董緒斌，劉曉飛，周小龍，羅春陽，李建永

(北華大學機械工程學院，吉林 吉林 132021)

隨著人口老齡化及城市化進程的加快，預(yù)計到2020年我國空巢老人數(shù)量將增至1.18億[1].其中，因神經(jīng)系統(tǒng)控制能力下降，肌肉力量降低等因素引起的運動機能障礙老年人數(shù)量將急劇增加[2].然而，我國從事護理工作的專業(yè)看護人員數(shù)量卻嚴重不足[3].因此，研制助老機器人以代替護理人員或家人照看老年人顯得尤為重要[4-5].目前，關(guān)于助老機器人的研究大多集中在護理床[6-7]或智能輪椅[8-9]方面，即僅考慮多功能或多姿態(tài)的轉(zhuǎn)換而無法實現(xiàn)自由行走，或存在舒適度不足、操作煩瑣等問題.究其原因，主要是缺乏對相關(guān)設(shè)備的功能優(yōu)化，以及控制系統(tǒng)自動化程度低.隨著人們對助老機器人舒適度和智能化要求的提高，研發(fā)功能完善、操作方便、舒適度高的多功能護理設(shè)備已成為未來該領(lǐng)域研究的熱點和難點[10].鑒于上述原因，本文針對現(xiàn)有助老設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能特性，結(jié)合康復(fù)醫(yī)療標準、人機工程學、現(xiàn)代設(shè)計與分析理論，設(shè)計一款集床椅變換和體位調(diào)整、全向移動等功能于一體的助老機器人，分別設(shè)計輪椅機構(gòu)、固定床身機構(gòu)及全向行走機構(gòu)，通過有限元分析對關(guān)鍵部件進行剛度和強度校核，通過系統(tǒng)集成和調(diào)試實現(xiàn)完整功能驗證.本研究通過機構(gòu)設(shè)計將輪椅和床進行功能集成，為助老機器人的功能集成化提供一種解決途徑；通過對關(guān)鍵部件的分析和系統(tǒng)集成調(diào)試，為該助老機器人的實用化奠定技術(shù)基礎(chǔ).

1 功能分析與方案設(shè)計

針對下肢運動機能障礙老人的特點，充分考慮康復(fù)護理的特殊需求，依據(jù)現(xiàn)有康復(fù)床的功能要求和行業(yè)標準設(shè)計助老機器人，實現(xiàn)床椅結(jié)合功能.一方面，實現(xiàn)被護理者起背、屈腿、平躺等不同位姿的變換調(diào)節(jié)，有利于被護理者血液循環(huán)；另一方面，實現(xiàn)360°全方位自由平穩(wěn)地自動行走與避障，滿足被護理者的代步要求.圖1為助老機器人功能與結(jié)構(gòu)，主要由輪椅機構(gòu)、固定床身機構(gòu)和自主移動機構(gòu)組成.

圖1 多功能床椅一體化助老機器人功能及結(jié)構(gòu)Fig.1 Function and structure of multifunctional bed chair integrated elderly robot

1.1 輪椅機構(gòu)

助老機器人輪椅機構(gòu)見圖2，主要由行走機構(gòu)、支撐座、坐板、扶手、靠背板、腿板及腳踏板等組成.行走機構(gòu)由控制系統(tǒng)獨立操控，可通過語音或操縱桿控制行走方向，并配合超聲波避障傳感器，實現(xiàn)自由行走及避障功能；支撐座為連接座椅與行走機構(gòu)的過渡部件，也為姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)、控制器及電池組提供安裝空間；靠背板、腿板、腳踏板、扶手及坐板組成角度可調(diào)的座椅機構(gòu)，在電動操縱桿控制下，既可實現(xiàn)坐/臥姿態(tài)調(diào)整，亦可實現(xiàn)靠背板與腿板角度的獨立調(diào)整，為使用者提供豐富的體位選擇.

圖2 輪椅機構(gòu)Fig.2 Wheelchair mechanism

圖3為輪椅姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)，可實現(xiàn)靠背角度、腿板角度、腳踏板聯(lián)動調(diào)節(jié).為適應(yīng)床椅轉(zhuǎn)換的狀態(tài)需求，設(shè)計了扶手翻轉(zhuǎn)機構(gòu)(圖4)，該機構(gòu)可實現(xiàn)扶手90°翻轉(zhuǎn).該機構(gòu)由電動推桿、限位塊及扶手組成，扶手與坐板用鉸鏈連接，電動推桿通過支耳與扶手外側(cè)連接.為避免由于扶手水平保持能力不足導(dǎo)致受壓變形，在兩側(cè)扶手上設(shè)置了可調(diào)限位塊，用以提高扶手在水平狀態(tài)時的剛度.

圖3輪椅姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)Fig.3Wheelchair attitude adjustment mechanism 圖4扶手翻轉(zhuǎn)機構(gòu)Fig.4Armrest turnover mechanism

1.2 全向行走機構(gòu)

為保證輪椅機構(gòu)實現(xiàn)360°全向自由行走，選用8輪Mecanum輪結(jié)構(gòu).圖5為行走機構(gòu)示意圖，由于左右對稱，故只給出左半側(cè)結(jié)構(gòu).

圖5 行走機構(gòu)Fig.5 Moving mechanism

1.3 固定床身機構(gòu)

機器人固定床身機構(gòu)見圖6，主要由床身骨架、床板、對接導(dǎo)向機構(gòu)及可調(diào)高腳輪組成.床身骨架整體設(shè)計成“C”形，由鋼管焊接而成，為便于運輸和安裝，設(shè)計成左、右兩個固定床體，中間用鋼管連接，床身骨架底部安裝可調(diào)高腳輪，以滿足不同安裝高度的需要；骨架上方安裝固定床板，可與輪椅面構(gòu)成完整床面，考慮到床椅對接時避讓干涉的需要，將輪椅進出側(cè)的床板設(shè)計成可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以保證輪椅機構(gòu)的順利進出；為提高輪椅相對固定床身的定位精度，在固定床身底部設(shè)置了對接導(dǎo)向機構(gòu)，用以約束輪椅上的滑輪組，實現(xiàn)輪椅的定位導(dǎo)正.

圖6 機器人固定床身機構(gòu)Fig.6 Fixed bed mechanism of robot

在床椅結(jié)合與分離過程中，輪椅需要進出固定床身區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)限制，固定床身中有兩處床板與輪椅的進出路線發(fā)生干涉，為此設(shè)計了翻折避讓機構(gòu).翻折避讓機構(gòu)由電動推桿、擺桿、連桿、翻折床板構(gòu)成(圖7 a)，通過電動推桿伸縮，帶動擺桿擺動，再通過連桿控制翻折床板轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)床板水平狀態(tài)與豎直狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.在水平展開時，擺桿與連桿處于機械死點，有效提高了翻折床板水平狀態(tài)的剛度.圖7 b為翻折避讓豎直狀態(tài)，此時床板翻折，為輪椅進出打開通道.

圖7 翻折避讓機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)Fig.7 Structure and working state of folding and avoiding mechanism

表1為助老機器人各機構(gòu)可實現(xiàn)功能及可調(diào)范圍.

表1 助老機器人各機構(gòu)可實現(xiàn)功能及可調(diào)范圍Tab.1 The function and adjust range of each mechanism of service robot for elderly

2 關(guān)鍵部件有限元分析

助老機器人在不同位姿變換過程中，主要承力部件為底座支撐座和人體上半身靠板，因此，分析助老機器人關(guān)鍵零件在承力極限情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義.本次研究對助老機器人底座支撐座和上半身靠板在承力極限情況下的結(jié)構(gòu)強度和剛度進行有限元分析.

2.1 固定床身機構(gòu)

作為輪椅機構(gòu)的核心部件，支撐座是主體承重結(jié)構(gòu)，選用規(guī)格為20 mm×20 mm×1.5 mm的Q345B方管焊接而成.根據(jù)受力特性，在支撐座上端4個鉸接處添加1 500 N豎直載荷力，在支撐座下端4個鉸接處添加固定鉸鏈約束，對模型進行網(wǎng)格劃分.對網(wǎng)格化后的支撐座部件進行有限元仿真分析.按照約束條件施加載荷后的變形及應(yīng)力分析結(jié)果見圖8.由圖8 a可知，支撐座最大應(yīng)力分布比較均勻，未出現(xiàn)較嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為248.2 MPa，Q345B屈服強度345 MPa，安全系數(shù)達到1.3，強度滿足設(shè)計要求；由圖8 b可知，支撐座的最大變形出現(xiàn)在中間部位，最大變形為5.462 mm，該變形量不會影響床椅結(jié)合與分離動作.因此，所設(shè)計的支撐座強度及剛度符合要求.

圖8 支撐座有限元仿真Fig.8 Finite element simulation of support base

2.2 靠背板

靠背板是支撐操作者上半身的重要部件，主要承受操作者上半身載荷.靠背板主承載結(jié)構(gòu)為靠背骨架，選用規(guī)格為20 mm×20 mm×1.5 mm的Q235方管焊接而成，見圖9.該靠背骨架通過電動推桿控制，可沿鉸鏈軸向上翻轉(zhuǎn)，圖9為平置狀態(tài)，該狀態(tài)要求骨架承力為500 N，依靠電動推桿限制.在靠背骨架幾何中心施加500 N豎直向下力，將電動推桿看成固定支承，驗證兩個鉸鏈的強度.靠背骨架的變形見圖10 a，最大變形量為2.289 mm，滿足設(shè)計剛度要求；應(yīng)力分布見圖10 b，最大載荷出現(xiàn)在中心支點處，應(yīng)力為195.773 MPa，安全系數(shù)達到1.2，強度滿足設(shè)計要求.

圖9 靠背板結(jié)構(gòu)Fig.9 Back panel structure

圖10 靠背骨架仿真Fig.10 Simulation of back panel frame

2.3 扶手翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

扶手翻轉(zhuǎn)機構(gòu)見圖11.扶手骨架通過電動推桿控制，可沿鉸鏈軸向上翻轉(zhuǎn)90°，圖11為平置狀態(tài)，該狀態(tài)下要求骨架承力500 N，依靠可調(diào)限位螺釘(兩個)限制.對扶手骨架、鉸鏈及限位機構(gòu)進行有限元仿真分析，在扶手骨架幾何中心施加500 N豎直向下力，驗證兩個鉸鏈的強度，并驗證扶手骨架在受載狀態(tài)下對兩個可調(diào)螺釘限位機構(gòu)造成的應(yīng)力及應(yīng)變情況.將鉸鏈與限位螺釘設(shè)置為固定約束，在扶手骨架上施加500 N的載荷(該部件不是主承力部件，故按照2/3載荷加載).

圖11 扶手翻轉(zhuǎn)機構(gòu)平置狀態(tài)Fig.11 Horizontal state of the armrest turnover mechanism

扶手骨架變形見圖12 a，最大變形量為2.362 mm，該變形不影響康復(fù)床性能；扶手骨架應(yīng)力見圖12 b，最大應(yīng)力出現(xiàn)在矩形骨架拐角處，為152.772 MPa.骨架選用Q235，屈服極限為235 MPa，安全系數(shù)達到1.5，滿足設(shè)計要求.限位螺釘處的應(yīng)力為48.818 MPa，鉸鏈軸處的應(yīng)力為88.268 MPa，限位機構(gòu)及鉸鏈均滿足強度要求.

圖12 扶手翻轉(zhuǎn)機構(gòu)有限元仿真Fig.12 Finite element simulation of armrest turnover mechanism

3 系統(tǒng)集成與調(diào)試試驗

在前期對助老機器人進行研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維模型和控制系統(tǒng)，研制出該助老機器人的試驗樣機，見圖13.試驗樣機機械系統(tǒng)主體由普通碳鋼型材搭建而成，采用焊接和螺栓兩種連接方式，包括床身、座椅和移動底盤.為了提高整體美觀度和舒適性，對助老機器人整體進行打磨、噴漆處理，并在床身及椅座表面包覆由海綿、布料組成的雙層坐墊.在床身底部安裝了水平調(diào)節(jié)腳輪，以增強床身的可移動性，實現(xiàn)高度調(diào)節(jié).

圖13 床椅一體化助老機器人試驗樣機Fig.13 The prototype of bed chair integrated elderly robot

3.1 移動底盤行走機構(gòu)

移動底盤行走機構(gòu)見圖14.移動底盤采用8個基于Mecanum技術(shù)的車輪，經(jīng)測試，在控制信號作用下底盤可以依靠Mecanum輪實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運動方式，可有效提高移動底盤行走的靈活性，降低操作難度.

3.2 對接機構(gòu)

對接機構(gòu)見圖15.受限于外界條件，采用傳感器進行床身和座椅對接時會存在一定誤差.為提高對接準確性，在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)向軌道對接機構(gòu)，即在床身入口處的左、右兩側(cè)各安裝一條導(dǎo)向軌道，在移動底盤的前、后方向各安裝4個導(dǎo)向輪.調(diào)試顯示，對接精度得到有效提高.

圖14移動底盤行走機構(gòu) Fig.14Moving mechanism of chassis圖15對接機構(gòu)Fig.15Docking mechanism

3.3 一鍵脫離與對接

一鍵脫離與對接調(diào)試場景見圖16.啟動床椅分離按鈕，避讓機構(gòu)啟動，輪椅在受控信號控制下進行姿態(tài)初步調(diào)整，然后移動底盤沿著導(dǎo)向軌道駛出；對接過程與此相反，即按下對接按鈕，輪椅行駛至對接區(qū)，進行姿態(tài)調(diào)整，完成床椅結(jié)合，此過程的機械運動均由助老機器人自主完成.調(diào)試可知，該功能可以有效實現(xiàn).

3.4 輪椅姿態(tài)調(diào)整

在輪椅駛出床身后，用戶可通過控制手柄對助老機器人的姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)進行控制以滿足身體對舒適度的要求.可進行調(diào)整的部分主要包括靠背板、腿板和腳踏板，見圖17.實際測試的機器人綜合性能指標見表2.

圖16一鍵脫離與對接調(diào)試Fig.16One key separation and docking debugging圖17輪椅姿態(tài)調(diào)整綜合調(diào)試Fig.17Integrated debugging of bed chair attitude adjustment

表2 多功能床椅一體化助老機器人性能指標Tab.2 Performance of multifunctional bed chair integrated elderly robot

4 小 結(jié)

針對人口老齡化造成的護理資源不足，生活難以自理、行動不便人群缺乏照顧的社會問題，研制了一款多功能助老機器人.該機器人采用床椅一體化設(shè)計理念，將可移動單元(輪椅)有機嵌入護理床體內(nèi)，采用一鍵啟動控制，可實現(xiàn)床椅離合，通過優(yōu)化設(shè)計，無須他人輔助即可實現(xiàn)老人在床椅之間的轉(zhuǎn)換；采用室內(nèi)SLAM定位導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)地圖構(gòu)建和自動路徑規(guī)劃；可實現(xiàn)語音、操縱手柄等模態(tài)操控，有效實現(xiàn)對老人護理的操作輔助、運動輔助、認知輔助功能.通過關(guān)鍵機構(gòu)和零件的運動學分析及有限元仿真分析，在理論上證明了該設(shè)計的可行性，并通過實際樣機調(diào)試，驗證了該機器人的設(shè)計可行性和工作可靠性.本研究可為床椅一體化助老機器人的研究提供參考，同時可為后續(xù)功能完備性研發(fā)奠定基礎(chǔ).