家庭智能助老站立裝置

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著中國人口的老齡化程度的加深，中國老年人占比的增長速度已高于世界平均水平。老年人下肢肌肉力量衰退，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)力矩不足易摔倒，進(jìn)而引發(fā)其他疾病。

現(xiàn)如今，許多幫助老年人站立的裝置都存在不足，例如拐杖功能單一且存在著打滑、易失去平衡的風(fēng)險。而市場中存在的專門輔助老人起立的機(jī)械裝置，大都適應(yīng)力較弱、操作不便、人性化設(shè)計缺失，使用情景受到較多限制，難以達(dá)到理想的使用效果。

因此，針對這些現(xiàn)象及問題，設(shè)計了一款家庭智能助老站立裝置，彌補(bǔ)了目前市場上助老輔具在智能性、適應(yīng)性和便捷性方面的不足，從而為獨居老人提供更加舒適、安全的服務(wù)。

1 設(shè)計方案

本作品的主要功能是在家庭內(nèi)部輔助老人在多個場景之下完成站立的過程，絲桿和電動推桿可以協(xié)同配合來實現(xiàn)對站立過程中老人重心的位移曲線的擬合，且通過控制絲桿電機(jī)的速度以及2 個推桿的速度比可以實現(xiàn)對多種曲線的擬合，從而適應(yīng)不同體型的老人以及不同的起身高度。

智能控制方面，通過傳感器感知人力輸入的大小來調(diào)控電動推桿驅(qū)動速度的大小，以此實現(xiàn)人對該裝置的“智能化控制”。

根據(jù)以上設(shè)計目標(biāo)，通過機(jī)構(gòu)的精簡合并，簡化操作流程，最終多場景助老站立裝置的操作過程可以分為以下步驟：老人發(fā)出信號后裝置接收到信號→裝置自動移動到老人身前→裝置調(diào)整到老人適合的高度→老人穿上裝置的背帶→老人手握扶手控制裝置，在裝置輔助下完成站立動作。

裝置整體模型如圖1 所示。

2 裝置模塊設(shè)計

2.1 輔助站立模塊

本裝置輔助站立模塊的主要功能是通過絲桿與電動推桿的協(xié)同配合最終使背帶的運(yùn)動軌跡擬合出人體站立過程中的運(yùn)動軌跡，從而在老人腰背部為老人在站立過程中提供輔助支撐力，工作過程中參與的機(jī)構(gòu)主要為多桿機(jī)構(gòu)。

由于不同老人的體型參數(shù)不同，影響老人站立過程中重心的移動曲線的主要是老人的大腿長度以及站立狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)到地面的距離。為了使得裝置更具有舒適性以及滿足對老人特殊運(yùn)動軌跡的需求，該裝置可以通過調(diào)節(jié)絲桿電機(jī)和電動推桿的速度比來實現(xiàn)不同坡度的運(yùn)動軌跡，通過參考人體數(shù)據(jù)做出了老人站立過程中身體重心的運(yùn)動域，并使得裝置可以滿足2 個邊界條件，因此，使得裝置更加具有自適應(yīng)的能力。

2.2 高度調(diào)節(jié)模塊

將裝置調(diào)節(jié)到高度調(diào)節(jié)的模式，控制器調(diào)整到設(shè)定好的絲桿滑塊和電動推桿的運(yùn)動速度比，從而使得裝置整體在豎直方向可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的高度調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)家庭內(nèi)部多種場景的高度，使得老人在完成站立的過程中更加自然、舒適。

2.3 全向移動模塊

全向移動模塊由麥克納姆輪底盤所組成。麥克納姆輪由4 個直流電機(jī)驅(qū)動，同時采用L298N 驅(qū)動芯片進(jìn)行控制，其為雙H 橋電機(jī)驅(qū)動，可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)并利用單片機(jī)輸出PWM 波調(diào)速。全向移動模塊能使裝置在空間狹小的家庭環(huán)境中靈活移動，保證裝置擁有良好的通過性，老人通過語音控制裝置移動，合理規(guī)劃移動路徑，可花費(fèi)較短的時間到達(dá)老人面前。

3 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

為了使裝置使用更加方便、智能，裝置附帶有智能控制模塊。經(jīng)過對裝置的機(jī)電設(shè)備和控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，裝置在具有較高靈敏度的同時，發(fā)生意外事故時也能及時自鎖停止工作。裝置的電控部分采用Arduino 作為主控板，對各電控硬件進(jìn)行精確控制，主要分為輔助站立部分、移動控制部分以及載物部分。

輔助站立控制部分要對背帶高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，高度調(diào)節(jié)采用語音控制，使用LD3320 語音識別模塊識別使用者的指令內(nèi)容，老人通過“高、低”等指令調(diào)節(jié)步進(jìn)電動推桿的移動速度及行程，進(jìn)而控制背帶到達(dá)使用者所希望的高度，以適應(yīng)使用者所處的不同高度。為了使裝置高度調(diào)節(jié)過程精準(zhǔn)、平穩(wěn)，使用57 mm 兩相式步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)動使滑塊移動，使輔助站立機(jī)構(gòu)上下移動，其最大輸出力矩為2.3 N·m。

為了保證裝置運(yùn)動的穩(wěn)定性，使用TB6600 驅(qū)動器實現(xiàn)步進(jìn)電動推桿的正反轉(zhuǎn)和速度的調(diào)節(jié)，通過撥碼開關(guān)選擇步進(jìn)電動推桿的細(xì)分和電流控制，可達(dá)到電機(jī)振動、噪聲小的驅(qū)動效果，其硬件電路如圖2 所示。

4 結(jié)語

該裝置提升了目前中國市場助老產(chǎn)品的智能性和適應(yīng)性，語音調(diào)控以及記憶功能使得該裝置更加適用于獨居老人在家使用，該裝置在未來可以開發(fā)出眾多附加功能，比如輔助摔倒老人站立、輔助老人行走、輔助搬運(yùn)物品等，因此具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 TB6600 驅(qū)動器硬件電路圖