陳運(yùn)勝 劉杰 張勇維 孫令真

摘 要：結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，從智能助老爬樓機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究的現(xiàn)狀、發(fā)展方向及應(yīng)用前景等方面對(duì)目前的智能爬樓機(jī)器人進(jìn)行了綜合的論述，為工程技術(shù)人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化智能助老爬樓機(jī)器人提供理論參考依據(jù)，以解決國(guó)家人口老齡化增長(zhǎng)背景下，老年人因行動(dòng)不便、上下樓梯困難的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：人工智能;機(jī)器人;優(yōu)化;老齡化

Abstract：Combined with the rapid development of computer technology，artificial intelligence technology and robot technology，this paper comprehensively discusses the current intelligent building climbing robot from the aspects of the development and research status，development direction and application prospect of intelligent building climbing robot at home and abroad，so as to provide a theoretical reference for engineering technicians to further design and optimize intelligent building climbing robot，In order to solve the problem that it is difficult for the elderly to go up and down stairs due to inconvenient movement under the background of national population aging growth.

Keywords：Artificial intelligence;Robot;Optimization;Aging

隨著人口老齡化的增長(zhǎng)，智能助老爬樓機(jī)器人也在不斷發(fā)展更新，呈現(xiàn)出了新特點(diǎn)，關(guān)注老年人生活方式成為近年來(lái)民生討論熱門(mén)。在爬樓機(jī)器人設(shè)計(jì)和使用的發(fā)展初期，其框架和體積一般都比較大，需要采用功率和體積較大的電機(jī)和減速機(jī)，在這種情況下，材料和能源的浪費(fèi)會(huì)進(jìn)一步增多，生產(chǎn)造價(jià)成本也會(huì)增加，同時(shí)自重和動(dòng)能也會(huì)較大，造成爬樓機(jī)器人的危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步提高。隨著智能化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和對(duì)機(jī)器人的持續(xù)性研究與不斷探索，研究設(shè)計(jì)的智能助老爬樓機(jī)器人在性能上不斷提升的同時(shí)，其輕量化設(shè)計(jì)也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。

1 智能助老爬樓機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外研究的步行式爬樓機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)有很多：一是步行式爬樓運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，液壓桿的液體阻尼系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，增強(qiáng)了使用者的人身安全保護(hù)作用。二是爬樓機(jī)器人可以適應(yīng)多種不同環(huán)境和形式的樓梯。但是，步行式爬樓機(jī)器人存在不足之處。首先，它對(duì)控制系統(tǒng)和動(dòng)能裝置的要求比較高。其次，行走效率和預(yù)期效果并沒(méi)有達(dá)到所需理想狀態(tài)，還有其爬樓動(dòng)作操作困難，爬樓時(shí)間長(zhǎng)。除此之外，在實(shí)施爬樓梯時(shí)容易造成側(cè)傾，存在一定的危險(xiǎn)系數(shù)，這些缺點(diǎn)和不足直接導(dǎo)致了步行式爬樓機(jī)器人沒(méi)有被廣泛普及[1-3]。

隨著機(jī)器人技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展，助老爬樓機(jī)器人作為機(jī)器人的一種新形式，國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)爬樓梯機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)及理論研究都走在世界的前列。這些國(guó)家很早就開(kāi)始對(duì)爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究，利用理論知識(shí)與實(shí)物相結(jié)合，研究設(shè)計(jì)出多種能夠行走攀爬樓梯的機(jī)器人，相對(duì)而言，輪式爬樓機(jī)器人和履帶式爬樓機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)最多，研究產(chǎn)品也比較成熟。雖然國(guó)外在爬樓機(jī)器人方面的設(shè)計(jì)研究成果豐碩，但在使用過(guò)程中受到爬樓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)、安全性能差、制造成本高等多方面因素的制約，使得產(chǎn)品目前市場(chǎng)使用較少。

我國(guó)對(duì)智能爬樓機(jī)器人的探索和研究設(shè)計(jì)在時(shí)間上相對(duì)于其他國(guó)家起步較晚，關(guān)于爬樓機(jī)器人這方面的發(fā)明和專(zhuān)利以及設(shè)計(jì)模型，雖然有很多，也提出了一些創(chuàng)新性的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，但機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，裝配困難，維修和控制難度大且工作效率不高。因此，要實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙地連續(xù)爬樓運(yùn)行，還有許多技術(shù)難點(diǎn)需要解決。根據(jù)市場(chǎng)需求，為解決老年人上下樓梯不便問(wèn)題勢(shì)在必行。智能助老爬樓機(jī)器人正朝著功能集成化方向發(fā)展和不斷優(yōu)化，比如設(shè)計(jì)輕量化和健身功能的集成，操作簡(jiǎn)單，方便出行。

2 智能助老爬樓機(jī)器人的發(fā)展方向及應(yīng)用前景

2.1 發(fā)展方向

目前，市場(chǎng)上助老爬樓機(jī)器人的主體爬行機(jī)構(gòu)較多，但桿上爬行機(jī)構(gòu)并不多見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)存在整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、操作不方便等諸多問(wèn)題。每種設(shè)計(jì)研究的爬樓機(jī)器人都具有自身的優(yōu)越性和局限性，對(duì)各種爬樓機(jī)器人展開(kāi)研究設(shè)計(jì)，其發(fā)展的方向一是輕量化設(shè)計(jì)，二是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠滿足老齡化人群使用，安全、便利、可靠，解決他們的出行問(wèn)題?？傮w設(shè)計(jì)布置合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)成本低、輕量化、安全系數(shù)高、自鎖功能好、操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣，不但解決老年人上樓梯困難的問(wèn)題，還解決了老年人可以在室內(nèi)健身的問(wèn)題，見(jiàn)圖1所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)智能助老機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析，要求其模型最小安全系數(shù)顯著提高，質(zhì)量也有所減輕，使其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、密度小等優(yōu)質(zhì)的力學(xué)特性，極大地?cái)U(kuò)展輕量化設(shè)計(jì)方向，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化的整體方案。從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料更換這兩方面對(duì)智能爬樓機(jī)器人進(jìn)行整體輕量化研究設(shè)計(jì)。例如，用鋁合金材料代替原來(lái)的材料，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)后的爬樓機(jī)器人在保證整體強(qiáng)度和剛度滿足使用要求的基礎(chǔ)上減輕重量成果顯著。對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)涉及兩個(gè)方面：一方面是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化;另一方面是設(shè)計(jì)零部件材料輕量化。整體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提高其機(jī)動(dòng)性能，減少能量消耗。主要是在爬樓機(jī)器人減輕運(yùn)動(dòng)慣性、提高操作速度和動(dòng)作準(zhǔn)確度方面的優(yōu)勢(shì)突顯出來(lái)。設(shè)計(jì)材料輕量化相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)輕量化，使得爬樓機(jī)器人的減重潛力更大，應(yīng)用范圍更廣[4-5]。

智能助老爬樓機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)是基于負(fù)載自重比的設(shè)計(jì)研究。在同樣負(fù)載情況下，智能爬樓機(jī)器人的質(zhì)量和體積越小，它的負(fù)載自重比就會(huì)越大。爬樓機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量越小，在設(shè)計(jì)和選型時(shí)可以選用質(zhì)量較小的電機(jī)和減速器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人整體性能和結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料輕量化的研究，也是未來(lái)智能爬樓機(jī)器人研究設(shè)計(jì)的重要方向。形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化都是輕量化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，其中拓?fù)鋬?yōu)化的目的是實(shí)現(xiàn)材料最優(yōu)分布。優(yōu)化部分就是指定的設(shè)計(jì)空間，對(duì)設(shè)計(jì)模型施加約束條件和載荷等一系列工況條件，在工況條件需求得到滿足的情況下，拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸和形狀優(yōu)化相比，材料的浪費(fèi)更少。

對(duì)智能助老爬樓機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料輕量化設(shè)計(jì)研究，在一定程度上受限于傳統(tǒng)工藝的制造技術(shù)，優(yōu)化方法只是一些傳統(tǒng)的制造工藝方法，比如開(kāi)孔、開(kāi)槽、添加加強(qiáng)筋以及增大或減小尺寸等。大部分優(yōu)化設(shè)計(jì)都是在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上，利用傳統(tǒng)制造工藝的可加工性來(lái)進(jìn)行二次建模。這種情況下，反而會(huì)破壞拓?fù)鋬?yōu)化所得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)主體。而隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為滿足智能助老爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有高剛度、高振動(dòng)頻率與低質(zhì)量等性能特征要求，提供新的主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)條件，也使得設(shè)計(jì)的助老爬樓機(jī)器人突破傳統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)局限性，實(shí)現(xiàn)其特定功能和應(yīng)用技術(shù)。

目前，智能助老爬樓機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、操作及運(yùn)動(dòng)路線變化頻繁且復(fù)雜，在實(shí)際工作過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間短，操控動(dòng)作便捷，再加上機(jī)器人本身存在自重，因而機(jī)器人承載較大。智能助老爬樓機(jī)器人在工作過(guò)程中，一直處于高速度和高頻率的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，運(yùn)動(dòng)工況比較復(fù)雜。助老機(jī)器人的整體質(zhì)量，各部分構(gòu)件的材料、結(jié)構(gòu)剛度和頻率改善，對(duì)于助老爬樓機(jī)器人綜合性能的進(jìn)一步提升具有顯著效果。比如，整體質(zhì)量較輕的機(jī)器人，其整體安全和穩(wěn)定性能較好，運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)作響應(yīng)速度得到了進(jìn)一步提高，工作噪音和震動(dòng)情況會(huì)明顯減少等等。因此，對(duì)智能助老爬樓機(jī)器人進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零部件材料優(yōu)化和整體輕量化的研究設(shè)計(jì)極為重要。當(dāng)前，形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化等優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用在目前機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)這些方法優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后的機(jī)器人綜合應(yīng)用性能得到了顯著改善和提高。實(shí)踐證明，這些方法可以較好地完成主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。但是在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，智能助老機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度、整體質(zhì)量和固有頻率等優(yōu)化目標(biāo)之間又存在相互矛盾關(guān)系。比如，減輕助老爬樓機(jī)器人質(zhì)量很可能會(huì)造成主體結(jié)構(gòu)剛度的降低，在同樣負(fù)載條件下，會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人最大位移量增加、爬樓運(yùn)動(dòng)精度降低等情況。

綜上，智能爬樓機(jī)器人應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：路面適應(yīng)性能好，具有較強(qiáng)的越障能力;能翻越一般住宅建筑標(biāo)準(zhǔn)中絕大部分的樓梯[6]，并且能靈活通過(guò)樓道;爬樓機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠，可以全方位移動(dòng);控制簡(jiǎn)單，容易操作。除此之外，要求體積小，質(zhì)量輕，要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及安全性能、材料的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能是否滿足要求等一系列問(wèn)題。輕量化后的智能機(jī)器人，蘊(yùn)含著極大市場(chǎng)銷(xiāo)售份額。

2.2 應(yīng)用前景

現(xiàn)如今，人們對(duì)健康越來(lái)越重視，而且隨著科學(xué)技術(shù)和人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及日趨嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題，失能和半失能的老齡年人口數(shù)量將越來(lái)越多。同時(shí)，我國(guó)的殘障人士的數(shù)量也是不斷上升，下肢發(fā)生殘疾人口的數(shù)量是肢體殘疾中最多和最常見(jiàn)的，他們需要借助輔助工具才能進(jìn)行正常工作生活。而城市的活動(dòng)空間極為有限，為有效利用空間，目前高層住宅已經(jīng)非常普遍。然而，那些殘障人士和一些失能、半失能的老年人，他們需要借助輪椅才能正?；顒?dòng)，當(dāng)遇到臺(tái)階、斜坡和爬樓梯時(shí)，輪椅卻不能發(fā)揮它的作用。未來(lái)智能助老爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念和一般步驟是經(jīng)人機(jī)分析確定爬樓機(jī)器人的主體尺寸，然后進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和力學(xué)校驗(yàn)。并對(duì)機(jī)器人傳動(dòng)組件模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，掌握運(yùn)動(dòng)性能特征，驗(yàn)證其優(yōu)化方案的可行性。在控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方面，設(shè)計(jì)控制流程圖，設(shè)定智能助老爬樓機(jī)器人功能。在外觀主體設(shè)計(jì)和應(yīng)用性能方面，賦予智能助老爬樓機(jī)器人多種外觀設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行部分零部件的細(xì)節(jié)展示，并配合不同模塊的使用狀態(tài)和功能展示，最后設(shè)計(jì)出能夠輔助失能、半失能老年人和下肢殘障人士的智能助老爬樓機(jī)器人。助老爬樓機(jī)驅(qū)動(dòng)多元化，操作簡(jiǎn)單方便，適用性價(jià)比高，主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生產(chǎn)造價(jià)成本低，實(shí)用性強(qiáng)，市場(chǎng)前景廣闊。

結(jié)語(yǔ)

為進(jìn)一步滿足智能助老爬樓機(jī)器人向輕巧高效、操作便捷和產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)型等方面發(fā)展的需求，整體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是未來(lái)爬樓機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，部分智能助老爬樓機(jī)器人不僅可以爬樓，還具有運(yùn)動(dòng)健身功能，同時(shí)滿足老年人生活和健身需求[7]。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，智能助老爬樓機(jī)器人已開(kāi)始投入生產(chǎn)及應(yīng)用，但部分產(chǎn)品還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)成本高、笨重、智能化不高等問(wèn)題。隨著科技的發(fā)展，以適應(yīng)人口老齡化的快速增長(zhǎng)帶來(lái)的生活問(wèn)題，如何更好地對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或輕量化設(shè)計(jì)，將是工程技術(shù)人員重點(diǎn)研究的方向之一。

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基金項(xiàng)目：2021年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新類(lèi)項(xiàng)目（編號(hào)：2021KTSCX349）

作者簡(jiǎn)介：陳運(yùn)勝（1982— ），男，漢族，海南樂(lè)東人，本科，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化。