智能助老助残机器人研究

乔 栋，高 海，乔志业

(1.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同037003；2.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

在社会老龄化愈加严重的背景下，助老助残也越来越受到社会各界的广泛关注。在日常生活中，很多事对于行为不便的老年人和残疾人来说是很困难的。例如，叠衣服是非常琐碎而频繁的工作，且对于失去自理能力的老年人、残疾人及忙于工作的年轻人来说，长期的整理衣物是一件十分不易的事。

目前，市场上智能助老助残机器人造价昂贵、结构复杂、修理困难。例如，美国FoldiMate公司的自动叠衣机和日本松下公司的“laundroid”自动折叠[1]、整理衣物机器人[2-3]，前者价格较低但功能单一，后者更加智能但售价高昂，均无法成为民众的中意之选。为此，本文基于机械传动原理和可编程控制技术，设计了智能助老助残机器人，其独具匠心的结构设计和选材使得研发制造成本大大降低。

1 设计结构与原理

智能助老助残机器人的整体结构三维渲染图，见图1。

图1 整体结构三维渲染图

该智能助老助残机器人主要运用了机械传动原理和可编程控制技术。通过步进电机控制立式丝杆滑块滑动来实现置物台的升降。置物台采用双层结构，既能一定程度上的保持丝杠美观，又能避免丝杠外凸妨碍下一步程序的运行，而且置物台的夹层空间还可做储物之用，用来存放叠好的衣服。通过可伸缩的承压式铰链结构将衣物压制在置物台以防止滑动，起固定作用，而且也可有效地防止因置物台升降而影响衣物的稳定性，伸缩自如[4]。以扫动方式为主对衣物进行折叠，整体结构由两套光丝杠及U形杆组成，由步进电机提供动力。通过滑块带动U形杆配合置物台的升降实现对衣物的扫动折叠，不仅能在折叠的同时最大程度地减少对衣物的损坏，而且结构简单，不易出现机械性故障。动力系统采用步进电机统一驱动。相对普通电机来说，步进电机可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号[5]。且步进电机配合驱动器使用，绝大多数驱动器都支持细分功能，即实现很小的步进角，控制也更精确。此外，整个箱体采用可拆卸的机械结构，既方便清洁机器，又便于后期检修维护工作。

具体系统各部分设计如下：

（1）升降装置。采用立式丝杠滑块滑动实现置物台升降，由步进电机提供动力，由统一的控制器操控，实现运行的精确性。置物台（见图2）采用双层结构，既能一定程度上保证丝杠美观，又能避免丝杠外凸妨碍下一步程序的进行，而且置物台的夹层空间还可作储物之用，用来存放叠好的衣物。

图2 置物台

（2）按压装置。为避免折叠过程中，衣物出现非预料性偏移，采用承压式铰链（见图3）固定衣物，铰链由可伸缩的凹槽承载，通过控制凹槽回缩释放铰链至置物台，将衣物压制在置物台上防止滑动；且采用铰链式按压可有效防止出现因置物台升降影响按压稳定性的状况，伸缩自如。

图3 承压式铰链

（3）扫动装置。由两套光杠和丝杠组成的U 形杆（见图4、图5）构成，由步进电机提供动力。通过滑块带动U形杆配合置物台的升降实现对衣物的扫动折叠，不仅能在折叠的同时最大程度地减少对衣物的损坏，而且结构简单，不易出现机械性故障。

图4 U型杆装置1

图5 U型杆装置2

（4）动力系统。采用步进电机统一驱动。相对普通电机来说，步进电机可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。且步进电机配合驱动器使用，绝大多数驱动器都支持细分功能，即实现很小的步进角，控制也更精确。

（5）箱体结构。箱体采用可拆卸的机械结构，既方便清洁机器，又便于后期检修维护工作。

通过整个团队合作设计生产了第一台物理样机，并对其进行了试验，从而验证了系统的可靠性和实用性。

2 元器件使用及可编程控制技术

2.1 3D打印元件

部分元器件通过SolidWorks 自主建模，使用自制的3D打印机以及Cura切片软件切片完成3D打印。

2.2 主程序

通过51 单片机对步进电机进行控制。软件流程，见图6。

图6 软件流程图

主程序如下：

3 总结与展望

3.1 总结

在产品研发过程中，解决了在衣物折叠过程中的难题以及每个层面丝杆光杆的运动冲突等问题。在技术方面，通过升降台与直杆的相对运动初步实现了衣物的折叠，通过51 单片机与电机驱动等电子元件实现了对每个结构的配合运动，整体上完成了对衣物折叠整理的主要目标。但在实践与理论的对比中，仍然有许多技术上的难题以及需要改进的地方。例如，对衣物按压方式的选择、对直杆主从动配合的掌握以及对噪音响度的控制等，都是需要注意的地方。在下一步对产品的完善中，我们会着重对机械构造、控制方式、相对运动的协调性进行改进。

3.2 展望

展望未来，对家庭服务型助老助残机器人的需求是多面的，而本产品设计的目的也尽可能实现大众化服务，所以后期会向多功能方向发展。目前设想的后续方案有：

（1）加装可同时传送多件衣物的传送带，将衣物分批次送入机器内部，可以更大程度地实现自动化、智能化，省出了在机器旁等待的时间。

（2）内部加装蒸汽喷头进行去皱，再为衣物喷上喜欢的香味并进行消毒，实现更人性化的服务。

（3）对储物夹层进行改装，附上传送装置，将叠好的衣物整齐地运出。

另外，等待技术成熟后还可以进行与洗衣机、衣柜的结合，加装机器视觉模块，对衣物进行全方位的清洁、分类整理和保养维护，装配语音识别模块，实现对机器的远程操控等。