一種老年助行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研發(fā)

李凱樂 陳松 王仁義 孫珍惜

摘 要：隨著社會的發(fā)展，我國老齡化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，因此老人所需的外部輔助設(shè)施這一新型產(chǎn)品正成為一種新的社會需求。本文提出了一種可完成升降的助行方案，結(jié)合人體工程學(xué)，完成了對老年助行機(jī)器人詳盡的整體設(shè)計(jì)和主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立了相應(yīng)的三維模型，為老人行動不便等問題提供了一種解決方案。

關(guān)鍵詞：助行器 可升降 人機(jī)工程學(xué)

中圖分類號：TP24文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-9082（2020）06-0-01

引言

根據(jù)聯(lián)合國的規(guī)定，我國在20世紀(jì)末就已進(jìn)入老齡化社會[1]。老年人群體是一個弱勢群體，存在很多社會問題，隨著老年人年齡的增加，老年人的身體機(jī)能退化，運(yùn)動協(xié)調(diào)能力下降，反應(yīng)慢。但他們又有著強(qiáng)烈的自己活動的愿望。因此老年人尤其是身體孱弱的人需要助行機(jī)器人來幫助行走。目前國內(nèi)外對這一領(lǐng)域已經(jīng)有大量的研究。主要有弗吉尼亞大學(xué)的Wasson設(shè)計(jì)的MARC Robotic Walker，韓國理工大學(xué)的 Shim 開發(fā)的 WAR（Walking Assistant Robot），上海交通大學(xué)研制的助行機(jī)器人 Walkmate[2]，浙江大學(xué)研制的助行器 ZJU Walker[3]等。

現(xiàn)在已有國家將助行器投入使用，但我國該領(lǐng)域還屬于研發(fā)階段，沒有成熟的產(chǎn)品，同時助行器的需求市場不斷增大，所以進(jìn)行助行器的研究具有深遠(yuǎn)意義。

一、助行機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)

依據(jù)主要實(shí)現(xiàn)的功能需求，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，考慮安全性，適應(yīng)性等要求，對整體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。主要機(jī)構(gòu)包括機(jī)架，升降機(jī)構(gòu)，萬向輪，剎車電機(jī)，直流電機(jī)和座椅機(jī)構(gòu)等組成。通過剎車電機(jī)的工作帶動螺紋桿轉(zhuǎn)動帶動扶手上升，實(shí)現(xiàn)坐下與站立兩種姿態(tài)的轉(zhuǎn)換。可以適用于大部分老年人的身高要求，任意高度停止。座椅通過直流電機(jī)帶動進(jìn)行自動收縮和放下。底部四個輪子均為萬向輪，無動力的情況能更好地對老年人的下肢進(jìn)行鍛煉，起到一定的康復(fù)鍛煉的輔助作用。扶手部分采用可分離環(huán)形結(jié)構(gòu)更加安全。

圖1 助行機(jī)器人的三維示意圖

1.整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)初期考慮到老人的身高不定所合適的高度差異大，為了讓同一產(chǎn)品適用與更多的人其可升降范圍顯得尤為重要。在查閱相關(guān)資料得到老年人的相關(guān)人體尺寸[4]后，站立姿態(tài)時扶手的極限高度是1160mm最低高度為740mm，可以服務(wù)于身高在150～180cm的老人，前后輪的跨距為600mm座椅水平時高度為550mm，扶手間距離為500mm，大于一般老人的肩寬，尺寸符合需求，空間充足。

2.座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

座椅結(jié)構(gòu)考慮到老人站起時的不便，采用電動升起座椅設(shè)計(jì)。采用直流電機(jī)，齒輪，齒條，滑槽機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)座椅的自動收起和放平狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。主要包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)，座椅和直流電機(jī)組成，電動機(jī)帶動齒輪與齒條嚙合提供動力，并且在傾斜上升過程中與扶手臂配合，可以向上給予老人提供一部分力幫助站立。座椅支架均與一側(cè)的底座固定相連，直流電機(jī)通過電機(jī)架固定在座椅腔內(nèi)。

3.細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

為使助行器更加人性化，在設(shè)計(jì)中我們考慮了很多使用中的細(xì)節(jié)問題，比如放大后備箱方便老人存藥品或生活用品，安裝無線報(bào)警裝置讓老人在緊急時刻發(fā)出求救信息，針對整體機(jī)器人的座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)式，以便適應(yīng)不同體型的老人等。

二、助行機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

查閱相關(guān)資料得到老人身形的相關(guān)尺寸后，考慮到身高差異大，需滿足不同老人的使用要求。所以我們選用螺紋桿進(jìn)行傳動，根據(jù)螺紋傳動時螺紋的螺距小。我們對機(jī)構(gòu)的高度進(jìn)行精確調(diào)整，找到老人最舒服的高度狀態(tài)。機(jī)構(gòu)在到達(dá)合適的高度后停止傳動時利用螺紋的自鎖原理，在停電、無動力時自行鎖定，并且配套相應(yīng)的剎車電機(jī)斷電時剎車，保證了其穩(wěn)定性，大大提高了其安全性。如圖2所示，整個升降機(jī)構(gòu)由剎車電機(jī)，傳送帶，螺紋桿和配合的螺紋套組成。電機(jī)安裝在座椅靠背的后方經(jīng)傳送帶以1：2的傳動比傳送動力帶動螺紋桿旋轉(zhuǎn)，利用傳送帶的安全性，平穩(wěn)性保證螺紋桿的使用壽命和舒適性，降低噪聲。螺紋桿旋轉(zhuǎn)帶動扶手向上向下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)功能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

圖2 剎車電機(jī)示意圖

2.環(huán)繞式防摔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到老人行走過程中有可能摔倒，特設(shè)計(jì)L型扶手，與兩側(cè)的扶手臂形成四周環(huán)繞的防摔支撐機(jī)構(gòu)，如圖3所示，包括L型扶手，扶手臂和插銷鎖止機(jī)構(gòu)。起到保護(hù)老人的作用。L型扶手可以沿中心軸旋轉(zhuǎn)方便老人的進(jìn)出，并配備插銷鎖止結(jié)構(gòu)，當(dāng)老人進(jìn)入時，將插銷向前扳動，進(jìn)行鎖止，將前后扶手鎖為一體。

圖3 環(huán)繞式防摔機(jī)構(gòu)

結(jié)語

本論文基于人機(jī)工程學(xué)和中老年人體尺寸與結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系完成了老年助行機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)和主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上確定了各主要機(jī)構(gòu)的參數(shù)，建立了整體結(jié)構(gòu)的三維模型。該機(jī)器人具有助老鍛煉和輔助起坐的功能，在進(jìn)行相關(guān)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后結(jié)果表明，該機(jī)器人可以很好地實(shí)現(xiàn)此功能。同時，該機(jī)器人也具有助行器所占據(jù)空間過大，過于笨重，舒適度不高等方面的不足，我們以后將對這幾方面的不足進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張銳.人口老齡化的中國難題[J].滬港經(jīng)濟(jì)，2012（09）：11.

[2]平偉.智能助行機(jī)器人概念樣機(jī)設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[3]方芳，周武嘯，韋巍，等.助行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，

29（8）：120-122.

[4]梁艷霞.基于人機(jī)工程學(xué)的老年人助行器設(shè)計(jì)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2009，10（6）：71-73.

作者簡介：

李凱樂（1999.3—），男，河南商丘人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化;

陳松（1999.8—），男，重慶銅梁人，本科在讀，研究方向：機(jī)械電子工程（卓越）;

王仁義（1998.10—），男，河南周口人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化;

孫珍惜（1999.6—），男，河南商丘人，本科在讀，研究方向：測控技術(shù)與儀器。