喬 棟，高 海，喬志業(yè)

(1.山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同037003；2.山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

在社會老齡化愈加嚴重的背景下，助老助殘也越來越受到社會各界的廣泛關注。在日常生活中，很多事對于行為不便的老年人和殘疾人來說是很困難的。例如，疊衣服是非?，嵥槎l繁的工作，且對于失去自理能力的老年人、殘疾人及忙于工作的年輕人來說，長期的整理衣物是一件十分不易的事。

目前，市場上智能助老助殘機器人造價昂貴、結構復雜、修理困難。例如，美國FoldiMate公司的自動疊衣機和日本松下公司的“l(fā)aundroid”自動折疊[1]、整理衣物機器人[2-3]，前者價格較低但功能單一，后者更加智能但售價高昂，均無法成為民眾的中意之選。為此，本文基于機械傳動原理和可編程控制技術，設計了智能助老助殘機器人，其獨具匠心的結構設計和選材使得研發(fā)制造成本大大降低。

1 設計結構與原理

智能助老助殘機器人的整體結構三維渲染圖，見圖1。

圖1 整體結構三維渲染圖

該智能助老助殘機器人主要運用了機械傳動原理和可編程控制技術。通過步進電機控制立式絲桿滑塊滑動來實現置物臺的升降。置物臺采用雙層結構，既能一定程度上的保持絲杠美觀，又能避免絲杠外凸妨礙下一步程序的運行，而且置物臺的夾層空間還可做儲物之用，用來存放疊好的衣服。通過可伸縮的承壓式鉸鏈結構將衣物壓制在置物臺以防止滑動，起固定作用，而且也可有效地防止因置物臺升降而影響衣物的穩(wěn)定性，伸縮自如[4]。以掃動方式為主對衣物進行折疊，整體結構由兩套光絲杠及U形桿組成，由步進電機提供動力。通過滑塊帶動U形桿配合置物臺的升降實現對衣物的掃動折疊，不僅能在折疊的同時最大程度地減少對衣物的損壞，而且結構簡單，不易出現機械性故障。動力系統(tǒng)采用步進電機統(tǒng)一驅動。相對普通電機來說，步進電機可以實現開環(huán)控制，即通過驅動器信號輸入端輸入的脈沖數量和頻率實現步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號[5]。且步進電機配合驅動器使用，絕大多數驅動器都支持細分功能，即實現很小的步進角，控制也更精確。此外，整個箱體采用可拆卸的機械結構，既方便清潔機器，又便于后期檢修維護工作。

具體系統(tǒng)各部分設計如下：

（1）升降裝置。采用立式絲杠滑塊滑動實現置物臺升降，由步進電機提供動力，由統(tǒng)一的控制器操控，實現運行的精確性。置物臺（見圖2）采用雙層結構，既能一定程度上保證絲杠美觀，又能避免絲杠外凸妨礙下一步程序的進行，而且置物臺的夾層空間還可作儲物之用，用來存放疊好的衣物。

圖2 置物臺

（2）按壓裝置。為避免折疊過程中，衣物出現非預料性偏移，采用承壓式鉸鏈（見圖3）固定衣物，鉸鏈由可伸縮的凹槽承載，通過控制凹槽回縮釋放鉸鏈至置物臺，將衣物壓制在置物臺上防止滑動；且采用鉸鏈式按壓可有效防止出現因置物臺升降影響按壓穩(wěn)定性的狀況，伸縮自如。

圖3 承壓式鉸鏈

（3）掃動裝置。由兩套光杠和絲杠組成的U 形桿（見圖4、圖5）構成，由步進電機提供動力。通過滑塊帶動U形桿配合置物臺的升降實現對衣物的掃動折疊，不僅能在折疊的同時最大程度地減少對衣物的損壞，而且結構簡單，不易出現機械性故障。

圖4 U型桿裝置1

圖5 U型桿裝置2

（4）動力系統(tǒng)。采用步進電機統(tǒng)一驅動。相對普通電機來說，步進電機可以實現開環(huán)控制，即通過驅動器信號輸入端輸入的脈沖數量和頻率實現步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號。且步進電機配合驅動器使用，絕大多數驅動器都支持細分功能，即實現很小的步進角，控制也更精確。

（5）箱體結構。箱體采用可拆卸的機械結構，既方便清潔機器，又便于后期檢修維護工作。

通過整個團隊合作設計生產了第一臺物理樣機，并對其進行了試驗，從而驗證了系統(tǒng)的可靠性和實用性。

2 元器件使用及可編程控制技術

2.1 3D打印元件

部分元器件通過SolidWorks 自主建模，使用自制的3D打印機以及Cura切片軟件切片完成3D打印。

2.2 主程序

通過51 單片機對步進電機進行控制。軟件流程，見圖6。

圖6 軟件流程圖

主程序如下：

3 總結與展望

3.1 總結

在產品研發(fā)過程中，解決了在衣物折疊過程中的難題以及每個層面絲桿光桿的運動沖突等問題。在技術方面，通過升降臺與直桿的相對運動初步實現了衣物的折疊，通過51 單片機與電機驅動等電子元件實現了對每個結構的配合運動，整體上完成了對衣物折疊整理的主要目標。但在實踐與理論的對比中，仍然有許多技術上的難題以及需要改進的地方。例如，對衣物按壓方式的選擇、對直桿主從動配合的掌握以及對噪音響度的控制等，都是需要注意的地方。在下一步對產品的完善中，我們會著重對機械構造、控制方式、相對運動的協調性進行改進。

3.2 展望

展望未來，對家庭服務型助老助殘機器人的需求是多面的，而本產品設計的目的也盡可能實現大眾化服務，所以后期會向多功能方向發(fā)展。目前設想的后續(xù)方案有：

（1）加裝可同時傳送多件衣物的傳送帶，將衣物分批次送入機器內部，可以更大程度地實現自動化、智能化，省出了在機器旁等待的時間。

（2）內部加裝蒸汽噴頭進行去皺，再為衣物噴上喜歡的香味并進行消毒，實現更人性化的服務。

（3）對儲物夾層進行改裝，附上傳送裝置，將疊好的衣物整齊地運出。

另外，等待技術成熟后還可以進行與洗衣機、衣柜的結合，加裝機器視覺模塊，對衣物進行全方位的清潔、分類整理和保養(yǎng)維護，裝配語音識別模塊，實現對機器的遠程操控等。