一种新型智能助行车设计

来源:用户上传      作者:

　　摘  要：智能助行车主要为身体虚弱或下肢功能不健全的老年人群实现独立自主行走而设计，它能帮助此类人群解决行走距离短、平衡能力差、容易跌倒等问题，能根据不同的使用环境为使用者提供可调可变的持续的助力、阻力及安全保护，让使用者能够更加安全地扩大活动范围，改善身心健康状况，提高生活质量。产品定位为一款人机互动的智能设备，人作为操作设备的输入信号源，同时也是助行车的控制对象，人对智能助行车的作用力一方面作为控制其运动的信号输入，另一方面智能助行车的运动也会对人产生作用力，辅助使用者行走。
　　关键词：智能助行车;力传感器;交互控制
　　中图分类号：TP24         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0031-02
　　Abstract： The intelligent rollator is mainly designed for the elderly who are weak or with imperfect lower limb functions to walk independently. It can help such people solve the problems of short walking distance， poor balance， easy to fall， etc.， and can provide users with adjustable and variable continuous assistance， resistance and safety protection according to different use environments， so that users can more safely expand the scope of activities and improve their physical and mental health， thus improving the quality of their lives. The product is positioned as an intelligent device with man-machine interaction， and the human is not only the input signal source of the operating equipment， but also the control object of the driving aid. On the one hand， the force acting on the intelligent driving is used as the signal input to control its movement; on the other hand， the movement of the intelligent rollator will also produce a force on people to assist users to walk.
　　Keywords： intelligent rollator; force sensor; interactive control
　　1 设计背景
　　我国已经步入老龄化社会，预测到2030年我国老年人口将达到2.55亿，2050年将达到4.4亿，届时老年人口的比例将达到人口总数的31%，即每3个人当中就有一个老年人。在困扰老年人生活的诸多问题当中，尤为突出的是老年人对独立自主外出行走的渴望得不到满足。部分老年人由于身体虚弱或下肢功能不健全，导致独立行走困难，需要在一定的辅助下行走;另外，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，随时有跌倒的危险;这就需要一款小型的助行设备帮助老年人群安全地行走，增加其外出运动的频率，提高其生活质量。
　　2 市场现状
　　纵观目前国内外小型智能助行类设备，大多数处于研发阶段或样机阶段，以成熟产品姿态投入到市场上的品种和数量相对较少。尤其在国内市场上缺少成熟的智能助行车用于老年人日常生活的行走辅助。分析主要原因有以下几点：（1）技术尚未成熟，安全性、可靠性难有保障：作为一款针对老年人的智能助行设备如果不能保证其安全性，一旦出现事故，损失将难以弥补。（2）产品价格过高：科研院所及高校研发的产品对成本的控制能力弱，造成成本过高不能被广大消费者接受;由企业研发的产品处于小批量生产阶段，也存在成本高的问题;国外产品价格昂贵，难以被国内普通消费者接受。（3）具有多样功能的产品操作复杂，不便于老年人使用;相反，易于操作的產品功能单一不能满足用户的需求。
　　综上所述，市场上需要的智能助行车应该满足三点要求，第一要确保产品的安全性与可靠性;第二要设计出满足用户需求的各项功能，解决老年人的实际问题;第三要在生产方面控制成本，使智能助行车产品的价格能够被大多数的消费者所接受。
　　3 设计方案
　　3.1 结构与参数
　　本智能助行车的结构形式如图1所示，主要由把手接触器、双向锁紧车闸、车体、靠垫、座垫、轮毂电机、控制器等部分组成。整车重量15kg，最大尺寸为长810mm、宽660mm、高935mm，车身可折叠，占地空间小，折叠后尺寸为长730mm、宽230mm、高805mm;车体高度可调节，适用于不同身高的使用者;座垫可供乘坐休息，最大承重100kg;前轮为全向轮，也可以通过一键锁死功能固定全向轮的方向只能向前，这样可以防止平衡能力差的用户保持向前行走的趋势;双向锁紧车闸具有抱死保持装置，当向下拉紧手刹时，手刹的位置会被固定在抱死的状态，需要手动解除，提高使用的安全性;智能助行车采用锂电池供电，充电采用29.4V2A的充电适配器，充电时间2.5小时，连续运行时间4小时。 　　3.2 功能
　　本智能助行车是一款人机互动设备，使用者作为操作设备的输入信号源，同时也是助行车的控制对象，使用者对智能助行车的作用力作为控制其运动的信号输入，智能助行车的运动也会对使用者产生作用力，辅助其行走。
　　本智能助行车主要功能如下：（1）握把检测：智能助行车上电后，使用者双手握住车把，可推动智能助行车前进，速度跟随用户行走的速度而变化。使用者任意一只手离开车把，行走辅助机器人会立即停车。（2）速度限制：智能助行车的速度可设置为“1-5”档，对应的速度分别为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s及1.0m/s。当使用者推动智能助行车行走的速度大于设定速度时，智能助行车会立即刹车停止;当使用者推动智能助行车行走的速度小于或等于设定速度时，智能助行车在行进方向上提供持续的助力，助力大小为当前“助力”档位的设定值。（3）速度、阻力、助力设定值可调节：使用者可以根据自身的实际情况，调整智能助行车的最大运行速度，以及在平地上提供的持续助力值或者阻力值的大小。智能助行车可提供的最大助力为上坡20N、平地40N，最大阻力为下坡30N。（4）上下斜坡辅助功能：智能助行车所能检测到的坡度范围为5°至15°，当地面坡度小于5°时，助行车判定为工作在平地模式;当地面坡度大于5°时，助行车判定为工作在斜坡模式，在上坡过程中提供持续助力，下坡过程中提供持续阻力;当地面坡度大于15°时，助行车判定为工作在坡度为15°的斜坡上。（5）防止向前跌倒功能：当使用者有向前跌倒的趋势时，智能助行车可以识别到使用者此时的状态，并刹车且保持停止状态，给予使用者一个与前倾相反的阻力，防止使用者跌倒。（6）双向刹车功能：智能助行车设置了双向刹车功能，具有在行走过程中的上拉刹车和休息时的下拉驻车两种模式。当向下拉紧手刹时，手刹的位置会被固定在抱死的状态，需要手动解除，当使用者坐在小车的坐垫上时可以使用该功能防止小车滑动。（7）可作为座椅使用：在平坦的路面上，可以作为座椅使用，使用前必须将车闸下拉使后轮抱死。（8）折叠与展开：智能助行车具有车身折叠功能，能够实现车身的展开与折叠，不使用时将其折叠存放，节省存放空间。（9）车把高度调节：将车体两侧的高度调节按钮按压到腔体内，下压或者上拉车把，使按钮在合适的孔位弹出，实现对车把高度的调节，以适合不同身高的使用者。
　　3.3 控制方式
　　（1）行走意图识别：通过使用电容接触传感器及力传感器，识别使用者的行走意图，包括走行的方向、速度等，根据反馈信号选择不同的行走模式。内嵌在车把处的力传感器用来判断使用者行走的意图，根据力传感器数据大小，量化使用者行走意图的强度。根据左右两手的力量差可以得出使用者想要行走的方向。例如使用者向左转弯的时候必然左手力量减弱或左手有向后拉扯车把的力量，而右手会增加推动的力量。以此为依据控制智能助行车两个轮子的转速，运动差速调节助行车偏转角度达到转向的功能。（2）人机力交互控制：将使用者与智能助行车之间的相互作用力作为控制对象，控制助行车行进的速度，起到辅助老年人行走的功能。当使用者下肢功能不健全，在行走过程中智能助行车需要提供一个辅助的力阻止使用者由于重心不稳向前倾倒的趋势。（3）跌倒检测与防倒：通过力传感器检测使用者跌倒前的推力变化，以此判断跌倒的趋势和风险度，智能助行车在检测到“跌倒”信号的时候采取最优的防倒策略避免使用者跌倒。当使用者被障碍物绊倒，身体急速向前倾覆的时候，通过检测人机交互力的变化可以判断是否有跌倒的危险，并启动防倒功能。（4）功能顯示及控制面板：有低成本DSP系统为核心构建的机器人控制板卡。满足机器人运动控制及通讯性能。能够符合长期稳定工作、一键迅速开机等稳定性。（5）电机及电源控制：控制板通过CAN总线连接电机控制板与电源，实现运动控制。板卡可驱动额定电压24V，额定电流10A的无刷直流电机;板卡预留多种类型接口，可通过USB接口进行上位机软件调试，采用SPI接口的FRAM存储参数;板卡设计有过流、过压、欠压和温度保护。
　　3.4 设计特性
　　（1）维修性设计：本智能助行车采用模块化、集成化的设计思路，设备可靠性高、稳定性强、容错性能好。标准化设计的零部件具有良好的互换性，出现故障时可以迅速方便地更换，各组件通用性高，市场来源广泛，能够充分保证供应。（2）测试性设计：本智能助行车的各项指标参数均方便采样测量，可通过各预留接口和模块进行电流采样、电压监测、速度、位置检测，可通过USB接口进行上位机软件调试。（3）环境适应性设计：本智能助行车可以通过调整设定值功能来针对不同的路面情况，在平地和上坡时助力行走，电机提供主动助力，进行重力补偿;下坡时保持恒定速度，电机维持稳定速度，防止下坡时加速，并且在使用者松开把手的情况下会自动停止前进;在斜面侧行也可以保持直线行进，避免侧滑。
　　4 结论
　　本智能助行车是以康复医疗产品各项标准为依据和指导进行设计的新型结构、控制用板卡及周边传感器的综合智能设备。产品已经实现批量生产，经实际验证本智能助行车可靠性高、安全性高、成本低，满足身体虚弱或下肢功能不健全的老年人群的使用需求。
　　参考文献：
　　[1]黄晓琳.人体运动学（第2版）[M].北京：人民卫生出版社，2013.
　　[2]上田淳，栗田雄一.医疗机器人建模与制造[M].晁飞，译.北京：机械工业出版社，2017.
　　[3]冯建光.失智失能老年人日常照护指导手册[M].上海：上海浦江教育出版社，2014.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15255668.htm