楊徐，朱家誠，魏俊杰，謝佳奇

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009）

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步和人口老齡化社會(huì)的逐漸到來，服務(wù)機(jī)器人也逐漸應(yīng)用于養(yǎng)老醫(yī)療行業(yè)[1]，智能服務(wù)機(jī)器人被列為2006—2020年大力發(fā)展的前沿技術(shù)[2]。根據(jù)歷次的人口普查資料，從1964—2018年我國的65周歲及以上人口占比一直在上升，到2018年已經(jīng)達(dá)到了11.9%；而使用家庭服務(wù)機(jī)器人照護(hù)老人，可以極大地緩解青年人的養(yǎng)老壓力，使他們可以專心工作[3]，與此同時(shí)促進(jìn)了養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。國外沐浴機(jī)器人技術(shù)的研究較早，從只有局部清潔功能的簡(jiǎn)單沐浴機(jī)器到功能復(fù)雜的全自動(dòng)沐浴機(jī)器人，已經(jīng)建立起從低端產(chǎn)品到高端產(chǎn)品的系列，但是大部分都只是實(shí)驗(yàn)室試制產(chǎn)品。盡管國內(nèi)對(duì)沐浴機(jī)器人的研究起步較晚，但是與國外先進(jìn)技術(shù)的差距已經(jīng)越來越小。各個(gè)高校研究所和企業(yè)根據(jù)沐浴機(jī)器人的市場(chǎng)需求，研發(fā)出各具特色的沐浴機(jī)器人，除了普遍具備的自動(dòng)淋浴功能之外，還擁有部分獨(dú)特功能，如水溫智能調(diào)節(jié)功能，體型智能適應(yīng)功能，自動(dòng)烘干功能等。沐浴作為一項(xiàng)重要的生活需求，國內(nèi)外相關(guān)的輔助沐浴機(jī)器產(chǎn)品大部分功能都比較單一，而且大部分只適合中青年使用，不適合老弱人群使用。故研發(fā)一款適合老弱人群的主動(dòng)式多功能輔助沐浴的機(jī)器人具有很廣闊的市場(chǎng)前景，不僅可以緩解家庭的養(yǎng)老壓力，而且可以大大地提升老弱人群的生活質(zhì)量。

1 沐浴機(jī)器人助手的系統(tǒng)組成

1.1 功能需求

通過分析老弱人群的身體情況結(jié)合沐浴場(chǎng)景，可得出沐浴機(jī)器人助手的用戶需求：沐浴功能完備，可以輔助老弱人群淋浴、洗頭、搓背、按摩、擦干自身等；操作簡(jiǎn)單容易，人機(jī)交互好，有語音操作和提示等功能；智能自適應(yīng)各種體型的人，沐浴程序可以容易地更改以適應(yīng)特殊人群；安全性高，擁有輔助站/坐、坐姿維持、異常檢測(cè)和溫度保護(hù)等安全功能；符合人機(jī)工程學(xué)原理，用戶體驗(yàn)好。

1.2 整體方案設(shè)計(jì)

沐浴機(jī)器人助手的總體方案設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)理念，如圖1所示，包含主機(jī)架、頭部清潔模塊、背部清潔模塊、姿態(tài)扶助模塊、淋浴模塊、烘干模塊和控制系統(tǒng)。主機(jī)架的功能是搭載各個(gè)模塊，合理地為各個(gè)模塊分配空間；為檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供坐標(biāo)參考。頭部清潔模塊的功能是代替人手進(jìn)行自動(dòng)洗頭動(dòng)作，清潔按摩人的頭部和后頸部。背部清潔模塊的功能是利用激光位移傳感器和工業(yè)相機(jī)定位，笛卡爾坐標(biāo)機(jī)械手清潔人體背部主要區(qū)域。淋浴模塊利用溫暖的噴淋水流對(duì)人的整個(gè)身體進(jìn)行清潔，配合頭部清潔模塊和背部清潔模塊，并對(duì)其清潔不到的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充性清潔。姿態(tài)扶助模塊在用戶出入浴時(shí)（坐下/站立）進(jìn)行扶助，沐浴時(shí)提供支撐保護(hù)。烘干模塊使用溫和的干燥熱風(fēng)自上而下對(duì)人體進(jìn)行風(fēng)干。電氣控制柜主要裝有工控機(jī)（主站）、PLC（從站）和觸摸屏，用于控制頭部清潔模塊、背部清潔模塊和姿態(tài)扶助模塊的移動(dòng)控制、定位控制、各個(gè)模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制、各個(gè)動(dòng)作的時(shí)序控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)動(dòng)作流程的邏輯控制。

2 沐浴機(jī)器人主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 頭部清潔模塊的設(shè)計(jì)

頭部清潔模塊結(jié)構(gòu)方案采用半環(huán)臂按摩清潔機(jī)械手結(jié)構(gòu)。為了對(duì)頭部進(jìn)行全面的清潔，根據(jù)人體頭部近似橢球體的形狀特點(diǎn)，本文將頭部分為兩個(gè)區(qū)域，頭頂部區(qū)域?yàn)榻魄蝮w的一部分，后頸部為剩下的曲面區(qū)域。頭頂部采用半環(huán)臂結(jié)構(gòu)清潔，后頸部采用獨(dú)立總成清潔，如圖2所示。

半環(huán)臂結(jié)構(gòu)末端按摩清潔機(jī)械手可分為機(jī)架載體、手指部件、驅(qū)動(dòng)裝置、防水裝置4部分。其中，機(jī)架載體由機(jī)架和相應(yīng)的機(jī)械部件組成，連接中間連接臂，承載手指部件是其它部分的安裝基礎(chǔ)。手指部件仿照人手抓捏頭發(fā)時(shí)的形態(tài)設(shè)計(jì)，其主要功能是對(duì)人體頭部進(jìn)行搓洗。驅(qū)動(dòng)裝置為手指部件提供動(dòng)力；防水裝置對(duì)末端按摩清潔機(jī)械手和人體提供防護(hù)，防止因設(shè)備漏水造成的危險(xiǎn)。

為了增強(qiáng)清潔機(jī)械手的通用性，模擬人手抓捏頭發(fā)，設(shè)計(jì)了三自由度的按摩機(jī)械手指結(jié)構(gòu)。末端觸頭采用可拆卸設(shè)計(jì)，材料為食品級(jí)橡膠，輕柔舒適無刺激，可以隨著伸縮旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)；單個(gè)手指為圓柱凸輪與彈簧串聯(lián)設(shè)計(jì)，使得末端觸頭受到來自人體頭部的壓力時(shí)，可以自動(dòng)收縮并且進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對(duì)頭發(fā)進(jìn)行清洗；每對(duì)手指可以聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行抓捏的洗頭動(dòng)作，且極大地增強(qiáng)了末端按摩清潔機(jī)械手的自適應(yīng)性，如圖3所示。

圖1 沐浴機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 頭部清潔模塊示意圖

中間連接臂需要維持末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)貼在頭部的狀態(tài)，本文提出了如圖4所示的結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)是用連桿機(jī)構(gòu)代替中間旋轉(zhuǎn)臂，使得驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以布置在前端而不是末端執(zhí)行器上，避免了結(jié)構(gòu)上的“頭重腳輕”。通過連桿的軌跡設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)，連桿BC上的E點(diǎn)連接末端清潔機(jī)構(gòu)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)數(shù)據(jù)資料，選取了末端清潔機(jī)構(gòu)連接點(diǎn)E的一種軌跡上的8個(gè)離散點(diǎn)。l1、l2、l3、l4、l5、β、γ、θ0的幾何意義如圖4所示，θ0是桿AB與桿AD的初始夾角。連桿BC上E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由l1、l2、l3、l4、l5、β、γ、θ0和A（0，0）決定，由于A位于坐標(biāo)原點(diǎn)，故只有8個(gè)待定參數(shù)。經(jīng)過計(jì)算求解，得到參數(shù)的全局最優(yōu)解（如式（1）），求解的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡與原軌跡距離均方根誤差為fval=0.1798，則實(shí)際的軌跡與給定的軌跡之間的誤差足夠小，滿足使用要求。結(jié)構(gòu)材料選擇06Cr17Ni12Mo2，其耐腐蝕性比普通06Cr19Ni10（304不銹鋼）好，且具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

圖3 末端按摩清潔機(jī)械手手指部件

圖4 連桿設(shè)計(jì)模型

如圖5所示，整個(gè)后頸部清潔總成主要由清潔觸頭、主體、連接架和后座組成，清潔觸頭由食品級(jí)橡膠制成，輕柔舒適無刺激，可以繞軸旋轉(zhuǎn)，主體與其連接軸也由橡膠制成，使得其具有小幅度的變形功能，可以極大地增強(qiáng)其對(duì)不同人的適應(yīng)性；連接架由0Cr19Ni制成，具有良好的防水與防腐蝕性；后座也由0Cr19Ni制成，其與連接架通過軸連接，使得主體可以繞連接軸旋轉(zhuǎn)，后座內(nèi)的電動(dòng)機(jī)通過齒輪帶動(dòng)主體主動(dòng)小幅度（±45°）往復(fù)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體后頸部的按摩清洗?？紤]到不同人的頭部尺寸差異，為此在后座上安裝彈簧。

圖5 后頸部清潔總成

2.2 背部清潔模塊的設(shè)計(jì)

背部清潔模塊的結(jié)構(gòu)方案采用笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。為了更好地對(duì)人體背部進(jìn)行全面的清潔，根據(jù)人體背部的形狀特點(diǎn)，本文將人體背部簡(jiǎn)化視為一個(gè)連續(xù)均勻的曲面。確定了背部清潔機(jī)構(gòu)的工作空間：x軸100 mm，y軸400 mm，z軸600 mm。實(shí)際沐浴機(jī)器人工作時(shí)，可以采用相機(jī)拍照與激光位移傳感器定位分析得出更加具體的動(dòng)作范圍[4]。

通過參考大量資料，分析得出背部清潔按摩力通常分為3種，按力度從小到大及作用層面依次分為表皮層按摩力、真皮層按摩力和皮下組織按摩力[5]。本文選擇清潔按摩力度選擇真皮層按摩力，既可以有效清潔背部，又可以起到一定的按摩作用。

背部清潔末端執(zhí)行器仿人的手掌設(shè)計(jì)，具有變形的功能，自動(dòng)適應(yīng)人體背部曲面形狀，如圖6所示。其尺寸數(shù)據(jù)參考前面背部清潔工作空間和《GB/T 16252-1996 成年人手部號(hào)型》相關(guān)數(shù)據(jù)。背部清潔末端執(zhí)行器直接與人體的背部皮膚接觸，每個(gè)橡膠觸頭安裝在觸頭安裝板上，其后裝有輕質(zhì)彈簧，受壓后向里收縮，使得整個(gè)背部清潔末端執(zhí)行器能完美地貼合人體背部曲線。每個(gè)橡膠觸頭上布置有多個(gè)小觸頭，既可以輕松地清潔背部，又可以起到緩沖的作用。為了防止背部清潔力度過大，在背部清潔末端執(zhí)行器內(nèi)安裝有壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)背部清潔力。

圖6 背部清潔末端執(zhí)行器

連接手臂采用笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器在空間中變換位置，將連接臂結(jié)構(gòu)分為z軸方向的升降總成、y軸方向的縱移總成和x軸方向的橫移總成。

橫移總成采用封閉式設(shè)計(jì)，滾珠絲桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，背部清潔末端執(zhí)行器與上層連接架直接連接，而中層連接架再連接滑塊和上層連接架，配合防水蓋板可以極大地增強(qiáng)防水性能，如圖7所示。

圖7 橫移總成

縱移總成采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)和防水式架板設(shè)計(jì)，采用鋁合金材料的帶臺(tái)階的短架板和長(zhǎng)架板作為縱移總成的機(jī)架，帶臺(tái)階的短架板可以保證滑軌水平面的平行度，而長(zhǎng)架板的階梯式設(shè)計(jì)也保證了兩條滑軌豎直面的平行度；而在整個(gè)縱移總成外面設(shè)計(jì)覆蓋有不銹鋼板，可以極大地增強(qiáng)防水性能，如圖8所示。

圖8 縱移總成

升降總成如圖9所示，圖中防水蓋板沒有顯示出。安裝底板上安裝布置有鋁合金材料的長(zhǎng)安裝條，長(zhǎng)安裝條上裝有直線導(dǎo)軌。中層連接架直接連接滑塊和上層連接架，上層連接架則直接承載縱移總成。

2.3 姿態(tài)扶助模塊的設(shè)計(jì)

姿態(tài)扶助模塊如圖10所示，座椅由兩個(gè)座椅電動(dòng)缸支撐，兩個(gè)伸縮扶手分為由兩個(gè)電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，扶手前后兩節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)改變自身長(zhǎng)度，使得其可以更好地適應(yīng)不同體型的人；當(dāng)人站起時(shí)，電動(dòng)缸動(dòng)作使得座椅面推動(dòng)人的臀部，扶手給予人上半身向上的力，可幫助人站起。

3 沐浴機(jī)器人的控制系統(tǒng) 層

圖9 升降總成

沐浴機(jī)器人助手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如11所示，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與用戶進(jìn)行交互，將信號(hào)傳送到下位機(jī)PLC，由PLC發(fā)送指令給各組件完成動(dòng)作[6]。工控機(jī)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的工具總稱[7]。工控機(jī)防磁、防塵、防沖擊，可靠性和穩(wěn)定性很高。工控機(jī)的選擇要考慮通信方式、接口、軟件開發(fā)環(huán)境、CPU運(yùn)算性能、I/O接口數(shù)量、尺寸、性能及成本等因素，選擇研華ARK-2121L。PLC(從站)選擇臺(tái)達(dá)DVP-15MC11T，其與工控機(jī)通過網(wǎng)口通信。觸摸屏選擇臺(tái)達(dá)DOP-W157B，分辨率為1024×768，大屏幕使得老年人可以更加輕松識(shí)別屏幕上的內(nèi)容并且準(zhǔn)確地操作沐浴機(jī)器人，觸摸屏通過RS485接口與工控機(jī)進(jìn)行通信。

圖10 姿態(tài)扶助模塊

圖11 家用沐浴機(jī)器人助手控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

用戶使用沐浴機(jī)器 人時(shí)，可以通過按鈕或者觸摸屏 操作。觸摸屏可以設(shè)置沐浴機(jī)器人的參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示沐浴機(jī)器人的工作狀態(tài)，用戶可以便捷地使用沐浴機(jī)器人。

4 結(jié) 論

沐浴機(jī)器人助手可以主動(dòng)輔助用戶進(jìn)行沐浴的全過程，大大減輕了家庭的護(hù)理壓力，提升了老年人的生活質(zhì)量。沐浴機(jī)器人助手有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了頭部清潔、背部清潔及姿態(tài)扶助等功能結(jié)構(gòu)，使得其符合廣大老弱人群使用要求。這種主動(dòng)式多功能沐浴機(jī)器人仍然有很大的改進(jìn)空間，例如沐浴水流若使用超聲波賦能則可減輕機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作力度，主動(dòng)式多功能沐浴輔助機(jī)器人改變了老人沐浴需要多人看護(hù)的情況，是未來養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。