一种老年助行机器人的设计与研发

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　　摘 要：随着社会的发展，我国老龄化现象日趋严重，因此老人所需的外部辅助设施这一新型产品正成为一种新的社会需求。本文提出了一种可完成升降的助行方案，结合人体工程学，完成了对老年助行机器人详尽的整体设计和主要机构设计，并建立了相应的三维模型，为老人行动不便等问题提供了一种解决方案。
　　关键词：助行器 可升降 人机工程学
　　中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2020）06-0-01
　　引言
　　根据联合国的规定，我国在20世纪末就已进入老龄化社会[1]。老年人群体是一个弱势群体，存在很多社会问题，随着老年人年龄的增加，老年人的身体机能退化，运动协调能力下降，反应慢。但他们又有着强烈的自己活动的愿望。因此老年人尤其是身体孱弱的人需要助行机器人来帮助行走。目前国内外对这一领域已经有大量的研究。主要有弗吉尼亚大学的Wasson设计的MARC Robotic Walker，韩国理工大学的 Shim 开发的 WAR（Walking Assistant Robot），上海交通大学研制的助行机器人 Walkmate[2]，浙江大学研制的助行器 ZJU Walker[3]等。
　　现在已有国家将助行器投入使用，但我国该领域还属于研发阶段，没有成熟的产品，同时助行器的需求市场不断增大，所以进行助行器的研究具有深远意义。
　　一、助行机器人的整体设计
　　依据主要实现的功能需求，结合人机工程学，考虑安全性，适应性等要求，对整体进行了结构设计，如图1所示。主要机构包括机架，升降机构，万向轮，刹车电机，直流电机和座椅机构等组成。通过刹车电机的工作带动螺纹杆转动带动扶手上升，实现坐下与站立两种姿态的转换。可以适用于大部分老年人的身高要求，任意高度停止。座椅通过直流电机带动进行自动收缩和放下。底部四个轮子均为万向轮，无动力的情况能更好地对老年人的下肢进行锻炼，起到一定的康复锻炼的辅助作用。扶手部分采用可分离环形结构更加安全。
　　图1 助行机器人的三维示意图
　　1.整体结构尺寸设计
　　在设计初期考虑到老人的身高不定所合适的高度差异大，为了让同一产品适用与更多的人其可升降范围显得尤为重要。在查阅相关资料得到老年人的相关人体尺寸[4]后，站立姿态时扶手的极限高度是1160mm最低高度为740mm，可以服务于身高在150～180cm的老人，前后轮的跨距为600mm座椅水平时高度为550mm，扶手间距离为500mm，大于一般老人的肩宽，尺寸符合需求，空间充足。
　　2.座椅结构设计
　　座椅结构考虑到老人站起时的不便，采用电动升起座椅设计。采用直流电机，齿轮，齿条，滑槽机构实现座椅的自动收起和放平状态的转换。主要包括导向机构，传动机构，座椅和直流电机组成，电动机带动齿轮与齿条啮合提供动力，并且在倾斜上升过程中与扶手臂配合，可以向上给予老人提供一部分力帮助站立。座椅支架均与一侧的底座固定相连，直流电机通过电机架固定在座椅腔内。
　　3.细节设计
　　为使助行器更加人性化，在设计中我们考虑了很多使用中的细节问题，比如放大后备箱方便老人存药品或生活用品，安装无线报警装置让老人在紧急时刻发出求救信息，针对整体机器人的座椅结构设计成可调节式，以便适应不同体型的老人等。
　　二、助行机器人的主要机构设计
　　1.升降机构设计
　　查阅相关资料得到老人身形的相关尺寸后，考虑到身高差异大，需满足不同老人的使用要求。所以我们选用螺纹杆进行传动，根据螺纹传动时螺纹的螺距小。我们对机构的高度进行精确调整，找到老人最舒服的高度状态。机构在到达合适的高度后停止传动时利用螺纹的自锁原理，在停电、无动力时自行锁定，并且配套相应的刹车电机断电时刹车，保证了其稳定性，大大提高了其安全性。如图2所示，整个升降机构由刹车电机，传送带，螺纹杆和配合的螺纹套组成。电机安装在座椅靠背的后方经传送带以1：2的传动比传送动力带动螺纹杆旋转，利用传送带的安全性，平稳性保证螺纹杆的使用寿命和舒适性，降低噪声。螺纹杆旋转带动扶手向上向下运动实现功能状态的转变。
　　图2 刹车电机示意图
　　2.环绕式防摔机构设计
　　考虑到老人行走过程中有可能摔倒，特设计L型扶手，与两侧的扶手臂形成四周环绕的防摔支撑机构，如图3所示，包括L型扶手，扶手臂和插销锁止机构。起到保护老人的作用。L型扶手可以沿中心轴旋转方便老人的进出，并配备插销锁止结构，当老人进入时，将插销向前扳动，进行锁止，将前后扶手锁为一体。
　　图3 环绕式防摔机构
　　结语
　　本论文基于人机工程学和中老年人体尺寸与结构的几何关系完成了老年助行机器人的整体设计和主要机构设计，在此基础上确定了各主要机构的参数，建立了整体结构的三维模型。该机器人具有助老锻炼和辅助起坐的功能，在进行相关的仿真分析和实验验证后结果表明，该机器人可以很好地实现此功能。同时，该机器人也具有助行器所占据空间过大，过于笨重，舒适度不高等方面的不足，我们以后将对这几方面的不足进行改进。
　　参考文献
　　[1]張锐.人口老龄化的中国难题[J].沪港经济，2012（09）：11.
　　[2]平伟.智能助行机器人概念样机设计[D].上海：上海交通大学，2009.
　　[3]方芳，周武啸，韦巍，等.助行机器人系统设计[J].传感器与微系统，2010，
　　29（8）：120-122.
　　[4]梁艳霞.基于人机工程学的老年人助行器设计[J].郑州轻工业学院学报（社会科学版），2009，10（6）：71-73.
　　作者简介：
　　李凯乐（1999.3—），男，河南商丘人，本科在读，研究方向：机械设计及其自动化;
　　陈松（1999.8—），男，重庆铜梁人，本科在读，研究方向：机械电子工程（卓越）;
　　王仁义（1998.10—），男，河南周口人，本科在读，研究方向：机械设计及其自动化;
　　孙珍惜（1999.6—），男，河南商丘人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器。
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