[发明专利]一种老年人室内活动搀扶机器人系统及其应用方法

权利要求书

1.一种老年人室内活动搀扶机器人系统，其特征在于：包括前搀扶装置和后搀扶装置，前搀扶装置和后搀扶装置均包括控制系统模块、搀扶机构、移动执行机构、人体运动和环境感知传感器系统，其中前搀扶装置和后搀扶装置传感器数目和类型均相同，前搀扶装置和后搀扶装置对称布置，且一同夹住老年人，所述控制系统模块安装于移动执行机构；

所述移动执行机构上均安装有Grabowiecki轮或Mecanum轮，以实现非完整约束的转动；且根据从外部环境感知的定位信息、老年人运动意图和状态信息来指示移动执行机构和搀扶机构的执行动作；

所述搀扶机构通过支撑柱安装于底盘，搀扶机构包括对称安装的搀扶手臂以及安装于搀扶手臂上的气囊，在发现老年人跌倒倾向后，控制系统模块立即控制搀扶机构给予托扶和力矩矫正，并在老年人行走方向发生严重偏离的情况下进行矫正；

所述的传感器系统按不同高度对外和对内安装在搀扶机构上，传感器系统包括激光雷达和环境空间感测系统，所述激光雷达绘制地图和定位所述空间感测系统包括线结构光和摄像头。

2.根据权利要求1所述的老年人室内活动搀扶机器人系统，其特征在于：还包括可外扩网络通信模块，可外扩网络通信模块可安装在底盘即移动执行机构，用于远端人员交互操作和状态信息传递。

3.根据权利要求1所述的老年人室内活动搀扶机器人系统，其特征在于：所述控制系统模块控制人体运动和环境感知传感器系统进行探测，人体运动和环境感知传感器系统实时提取内外部环境特征，控制系统模块收到相应内外部环境数据后进行地图更新、特征匹配定位以及路径规划，在使用过程中实时根据老年人状态进行判断。

4.一种基于权利要求1至3任意一项所述的老年人室内活动搀扶机器人系统的应用方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在正式使用之前示教一次，在示教时，由一般人员带领搀扶机器人系统，将典型室内活动任务巡走一遍，由激光雷达和定位装置感测机器人巡走过程中的环境特征，通过对任务环境进行地图构建，将环境信息转化为矢量地图；

(2)建立任务环境地图后，控制系统模块将矢量地图分析处理；示教阶段的路线与老年人室内行走线路典型任务应一致，不要求示教阶段和实际执行搀扶任务阶段的速度相同，但要求线路相同；在示教巡走阶段，前搀扶装置和后搀扶装置均可不添加左右力矩平衡辅助支撑轮，以及使不使用扶墙卡托；

(3)转弯障碍躲避与执行动作规划：

(31)要求老年人室内行走环境与示教环境基本一致，不出现显著的已绘地图外的障碍物，直行时遵循中正之行为主原则，即可引导老年人前行，但在转弯时，对不同的转弯情况进行分析，遇到局部狭窄处转弯时延伸搀扶手臂长度，使用扶墙卡托和左右力矩平衡辅助支撑轮实现人体搀扶力矩裕度；

(32)拐弯状态下：移动执行机构行进缓慢、移动执行机构随时停止、搀扶机构随时提供搀扶力；

(33)自适应路径：人体前进轨迹在接近稳定临界处给予矫正，此处的稳定临界处根据地图和激光雷达实测当老年人行走偏离预定路径。

5.根据权利要求4所述的老年人室内活动搀扶机器人系统的应用方法，其特征在于：所述步骤(1)中，控制系统模块的具体工作过程为：

(11)依次进行可通过性分析和障碍物分析，然后通过激光雷达和线结构光雷达的特征与地图匹配，发现异常特征，判断障碍物存在与否和障碍物的距离，接着规划出路径避障，并判断左右力矩平衡辅助支撑轮和扶墙卡托适用性，根据激光雷达获取环境信息得到可通过性分析，判断墙和障碍物与搀扶机器人的距离；

(12)不摔倒力矩计算，保证稳定力矩的裕度；

(13)基于多线结构光的老年人行进意图预测：对前进的速度、方向和角度旋转进行判别；

(14)识别搀扶机器人的系统状态，所述系统状态包括：继续行进、暂停、转弯、摔倒和偏离路线。