助老服务机器人结构设计开题报告-毕业作品网站

选题依据（包括选择课题的背景、选题研究的理论及实践意义）

选题背景

据全国老龄办的研究报告显示当前中国已进入快速老龄化阶段。在这一阶段，中国平均每年将新增596万老年人口，到2020年，老年人口将达到2.5亿。伴随老龄化过程最为显著的特征就是由于身体机能衰退而引起的行走能力下降，这严重影响了老年人的日常生活质量口J。与此相对的是目前广泛使用的助行设备(如，拐杖、助步架等)功能比较单一，智能化程度低，安全性和舒适性都不足，无法满足使用者独立生活的需求。因此，将机器人技术应用于传统的助行设备领域，设计更智能更舒适更安全的助老服务机器人系统有着必要性。

理论意义

随着人们对医疗健康手段和过程提出的精准、微创、高效及低成本等方面的更高需求，助老服务机器人技术也获得了各国的极大关注，并得到了日新月异的发展。目前助老服务机器人主要用于外科手术、功能康复及辅助护理等方面，但随着重要技术的突破和进展，未来机器人技术有可能会应用到医疗健康的各个领域。助老服务领域越来越倾向于人与机器自然、精准的交互，近年来，以人的智能和机器智能结合及人机交互为代表的技术突破使得人与机器之间的结合越来越紧密，借助人机交互技术和方法，将人的智能和机器智能结合起来，使二者优势互补、协同工作，并将在助老服务方面孕育出重大的理论创新和技术方法突破。社会需求、技术革新和人机智能融合极大的促进了助老服务机器人的发展。助老服务机器人涉及人类生命健康的特殊领域，存在潜在的经济市场，已被多个国家列为战略性新兴产业，我国也需进一步大力开展助老服务机器人的研发，推动该战略新兴产业的发展，以应对我国国民对健康服务的需求（医疗、康复及老龄化）。

实践意义

助老服务机器人涉及人类生命健康的特殊领域以及潜在的经济市场，已经被多个国家列为战略性新兴产业。例如，美国和欧洲先后发布机器人发展路线图，都将医疗机器人列为优先发展方向。在美国机器人发展路线图中，医疗健康机器人被列为重点发展的5大类机器人领域之一，指出机器人系统将会应用于医疗健康所涉及的多个层面（从手术室到家居、从年轻人到老年人、从体弱/体残者到体健者、从常规手术到脱离人干涉的康复训练），以应对精准/微创手术、功能补偿与康复、老年服务等对医疗健康的新需求。欧洲机器人发展规划布局中明确指出，医疗机器人为医疗体系带来的变革堪比几十年前机器人技术对工业领域带来的影响，助老服务机器人是应对人口老龄化、医疗资源需求增长的必然发展方向，助老服务机器人产业将成为新世纪拉动国民经济增长的重要引擎之一。

相对于一些发达国家，我国目前提供健康服务的医疗机构和设施相对较少，特别是优质的医疗服务资源更加有限。一方面，我国许多医务工作者（特别是在大型综合医院）每天都要面对众多需要医疗服务的患者，工作量相当繁重；另一方面，有限的医疗服务资源也难以满足我国国民对健康服务日益增长的庞大需求及应对老龄化社会的到来。因而，将机器人技术融入到医疗事业可以有效缓解我国患者及残障人群的医疗服务压力、推动民生科技快速发展。随着我国经济和社会的发展，对于服务于人民医疗健康、服务于老龄化社会康复等方面的需求也越来越强烈，在国家及地方政府的大力支持下，我国助老服务机器人技术及系统研究也取得了一些令人瞩目的成果。未来，基于在助老服务机器人领域已经取得的技术基础，我国需要进一步大力开展外科手术和康复辅助机器人技术及系统的研发，推动助老服务机器人战略性新兴产业的发展，以应对我国国民对健康服务的需求（医疗、康复及老龄化）。

二、选题研究现状（包括目前国内外对本选题的研究情况和有待解决的问题）

国内研究现状

哈尔滨工程大学的学生研制出一种多功能助老服务机器人。这种助老服务机器人实用性强，能帮助截瘫患者或行走功能障碍患者进行行走功能康复训练和减重训练，还可作为患者日常生活中的代步工具。它基于绳驱动、轮驱动和腿部行走机构共同作用的综合训练平台，同时根据曲柄摇杆原理，利用摇杆末端圆弧轨迹来模拟正常人行走时大腿末端轨迹，最后通过单片机控制系统实现腿部行走机构与驱动轮的协调运动控制，总体可实现室内外移动、走步训练、起坐等功能，帮助残疾人实现迈步动作，达到训练下肢目的。它主要在于提供一种既具有一般轮椅的通用性又能够帮助截瘫患者或行走不便病人图1-6 多功能助老服务机器人行行走锻炼、有利于残疾人自主进行腿部康复训练并能进行减重训练、下肢关节和肌肉的运动训练等康复训练功能，起坐、下蹲（坐沙发、上厕所）等生活技能训练的一种多功能助老服务机器人。可以用于先天性腿部残疾以及由脑血栓后遗症、脊髓损伤、脑性麻痹、肌肉萎缩、意外事故等。引起的后天性腿部残障，截瘫或偏瘫患者的腿部训练。同时多功能助老服务机器人具有动力源，采用双轮差动驱动，残疾人可以随着机器人的前行而进行走步锻炼。腿部行走机构根据曲柄摇杆原理，利用摇杆末端圆弧轨迹模拟人走步时的大腿末端轨迹，随着机器人移动，行走机构给残疾人腿部一定的推力，帮助残疾人双腿实现迈步动作，并且满足正常人行走时双腿的180°相位差，使残疾人更好的完成走步训练。我国短时间内“银龄”群体的急剧膨胀对老年人助行器设计的“质”与“量”提出更高的要求。欧美与日本等地区此类产品的研究起步较早，针对老年人运动障碍程度不同与生活环境差异，运用现代高科技设计、研发各类型老年人助行器。20 世纪逐渐发展起来的中国老年人用品市场与欧美市场形成相当的反差，老年人助行器的开发与设计刚刚开始，尚处于培育期，与其中很多是普遍适用型产品，真正为老年人量身定做的助行器种类很少，生产厂家较少，产品种类缺乏，现有产品的安全性与使用效果都很难达到老年人要求。与国外日美韩相比仍有较大差距，目前来说在国内尚没有形成很有体系的研发高校或者研究单位，有一些研究仍旧停留在实验室的阶段，还未达到实用阶段，要形成成熟并且能够让大众接受还有一段很远的距离。不过随着国内863 计划重大项目对助老服务机器人的重视，国内助老服务机器人的研发必将大踏步追赶。由以上的介绍可以看出，目前国内外对助老服务机器人的研究近年已经非常热门，而且在国外逐饯行成比较系统的研发系统，甚至部分已经进入试验或者试用阶段，已经得到不少用户的认可。不过在行走支持技术等领域，需要解决移动灵活性、能源高效化、便携性和多种路面适用性等技术难题。在辅助导航技术方面，需要开发更准确可靠的导航系统，包括定位、路径规划和系统控制，并赋予机器人学习能力，能够获取用户的个性特征，自动适应用户的行为，来提高用户的舒适度。

国外研究现状

爱尔兰Shane MacNamara等开发了叫PAM-AID 的助行器，PAM-AID 的项目是在1994 年与爱尔兰首都都伯林开展的，项目旨在帮助一些视力和体力不太好的患者步行。由于视力受损而且体力有限极大的限制了一个人的移动自由，其提供了一个更为安全和享受的步行经历。项目由特瑞拟题基金、国家康复管理委员会和欧盟信息通讯应用赞助。这个助老服务机器人在2000 年才首次作为商业用途制造出来，其中有5 个机器人被美国老兵事务部购买。机器人底盘有四个轮子，其中由两个电机分别单独驱动前轮，而且电机只负责改变轮子转向，并不提供任何动力。两前轮之间没有连杆相连，转向半径很小。机器人底盘有四个轮子，其中由两个电机分别单独驱动前轮，而且电机只负责改变轮子转向，并不提供任何动力。两前轮之间没有连杆相连，转向半径很小。机器人带有自动导航系统，可以有效地在传感范围内避障，包括静止和移动的障碍物，能有效地保障用户的安全。

这种机器人的研制主要是为了满足盲人行走障碍，而不再是在PAM-AID 中所设计的为了满足一些实力受损或者体力不好的用户。盲人如果想使用一般助行器必然会遇到很多困难，为了提供智能辅助行走，感知功能和健康检测系统，美国Dubowsky 等人于1999 年研发了PAMM 系统。Smartcane 机器人只适用于在一般的平地或者小于五度的斜坡上行走，比一般的4 点支撑拐杖能提供更好的平衡性，而且机器任课以通过系统地图，用户指令，感知的障碍来提供目的地行走指导。机器人还提供了包括健康检测功能和与管理员电脑通讯的功能。机器人的尺寸很紧凑和稳定，重量不超过15 公斤,运行速度从0 到0.5m/s，在垂直方向提供的支撑力为50 公斤，在其他两个方向提供的支撑力为4 公斤左右。机器人上带有电池，可以供给机器人连续8 小时运行。机器人还具有计算功能，足够满足机器人路径规划，控制，健康检测和通讯功能。机器人身上带有声学和视觉传感器，用来检测障碍物，提供行走辅助。机器人是通过力觉手柄和声音来传递给机器人命令的，价格不超过5000 美金，的确是可以作为盲人的经济实惠的一款机器人。

由韩国理工大学的Shim等人与2004年研制开发出WAR（walking assistantrobot）助老服务机器人主要是用于帮助老年人在户外行走的一款有别于以往一般只能在户内比较平坦地形行走的步行机器人。WAR 助老服务机器人不仅具有辅助支撑和行走功能，还具有辅助升降机构。升降机构是倾斜上升，可以减少用户在站立时膝盖负载，对一些体力不足的老年人特别有用。这个样机还带有供人倚靠的支撑垫，可以支撑用户的身体，保护用户安全，不用担心向前倾倒。机器人高度为1m，并且可以调整。机器人还具有障碍物检测和避让功能，通过触摸手柄让感知用户意图。此种助老服务机器人比一般助行器辅助行走更简单，通过GPS/GIS 导航系统来寻找路径。目前这种机器人已经投入生产，并且已经证实具有比较好的助行效果，不过目前并没有大规模生产，这种助老服务机器人仍旧还需要进行很多的改进。

丰田汽车于2008 年8 月1 日宣布，开发出了站乘型助老服务机器人“Winglet”。 2007 年发布的坐乘型机器人“MOBIRO”主要以老年人为对象，而Winglet 则设想用于较为年轻的人群。不过，二者使用的前提均是人行道

和楼内等适合步行的场所。机器人的尺寸为:265×464×462mm，重9.9 千克，最高速度6 km/h，充电时间1 小时，可巡航5 km。机器人采用便携式设计。配备有角度传感器,陀螺传感器和车轮速度传感器，可根据驾驶状态用两个轮子稳步行走。前进与后退方面，通过检测身体重心的前后移动来实现。另外，机体内部采用平行链构造，通过左右移动重心时平行链向一侧倾斜来检测驾驶者的转意向。通过左右车轮转速的不同实现转弯。更换机体上部的操控杆，可变换成“Type S”、“Type M”以及“Type L”三种类型。Type S 和M 为用双脚夹住机身不用双手即可操控、Type L 是用双手握住操控杆进行操控的类型。三种类型均配备有锂离子充电电池，充满电需要1 小时。最高速度为6km/h。重量方面，Type S 为9.9kg、Type M 和L 为12.3kg。行驶距离方面，Type S 为5km、Type M 和L 为10km。日本Waseda 大学于2006 年研发成功HITACHI 助老服务机器人。

韩国科学家KyoungchulKong等研发的可穿戴的外骨骼式助老服务机器人。外骨骼式的结构，很好地解决了患肢运动过程中的支撑问题，其硬铝材质的双边结构不仅在保持刚性的前提下大大的减轻了机器人本体的质量，并且为监测上肢肌肉运动状态时的电极放置提供了便利．机器人的设计从解剖学的角度出发，模仿人体的上肢运动，并支持恢复机体功能的专业训练治疗。机器人共采用4 个Maxon 电机来带动人体踝关节，膝关节和髋关节运动，能够提供动力给人体，调节人体下肢姿态。其中光电编码器用来读取装置的位置信息，力矩传感器获取运动过程中的关节力矩变化。此机器人采用气动执行器来驱动其升降机构。采用四轮驱动以提供足够动力驱动平台，必要时可以引导用户行走。

三、研究内容与方法

研究内容

智能助老服务机器人主要针对行走不便、视弱、盲人等的老年人和残疾人，以日常生活和工作所需要的行走辅助为主要目标。助老服务机器人样机不但广泛应用与医院和疗养院，也常常作为家庭老人和残疾人的康复设备。本论文针对目前国内外助老服务机器人的重量过大、承载能力、不能适应室内/室外多种地面、辅助导航系统昂贵等不足展开研究，研制了可适应室内/室外等环境、便携式的智能助老服务机器人样机，主要包括助老服务机器人的机械设计、运动学分析等方面。首先，回顾和总结了助老服务机器人的研究历史和发展现状，对国内外各主要研究机构设计的助老服务机器人进行了分析和对比，并介绍了本文研究的主要内容。

其次，对机器人研制目标进行分析，讨论确定了助老服务机器人样机的总体设计方案。从整体上对机器人机械设计的特点和局部结构相关元件的选择进行研究。根据作业环境的要求、负载能力，利用现代机械设计方法，通过比较各种传动方式的优缺点，由助老服务机器人的底盘机构设计出发，按从下到上的顺序相对独立地利用Pro/E 设计助老服务机器人的机构，最后经过分析，设计出实际样机。

再次，建立该机器人在平面上的运动学模型，讨论在该模型下几种基本运动形式的实现条件，还分析齿轮传动对小车运动学模型的影响，得出提高小车运动精度可采取的措施。

研究方法

目前国内外的助老服务机器人大部分都是由底盘机构和搀扶机构组成。其中助老服务机器人的底盘是整个机器人机构设计的基本机构，是安装助老服务机器人电机以及其他各个部件的整体造型，并且接受电机的动力，主要目的是满足正常行走并可在不同路面下实现行走。底盘行走机构主要包括前轮驱动机构、后轮驱动机构以及四轮驱动机构。

1、前轮驱动机构

爱尔兰的Shane MacNamara 等开发的叫PAM-AID 的助行器，底盘也是四个轮子，其中由两个电机分别单独驱动前轮，而且电机只负责改变轮子转向，并不提供任何动力。两前轮之间没有连杆相连，转向半径很小。

2、后轮驱动机构

机器人采用两个驱动电机驱动两后轮的方式，前轮采用2 万向轮使得运动方向容易控制，更安全。而后轮驱动则驱动力及爬坡等能力都比前轮驱动好，可以适应多种不同道路情况。

3、四轮驱动机构

Y.Hirata 等开发的Walking Helper，采用电动助步架结构，能够根据力传感器测量用户施加的力，利用四轮驱动控制实现全向移动实现行走支持。所以本助老服务机器人机拟采用双轮驱动，以提供足够动力驱动平台，必要时可以引导用户行走。

四、研究的主客观条件

主观条件

目前情况下，不管是在国外还是在国内研制的助老服务机器人，大部分都只能在室内环境运行，对地面平整度要求很高，即使少数可以在室外运行的助老服务机器人也还未到很成熟的阶段，但是对于使用者来说，一款助行器如果只能在有效而且严格的使用环境下使用的话，必然没有什么太大的实用价值。对于使用者来说，一款能够适用与各种地面，复杂地形的助老服务机器人。考虑国内外这些研究情况结合这次 863 项目的研究和对国内助老服务机器人研究的现状分析，本次项目打算能够研制一款助老服务机器人，能够适用于室内/室外多种地面的移动模式：采用传感器检测路面的角度和轮速的变化，进而控制驱动轮的力矩和速度，无论在室内的平整路面，还是在室外的起伏路面，用户均能获得平稳的行走体验和高效的能源效率。

客观条件

部分助老服务机器人面向视力受损不过还未完全失明的人，部分面向老年人，主要针对肌肉无力等情况。就目前国外研究情况来看，主要的还是面向残疾人和一些老年人。本项目研制的助老服务机器人主要人群针对行走不便、视弱、盲人等的老年人和残疾人，以日常生活和工作所需要的行走辅助为主要目标。