物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式下智能養(yǎng)老器械的開發(fā)*

沈斯佳，武 菁，姚世京，白東升，李昊文，劉家銘，鄧 飛

（1.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018；2.河北奇諾信息技術(shù)有限公司，河北 石家莊 050018）

隨著醫(yī)療技術(shù)快速發(fā)展及健康養(yǎng)生日趨受到重視，雖然人類的平均壽命穩(wěn)步增加，但是社會(huì)人口老齡化問題愈加突出，據(jù)國(guó)家人口部門統(tǒng)計(jì)，截至2019年，我國(guó)60歲以上人口數(shù)量達(dá)2．49億人，占總?cè)丝诘?7．9%，且老年人口比例呈不斷上升趨勢(shì)。老年人生理逐漸衰老，意外風(fēng)險(xiǎn)多發(fā)，經(jīng)常需要臨時(shí)看護(hù)或長(zhǎng)期照顧，人力、物力支出巨大[1]。據(jù)我國(guó)社會(huì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，隨著身體衰老，老年人的生活質(zhì)量持續(xù)降低，2019年我國(guó)65歲以上老年人的服務(wù)需求滿足率僅為16%。而我國(guó)執(zhí)行獨(dú)生子女政策40多年，已經(jīng)開始面臨一對(duì)夫妻要承擔(dān)4個(gè)老年人的養(yǎng)老義務(wù)，家庭養(yǎng)老問題已成為一個(gè)亟待解決的社會(huì)問題[2]。

1 國(guó)內(nèi)外助老器械研究現(xiàn)狀

老齡化問題的日趨嚴(yán)重促使各國(guó)政府大力開展“科技創(chuàng)新助力解決社會(huì)養(yǎng)老”的專項(xiàng)課題，其中重點(diǎn)方向之一是開發(fā)適用于家庭的智能助老、養(yǎng)老器械產(chǎn)品，使老年人在器械的助力下能夠進(jìn)行一定的日?；顒?dòng)，減少對(duì)全職陪護(hù)的依賴。如歐美國(guó)家早在20世紀(jì)70年代就開始研究身體康復(fù)機(jī)器人，其中Heidelberg和Spartacus主動(dòng)操作手項(xiàng)目被認(rèn)為是康復(fù)型器械的研究起源，英國(guó)研制的Handy 1機(jī)器人能夠輔助患有腦癱的男孩自主就餐，美國(guó)斯坦福大學(xué)開發(fā)的MOVAR機(jī)器人在一定程度上實(shí)現(xiàn)了未知空間環(huán)境的工作和服務(wù)，通過多種信號(hào)的感知組合及一體控制，獲得機(jī)械手模擬仿真人手的觸覺和施力過程，并保證工作過程的安全可靠[3]。近年來(lái)日本、韓國(guó)等亞洲發(fā)達(dá)國(guó)家在助老康復(fù)器械方面的研究也發(fā)展迅速，如SONY公司智能服務(wù)機(jī)器人項(xiàng)目在家庭教育、休閑娛樂等行業(yè)應(yīng)用中取得了較大成功，豐田、本田、三星、現(xiàn)代等公司致力于開發(fā)特定功能的服務(wù)機(jī)器人。

我國(guó)在服務(wù)保健器械領(lǐng)域起步較晚但發(fā)展迅速，近年來(lái)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，主要有安保機(jī)器人、輪椅機(jī)器人、穿戴機(jī)器人等。21世紀(jì)以來(lái)，智能服務(wù)機(jī)器人相繼被列入了國(guó)家863計(jì)劃“先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域”重點(diǎn)項(xiàng)目和《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》。隨著人口老齡化的日趨嚴(yán)重，在未來(lái)10年內(nèi)，智能助老類服務(wù)器械在我國(guó)的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，尤其是家用型產(chǎn)品將成為快速增長(zhǎng)點(diǎn)[4]。目前市場(chǎng)上的生活服務(wù)器械往往基于特定工作環(huán)境開發(fā)，尚未有面向家庭養(yǎng)老、助老等特定功能的專項(xiàng)開發(fā)，也沒有充分利用物聯(lián)網(wǎng)信息科技成果來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)過程的智能化，不能滿足居家養(yǎng)老所需的生活護(hù)理輔助和身體康復(fù)保健等功能。

2 助老器械功能開發(fā)的發(fā)展方向

通過廣泛的社會(huì)調(diào)研和論證，未來(lái)助老器械發(fā)展的3個(gè)主要方向包括：一是家庭化。隨著國(guó)民健康意識(shí)的增強(qiáng)、消費(fèi)能力的提升和人工服務(wù)成本的增加，適合老年人居家生活的養(yǎng)老器械產(chǎn)品趨向于體積小型化、操作簡(jiǎn)便、適于老年人室內(nèi)自主使用。二是物聯(lián)化。助老器械要有廣泛物聯(lián)功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境和用戶身體狀態(tài)，突發(fā)意外時(shí)能夠應(yīng)急調(diào)動(dòng)和通信預(yù)警。三是智能化。實(shí)施養(yǎng)老器械的智能制造工程，支持人工智能、虛擬顯示等新技術(shù)，通過人機(jī)交互控制方式，給予感官模擬和視覺反饋。以上創(chuàng)新功能能夠有效改善傳統(tǒng)助老器械功能單一、無(wú)法真正融入老年人日常生活的短板。

3 智能助老器械的開發(fā)

3.1 功能定位

智能助老器械的開發(fā)基于居家生活老年人的生活環(huán)境和特征狀態(tài)，定位于生活護(hù)理輔助和身體康復(fù)保健兩種功能方向，主要功能模塊包括：老年人站立、上下床、如廁、洗浴等基本生活輔助；集成開發(fā)智能藥盒，具備藥物分類儲(chǔ)存、自動(dòng)吃藥提醒、藥量提醒功能；實(shí)時(shí)監(jiān)控老年人的生活狀態(tài)、身體基本健康參數(shù)及應(yīng)急信號(hào)發(fā)送。助老器械智能化程度高，工作穩(wěn)定，能大幅減輕家庭照顧負(fù)擔(dān)，改善老年人的生活品質(zhì)，提高他們的生活質(zhì)量。

3.2 助老生活機(jī)器人的開發(fā)

3.2.1 開發(fā)目的

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，65歲以上老年人群體約80%具備基本生活自理能力，他們由于部分器官老化，只是做某些特定的動(dòng)作時(shí)力不從心，如日常起坐、如廁、洗浴等用力活動(dòng)，在沒有外力支撐的情況下，如果動(dòng)作過大過急，就非常容易摔倒或引起心臟病、腦溢血等突發(fā)疾病。因此，開發(fā)助老生活機(jī)器人，首先是幫助老年人在進(jìn)行施力動(dòng)作時(shí)給予穩(wěn)定的被動(dòng)支撐或外力主動(dòng)輔助；其次，行動(dòng)不便的老年人居家生活時(shí)需要活動(dòng)或散步鍛煉，機(jī)器人能夠主動(dòng)跟隨協(xié)助或支撐保護(hù)，將是得力的智能養(yǎng)老工具。目前助老生活機(jī)器人開發(fā)的最大難點(diǎn)是：機(jī)器人在施加較大的助力時(shí)，如何保持自身牢固穩(wěn)定和運(yùn)動(dòng)平衡。

3.2.2 方案設(shè)計(jì)

助老生活機(jī)器人的智能化控制采用比較成熟的微型傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、人工智能和現(xiàn)代控制技術(shù)進(jìn)行綜合集成，實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)比較容易。機(jī)器人的助力輔助功能通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：一是主動(dòng)助力功能，充分考慮老年人身體弱、易疲勞的特點(diǎn)，為老年人提供穩(wěn)定的強(qiáng)助力，輔助老年人站坐、起臥，核心創(chuàng)新在于機(jī)器人進(jìn)行助力時(shí)能夠保證自身的穩(wěn)定性；二是輔助行走功能，伴隨老年人室內(nèi)散步鍛煉，提供身體穩(wěn)定性支撐；三是依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，具有視覺、語(yǔ)音、紅外追蹤、信號(hào)通信功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控老年人的生活狀態(tài)和基本健康參數(shù)，并能夠發(fā)送應(yīng)急信號(hào)。

主要結(jié)構(gòu)（見圖1）包括：一是底盤穩(wěn)定模塊。助老機(jī)器人定位于家庭使用，居家室內(nèi)地面普遍光滑，因此在運(yùn)動(dòng)底盤上集成開發(fā)真空吸盤組輔助穩(wěn)定模塊，多個(gè)吸盤根據(jù)承受拉力和壓力進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)多位置定位布局。在機(jī)器人受力或助力時(shí)，通過對(duì)吸盤組的升降控制和對(duì)地面的真空吸附實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性固定，同時(shí)設(shè)計(jì)3個(gè)車輪的分布式萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)底盤各方向受控運(yùn)動(dòng)和最小轉(zhuǎn)彎半徑的靈活轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)，快速跟隨老年人室內(nèi)活動(dòng)。二是助力輔助模塊。設(shè)計(jì)了并聯(lián)絲杠控制的升降臂結(jié)構(gòu)，通過帶動(dòng)升降臂上升或下降，老年人的手部或胳膊在升降臂的拉動(dòng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)起、坐的助力輔助，該功能適用于老年人具備自主握持能力，機(jī)器人起到輔助助力效果，緩解老年人施力的突然性。并聯(lián)絲杠能夠增加升降臂的穩(wěn)定性，升降臂的壓力分配到兩個(gè)絲杠上，進(jìn)而分配到機(jī)器人底盤的吸盤組和萬(wàn)向輪上，保持機(jī)器人主體的穩(wěn)定性。三是物聯(lián)網(wǎng)通信模塊。在機(jī)器人頂部集成攝像云臺(tái)能夠攝錄外部環(huán)境狀態(tài)，并將信號(hào)通過無(wú)線通信模塊定向傳輸給接收端；聲音傳感器采集用戶的聲音指令，并將其傳輸給控制器，控制器將控制指令發(fā)送給相應(yīng)受控模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的聲控操作。同時(shí)在機(jī)器人上集成心率、血壓、體溫等身體基本健康參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊，可對(duì)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)報(bào)警并遠(yuǎn)程發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上。

圖1 助老生活機(jī)器人結(jié)構(gòu)透視圖

3.3 康復(fù)扶椅的開發(fā)

3.3.1 開發(fā)目的

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，65歲老年人中近10%行走較困難，手部難以大力度握持，自主移動(dòng)空間非常狹小。目前傳統(tǒng)的輪椅僅具有代步功能，久坐舒適性不好，也沒有對(duì)乘坐人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)保健的功能。因此開發(fā)一種助老康復(fù)扶椅，適用于站立不穩(wěn)、起坐困難的老年人、殘疾人等康復(fù)人群。

3.3.2 方案設(shè)計(jì)

康復(fù)扶椅整體結(jié)構(gòu)見圖2，除了具備傳統(tǒng)電動(dòng)輪椅的受控運(yùn)動(dòng)功能外，還創(chuàng)新開發(fā)了輔助老年人起坐的功能，由電推裝置和升降連桿機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)座椅在垂直高度和側(cè)傾角度的一體控制，起到輔助老年人站立、坐下和側(cè)撐作用。底盤上設(shè)計(jì)了四足多連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，當(dāng)老年人需要扶椅提供較大力度的橫向助力和扭轉(zhuǎn)助力時(shí)，連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)牢牢吸附在地面上，保證扶椅整體具有足夠的穩(wěn)定性。同時(shí)開發(fā)了康復(fù)保健功能，如智能藥盒能夠定時(shí)提醒老年人服藥，自適應(yīng)恒溫水杯座能夠保持適當(dāng)?shù)乃疁?，可翻折扶手能夠在老年人如廁時(shí)提供助力支撐，折疊升降桿能夠在扶椅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下提供穩(wěn)定掛物功能等。扶椅集成遠(yuǎn)程監(jiān)控、通信功能，實(shí)現(xiàn)人體生命體征信息的監(jiān)控和遠(yuǎn)程傳送功能。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)管理體現(xiàn)在扶椅的功能和家庭智能硬件的一體化連通，老年人在扶椅上實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種智能硬件的遠(yuǎn)程操控和使用。

圖2 康復(fù)扶椅結(jié)構(gòu)透視圖

4 應(yīng)用前景分析

截至2019年底，我國(guó)60歲以上的老年人中失能、半失能人口已達(dá)到4 000萬(wàn)人，均需專人照顧，耗費(fèi)巨大的人力與財(cái)力。此外，我國(guó)殘疾人占總?cè)丝诒戎匚痪邮澜缜傲?，殘疾人的護(hù)理和康復(fù)也是社會(huì)的重要負(fù)擔(dān)之一，因此智能養(yǎng)老器械市場(chǎng)空間巨大。本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的助老器械定位于家庭應(yīng)用，充分保證養(yǎng)老助老過程的實(shí)用性和穩(wěn)定性，操作和服務(wù)過程的智能化，并預(yù)期以家用電器的銷售模式進(jìn)行市場(chǎng)推廣，輔以工業(yè)化產(chǎn)品的維護(hù)維修管理和回收機(jī)制，應(yīng)用前景廣闊。