一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下肢動力助行系統(tǒng)

孫福豪

（成都錦城學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 成都610213）

引言

當下社會老齡化逐漸加劇，獨居在家的老人日漸增多。老人面臨著各種問題，身體機能下降，在日常行動中十分不便。尤其是如廁、上下樓的時候，容易發(fā)生意外。但市面上助老器械或是使用不便，或是價格昂貴。讓大批需要助老器械幫助的老人難以滿足自身的硬性需求。

1 助行器械的市場現(xiàn)狀

1.1 當前老齡化形勢

當前我國老齡化情況日益嚴重（見表1），2019 年我國65 歲老人數(shù)量達到1.6 億，占全世界65 歲及以上老人群體約23%，老人身體機能不斷下降，日?；顒訉⒆兊脴O為不便。

表1 中國65 歲以上老人占全世界比例

1.2 助老器械對老人的意義

據(jù)健康博覽期刊文章《意外跌倒是老年人第一死因》一文所述[1]，意外跌倒已成為65 歲以上老人的第一死因，平均每年有30%的老人會發(fā)生跌倒，其中，二次跌倒的概率達15%。而跌倒死亡率則是達到了45.72/萬（人），每天就有630 位老人因跌倒去世。

在65 歲以上老人中，有25%的老人行動不便，需要配置輔助器械，然而當前只有7.31%的老人配置了輔助器械。而之所以比例如此之小的原因就在于當前的助老器械難以滿足老人的需求，從而導(dǎo)致了老人使用助老器械的比例低，使用的效果也不好。

1.3 當前助老器械的優(yōu)缺點

1.3.1 簡易助老器械 簡易助老器械是以助行架、拐杖為主。這類助老器械結(jié)構(gòu)簡單，價格較低。主要原理為使用老人上肢力量作為輔助來彌補老人下肢力量的不足。通過為老人提供一個或多個額外的支撐點來避免老人因為身體機能的下降而無法控制平衡。

但這類助老器械局限性較大，有使用場地的限制，助行架、拐杖難以在上下樓中使用，瓷磚地板上有很大的隱患。更為重要的是，這類產(chǎn)品以上肢的力量來輔助行走，而老人本身身體狀態(tài)不好，上肢的力量通常也不太夠。所以，這類簡易助老器械盡管由于其較低的價格使得普及廣，但在實際運用時仍有各種問題困擾著廣大老人用戶[2]。

1.3.2 助行外骨骼 助行外骨骼主要是為下肢提供助力的設(shè)備，這類設(shè)備能夠為人行走提供額外的動力。助行外骨骼能夠幫助失能或半失能老人進行日常活動。通常具備復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，能夠通過傳感器判斷當前老人行動趨勢，步態(tài)周期。從而幫助老人完成行走，上下樓梯，坐下起立等各類動作。

助行外骨骼各種功能都很強大，能為老人提供充足的動力，具有相當?shù)撵`活性，是現(xiàn)有助老器械中對老人的幫助最大的器械。但是它研發(fā)成本過高、技術(shù)難度大、造價昂貴、難以量產(chǎn)等。由于當前沒能實現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)，且價格始終保持在幾十萬甚至上百萬這樣的高價，讓絕大部分家庭都難以接受。

2 下肢動力助行系統(tǒng)的設(shè)計原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 機構(gòu)設(shè)計 本助行系統(tǒng)主體由硬鋁7505 構(gòu)成，該鋁合金強度高、機械性能好、重量較輕。系統(tǒng)本體包括用于支撐人體的支撐機構(gòu)，支撐機構(gòu)包括腰部支撐架、與腰部支撐架鉸接的大腿支撐架、與大腿支撐架鉸接的小腿支撐架和與小腿支撐架鉸接的足部支撐架，腰部支撐架和大腿支撐架的鉸接與大腿支撐架和小腿支撐架的鉸接均是通過第一關(guān)節(jié)機構(gòu)鉸接連接，小腿支撐架和足部支撐架通過第二關(guān)節(jié)機構(gòu)鉸接連接。

第一關(guān)節(jié)機構(gòu)包括相互轉(zhuǎn)動連接的內(nèi)圈和外圈，與內(nèi)圈固定連接的從動齒輪、與從動齒輪嚙合的主動齒輪和與主動齒輪配合的驅(qū)動電機，且驅(qū)動電機安裝在大腿支撐架上；大腿支撐架的兩端分別設(shè)置有與外圈固定連接的弧形端和與從動齒輪固定連接的U 型端；小腿支撐架的兩端分別設(shè)置有與從動齒輪固定連接且截面呈U 字形的第一連接端和與第二關(guān)節(jié)機構(gòu)固定連接的第二連接端。

足部支撐架上還設(shè)置有與小腿支撐架平行的小腿副架和大腿副架，小腿副架兩端分別與足部支撐架和大腿副架鉸接，小腿副架、小腿支撐架、大腿副架和大腿支撐架均設(shè)置有與下肢貼合的弧形護板，任意兩個正對的弧形護板通過捆扎帶連接。

小腿支撐架和足部支撐架之間設(shè)置有踝關(guān)節(jié)回彈裝置，腰部支撐架和大腿支撐架之間設(shè)置有髖關(guān)節(jié)回彈裝置。

腰部支撐架背側(cè)設(shè)置有中央處理裝置和蓄電池，蓄電池與驅(qū)動電機通過通電開關(guān)相連，且通電開關(guān)與中央控制裝置相連，第一關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)置有與中央控制裝置相連的角度檢測傳感器，角度檢測傳感器用于檢測內(nèi)圈轉(zhuǎn)動的角度值。

2.1.2 各結(jié)構(gòu)之間的連接 為了便于第一關(guān)節(jié)機構(gòu)安裝，主動齒輪和從動齒輪為錐齒輪傳動，從動齒輪兩側(cè)分別設(shè)置有連接軸和測量軸，連接軸、測量軸和從動齒輪三者的軸線重合，連接軸與內(nèi)圈固定連接，測量軸用于安裝角度檢測傳感器。

為了便于小腿支撐架或大腿支撐架與U 型端連接，U 型端相互平行兩側(cè)開有弧形缺口，且U 型端開口端端面開有與圓錐銷配合的圓錐孔，連接軸通過半環(huán)形耳座與U 型端固定連接，且連接軸嵌入弧形缺口，半環(huán)形耳座開有與圓錐銷配合的圓錐通孔。

為了防止U 型端與連接軸之間發(fā)生周向滑動，沿連接軸圓周方向設(shè)置有若干個卡位槽，卡位槽的截面呈圓臺狀，半環(huán)形耳座內(nèi)側(cè)設(shè)置有嵌入卡位槽的卡端。

第二關(guān)節(jié)機構(gòu)包括與足部支撐架固定連接的球頭和與套在球頭上的球帽，且球帽與小腿支撐架一端固定連接，球頭能夠相對球帽轉(zhuǎn)動，第二連接端與球帽固定連接。

第二關(guān)節(jié)機構(gòu)包括與足部支撐架固定連接的第一固定端和與小腿支撐架固定連接且截面呈U 字形的第二固定端，第一固定端和第二固定端相互平行的兩側(cè)開有通孔，第一固定端通過鉸接軸與第二固定端鉸接連接，鉸接軸上設(shè)置有角度檢測傳感器。

為了便于安裝蓄電池和中央控制裝置，腰部支撐架包括背板，背板外側(cè)開有放置蓄電池的電槽口，且中央處理裝置設(shè)置在背板外側(cè)，背板截面呈弧形狀。

2.1.3 工作原理 第1 步：啟動系統(tǒng)，調(diào)整模式為行走模式，此時人體及裝置處于站立靜止狀態(tài)。第2 步：按下開始按鈕，此時人體重心前傾，A 腿（先邁出的腿）在控制單元的控制下邁出，B 腿整體前傾，踝、髖關(guān)節(jié)內(nèi)的扭轉(zhuǎn)彈簧1101 偏移初始位置，彈簧產(chǎn)生向拉回初始位置的扭矩，足部支撐架4 前方的輔助回彈彈簧1102處于壓縮狀態(tài)，足部支撐架4 后方的輔助回彈彈簧1102 處于拉伸狀態(tài)。第3 步：A 腿完成擺動，腳掌落地，此時A 腿處于后傾狀態(tài)，足部支撐架4 前方的輔助回彈彈簧1102 處于拉伸狀態(tài)，足部支撐架4 后方的輔助回彈彈簧1102 處于壓縮狀態(tài)。第4 步：B 腿開始擺動，驅(qū)動電機503 轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)彈簧1101 和輔助回彈彈簧1102 中儲存的機械能釋放，帶動B 腿蹬地。A 腿由后傾變?yōu)榍皟A，扭轉(zhuǎn)彈簧1101 和輔助回彈彈簧1102 狀態(tài)改變。第5 步：B 腿落地，一個步態(tài)周期結(jié)束。2.1.4 具體設(shè)計 如圖1 至圖3 所示，下肢助力系統(tǒng)包括腰部支撐架1、與腰部支撐架1 鉸接的大腿支撐架2、與大腿支撐架2 鉸接的小腿支撐架3 和與小腿支撐架3 鉸接的足部支撐架4，腰部支撐架1 和大腿支撐架2 的鉸接與大腿支撐架2 和小腿支撐架3 的鉸接均是通過第一關(guān)節(jié)機構(gòu)鉸接連接，小腿支撐架3 和足部支撐架4 通過第二關(guān)節(jié)機構(gòu)鉸接連接。

圖1 下肢動力助行系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意

圖3 下肢動力助行系統(tǒng)踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

腰部支撐架1、大腿支撐架2 和小腿支撐架3 均為平板狀，大腿支撐架2、小腿支撐架3 和足部支撐架4 的數(shù)量均為兩個，設(shè)置在腰部支撐架1 的左右兩側(cè)，足部支撐架4 為平板狀，且外形為鞋底狀，足部支撐架4 中部位置設(shè)置有捆扎帶802，用于將使用者的腳部固定。腰部支撐架1 包括背板101，截面呈弧形狀。

大腿支撐架2 的兩端分別設(shè)置有與外圈502 固定連接的弧形端201 和與從動齒輪505 固定連接的U型端202。第二連接端302 的結(jié)構(gòu)U 型端202 的結(jié)構(gòu)一樣，第二連接端302 與連接軸507 的固定方式和附件也是一樣的。沿連接軸507 圓周方向設(shè)置有4 個卡位槽1002，卡位槽1002 的截面呈圓臺狀，半環(huán)形耳座1001 內(nèi)側(cè)設(shè)置有嵌入卡位槽1002 的卡端1003。

足部支撐架4 上還設(shè)置有與小腿支撐架3 平行的小腿副架702 和大腿副架701，小腿副架702 兩端分別與足部支撐架4 和大腿副架701 鉸接，小腿副架702、小腿支撐架3、大腿副架701 和大腿支撐架2 均設(shè)置有與下肢貼合的弧形護板801，任意兩個正對的弧形護板801 通過捆扎帶802 連接?；⌒巫o板801 內(nèi)側(cè)設(shè)置有彈性護墊層，弧形護板801 兩端設(shè)置有圓環(huán)。小腿副架702、小腿支撐架3、大腿副架701 和大腿支撐架2 均設(shè)置有三個弧形護板801，小腿副架702 和小腿支撐架3 上的弧形護板801 一一對應(yīng)，大腿副架701 和大腿支撐架2 上的弧形護板801 一一對應(yīng)。

圖2 下肢動力助行系統(tǒng)膝、髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

其中：1、腰部支撐架；101、背板；2、大腿支撐架；201、弧形端；202、U 型端；3、小腿支撐架；301、第一連接端；302、第二連接端；4、足部支撐架；502、外圈；503、驅(qū)動電機；504、主動齒輪；505、從動齒輪；506、測量軸；507、連接軸；601、球頭；602、球帽；701、大腿副架；702、小腿副架；801、弧形護板；802、捆扎帶；9、角度檢測傳感器；1001、半環(huán)形耳座；1002、卡位槽；1101、扭轉(zhuǎn)彈簧；1102、輔助回彈彈簧。

2.2 主動驅(qū)動與被動驅(qū)動

2.2.1 主動驅(qū)動設(shè)計 主動驅(qū)動是由錐齒輪、減速電機組成的。減速電機不在關(guān)節(jié)處，而在腿部支撐架上。通過錐齒輪將電機轉(zhuǎn)動軸向改變，以貼合關(guān)節(jié)帶動腿部運動。本下肢動力助行系統(tǒng)通過中央控制裝置控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動，進而帶動大腿支撐架和小腿支撐架運動，輔助老人行走?；貜椦b置使各個關(guān)節(jié)快速回到關(guān)節(jié)初始位置，省力且快速。整體結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，制造成本低。

2.2.2 被動驅(qū)動設(shè)計 被動驅(qū)動裝置核心部件為扭轉(zhuǎn)彈簧。扭轉(zhuǎn)彈簧具有將回轉(zhuǎn)運動復(fù)原功能，當老人在運動時，通過將動能轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)彈簧的彈性勢能。踝關(guān)節(jié)所需力較小，無需使用主動驅(qū)動，采用被動驅(qū)動類型的踝關(guān)節(jié)回彈裝置即可滿足行走需求。

踝關(guān)節(jié)回彈裝置包括扭轉(zhuǎn)彈簧和輔助回彈彈簧，髖關(guān)節(jié)回彈裝置包括扭轉(zhuǎn)彈簧。扭轉(zhuǎn)彈簧會把將關(guān)節(jié)拉回初始位置，回彈裝置為限制行程的轉(zhuǎn)動副，且回彈裝置處于最大行程時，該回彈裝置扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角度在最大允許扭轉(zhuǎn)角度內(nèi)，輔助回彈彈簧形變量小于最大形變量。

回彈裝置使各個關(guān)節(jié)快速回到關(guān)節(jié)初始位置，省力且快速。整體結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，制造成本低。

2.3 數(shù)據(jù)的收集與窄帶物聯(lián)網(wǎng)的運用

2.3.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)原理 窄帶物聯(lián)網(wǎng)是屬于物聯(lián)網(wǎng)的一個新興的技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要分支。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的成本較低，使用時功耗小，續(xù)航時間長，且覆蓋面積大。通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)所搭建出來的。能夠讓助行系統(tǒng)連接到廣域網(wǎng)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的適用于要求功耗低且網(wǎng)絡(luò)連接要求高的設(shè)備。

2.3.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的運用 本下肢動力助行系統(tǒng)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)將傳感器所得到的如步態(tài)數(shù)據(jù)、老人活動路徑、所在位置、是否處于摔倒等異常狀態(tài)等各種信息上傳至云端。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，我們能進一步優(yōu)化助行系統(tǒng)。掌握老人的各種信息，方便不在老人身邊的子女能夠知道老人情況。

2.4 步態(tài)模型的建立與優(yōu)化

2.4.1 CGA 步態(tài)數(shù)據(jù)庫與模型建立 CGA 步態(tài)數(shù)據(jù)庫是統(tǒng)計上千名身體數(shù)據(jù)不同的人在行走時各關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，也就是步態(tài)周期內(nèi)髖、踝、膝三個關(guān)節(jié)的角度變化數(shù)據(jù)。

我們將左腿右腿各邁一次稱為一個步態(tài)周期，而統(tǒng)計身體數(shù)據(jù)不同的人們在步態(tài)周期中各關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)，并將其歸納、總結(jié)。建立步態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，可得出身體各類數(shù)據(jù)對步態(tài)的影響，從而可以通過測量人們的身體數(shù)據(jù)就可以得到人們自身的步態(tài)數(shù)據(jù)。我們知道通過將老人的身體數(shù)據(jù)導(dǎo)入至步態(tài)模型得到老人的步態(tài)數(shù)據(jù)后，就可以讓下肢助行系統(tǒng)帶動腿部按符合老人的步態(tài)行走。

2.4.2 步態(tài)模型的優(yōu)化 通過CGA 步態(tài)數(shù)據(jù)庫建立得到的步態(tài)數(shù)據(jù)模型會由于樣本數(shù)量較少，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果誤差較大。所以需要更多人的步態(tài)數(shù)據(jù)進行補充，所以本下肢動力助行系統(tǒng)可通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)將使用者的步態(tài)數(shù)據(jù)進行上傳。豐富步態(tài)數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化建立的步態(tài)模型[3]，從而達到數(shù)據(jù)結(jié)果更精確，使用者使用起來更加方便。

3 下肢動力助行系統(tǒng)的創(chuàng)新與優(yōu)勢

3.1 相對于現(xiàn)有助老器械的創(chuàng)新

3.1.1 斜錐齒輪傳動 通過兩軸交角為90°的斜錐齒輪傳動將電機所提供的傳動方向進行改變，使其旋轉(zhuǎn)運動的軸方向從平行與腿部轉(zhuǎn)換到與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的軸方向一致。一般的下肢外骨骼的電機都選擇在關(guān)節(jié)處安裝，需要體積小而功率大的電機，而斜錐齒輪則使得電機不必安裝到關(guān)節(jié)處，安裝到空間更大的腿部可降低電機選型成本，提高電機的選擇空間。

我國的成年男性平均身高在168.2 cm，成年女性在156.7 cm。下面本研究以身高170 cm、體重70 kg來作為助行系統(tǒng)設(shè)計的參考身高來進行外骨骼設(shè)計。

步態(tài)周期中單條腿有支撐相與擺動相兩種狀態(tài)。支撐相指的是該腿著地的時期，擺動相則是該腿處于擺動時期。而腿部關(guān)節(jié)在行走時最大所需力矩一般出現(xiàn)在單腿支撐相時。如圖4 所示，人在行走時右腿完成的一整段步態(tài)運動。包括了支撐相與擺動相各時期的姿態(tài)動作。

圖4 單腿步態(tài)周期

通過參考文獻[4]人體慣性參數(shù)的回歸方程系數(shù)帶入可得表2。

表2 身高170 cm、體重70 kg 的人體數(shù)據(jù)

模型相對復(fù)雜，因此選擇使用拉格郎日法處理動力學(xué)問題。在求解時用絕對角度去求解質(zhì)心位置的坐標更加方便，絕對角度描述人體環(huán)質(zhì)心的運動學(xué)空間坐標[5]。

在單腿支撐相中，質(zhì)心位置為：

式中：lj為桿件長度；di為桿件質(zhì)心長度。

勢能為：

動能為：

拉格朗日函數(shù)為：

求解時, 使用相對角度表示絕對角度,則可直接求出下肢關(guān)節(jié)力矩。

將表2 的人體數(shù)據(jù)代入公式（1）至公式（5）中，聯(lián)立可得身高170 cm、體重70 kg 的人髖關(guān)節(jié)的最大力矩約在62 N·m 左右，而膝關(guān)節(jié)最大力矩值在45 N·m 左右。在腳與底面剛接觸的時候，底面對腳底有沖擊作用，髖關(guān)節(jié)的力矩大小由-28 N·m 到-62 N·m，膝關(guān)節(jié)的力矩大小由-25 N·m 到45 N·m。使用電機扭矩公式：

式中：T 為力矩（N·m）；P 為功率（kw）；N 為轉(zhuǎn)速（r/min）。代入公式（6）我們可得身高170 cm、體重70 kg 的人需要最大功率約為67 W，考慮到個人身體因素及其他特殊情況，本系統(tǒng)選擇使用功率為100 W 搭配減速器的伺服電機作為膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)（前后曲）的動力源[6]。

3.1.2 減少主動驅(qū)動 一般下肢外骨骼主動驅(qū)動有4組，分別是髖關(guān)節(jié)（左右旋）、髖關(guān)節(jié)（前后曲）、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)這4 個關(guān)節(jié)。而下肢助行系統(tǒng)則只使用髖關(guān)節(jié)（前后曲）、膝關(guān)節(jié)兩處為主動驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)（左右旋）、踝關(guān)節(jié)這兩處關(guān)節(jié)在行走時主要起支撐作用，所以將這兩處主動驅(qū)動改為以扭簧為主的被動驅(qū)動結(jié)構(gòu)。使得成本能夠大幅度降低，電池只供電兩組電機，相較于下肢外骨骼中的至少4 組電機，本系統(tǒng)的續(xù)航時間增加，提高了實用性。

3.1.3 通過步態(tài)數(shù)據(jù)庫建立行走模型 預(yù)先輸入用戶步態(tài)數(shù)據(jù)，通過步態(tài)數(shù)據(jù)庫建立行走模型。設(shè)備是通過建立的步態(tài)模型完成運動動作，而不是通過傳感器進行實時運動。雖然比起下肢外骨骼會不夠靈活，但研發(fā)難度會降低很多，同時，該系統(tǒng)的后續(xù)更新及其功能延伸則會更加方便。

3.2 助行系統(tǒng)在市場上所具備的優(yōu)勢

本系統(tǒng)是一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下肢動力助行系統(tǒng)，結(jié)合下肢外骨骼和簡易助老器械的優(yōu)點，在實現(xiàn)為老人的行走提供動力的同時盡可能降低設(shè)備制造成本，提高普及性。相比于下肢外骨骼而言，下肢動力助行系統(tǒng)則是主要針對于仍有部分行動能力但日常行動又存在困難的人群。功能較單一，沒有下肢外骨骼那么高的成本，但又比簡易助老器械更實用。同時具有更強大的迭代能力，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)形成的強大優(yōu)勢。

4 結(jié)論

老人的晚景就是我們未來的愿景，人總會老去，在當下社會老齡化逐漸加劇的情況下，我們應(yīng)當去解決老人所面臨的這些問題。因為這也是我們自身將會遇到的問題。

本研究所設(shè)計的下肢動力助行系統(tǒng)旨在幫助行動不便但是仍有一定行動能力的老人。這部分老人數(shù)量龐大。普通助行器械滿足不了需求，外骨骼又過于昂貴。本助行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，制造難度與成本都比市面上外骨骼設(shè)備低很多。功能不夠全面，但卻能滿足大部份老人的核心需求。這類下肢助行系統(tǒng)將有廣闊的市場前景，是未來助老器械一個重要發(fā)展方向。