● 摘要
老年护理机器人是针对半自理老人提供的一个智能移动生活保姆，将缓解即将到来因缺乏专业护理人员而出现的老年人护理危机。本文结合国家863计划《助老/助残机器人系统集成、监控与产品综合展示平台》重点项目，采用融合工业设计与机械设计一体的创新性产品设计方法对机器人造型设计与机构设计展开了研究，取得如下研究成果：1．半自理老人的护理需求与护理机器人设计准则。本文采用权重调研法、Kano模型与质量功能展开技术结合方法分析开放性与约束性需求信息，得到护理机器人自主远程取物、助行等功能方案与运动稳定性高、安全性设计与续航时间长等具体的设计准则。2．护理机器人机械系统总体方案。本文采用模块化思想将机器人总体机械系统设计成移动底盘模块、机器人躯干模块、外壳模块与机械臂模块四个模块。这有助于机器人总体设计效率的提高与产品化的实现。3．设计抽象简洁家用风格的护理机器人外观造型，包括机器人形态、人机接口与操作界面设计。与具象的仿生设计风格相比，抽象简洁风格的家用机器人造型不仅具有更强的工程可实现性，更低商业产品开发成本，在用户使用心理学上满意度也会更高。4．本文从越障性能、机动性能、防滑性能、能耗率与运动稳定性五方面对三、四轮正交与斜置全向移动底盘布局方案进行系统性的比较研究，其中四轮斜置布局方案在越障性、机动性与防滑性上表现最佳，四轮正交布局方案底盘在运动稳定性与能耗上表现最佳。这项工作为全向底盘各轮式布局的应用提供了全面的理论支持。同时展开全向移动底盘、机器人躯干与外壳机械结构的详细设计工作。5．在模块化机械臂结构设计的基础上，本文采用标准的D-H 建模方法与位姿分离法，对机械臂的正逆运动学进行了分析，并求得解析解，通过Matlab验证了正逆运动学解推导过程的正确性，为机械臂各关节轨迹规划提供理论基础。最后对各种运动状态下整体机器人稳定性进行研究分析。6．建立老年护理机器人实验平台，通过实验验证机器人四轮正交布局的全向底盘能在狭小空间完美地实现全向运动，直线与旋转运动偏移误差控制在2cm范围内，正向越障能力达到4mm，斜向越障能力达到30mm，爬坡能力达15°等各性能。通过用户现场使用实验，验证了机器人造型设计与人机界面设计的用户满意度。