助力老年人行走機(jī)器人設(shè)計(jì)

江可玥 邱煜焜

摘要：隨著我國(guó)老齡化速度不斷加快，老齡化所帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題也日益顯著，老年人的身體狀況不容樂(lè)觀。如何有效幫助老人在家的生活成了重要問(wèn)題。我們通過(guò)對(duì)行動(dòng)能力不便的老年人進(jìn)行調(diào)研，針對(duì)老年人行走不便的原因進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種助力老年人行走的機(jī)器人，為老人在家庭生活中提供幫助。各個(gè)模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，幫助老年人，特別是行動(dòng)不便的老年，人順利進(jìn)行日常生活。該機(jī)器人可以為行動(dòng)不便的老年，人提供便利。

關(guān)鍵詞：輔助行走;?機(jī)器人;?服務(wù)機(jī)械

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2020）08-0008-03

引言

在人口老齡化的趨勢(shì)下，老齡化所帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題也日益顯著。老年人身體狀況不容樂(lè)觀：各項(xiàng)身體機(jī)能逐漸退化，血液流通不暢等引起的腿腳無(wú)力，行走等能力受到限制，起身站立困難，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)距離行走。而年輕人的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和工作壓力大，工作和家庭兼顧已然不易，并無(wú)過(guò)多時(shí)間和精力照顧老人，由此極易導(dǎo)致老年人能力不足引發(fā)的一系列危險(xiǎn)狀況：行動(dòng)緩慢，對(duì)潛在危險(xiǎn)不能及時(shí)做出反應(yīng);且容易跌倒，引發(fā)事故。

針對(duì)此種狀況，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)推出了老人站立助力器，輔助老年人起身站立，短距離行走，但功能單一，自動(dòng)化程度極低，無(wú)法滿足老年人正常生活所需;日本豐田則推出Honda步行輔助器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輔助行走，但同樣功能單一，無(wú)法對(duì)突發(fā)情況迅速做出反應(yīng)，為老年人保駕護(hù)航。對(duì)于這一問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款助力老年行走機(jī)器人-Accompany?spider，為老年人的家庭生活提供幫助。

一、功能設(shè)計(jì)

本裝置主要針對(duì)行動(dòng)不便的老年人，尤其是腿部不能長(zhǎng)時(shí)間站立、行走或是因?yàn)樾凶哔M(fèi)力而導(dǎo)致行動(dòng)能力減弱的老年人。如圖1位本設(shè)計(jì)整體模型圖，其具備的主要功能有以下三點(diǎn)：

1.提供助力行走服務(wù)，全方位監(jiān)控護(hù)航，設(shè)置避障自適應(yīng)功能，當(dāng)遇到危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)采取措施，避免老人傾倒;也可提供自動(dòng)前進(jìn)功能，老人可坐在座椅上自動(dòng)前進(jìn)，舒適感更強(qiáng);

2.提供日常生活取物遞送服務(wù)，方便老年人日常生活;

3.提供按摩服務(wù)等輔助功能，針對(duì)老年人不同的身體狀況，提供不同類型的服務(wù)，更具人性化。

二、項(xiàng)目?jī)?nèi)容

（一）整體設(shè)計(jì)

Accompany?spider助力老年行走機(jī)器人采用了模塊化功能的設(shè)計(jì)，整體由腿部支撐模塊，多功能機(jī)械臂模塊，多足行走模塊，按摩模塊，底部支撐模塊和控制檢測(cè)模塊六大模塊組成。本裝置主要針對(duì)行動(dòng)不便的老年人，尤其是腿部不能長(zhǎng)時(shí)間站立、行走或是因?yàn)樾凶哔M(fèi)力而導(dǎo)致行動(dòng)能力減弱的老年人。

由于人在行走時(shí)會(huì)將自身的重力全部集中在人的兩只腿上，從而導(dǎo)致人在行走時(shí)腿部承力較大，尤其是在人下蹲或是起身時(shí)膝蓋部分所受的力為正常走路時(shí)的5-7倍，因此許多老年人隨著年齡增長(zhǎng)行動(dòng)能力減弱的一個(gè)重要原因是膝蓋不能承力，因此本裝置為方便老年人行走，設(shè)置了腿部支撐模塊，當(dāng)老年人在行走時(shí)，依靠裝置上的座椅承受部分身體的重力，通過(guò)仿人腿式支撐模塊的設(shè)計(jì)，在減小人腿受力的同時(shí)增加老人在行走時(shí)的平穩(wěn)性。

除兩條仿人腿式機(jī)械支撐腿外，本裝置還設(shè)有兩只多功能機(jī)械臂，這兩只機(jī)械臂在老人行走時(shí)將老人圍住，防止老年，人在行走過(guò)程中摔倒;在老年人需要取物時(shí)可通過(guò)老人的手動(dòng)控制輔助老年人拿取書(shū)報(bào)、食物等物品，避免了老人屈膝取物的動(dòng)作，保護(hù)了老年人的膝蓋。除此之外該機(jī)械手具有按摩的功能，當(dāng)老年人在行走過(guò)后，為緩解其腿部肌肉的酸痛，機(jī)械臂將通過(guò)控制系統(tǒng)根據(jù)老年人行走的距離、路況等信息綜合考慮為老年人進(jìn)行科學(xué)地按摩。

由于路況復(fù)雜，老年人只靠?jī)蓷l腿行走勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致行動(dòng)的平穩(wěn)性較差，因此，本裝置設(shè)置了多足可吸附式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)仿造蜘蛛的行走過(guò)程設(shè)計(jì)，在行走時(shí)針對(duì)不同的路況通過(guò)高清攝像頭智能識(shí)別路況，從而選擇不同的行走方式，多足式設(shè)計(jì)使得裝置在輔助老年人行走的過(guò)程中平穩(wěn)性得到大大提高。

（二）腿部支撐模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示為腿部支撐模塊總裝圖，其由電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、固定卡扣、氣動(dòng)桿等部分組成，為了和人體下肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)基本一致，下肢外骨骼機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要包括髖關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)、膝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的和踝關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。本模塊為適應(yīng)不同人群的腿部長(zhǎng)度和粗細(xì)，設(shè)計(jì)了可伸縮式支撐架，該支撐架由電機(jī)提供動(dòng)力，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1.使膝關(guān)節(jié)以下部分的長(zhǎng)度可隨不同人體的小腿長(zhǎng)度而自動(dòng)變化;2.由于人體腳掌的面積較小，因此腳掌所承受的人體自身中立多帶來(lái)的壓強(qiáng)較大，因此本裝置設(shè)計(jì)了機(jī)械腳掌以增大腳掌受力面積;3.通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)腿粗細(xì)的調(diào)節(jié);4.由電機(jī)帶動(dòng)萬(wàn)向節(jié)，實(shí)現(xiàn)腳部模塊的旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)老年人腳踝關(guān)節(jié)進(jìn)行按摩。

（三）多功能機(jī)械臂模塊設(shè)計(jì)

如圖4所示為多功能機(jī)械臂模塊，該模塊由大臂和小臂兩部分組成，其中小臂由兩部分氣動(dòng)桿提供動(dòng)力，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)不同部位氣動(dòng)桿的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度來(lái)控制多功能機(jī)械臂小臂部分的長(zhǎng)度和手指部分不同功能的實(shí)現(xiàn)。其中，手指部分利用多自由度差動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理與彈性鉸鏈的巧妙結(jié)合，使設(shè)計(jì)手掌僅由一個(gè)原動(dòng)件便可驅(qū)動(dòng)手的所有15個(gè)關(guān)節(jié)，并且有對(duì)抓取物體的自適應(yīng)性。手掌設(shè)計(jì)了15自由度差動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)手指的3個(gè)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取物體的自適應(yīng)性。

隨著老年人年齡的增長(zhǎng)，由于肌肉組織的退化或其他問(wèn)題將導(dǎo)致老年人在行走過(guò)程中重心不穩(wěn)而摔倒，針對(duì)這一老年人在行走過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題，本裝置利用該多功能機(jī)械臂作為老年人行走過(guò)程中的防護(hù)裝置，在老年人行走時(shí)通過(guò)彎曲小臂，使小臂與大臂之間成90°角，將老年人圍在其中，降低老年人摔倒的可能性。同時(shí)，轉(zhuǎn)化為輪椅形態(tài)時(shí)，機(jī)械臂作為驅(qū)動(dòng)力來(lái)源，轉(zhuǎn)動(dòng)輪椅輪前進(jìn)。

除此之外，當(dāng)老年人行走一段時(shí)間后，可能會(huì)出現(xiàn)腿酸等癥狀，針對(duì)這一問(wèn)題，本模塊設(shè)計(jì)利用多功能機(jī)械臂小臂的手指部分，如圖5，對(duì)老年人的腿部進(jìn)行適當(dāng)按壓，緩解老年人行走過(guò)后的疲勞程度。

（四）變形多足行走模塊設(shè)計(jì)

為適應(yīng)瓷磚等光滑路面、不平整路面下的行走，本裝置采用兩種不同的行走模式，對(duì)于瓷磚等光滑路面和樓梯采用吸盤吸附式行走，增大抓地面積，提高裝置平穩(wěn)性;對(duì)于普通路面采用輪系結(jié)構(gòu)模式，提高行走效率。兩種行走模式依靠于下列腳尖組合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由吸盤機(jī)構(gòu)、鎖扣機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。整體裝置由四個(gè)變形多足行走模塊組成，兩個(gè)行走模塊通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)耦合，可以合并為行進(jìn)輪，從而使裝置變成輪椅模式。整體效果圖如圖6所示，以下是對(duì)這些機(jī)構(gòu)的具體分析。

1.吸盤機(jī)構(gòu)：吸盤機(jī)構(gòu)主要用于通過(guò)在吸盤內(nèi)外產(chǎn)生壓力差來(lái)吸附地面，增加裝置與地面之間的抓力。吸盤機(jī)構(gòu)由活塞連桿和橡膠吸盤以及后箱中的錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和曲軸組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。通過(guò)連桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)橡膠吸盤的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)裝置在行進(jìn)過(guò)程中需要抓地時(shí)，橡膠吸盤被拉伸，使吸盤內(nèi)部形成空腔，使得內(nèi)部氣壓減小，然后在外部大氣壓的作用下，將裝置緊緊地吸附在地面上;同理當(dāng)吸盤需脫離地面向前行走時(shí)，橡膠吸盤被擠壓，使得內(nèi)部氣壓變大，當(dāng)內(nèi)部氣壓大于外部大氣壓時(shí)，吸盤與地面脫離。

吸盤機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)主要是靠后箱體中的電機(jī)通過(guò)軸輸出帶動(dòng)錐齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，然后由錐齒輪2將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到錐齒輪1，然后由錐齒輪帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使套在曲軸上的連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，最后由連桿帶動(dòng)活塞連桿運(yùn)動(dòng)推動(dòng)吸盤的運(yùn)動(dòng)，裝配關(guān)系如圖9所示。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中適當(dāng)調(diào)節(jié)后箱中電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度來(lái)控制曲軸運(yùn)動(dòng)，最終控制吸盤的吸附與放松，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖10所示。此處采用錐齒輪，充分利用了錐齒輪壽命長(zhǎng)，高負(fù)荷承載力以及減震的特點(diǎn)，更重要的是通過(guò)使用錐齒輪，實(shí)現(xiàn)了兩.個(gè)垂直軸的傳動(dòng)。

2鎖扣機(jī)構(gòu)：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使得機(jī)器人能夠適應(yīng)各種不同的路面情況，進(jìn)而可以更好、更穩(wěn)定地吸附于地面，本裝置在吸盤機(jī)構(gòu)的后箱體上設(shè)計(jì)添加了鎖扣機(jī)構(gòu)，如圖11所示為鎖扣機(jī)構(gòu)的透視圖。在行走過(guò)程中，當(dāng)控制中心識(shí)別路況后發(fā)出指令利用吸盤吸附于地面之進(jìn)行行走運(yùn)動(dòng)，本裝置設(shè)計(jì)了行星齒輪機(jī)構(gòu)，可通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心的太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而同時(shí)帶動(dòng)周邊的四個(gè)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將4個(gè)鎖扣扣到吸盤尾部的連接柱上，起到了連接基體與吸盤機(jī)構(gòu)的作用;如果需要另一種運(yùn)動(dòng)方式而不采用吸盤吸附，只需通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)反轉(zhuǎn)，將鎖扣打開(kāi)，在通過(guò)連桿的運(yùn)動(dòng)就可以使吸盤機(jī)構(gòu)與基體分離。鎖扣機(jī)構(gòu)如圖12所示。

（五）按摩模塊設(shè)計(jì)

如圖13所示為按模模塊，該模塊主要由按摩骨、支架、曲軸、連桿和推桿五部分組成。其中，按摩骨由多塊易形變骨組成，因此其具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，通過(guò)支架與支座固連，曲軸由電機(jī)帶動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)變形按摩骨的前后運(yùn)動(dòng)達(dá)到按摩效果?？筛鶕?jù)老年人的背部情況自動(dòng)貼合在老年人的背部，使振動(dòng)傳遞到老年人的背部達(dá)到背部按摩的效果。而頸部按摩塊由于其完美地貼合人體的頸部造型，通過(guò)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)可起到人體頸部按摩的效果。

（六）底部支撐模塊設(shè)計(jì)

如圖14所示為底部支撐模塊整體圖。為減小裝置行進(jìn)時(shí)的震動(dòng)，以及協(xié)助老年人站立，保持裝置的穩(wěn)定，裝置底板設(shè)計(jì)了彈簧推桿結(jié)構(gòu)以及支撐推桿。當(dāng)裝置作為四足機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，為減小震動(dòng)，彈簧推桿作為減震裝置發(fā)揮作用;當(dāng)老年人需要站立時(shí)，彈簧推桿向上推起，助力老年人站立。支撐推桿作為穩(wěn)定支桿支撐整體。

當(dāng)裝置為輪椅形態(tài)時(shí)，底部翻轉(zhuǎn)輪支撐整體，進(jìn)行前進(jìn)，保持平穩(wěn)。

（七）檢測(cè)反饋模塊

系統(tǒng)主要有兩部分組成，第一部分包括前端數(shù)據(jù)采集傳感器、信號(hào)處理單元、主控制芯片和射頻通信模塊組成。第二部分由上位機(jī)、微控制器和無(wú)線通信模塊組成。前端數(shù)據(jù)采集傳感器主要包括三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS陀螺儀傳感器和三軸MEMS電子指南針傳感器，陀螺儀由于動(dòng)態(tài)性能好，用于獲取實(shí)時(shí)的動(dòng)作信息。但陀螺儀會(huì)產(chǎn)生偏移，而加速度傳感器和電子指南針傳感器其靜態(tài)性能比較優(yōu)越，所以可以用來(lái)對(duì)陀螺儀的動(dòng)作檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修正，如圖15。

三、可行性分析

（一）整體分析

Accompanyspider助力老年行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，由基本的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成（例如：行星輪、曲柄滑塊等），因此在技術(shù)層面，Accompany?spider助力老年行走機(jī)器人是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

材料方面，裝置整體框架采用質(zhì)地輕盈的鋁合金，其加工.難度低，耐腐蝕能力強(qiáng)，在保證機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，減少機(jī)器人整體重量，使其輕量化。

（二）部分零部件應(yīng)力校核分析

1.變形多足行走模塊吸盤機(jī)構(gòu)：吸盤為行走部分的重要零件，吸盤與地面的吸附力大小影響著裝置整體的平穩(wěn)性好壞，且吸盤所承受的壓力為整個(gè)車身的重量，由于整個(gè)車身由多條支撐腿共同受力，因此在對(duì)吸盤進(jìn)行受力分析時(shí)在吸盤施加大小為50N的力，約束固定在與地面支撐處，其網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)、載荷參數(shù)如表1所示，根據(jù)下表所設(shè)置的參數(shù)利用inventor軟件對(duì)該吸盤進(jìn)行應(yīng)力分析，其具體結(jié)果如圖16，17所示：

分析結(jié)果顯示，吸盤所受的最大應(yīng)力2.143MPa，低于橡膠材料的強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度，因此，吸盤的形狀與尺寸設(shè)計(jì)及材料選擇在實(shí)際工作載荷下滿足工作要求。

2.多功能機(jī)械臂模塊機(jī)械臂手掌殼

機(jī)械臂在工作過(guò)程中會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生應(yīng)力，整體體結(jié)構(gòu)需要有足夠的強(qiáng)度和剛度，必須達(dá)到所設(shè)計(jì)環(huán)境的工作要求。其材料分析如表2所示，針對(duì)機(jī)械臂上的手部外殼通過(guò)Inventor軟件進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖18：

分析結(jié)果顯示，手掌件最大應(yīng)力361.4MPa，低于合金鋼屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度，因此，機(jī)械臂手掌的形狀與尺寸設(shè)計(jì)及材料選擇在實(shí)際工作載荷下滿足工作要求。

四、整體創(chuàng)新性

（一）功能創(chuàng)新

1.將多種輔助功能融為一體，使用一種機(jī)器人便可輔助行動(dòng)不便的老年人完成日?；顒?dòng)。為老年人提供腿部支撐的同時(shí)，還兼顧按摩、取物等功能，真正方便老年，人的生活。

2.為適應(yīng)在多種路面上行走，采用了兩種不同的行走模式，在普通路面能夠正常行走的同時(shí)，兼顧瓷磚、樓梯等特殊路面，可以自動(dòng)檢測(cè)路面情況選擇不同的行走方式，讓老年，人行走平穩(wěn)性提高。

3.采用彈簧推桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輔助老年人進(jìn)行站立的功能，方便老年人進(jìn)行站立動(dòng)作，并減少此動(dòng)作對(duì)老年人膝蓋的損傷。

（二）機(jī)構(gòu)創(chuàng)新

1.輪系與吸盤行走方式組合，使車輪可實(shí)現(xiàn)0轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向，對(duì)地面適應(yīng)性強(qiáng)，在各種復(fù)雜路面均可順利運(yùn)動(dòng)。

2.可變多足式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行瓷磚等光滑路面和樓梯上的行走動(dòng)作時(shí)，可以大大提高老年人行走的平穩(wěn)性，避免老年人因?yàn)橹匦拈L(zhǎng)時(shí)間傾斜帶來(lái)的損傷。在不進(jìn)行使用時(shí)，還能收縮折疊，以節(jié)省裝置安放的空間。

3.按摩骨按摩模塊設(shè)計(jì)，由多塊易變性骨、支架、曲軸、連桿、推桿組成，曲軸由電機(jī)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)老年，人背部進(jìn)行按摩的功能。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)Accompany?spider助力老年行走機(jī)器人裝置原理可行，材料易獲取，能夠?qū)夏耆颂貏e是行動(dòng)不便的老年人的日常生活起到比較大的幫助作用，在人口老齡化趨勢(shì)的地區(qū)有較好的前景。

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