遥控程序；互联网控制程序；手机短信控制程序； 5自由度机械手臂及抓握控制程序。

Claims (9)

1.一种助老与助残机器人，其特征在于包括：

——一个能旋转的单目视觉系统，用于识别生活用品和来访客人及障碍物体；

—— 一双用于实现人手动作的五指形仿人机械手；

——用于驱动机器人行走的三角联动轮驱动机构。

2.根据权利要求1所述的助老与助残机器人，其特征在于所述单目视觉系统包括由一个摄像机和两个用于控制摄像机上、下、左、右运动的直流伺服电机。

3.根据权利要求1所述的助老与助残机器人，其特征在于所述一双五指形仿人机械手共包括21个关节，其中一双手有21×2个自由度，一双手臂和一双手腕有7×2个自由度。

4.根据权利要求3所述的助老与助残机器人，其特征在于21个关节均各自采用小型直流伺服电机驱动，在各个小型直流伺服电机上安装有测量关节角度的光电编码器。

5.根据权利要求1所述的助老与助残机器人，其特征在于所述三角联动轮驱动机构包括材质和大小完全相同的四套三角联动轮组成，其中两套三角联动轮通过轮轴联接起来并安装在机器人底部的前端，另外两套三角联动轮通过轮轴联接起来且安装在机器人底部的后端。

6.根据权利要求5所述的助老与助残机器人，其特征在于每套三角联动轮由三个圆形轮子构成，所述的三个圆形轮子分别固定在正三角形支架的三个角上，在任何路况下三个轮子均有两个着地。

7.根据权利要求1~6任一项所述的助老与助残机器人，其特征在于还包括控制电路，所述单目视觉系统的摄像头及伺服电机、五指形仿人机械手的各个伺服电机和三角联动轮驱动机构的伺服电机均各自与控制电路连接。

8.根据权利要求7所述的助老与助残机器人，其特征在于所述控制电路还连接有红外传感器、超声传感器、温度传感器、火焰传感器、可燃气体传感器、声音传感器、光敏传感器、碰撞传感器和数字指南针。

9.根据权利要求7所述的助老与助残机器人，其特征在于所述控制电路通过人机交互接口与无线遥控器、触摸屏、互联网、手机短信、语音、键盘和鼠标进行通信连接。

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