一種護(hù)理機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，確切地說，是一種具備自主移動(dòng)、環(huán)境感知、取物開 門、人機(jī)交互等功能的智能護(hù)理機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國老年人口比例的增長速度呈現(xiàn)加速趨勢，將持續(xù)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(dǎo)致行動(dòng)不便的老人的數(shù)量相當(dāng)驚人；同 時(shí)，空巢老人的比例逐年提高。相當(dāng)一部分老人不與子女同住，身邊也沒有雇傭人員照顧。 專業(yè)護(hù)理人員嚴(yán)重缺乏，護(hù)理費(fèi)用也在不斷提高。絕大部分家庭都缺乏專業(yè)的家庭醫(yī)療信 息服務(wù)，老年人就醫(yī)也非常困難。隨著護(hù)理人員的人力成本越來越高，護(hù)理機(jī)器人取代保 姆成為一大趨勢，用護(hù)理機(jī)器人來服務(wù)于廣大老年人已然成為未來老年護(hù)理的必選方式之 一。具體到生活場景中，當(dāng)老年人需要幫助時(shí)，護(hù)理機(jī)器人科研輔助老年人完成一些動(dòng)作， 如取送物品、開關(guān)門等；當(dāng)老年人需要精神上的陪伴時(shí)，機(jī)器人可以充當(dāng)一個(gè)電子寵物，為 老人提供娛樂方面的服務(wù)；同時(shí)，機(jī)器人還監(jiān)控者室內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，保障老人的生命安全 和維持室內(nèi)良好的環(huán)境。
[0003] 現(xiàn)有的護(hù)理機(jī)器人相關(guān)專利產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過于簡單，功能簡單化、單一化，控制系統(tǒng)闡 述不清，可實(shí)施性不強(qiáng)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210418615. 7的發(fā)明 專利"家居服務(wù)機(jī)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(jù)控制信號(hào)顯示表情，但應(yīng)用場景簡單，無法實(shí)現(xiàn)生活輔助的功能；申請(qǐng)?zhí)?為CN201110239654. 6的發(fā)明專利"護(hù)理機(jī)器人"，是采用分體式雙層床面結(jié)構(gòu)，是一種智能 代步工具，可滿足護(hù)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(nèi)移動(dòng) 機(jī)器人不是一個(gè)類型，雖然名稱一致，但功能上沒有可比性；申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410706366. 0 的發(fā)明專利"一種寵物型陪護(hù)機(jī)器人及系統(tǒng)"，包括寵物外殼及設(shè)置在寵物外殼內(nèi)部的傳感 器部件、主控制器及執(zhí)行部件，但很顯然，該機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)較為簡單，且并不具備自主移 動(dòng)及輔助完成取物開門等功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明專利針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種護(hù)理機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)，該專利所述內(nèi)容包括機(jī)器人硬件平臺(tái)與其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使得機(jī)器人具備靈活的全向 運(yùn)動(dòng)、自主避障、自主充電等功能。本發(fā)明屬于一種智能化室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，滿足了老年人 對(duì)于生活輔助的多樣化需求。
[0005] -種護(hù)理機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括硬件平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；
[0006] 所述硬件平臺(tái)包括全向移動(dòng)底盤、軀干骨架結(jié)構(gòu)、自主充電模塊、雙目視覺模塊、 機(jī)械臂模塊、顯示屏模塊；
[0007] 所述全向移動(dòng)底盤包括底盤結(jié)構(gòu)、電機(jī)及全向輪模塊、驅(qū)動(dòng)器模塊、車載充電模 塊、激光雷達(dá)模塊、超聲波傳感器模塊和移動(dòng)電源模塊；
[0008] 所述底盤結(jié)構(gòu)為具備連接孔和走線孔的中凹形鋼板，中凹處可放置四個(gè)移動(dòng)電源 模塊；其上表面通過三角連接件與軀干骨架結(jié)構(gòu)相固連，且安裝有車載充電模塊和激光雷 達(dá)連接板；
[0009] 所述電機(jī)及全向輪模塊包括直流伺服電機(jī)、電機(jī)安裝支架、聯(lián)軸器、電機(jī)連接軸、 輪軸、軸承座、軸承、嚙合直齒輪、全向輪；
[0010] 所述驅(qū)動(dòng)器模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器安裝支架；所述驅(qū)動(dòng)器安裝支架為凸形 薄鋼板，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器安裝支架可以在其安裝平面上下布置兩個(gè)驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)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(dá)模塊包括激光雷達(dá)和激光雷達(dá)連接板；所述激光雷達(dá)連接板為矩形 鋼板結(jié)構(gòu)，其孔位與激光雷達(dá)安裝孔相對(duì)應(yīng)；
[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(jié)構(gòu)的四周；
[0014] 所述移動(dòng)電源模塊包含四個(gè)鉛酸蓄電池，放置于底盤結(jié)構(gòu)的中凹處，且通過電池 放置處四周的螺栓進(jìn)行定位，防止電源在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中位置的改變；
[0015] 所述軀干骨架結(jié)構(gòu)由鋁合金材料架構(gòu)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(jié)構(gòu)相固連，向上分為兩層，一層用于安裝工控機(jī)、電源轉(zhuǎn)換模塊和控制器， 另一層用于安裝雙目視覺模塊、機(jī)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(jī)械臂模塊安裝位置位于底盤結(jié)構(gòu)的正中心，可提高整機(jī)的穩(wěn)定性；內(nèi)部空間較 大，便于電線布置與功能擴(kuò)展；在機(jī)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(qiáng)度；結(jié)構(gòu)頂部固定有上支撐板，所述支撐板為鋼板結(jié)構(gòu)，具備安裝孔與走線孔，是連 接雙目視覺模塊、機(jī)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(gòu)和彈簧柱塞模塊；所述支撐架構(gòu)由角鋼、角鋼桁架、底蓋和底腳構(gòu)成，為 長方體結(jié)構(gòu)件，充電器放置于該支撐架構(gòu)的上側(cè)；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(xì)的圓柱鋼管結(jié)構(gòu)，鋼管內(nèi)置緩沖鋼制彈簧， 彈簧外連長條形銅帽，當(dāng)長柱形銅帽與車載充電模塊的接觸銅片相接觸時(shí)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(zhì)，用于將彈簧柱塞的鋼管部分固定在所 述支撐架構(gòu)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(tái)、支撐框架結(jié)構(gòu)；所述二自 由度云臺(tái)具備旋轉(zhuǎn)和俯仰兩個(gè)自由度，下部與支撐框架結(jié)構(gòu)連接，上部與雙目視覺攝像頭 連接；所述支撐框架結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)桿件組合而成，是雙目視覺模塊與軀干骨架結(jié)構(gòu)中 上支撐板連接的部件；
[0018] 所述機(jī)械臂模塊包括多自由度機(jī)械臂和機(jī)械臂安裝底座；所述機(jī)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(jī)械臂，下連軀干骨架結(jié) 構(gòu)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(jī)系統(tǒng)、連接彎管、安裝法 蘭；所述顯示屏外殼內(nèi)嵌顯示屏，外連1自由度舵機(jī)系統(tǒng)，從而完成顯示屏的旋轉(zhuǎn)；所述1 自由度舵機(jī)系統(tǒng)包括舵機(jī)、舵機(jī)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(gè)顯示屏模塊與軀干骨架結(jié)構(gòu)中上支撐板連接的部件；
[0020] 所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)護(hù)理機(jī)器人底盤的運(yùn)動(dòng)與避障，包括遙控發(fā)射器、遙 控接收器、上位機(jī)、USB轉(zhuǎn)CAN模塊、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、超聲波傳感器。
[0021] 所述遙控發(fā)射器與遙控接收器配套，配套設(shè)備具有4個(gè)通道，4個(gè)通道功能分別 為：控制底盤沿X軸方向移動(dòng)速度；控制底盤沿Y軸方向移動(dòng)速度；控制底盤沿Z軸方向轉(zhuǎn) 動(dòng)速度；上位機(jī)與遙控器控制模式的切換。
[0022] 所述遙控發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，遙控接收器接收信號(hào)并將信號(hào)傳輸給控制器，控制器 根據(jù)第4通道設(shè)置當(dāng)前為遙控器控制模式或上位機(jī)控制模式。當(dāng)為遙控器控制模式時(shí)，控 制器根據(jù)通道1~3的值分別控制底盤沿X\Y\Z軸方向的速度。當(dāng)為上位機(jī)控制模式時(shí)， 上位機(jī)發(fā)送USB信號(hào)，通過USB轉(zhuǎn)CAN模塊將其轉(zhuǎn)化為CAN總線信號(hào)并將信號(hào)發(fā)送給控制 器，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)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(jī)用來將移動(dòng)底盤機(jī)構(gòu)的X、Υ、Ζ軸方向的速度vx、v y、wz發(fā)送 給控制器，控制器將遙控器或上位機(jī)發(fā)送的X、Y、Z軸方向的速度vx、v y、wz轉(zhuǎn)化為4個(gè)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(gè)麥克納姆輪的橫向距離，1 2 為底盤中心與4個(gè)麥克納姆輪的縱向距離。麥克納姆輪角速度是由電機(jī)角速度經(jīng)減速器減 速與齒輪減速得到，由4個(gè)麥克納姆輪角速度可以得到4個(gè)電機(jī)的角速度。
[0026] 由此，通過控制器將4個(gè)電機(jī)的角速度值發(fā)送給分別控制4個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，從而 通過4個(gè)驅(qū)動(dòng)器分別控制4個(gè)電機(jī)的角速度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)底盤的全向移動(dòng)。
[0027] 由所述的編碼器采集電機(jī)的角速度，根據(jù)電機(jī)的減速比與齒輪減速比計(jì)算得到4 個(gè)麥克納姆輪角速度，由4個(gè)麥克納姆輪的角速度％、w 2、w3、wjf化為移動(dòng)底盤中心在X、