助老與助殘機器人的製作方法

2024-01-30 05:13:15

專利名稱：助老與助殘機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種機器人，具體涉及ー種助老與助殘機器人。
背景技術：
根據最新的國情調查資料顯示，近二十年來我國的獨生子女家庭數量在持續穩定地增長，老年人與殘疾人口數量也在逐年上升。由於人們的工作和生活節奏加快，照顧老人與殘疾人及教育小孩的時間越來越少。因此，中高收入家庭及一些單位用戶都急需要助老與助殘機器人來幫助他們完成照料老年人與殘疾人和住宅守護等各項工作。助老與助殘機器人主要是指以半自主和全自主方式運行，提供和完成防盜監測、 安全檢查、監護診療、輔助行走、物品搬運、家電控制、清潔衛生、家庭娛樂、報時催醒、兒童教育等服務的機器人，它有益於老人與殘疾人的健康和生活。到目前為止，在歐美、日本等西方發達國家，助老與助殘機器人的研究與開發主要集中在醫療福利服務、商場超市服務、餐廳旅館服務、維修清洗服務、家庭生活服務等方面。現在，國外已經開發出了ー些商業化產品，如遊泳池清洗機器人、機器人吸塵器、機器人鋤草機等。美國Probotics公司1999年生產的Cye小型家用移動式服務機器人,它可牽引一輛小型拖車在室內運送飲料、信件等生活用品，或牽引吸塵器進行室內清掃工作。Cye採用雙輪差動驅動方式，環境信息的獲取採用地圖輸入方式，可跟蹤聲音信號，任務完成後能自動返回總站待命。美國Denning公司與Windsorエ業公司90年代初合作生產的地面吸塵機器人(Robo-Scrub),它採用超聲傳感檢測障礙,並配有高精度雷射導航系統。Robo Scrub的導航系統需要光碼條來實現機器人定位，限制了其應用範圍。Kent公司設計了另外ー種清掃機器人Robo Kent。它不需要導引條碼或定位路標，但需要操作者輔助其完成對清掃區域周邊的探測，因而其清掃區域限於簡單的矩形區域。另外，Denning公司還設計了保安機器人Denning Sentry, Help Mate公司設計了醫用物品運輸機器人(Help Mate)。導盲機器人主要是通過攝像機、超聲波和紅外線傳感器來分辨周圍是否有障礙物。一旦障礙出現，導盲機器人會感應到，自動避開，並且挑最近的路走。只要在其身上再裝幾個傳感器，比方說方向傳感器、聲音傳感器等就可以為盲人領路。此導盲機器人具有在一個已知環境內自動實現避障和到達目標的功能。系統採用多種傳感器的組合，完成導航任務，在已知地圖的情況下實現漫遊。採用高性能DSP運動控制晶片來實現高精確度的運動控制。使用前，將這個機器人在盲人常去的地方走一遍，讓它先認路。如果想去什麼地方，只要報ー下地名，機器人就會乖乖領路了。本田公司從1986年至今已經推出了 P系列3種仿人機器人。本田公司的研究宗旨就是「機器人應該要與人類共存併合作，做人類做不到的事，開拓機動性的新領域，從而對人類社會產生附加價值」。本田公司著重設計並不針對特殊任務的一般家用的機器人。這種設計的最大挑戰是要讓機器人在布滿家具的房間中來去自如，而且還要能上下樓梯。本田公司的研究工作，尤其是「P3」和「ASM0」的推出將仿人機器人的研製工作推上了ー個新的臺階，使仿人機器人的研製和生產正式走向實用化、工程化和市場化。2006年10月，投資近2000萬，由江蘇揚州大學聯手上海交通大學歷時四年完成研製的炒菜機器人成功面世。只要把原料交給機器人，撳ー下按鈕，幾分鐘後，一道熱氣騰騰的菜餚就能上桌。這個機器人外表酷似一臺冰箱，它內部有一套特製的菜餚軟體，使用者只要放入菜料，按照操作提示選擇相應的菜名撳按鈕，機器人即按程序開始工作，並迅速完成烹飪過程。根據研究人員的設計，它能夠製作包括生炒蝴蝶片、水晶蝦仁、大煮乾絲等60多種菜品，其中50道是淮揚菜。中國菜餚因其複雜和精美，一直難以實現標準化，而這臺機器人與傳統的一些烹飪設備相比，不僅能完成烤、炸、煮、蒸等エ藝，還可以實現中國菜獨有的炒、爆、煸、燒、熘等技法，完全模擬人的動作。這對於無法正常做菜和做飯的老人與殘疾人來說，無疑是一大福音。根據聯合國歐洲經濟委員會在日內瓦發表的世界機器人市場預測報告，家務勞動 由機器人代勞在10年後將成為普遍現象。裝備了傳感器、信息處理系統和機械手臂的機器人可以承擔各種各樣的家務活動，如吸塵、抹地、收拾餐具、倒垃圾、看門或看護老弱病殘者等工作。目前，世界上至少有服務型機器人5000臺，主要應用清潔、醫療、水底作業以及家庭服務等領域，其中家庭服務機器人有近2000臺。2002年，功能比較簡單的自動除塵機器人的總數近50萬臺，而服務機器人亦有2. 4萬臺。

實用新型內容本實用新型的目的在於針對現有技術存在的缺陷，提出了一種所述的助老與助殘機器人，它可以幫助老人和殘疾人完成防盜監測、安全檢查、監護診療、輔助行走、物品搬運、家電控制、清潔衛生、家庭娛樂、報時催醒、兒童教育等服務，它有益於老人與殘疾人的健康和生活，具體技術方案如下。一種助老與助殘機器人，其特徵在於包括——ー個能旋轉的單目視覺系統，用於識別生活用品和來訪客人及障礙物體；——一雙用於實現人手動作的五指形仿人機械手；——用於驅動機器人行走的三角聯動輪驅動機構。上述的助老與助殘機器人中，所述單目視覺系統包括由一個攝像機和兩個用於控制攝像機上、下、左、右運動的直流伺服電機。上述的助老與助殘機器人中，所述一雙五指形仿人機械手共包括21個關節，其中一雙手有21 X 2個自由度，一雙手臂和一雙手腕有7 X 2個自由度。上述的助老與助殘機器人中，21個關節均各自採用小型直流伺服電機驅動，在各個小型直流伺服電機上安裝有測量關節角度的光電編碼器。上述的助老與助殘機器人中，所述三角聯動輪驅動機構包括材質和大小完全相同的四套三角聯動輪組成，其中兩套三角聯動輪通過輪軸聯接起來並安裝在機器人底部的前端，另外兩套三角聯動輪通過輪軸聯接起來且安裝在機器人底部的後端。上述的助老與助殘機器人中，每套三角聯動輪由三個圓形輪子構成，所述的三個圓形輪子分別固定在正三角形支架的三個角上，在任何路況下三個輪子均有兩個著地，以提供良好、有效的摩擦。兩節式的車體可以讓整車隨地形起伏，及時改變重心的位置。無論如何翻滾，車總是輪子著地，車身騰空的。助老與助殘機器人因此可以靈活地前、後、左、右移動,上下樓梯,並行走自如。上述的助老與助殘機器人中，還包括控制電路，所述單目視覺系統的攝像頭及伺服電機、五指形仿人機械手的各個伺服電機和三角聯動輪驅動機構的伺服電機均各自與控制電路連接，由控制電路控制個伺服電機的工作。上述的助老與助殘機器人中，所述控制電路還連接有紅外傳感器、超聲傳感器、溫度傳感器、火焰傳感器、可燃氣體傳感器、聲音傳感器、光敏傳感器、碰撞傳感器和數字指南針(傳感器)，控制電路採集這些傳感器的數據，根據內部程序對傳感器檢測到的數據進行分析和判斷並通過有線或無線通信將檢測結果發送給老人或殘疾人或存儲在資料庫中。上述的助老與助殘機器人中，所述控制電路通過人機互動接ロ與無線遙控器、觸控螢幕、網際網路、手機簡訊、語音、鍵盤和滑鼠進行通信連接。 與現有技術相比，本實用新型具有如下優點和技術效果I)單目視覺系統可以利用諸如編號，建築物本身的信息等，自律地或和人一起協同工作；助老與助殘機器人的資料庫中還可以找到ー些其它的信息。如有關工作地點的分布情況，電話號碼等。需要時可與他們進行聯繫；在日常服務中，資料庫可以自動更新。2)單目視覺系統可以在家庭、醫院、エ廠、超市、餐廳、街道、公園等場所，幫助老人與殘疾人，特別是盲人實時地識別ー些生活用品和來訪客人及路障等，並在機器人的資料庫中快速地進行比對，以便及時地完成各種動作或鑑別來訪人員身份及障礙物；3)單目視覺系統可以獲取障礙物的圖像信息，利用超聲波和紅外線傳感器探測障礙物的距離和大小等信息。據此計算在機器人運動方向上障礙物的遮擋空間或者多個障礙物之間的實際距離，再根據機器人自身的尺寸計算避開障礙物應該轉動的方向及角度，從而實現自律導航；4)五指形仿人機械手及其手腕和手臂根據接手腕處裝配的力/力矩反饋對手及其手腕和手臂的慣性、粘性、剛性參數進行調節，對機械手及其手腕和手臂進行協調控制；通過機械手作業描述語言，可以對一雙機械手及其雙手腕和雙手臂進行協調控制，在實際環境下是替代老人和殘疾人完成各種複雜的工作，比如用其幫助老人和殘疾人吃飯和喝水
坐寸ο5)—雙具有5個手指及手掌的仿人機械手；按照確定好的五指形仿人機械手的關節設置和幾何尺寸，用小型直流伺服電機作為各個關節的驅動機構。在各個小型直流伺服電機上安裝測量關節角度的光電編碼器；6)五指形仿人機械手的運動學和動力學數學模型；採用五指形仿人機械手的前向運動學和動力學來計算各手指及手掌的關節角軌跡，檢驗控制算法。7)助老與助殘機器人的驅動機構採用行星輪連結式越野底盤——三角聯動輪驅動機構(即三角行星輪驅動系統)，在路況良好的情況下，運動子輪平穩行駛，遇到小型障礙三角機構自動翻轉輕鬆翻越障礙；8)底盤與車體為連結式，當遇到大型障礙時及時自動調整整車重心，有效防止了車體的傾覆；連結式的車體可以自動調整車體重心，使行星輪結構的優勢發揮到最大，越障高度可以高於整組行星輪結構的高度。三角輪連結式底盤能夠快速適應不斷變化的地面特性，可以攀越樓梯等複雜障礙，具有極強的機動性、靈活性和地面適應性；9)這種結構的越垂直障礙的高度能達到其ー個小車輪高度的I. 5倍左右。通過兩側驅動電機差速實現的轉向，半徑從O到無窮大都可以實現，非常靈活，不會出現跑偏的問題。

圖I是實施方式中的助老與助殘機器人示意圖。圖2是實施方式中助老與助殘機器人單目視覺控制系統控制流程示意圖。圖3是實施方式中助老與助殘機器人硬體組成。圖4a和圖4b是實施方式中助老與助殘機器人驅動機構行走示意圖 。
具體實施方式
以上內容已經對本實用新型作了清楚的說明，本領域技術人員可以根據該內容進行實施，
以下結合附圖對本實用新型的具體實施作進ー步說明，但本實用新型的實施不限於此。如圖1，助老與助殘機器人包括單目視覺系統，2左手腕和手臂，3右手腕和手臂，4驅動機構。其中所示可旋轉的單目視覺系統，用於識別生活用品和來訪客人及障礙物體等目標識別和障礙避免作業；由一個攝像機、兩個直流伺服電機構成，一個攝像機相當於人的ー個眼球，分別具有上、下、左、右運動功能。如圖2所示，為單目視覺控制系統的控制流程示意圖，攝像頭採集圖像數據，並將數據發送給圖像處理器進行處理，再由控制電路進行分析，對採集到的圖像進行判斷，同時還可以通過超聲傳感器對檢查到的障礙物進行測距。所示一雙五指形仿人機械手，用於完成抓、握、推、拉、插、按、剪、切、敲、打作業，以便幫助老人與殘疾人，特別是幫助那些肢體殘障的人員能夠自己吃飯和喝水，以及自理地完成ー些生活瑣事；所述的一雙五指形仿人機械手均由拇指、食指、中指、無名指、小拇指、手掌構成，所述的每一隻五指形仿人機械手由拇指、食指、中指、無名指、小拇連接到手掌而構成，所述的每ー個手指均分別包含3個用於彎曲功能的直流伺服電機和I個用於旋轉彎曲功能的直流伺服電機，手掌只有I個用於彎曲功能的直流伺服電機。手掌及其五個手指共包括21個關節，一雙手有21 X 2=42個自由度、一雙手臂和一雙手腕有7X 2=14個自由度。所示三角聯動輪驅動機構，用三角聯動輪代替了普通輪胎，在任何路況下三個輪子均有兩個著地，以提供良好、有效的摩擦。本實施方式還採用兩節式的車體，可以讓整車隨地形起伏，及時改變重心的位置。無論如何翻滾，車總是輪子著地，車身騰空的。通過直流電機和減速箱以及驅動輪和導向輪等使機器人靈活地前、後、左、右移動，上下樓梯，並且行走自如。如圖4所示，所述三角聯動輪驅動機構包括材質和大小完全相同的四套三角聯動輪組成，其中兩套三角聯動輪通過輪軸聯接起來並安裝在機器人底部的前端，另外兩套三角聯動輪通過輪軸聯接起來且安裝在機器人底部的後端。每套三角聯動輪由三個圓形輪子構成，所述的三個圓形輪子6分別固定在正三角形支架5的三個角上，在任何路況下三個輪子均有兩個著地。圖3所示主機板包含有控制電路，所述單目視覺系統的攝像頭及伺服電機、五指形仿人機械手的各個伺服電機和三角聯動輪驅動機構的伺服電機均各自與控制電路連接，由控制電路控制個伺服電機的工作。所述控制電路還連接有紅外傳感器、超聲傳感器、溫度傳感器、火焰傳感器、可燃氣體傳感器、聲音傳感器、光敏傳感器、碰撞傳感器和數字指南針(傳感器)，控制電路採集這些傳感器的數據，根據內部程序對傳感器檢測到的數據進行分析和判斷並通過有線或無線通信將檢測結果發送給老人或殘疾人或存儲在資料庫中。本實施方式的助老與助殘機器人，其主體材料為防鏽鋁合金及部分不鏽鋼，整機重量小於15 kg;執行部件為五指形仿人機械手，可以夾持重量不大於I kg物品；控制方式採用人機互動接ロ(無線遙控、網際網路、手機簡訊等)多種指令控制方式；移動速度O — O. 2m/秒可調；外型尺寸320X320X400 mm3 ;供電採用可充電鎳氫電池，可連續運行10小時；本實施方式的助老與助殘機器人，老人與殘疾人在日常生活中可以隨時地通過人機互動接ロ(無線遙控器、觸控螢幕、網際網路、手機簡訊、語音、鍵盤、滑鼠)命令、中斷或暫停機器人完成各種工作。通過上述方案，助老與助殘機器人利用感知系統及其相關程序(包括CXD攝像機與人臉及障礙物等識別程序、紅外傳感器與障礙檢測程序、超聲傳感器與距離測量程序、溫度傳感器與室溫檢測程序、火焰傳感器與火災報警程序、可燃氣體傳感器與易燃氣體檢測程序、聲音傳感器與語音識別程序、光敏傳感器與識別報時催醒程序、碰撞傳感器與障礙避免程序、數字指南針與辯識方向程序等)來完成識別生活用品和來訪客人及障礙物體等目標識別和障礙避免作業。本實施方式中，助老與助殘機器人的控制電路採用美國Motolar公司高可靠性的單片機系統。它集成了 CPU、片內存儲器、定時器系統、串行ロ、A/D、輸入輸出接ロ、中斷和復位系統等各種部件。用了其CPU較強的計算能力和豐富的指令集。此外，「助老與助殘機器人」的控制器可以採用無線遙控器、網際網路、手機簡訊控制等。除上述已述及的相關程序外，本助老與助殘機器人的控制電路還可以包含有如下程序錄放音效卡及簡單會話程序；無線遙控器及遙控程序；網際網路控制程序；手機簡訊控制程序；5自由度機械手臂及抓握控制程序。
權利要求1.一種助老與助殘機器人，其特徵在於包括 —一個能旋轉的單目視覺系統，用於識別生活用品和來訪客人及障礙物體； —一雙用於實現人手動作的五指形仿人機械手； —用於驅動機器人行走的三角聯動輪驅動機構。
2.根據權利要求I所述的助老與助殘機器人，其特徵在於所述單目視覺系統包括由一個攝像機和兩個用於控制攝像機上、下、左、右運動的直流伺服電機。
3.根據權利要求I所述的助老與助殘機器人，其特徵在於所述一雙五指形仿人機械手共包括21個關節，其中一雙手有21 X 2個自由度，一雙手臂和一雙手腕有7 X 2個自由度。
4.根據權利要求3所述的助老與助殘機器人，其特徵在於21個關節均各自採用小型直流伺服電機驅動，在各個小型直流伺服電機上安裝有測量關節角度的光電編碼器。
5.根據權利要求I所述的助老與助殘機器人，其特徵在於所述三角聯動輪驅動機構包括材質和大小完全相同的四套三角聯動輪組成，其中兩套三角聯動輪通過輪軸聯接起來並安裝在機器人底部的前端，另外兩套三角聯動輪通過輪軸聯接起來且安裝在機器人底部的後端。
6.根據權利要求5所述的助老與助殘機器人，其特徵在於每套三角聯動輪由三個圓形輪子構成，所述的三個圓形輪子分別固定在正三角形支架的三個角上，在任何路況下三個輪子均有兩個著地。
7.根據權利要求1飛任一項所述的助老與助殘機器人，其特徵在於還包括控制電路，所述單目視覺系統的攝像頭及伺服電機、五指形仿人機械手的各個伺服電機和三角聯動輪驅動機構的伺服電機均各自與控制電路連接。
8.根據權利要求7所述的助老與助殘機器人，其特徵在於所述控制電路還連接有紅外傳感器、超聲傳感器、溫度傳感器、火焰傳感器、可燃氣體傳感器、聲音傳感器、光敏傳感器、碰撞傳感器和數字指南針。
9.根據權利要求7所述的助老與助殘機器人，其特徵在於所述控制電路通過人機互動接口與無線遙控器、觸控螢幕、網際網路、手機簡訊、語音、鍵盤和滑鼠進行通信連接。
專利摘要本實用新型涉及一種助老與助殘機器人，包括一個能旋轉的單目視覺系統、用於識別生活用品和來訪客人及障礙物體、一雙用於實現人手動作的五指形仿人機械手和用於驅動機器人行走的三角聯動輪驅動機構。單目視覺系統自動識別生活用品和來訪客人及障礙物；機器人的一雙五指形仿人機械手靈巧地完成抓、握、捏、夾、推、拉、敲、打等作業，以便幫助老人與殘疾人完成各種動作；機器人的輪式驅動機構用三角聯動輪，在任何路況下，三個輪子均有兩個著地，機器人因此可以靈活地前、後、左、右移動，上下樓梯，並行走自如；本實用新型可用於防盜監測、安全檢查、監護診療、輔助行走、物品搬運、家電控制、清潔衛生、家庭娛樂、報時催醒、兒童教育。
文檔編號B25J9/08GK202397747SQ20112050695
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者肖南峰 申請人:華南理工大學