一種護理機器人與運動控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機器人技術領域，確切地說，是一種具備自主移動、環境感知、取物開 門、人機交互等功能的智能護理機器人。
【背景技術】
[0002] 我國老年人口比例的增長速度呈現加速趨勢，將持續到2050年；其中老年殘疾 人占所有殘疾人的比例為53. 2%，由于各種殘疾導致行動不便的老人的數量相當驚人；同 時，空巢老人的比例逐年提高。相當一部分老人不與子女同住，身邊也沒有雇傭人員照顧。 專業護理人員嚴重缺乏，護理費用也在不斷提高。絕大部分家庭都缺乏專業的家庭醫療信 息服務，老年人就醫也非常困難。隨著護理人員的人力成本越來越高，護理機器人取代保 姆成為一大趨勢，用護理機器人來服務于廣大老年人已然成為未來老年護理的必選方式之 一。具體到生活場景中，當老年人需要幫助時，護理機器人科研輔助老年人完成一些動作， 如取送物品、開關門等；當老年人需要精神上的陪伴時，機器人可以充當一個電子寵物，為 老人提供娛樂方面的服務；同時，機器人還監控者室內各項參數指標，保障老人的生命安全 和維持室內良好的環境。
[0003] 現有的護理機器人相關專利產品結構過于簡單，功能簡單化、單一化，控制系統闡 述不清，可實施性不強。經過對現有技術的檢索發現，申請號為CN201210418615. 7的發明 專利"家居服務機器人"，包括一軀干、一頭部和四肢，各部分可拆卸，且頭部包括一表情顯 示裝置，可以根據控制信號顯示表情，但應用場景簡單，無法實現生活輔助的功能；申請號 為CN201110239654. 6的發明專利"護理機器人"，是采用分體式雙層床面結構，是一種智能 代步工具，可滿足護理中的多樣化體位要求和智能坐便要求，與本專利所涉及的室內移動 機器人不是一個類型，雖然名稱一致，但功能上沒有可比性；申請號為CN201410706366. 0 的發明專利"一種寵物型陪護機器人及系統"，包括寵物外殼及設置在寵物外殼內部的傳感 器部件、主控制器及執行部件，但很顯然，該機器人功能實現較為簡單，且并不具備自主移 動及輔助完成取物開門等功能。

【發明內容】

[0004] 本發明專利針對上述現有技術存在的不足，提供一種護理機器人與運動控制系 統，該專利所述內容包括機器人硬件平臺與其運動控制系統，使得機器人具備靈活的全向 運動、自主避障、自主充電等功能。本發明屬于一種智能化室內移動機器人，滿足了老年人 對于生活輔助的多樣化需求。
[0005] -種護理機器人與運動控制系統，其特征在于：包括硬件平臺和運動控制系統；
[0006] 所述硬件平臺包括全向移動底盤、軀干骨架結構、自主充電模塊、雙目視覺模塊、 機械臂模塊、顯示屏模塊；
[0007] 所述全向移動底盤包括底盤結構、電機及全向輪模塊、驅動器模塊、車載充電模 塊、激光雷達模塊、超聲波傳感器模塊和移動電源模塊；
[0008] 所述底盤結構為具備連接孔和走線孔的中凹形鋼板，中凹處可放置四個移動電源 模塊；其上表面通過三角連接件與軀干骨架結構相固連，且安裝有車載充電模塊和激光雷 達連接板；
[0009] 所述電機及全向輪模塊包括直流伺服電機、電機安裝支架、聯軸器、電機連接軸、 輪軸、軸承座、軸承、嚙合直齒輪、全向輪；
[0010] 所述驅動器模塊包括電機驅動器和驅動器安裝支架；所述驅動器安裝支架為凸形 薄鋼板，一個驅動器安裝支架可以在其安裝平面上下布置兩個驅動器；
[0011] 所述車載充電模塊為L形鋼板，鋼板一面布置有兩塊充電接觸銅片，安裝在底盤 結構的正后位置，且同為自主充電模塊的車載部分；
[0012] 所述激光雷達模塊包括激光雷達和激光雷達連接板；所述激光雷達連接板為矩形 鋼板結構，其孔位與激光雷達安裝孔相對應；
[0013] 所述超聲波傳感器模塊包括超聲波傳感器和其連接件；所述連接件為小尺寸的L 形鋼片，將超聲波傳感器固定在底盤結構的四周；
[0014] 所述移動電源模塊包含四個鉛酸蓄電池，放置于底盤結構的中凹處，且通過電池 放置處四周的螺栓進行定位，防止電源在機器人運動過程中位置的改變；
[0015] 所述軀干骨架結構由鋁合金材料架構而成，底部的兩根橫置鋁型材桿件通過三角 連接件與底盤結構相固連，向上分為兩層，一層用于安裝工控機、電源轉換模塊和控制器， 另一層用于安裝雙目視覺模塊、機械臂模塊和顯示屏模塊；其特征為下層面積大于上層面 積，并使得機械臂模塊安裝位置位于底盤結構的正中心，可提高整機的穩定性；內部空間較 大，便于電線布置與功能擴展；在機械臂模塊安裝位處通過四根鋁合金桿件垂直支撐，增加 支撐強度；結構頂部固定有上支撐板，所述支撐板為鋼板結構，具備安裝孔與走線孔，是連 接雙目視覺模塊、機械臂模塊和顯示屏模塊的安裝平面；
[0016] 所述自主充電模塊包括車載充電模塊和充電器組裝模塊；所述充電器組裝模塊包 括充電器、支撐架構和彈簧柱塞模塊；所述支撐架構由角鋼、角鋼桁架、底蓋和底腳構成，為 長方體結構件，充電器放置于該支撐架構的上側；所述彈簧柱塞模塊包括彈簧柱塞、彈簧柱 塞支架和彈簧柱塞面板；所述彈簧柱塞為較細的圓柱鋼管結構，鋼管內置緩沖鋼制彈簧， 彈簧外連長條形銅帽，當長柱形銅帽與車載充電模塊的接觸銅片相接觸時即可開始充電過 程；所述彈簧柱塞支架和彈簧柱塞面板為鋼板材質，用于將彈簧柱塞的鋼管部分固定在所 述支撐架構上；
[0017] 所述雙目視覺模塊包括雙目視覺攝像頭、二自由度云臺、支撐框架結構；所述二自 由度云臺具備旋轉和俯仰兩個自由度，下部與支撐框架結構連接，上部與雙目視覺攝像頭 連接；所述支撐框架結構為鋁合金材質桿件組合而成，是雙目視覺模塊與軀干骨架結構中 上支撐板連接的部件；
[0018] 所述機械臂模塊包括多自由度機械臂和機械臂安裝底座；所述機械臂安裝底座為 彎角為50°的粗彎管兩端焊接連接圓形平面而成，上連多自由度機械臂，下連軀干骨架結 構中上支撐板；
[0019] 所述顯示屏模塊包括顯示屏、顯示屏外殼、1自由度舵機系統、連接彎管、安裝法 蘭；所述顯示屏外殼內嵌顯示屏，外連1自由度舵機系統，從而完成顯示屏的旋轉；所述1 自由度舵機系統包括舵機、舵機法蘭、限位部件、軸承、軸承座，上述所有部件均固定在連接 彎管末端的焊接平面上；所述連接彎管彎角為90°，下端與安裝法蘭固連；所述安裝法蘭 為整個顯示屏模塊與軀干骨架結構中上支撐板連接的部件；
[0020] 所述運動控制系統用來實現護理機器人底盤的運動與避障，包括遙控發射器、遙 控接收器、上位機、USB轉CAN模塊、控制器、電機驅動器、編碼器、超聲波傳感器。
[0021] 所述遙控發射器與遙控接收器配套，配套設備具有4個通道，4個通道功能分別 為：控制底盤沿X軸方向移動速度；控制底盤沿Y軸方向移動速度；控制底盤沿Z軸方向轉 動速度；上位機與遙控器控制模式的切換。
[0022] 所述遙控發射器發射信號，遙控接收器接收信號并將信號傳輸給控制器，控制器 根據第4通道設置當前為遙控器控制模式或上位機控制模式。當為遙控器控制模式時，控 制器根據通道1~3的值分別控制底盤沿X\Y\Z軸方向的速度。當為上位機控制模式時， 上位機發送USB信號，通過USB轉CAN模塊將其轉化為CAN總線信號并將信號發送給控制 器，控制器根據接收到的數據信息控制底盤沿X\Y\Z軸方向的速度。
[0023] 所述遙控器與上位機用來將移動底盤機構的X、Υ、Ζ軸方向的速度vx、v y、wz發送 給控制器，控制器將遙控器或上位機發送的X、Y、Z軸方向的速度vx、v y、wz轉化為4個麥克 納姆輪的角速度Wp w2、w3、w4:
[0025] 其中，WrWpWy wj別為位于左前、右前、左后、右后的麥克納姆輪角速度，R為麥 克納姆輪半徑，α為麥克納姆輪的偏置角，h為底盤中心與4個麥克納姆輪的橫向距離，1 2 為底盤中心與4個麥克納姆輪的縱向距離。麥克納姆輪角速度是由電機角速度經減速器減 速與齒輪減速得到，由4個麥克納姆輪角速度可以得到4個電機的角速度。
[0026] 由此，通過控制器將4個電機的角速度值發送給分別控制4個電機的驅動器，從而 通過4個驅動器分別控制4個電機的角速度，實現移動底盤的全向移動。
[0027] 由所述的編碼器采集電機的角速度，根據電機的減速比與齒輪減速比計算得到4 個麥克納姆輪角速度，由4個麥克納姆輪的角速度％、w 2、w3、wjf化為移動底盤中心在X、