基于人體外骨骼便攜按摩助力裝備

陳新全　應(yīng)捷

【摘? 要】隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的子女選擇離開家鄉(xiāng)和父母。導(dǎo)致了社會(huì)上越來越多的空巢老人問題，而隨著年齡增加，這些老人行動(dòng)時(shí)愈發(fā)困難。為了解決老人們由于行動(dòng)不便帶來的種種問題，本項(xiàng)目根據(jù)人體基本構(gòu)造原理，設(shè)計(jì)了幫助老人更好地走路、運(yùn)動(dòng)的“外骨骼按摩助力裝置”。在為老年人助力行走的同時(shí)起到輔助按摩的效果。本作品根據(jù)單片機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)基于人體外骨骼便攜助力按摩裝備。該裝置是針對(duì)在當(dāng)前社會(huì)背景中暴露出的問題設(shè)計(jì)的一款輔助行動(dòng)不便老年人行走，緩解其身體壓力的按摩助力儀器。

主要功能：①輔助老年人正常行走，上坡、爬樓等日?；顒?dòng)。②對(duì)老年人背部按摩，緩解身體疲勞。

【關(guān)鍵詞】外骨骼;髖關(guān)節(jié)助力;按摩

一、引言

自2020年起，中國(guó)進(jìn)入了小康時(shí)代，但與此而來的是越來越多的老齡化人口。根據(jù)《2019-2025中國(guó)人口老齡化市場(chǎng)研究及發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告》的調(diào)查，目前我國(guó)已進(jìn)入老齡化階段，2020年我國(guó)65歲及以上老年人口比例達(dá)11.70%，即將步入深度老齡化，預(yù)計(jì)2040年我國(guó)65歲及以上老年人口比例超過20%，進(jìn)入超老齡化社會(huì)。同時(shí)也伴隨著一系列的社會(huì)問題，其中老年人的行動(dòng)困難，無人幫助就是其中之一。

調(diào)查目前市場(chǎng)上現(xiàn)存的助力方式，可以發(fā)現(xiàn)外骨骼技術(shù)是融合傳感、控制、信息、融合、移動(dòng)計(jì)算，為作為操作者的人提供一種可穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)的綜合技術(shù)。目前，全球有不少研發(fā)生產(chǎn)外骨骼機(jī)器人的企業(yè)。但當(dāng)下直接讀取操作者意圖的傳感器還不夠成熟，比如EMG的數(shù)據(jù)噪音、建?？谛?zhǔn)的難度都很大，比如說Hybrid Assistive Limb（HAL5）這款外骨骼采用了EMG信號(hào)控制機(jī)器人，但是需要2個(gè)月的時(shí)間來標(biāo)定肌電信號(hào)。而且在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持傳感器的精確度是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，同樣在使用交互力來控制外骨骼也有類似的問題。

目前，全球有不少研發(fā)生產(chǎn)外骨骼機(jī)器人的企業(yè)，其中歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較早。目前，包括美國(guó)和以色列的產(chǎn)品在內(nèi)，平均一臺(tái)外骨骼機(jī)器人的價(jià)格在60-100萬人民幣之間。國(guó)外外骨骼機(jī)器人公司主要包括B-Temia、Lockheed Martin、Bionic Power等，其中做得比較出色的以色列的Rewalk、美國(guó)的EKSO都已經(jīng)拿到了美國(guó)FDA的認(rèn)證，日本的Cyberdyne也取得了CE認(rèn)證，進(jìn)入上市銷售階段。中國(guó)也有多家企業(yè)進(jìn)入外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域，并研發(fā)出了新產(chǎn)品。這些企業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)器人大多投入軍事使用，民用較少，且普及度較低。

此外，當(dāng)下直接讀取操作者意圖的傳感器還不夠成熟，如EMG的數(shù)據(jù)噪音、建?？谛?zhǔn)的難度都很大，如Hybrid Assistive Limb（HAL5）這款外骨骼采用了EMG信號(hào)控制機(jī)器人，但是需要2個(gè)月的時(shí)間來標(biāo)定肌電信號(hào)。而且在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持傳感器的精確度是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，同樣在使用交互力來控制外骨骼也有類似的問題。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人們生活節(jié)奏的不斷加快，人們?cè)絹碓街匾暲夏耆后w的身心健康。而用推拿按摩進(jìn)行保健，是我國(guó)中華醫(yī)學(xué)的傳統(tǒng)項(xiàng)目，特別當(dāng)客戶為老年群體時(shí)，應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為人體外骨骼裝置，遵循基本的人體外骨骼設(shè)計(jì)，同時(shí)由于用途的特殊性，該人體外骨骼只作用于人體髖關(guān)節(jié)處，為行走時(shí)髖關(guān)節(jié)助力，因此整體結(jié)構(gòu)集中在腰部及髖關(guān)節(jié)。整個(gè)機(jī)構(gòu)有三處固定點(diǎn)，主要固定點(diǎn)為腰部，其次在兩大腿處也有固定點(diǎn)，固定方式采用魔術(shù)貼帶的方式連接，既可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，也保證了穿戴在身上時(shí)的舒適度。其整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及裝配爆炸圖如圖1圖2所示：

2.2長(zhǎng)度調(diào)節(jié)模塊

介于不同人的身高及身材等各不相同，因此該外骨骼助力裝備還設(shè)計(jì)有長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)?？紤]到機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量不易過大，在長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上采取盡可能輕量化設(shè)計(jì)原則，采用了M8螺紋緊固連桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，在螺釘?shù)亩瞬堪惭b橡膠墊片，起到了保護(hù)零件不被過度損壞，同時(shí)防止螺紋松動(dòng)的作用。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示：

2.3各構(gòu)件長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

各構(gòu)件的長(zhǎng)度尺寸結(jié)合人體工學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在功能上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的附加功能，使得該外骨骼機(jī)構(gòu)在保證舒適性的基礎(chǔ)上盡可能滿足更多的人群。該機(jī)構(gòu)所需要的人體工學(xué)殘數(shù)如表1所示（設(shè)人體總高度為H）。取較多數(shù)老年人的身高區(qū)間在155-165cm的范圍，則從髖關(guān)節(jié)位置到大腿底部的長(zhǎng)度L的取值范圍近似為（h3-h2）*0.5*（1550～1650）+（h2-h1）*（1550～1650）。由上述公式計(jì)算可得最終連接器和驅(qū)動(dòng)連桿的總有效長(zhǎng)度為413.075～439.725mm之間。因此取連接器的長(zhǎng)度為300mm，驅(qū)動(dòng)連桿長(zhǎng)度為200mm，由于該機(jī)構(gòu)需要具備長(zhǎng)度可調(diào)性質(zhì)，因此設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)連桿有效長(zhǎng)度為100～150mm。經(jīng)過以上設(shè)計(jì)計(jì)算可得最終該助力外骨骼驅(qū)動(dòng)裝置有效長(zhǎng)度為400～450mm，可以滿足設(shè)計(jì)的基本要求。

三、硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1硬件整體設(shè)計(jì)

Arduino是目前較為流行的電子互動(dòng)平臺(tái)，基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)方面。[1]因此本文介紹的“基于人體外骨骼便攜按摩助力裝備”的控制系統(tǒng)選用arduino控制器進(jìn)行控制，由供電模塊進(jìn)行供電，陀螺儀負(fù)責(zé)讀取角度輸入值，電機(jī)則為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。硬件整體設(shè)計(jì)如圖4所示。

Arduino 系列單片機(jī)是一種基于開源代碼控制板，其系列第一塊主控板誕生于2005年，由意大利兩名大學(xué)教師David Cuartielles和Massimo Banzi和他們的學(xué)生共同開發(fā)完成。本設(shè)計(jì)選用的Arduino UNO R3主控板，基于ATmega328微控制器，硬件資源主要包括14個(gè)數(shù)字I/0引腳，6個(gè)模擬輸入引腳，1個(gè)DC接口，1個(gè)USB接口，1個(gè)復(fù)位按鍵等，足夠支撐設(shè)計(jì)完成控制過程。

供電模塊選用雙L298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其外接電源后，能分別為arduino控制器和電機(jī)模塊提供穩(wěn)定的12V和5V的電壓，保證兩者正常工作;電機(jī)模塊選用了MG540大扭矩編碼減速電機(jī)和370型雙頭扇型震動(dòng)電機(jī)。前者通過速度調(diào)節(jié)，其最大能提供2kg.cm的扭矩，足夠帶動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)。后者設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)扇形頭運(yùn)動(dòng)，達(dá)到多檔調(diào)節(jié)按摩的目的;角度模塊選用MPU6050，集成了3軸 MEMS 陀螺儀和3軸 MEMS 加速度計(jì)，其高分辨率（3.9 mg/LSB）能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。[2]能夠測(cè)量機(jī)構(gòu)當(dāng)前運(yùn)行位置，并通過串口實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)。

3.2軟件整體設(shè)計(jì)

程序主要實(shí)現(xiàn)功能過程是：開機(jī)后，單片機(jī)將此時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置記為0并設(shè)置震動(dòng)電機(jī)輸出模式，即初始化，運(yùn)行過程中單片機(jī)根據(jù)角度模塊測(cè)得的角度反饋給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其角度進(jìn)行處理，再根據(jù)讀取用戶是否切換震動(dòng)電機(jī)模式，得到輸出速度，通過PWM輸出給電機(jī)。

程序流程圖如圖5所示：

四、材料強(qiáng)度及需求分析

4.1材料強(qiáng)度分析

該裝置主要受力部件為電機(jī)與腿部桿件的連接件，其整體材料采用ABS樹脂材質(zhì)，加工方法采用SLA立體光固化成型，其具有精度高、速度快、表面光滑細(xì)膩的特點(diǎn)。同時(shí)ABS材料耐溫47℃，抗拉強(qiáng)度（拉伸）為47MPa，延展率可達(dá)3%，彎曲強(qiáng)度為67MPa，彈性模量為2370-2650MPa。同時(shí)ABS材料密度為1.3g/cm3，強(qiáng)度高，并具有良好的機(jī)械性，適用于強(qiáng)度高可靠性高的場(chǎng)合，同時(shí)密度較鋼材料小得多，適合于應(yīng)用于外骨骼裝置。各項(xiàng)材料性能均滿足人體外骨骼的使用力學(xué)性能。

4.2需求分析

（1）腿腳不便的老年人口

本產(chǎn)品服務(wù)的對(duì)象是當(dāng)前存在社會(huì)上的老齡人口。由于老年人身體素質(zhì)較低，活動(dòng)范圍有限。有時(shí)想出遠(yuǎn)門時(shí)會(huì)依賴于代步器，如電動(dòng)車、電動(dòng)輪椅等，但這些代步器械在馬路上行駛時(shí)很容易引發(fā)交通化工事故，帶來不必要的隱患。

而如果老年人選擇一直待在家中，就會(huì)很容易換上其他疾病，如糖尿病、肥胖癥、產(chǎn)生心理問題，如抑郁癥，對(duì)他們的身心造成極大的損害。所以，為老年群體的身心著想，他們需要一個(gè)輔助行走的工具，去創(chuàng)造出更好地生活空間。

（2）自身身體素質(zhì)較差的老年人口

目前，我國(guó)存在大量的六層樓以下且沒有電梯的老式居民樓，這直接導(dǎo)致部分老人由于自身身體素質(zhì)差，上下樓梯異常困難，從而不想出門運(yùn)動(dòng)的問題。所以他們就更加需要一種輕巧、便攜的借力工具幫助他們更輕松的上下樓梯，給他們更多的機(jī)會(huì)出門運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)體魄。

久坐或擁有腰部疾病的老年人口本產(chǎn)品會(huì)通過繃帶系在腰部，解決了老人行動(dòng)時(shí)的腿腳不便;對(duì)于行走不便、只能久坐的老人，本產(chǎn)品通過腰部連接按摩裝置，增加按摩功能，有效地預(yù)防和解決老年人腰部疾病，提高產(chǎn)品對(duì)用戶的舒適度。通過促進(jìn)功能多樣化，擴(kuò)大用戶群體。

（3）子女外出務(wù)工的空巢老人

由于發(fā)達(dá)城市有更多的工作機(jī)會(huì)，很多年輕人離開了家鄉(xiāng)父母、在外獨(dú)自打拼。雖然會(huì)帶給他們一部分可觀的經(jīng)濟(jì)收入，但由于這一類群體常年在外，家中老人大多缺乏必要的關(guān)懷和照料，直接導(dǎo)致老人日常起居安全性無法保證。老人獨(dú)自生活極易發(fā)生意外，有時(shí)細(xì)微的跌打損傷就容易引起嚴(yán)重的疾病。雖然富裕的家庭會(huì)通過聘請(qǐng)保姆的方式照料老人起居，但對(duì)于更多的普通家庭，他們難以承擔(dān)保姆的費(fèi)用，所以就需要一款在助力行走的同時(shí)能有效防止老人意外跌倒的便攜式器械，以幫助家中老人們完成日常起居。

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（作者單位：江蘇大學(xué)）