一种四轮助行机器人应用研究

来源:用户上传      作者:

　　摘 要 随着人口老龄化进程的加快，我国高龄人口在不断增加。在困扰老年人生活的众多问题中，尤为突出的一项是老年人渴望自主外出行走，增加运动的机会。但部分老年人由于身体虚弱或下肢功能不健全，导致行走困难，需要在辅助的情况下行走。另有老年人在行走的时候由于反应能力下降导致行走平衡能力下降，会有跌倒危险。这就需要研发一款小型的行走辅助设备帮助老年人安全舒适的行走。增加老年人外出的运动机会。改善其身体健康状况，同时也提高其生活质量。
　　关键词 老龄化;自主行走;行走辅助
　　1 现有产品分析
　　由于日本、欧美等地区老龄化社会发展较早，老年人有稳定的退休收入及社会保障，对助行器产品的拥有率很高。加之政府在养老机器人方面的投入也成倍增长。在政府及财团的大力支持下，很多养老用机器人的研发及应用均走在世界的前列，比较有代表性的RT-Works公司的一款老年人行走辅助车，也是至今为止最具规模的产品。
　　但是同类产品在国内鲜有销售，国内的同类产品大多处于实验室阶段。市场现有产品以手杖、助行架、无动力助行车为主。
　　手杖轻便、易于便携，但是稳定性比较差;助行架有较大的支撑面积，安全稳固，但是对路况要求高，无法在户外使用;无动力助行车使用方便，有座椅能提供休息，能扩大老人的活动范围，但在上下坡时有溜车风险，对身体平衡性不好的用户，车子会越推越快，如果用户突然跌倒时无法立刻停车为用户提供良好的支撑。
　　2 老年人日常活动分析
　　老年人日常比较喜欢看报，看电视。更关心自身的身体健康，大部分人会选择在室外走路活动。广东工业大学学生针对广东工业大学小区、广州黄花岗公园、广州市越秀区黄花岗捷长者日托中心的百位60～80岁的老人日常活动范围调查的数据[1]。数据显示老年人每天的活动范围主要集中在附近的公园或社区，楼下小区和附近的超市或菜市场，但因行走耐力有限大部分老人活动30分钟就要休息下。
　　3 设计概要
　　综合RT-Work产品功能与国内市面上一些助行设备的特点及问题分析，考虑到老人日常的活动空间及耐力、平衡能力等生理能力的下降，设计一款能提供助力功能的四轮助行机器人。助行机器人本体主要由车身、载物袋、控制器、车轮、传感器5大部分组成。功能包括扩：
　　（1）助行器运行速度跟随用户的行走速度自适应调整，保持与用户的速度同步。（2）速度限制功能，当用户的行走速度超过设定速度时设备会制动刹车，防止用户因身体不平衡导致越走越快。（3）助力行走，在前进的方向上提供持续的牵引力。（4）行走训练，在前进方向上提供持续的阻力。（5）上坡时自动提供持续的牵引力。（6）下坡时自动提供持续的阻力，保证设备缓慢地从坡上下来。（7）不论在平地还是坡路，任意一只手离开车把后设备立刻刹车停止。（8）跌倒防护，当用户有跌倒趋势时设备立刻刹车为用户提供良好的支撑。（9）手动物理刹车功能，手部向上握闸时可以将车制动;下拉车闸时可以使设备保持驻车状态。（10）落座功能，当用户行走疲惫时可以坐在车体的座垫上休息。（11）载物袋中可提供最大10KG的承重，方便老人放置物品。（12）车身可折叠、扶手高度可调。
　　4 结构尺寸设计
　　助行器作为老人的外出伴侣，结构尺寸设计十分重要[2]。在助行器中，关键尺寸是其中高度（即手握部分的高度），主要尺寸是靠背支架高度、座高、座宽及座深，这些尺寸规格都需要根据老人的人体尺寸来确定。通过对《北京地区老年人人体尺寸测量》资料的查阅[3]，并考虑到大多老年人在弯腰、下蹲、从蹲姿或坐姿站起神来时姿态变化有困难，将设备设计尺寸如下所示：
　　（1）助行器高度（扶手部分的高度）：78～92cm可调;（2）助行器宽度：63cm;（3）助行器长度：74cm;（4）靠背高度：66～80cm;（5）坐垫高度：55cm;（6）坐垫宽度：43cm;（7）坐垫深度25cm。
　　5 技术特点
　　本产品定位为一款人机互动的行走辅助设备，人作为操作设备的输入信号源同时也是机器人的控制对象。人对小车的推力一方面作为控制小车运动的信号输入，另一方面小车的运动也会对人产生作用力，辅助使用者行走。这是一款典型的Human-in-the-loop系统（有人参与的控制系统）。
　　作为针对老年人行走辅助的产品，安全性、舒适性作为本次工作的重点。在系统中设有行走识别及跌倒检测两个环节以确保产品的安全性与舒适性。
　　6 效果展示
　　图1为四轮助行器的设计效果图，考虑到老年人性情一般比较沉稳、喜静。车身的色彩搭配上偏重朴素平和。研究表明，老年人更倾向于优雅、沉稳、高贵的色彩，如茶色、蓝、绿等[4]。在此设计中色彩的搭配可参照这一设计原则。
　　参考文献
　　[1] 罗志云.基于老龄友好的老年人助行器设计研究[J].科技风，2015， （12）：230.
　　[2] 梁艳霞.人体尺度在产品设计中的应用——以双层床的设计为例[J].鄭州轻工业学院学报：社会科学版，2009，（4）：68.
　　[3] 胡海滔，李志忠，肖惠，等.北京地区老年人人体尺寸测量[J].人类工效学，2006，3（12）：39.
　　[4] 程能林.工业设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008：91.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14728671.htm