老年助行機器人結構設計及仿真分析

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

據全國老齡辦研究報告顯示，目前我國已經進入老齡化階段[1]，伴隨著老齡化人口的不斷增加，最顯著的特點就是老年人的視力不好，身體衰弱，肌肉無力，行走不便，這嚴重影響了老年人的日常生活質量[2,3]。

目前，老年助行機器人也成為國內外的研究熱點，許多研究機構都取得了一定的研究成果。國內移動式助行機器人方面最具有代表性的是上海交通大學的“蛟龍號”助行機器人[4]；哈爾濱工程大學研制的下肢康復助行器是通過腿部助力機構進行行走鍛煉[5,6]。上述機器人多是為康復患者設計，老年人助行機器人很罕見，操作各方面都還存在不足。

本文主要針對身體健全，四肢無力，行走不便的老年人設計。根據老年人行走需求和人機工程學的相關尺寸要求[7]，提出了助行機器人設計方案，然后根據理論計算完成了老年助行機器人的結構設計，最后利用UG軟件進行三維實體模型的設計及運動仿真與分析。

1 老年助行機器人結構設計

本論文運用UG軟件進行實體建模.虛擬裝配以及虛擬仿真。裝配如圖1所示，主要結構包括機器人機架、升降機構、驅動輪和萬向輪、驅動電機、直線電機、座椅機構、腳踏板、折疊鉸支鏈。機器人的機架之間位置安裝有直線電機，通過推桿的伸縮來調節機器人座椅和扶手的高度；坐板下方設計為彎曲的支撐桿，為直立行走提供了足夠的空間。前輪為萬向輪，后輪為驅動輪，通過一個驅動電機就可驅動兩個后輪同時轉動。腳踏板和座椅都是向兩邊折疊。此助行機器人有兩種運行模式，一種是輔助行走模式，另一種是電動輪椅模式。

圖1 老年助行機器人的三維設計裝配圖

1.1 升降部分的基本原理

依據《基于人機工程學的老年人助行器設計》論文，可以得到老年人的相關人體尺寸。老年人在行走站立過程中，扶手的適宜高度為1024mm，而助行機器人處于輪椅模式下，扶手的高度為935mm，扶手的升降尺寸只需100mm左右。

圖2 直線電機推桿處于推程狀態

圖3 直線電機推桿處于收縮狀態

為使機架升降尺寸達到100mm，選擇直線電機的推程尺寸為150mm。由上圖2可知當直線電機處于推程狀態時其對應的高度h1為243mm，由上圖3可知當直線電機處于收縮狀態時其對應的高度h2為355mm，h=h2-h1=112mm。因此可直線電機的伸縮量為150mm，升降高度為100mm。

1.2 座椅結構

座椅為折疊結構，三維模型如圖4所示，主要由椅架，靠背，坐板和鉸支鏈構成。使用者在坐立過程中可以用手輕輕的抬起或者按下坐板。鉸支鏈具有限位作用，坐板繞鉸支鏈轉動，從而達到折疊效果。其中坐板是根據人體坐姿時的臀部和大腿部曲線設計，座椅靠背是根據人體坐姿時人體脊柱曲線設計，從而使老年人可舒適地坐著。

圖4 座椅的折疊結構

1.3 機器人機架升降機構

圖5 機器人升降結構

升降機構的三維模型如圖5所示，主要由直線電機和機器人機架組成。直線電機安裝在機器人座椅的下方正中間位置，直線電機工作時可以保證機架同時運動。只需要一個直線電機就可以完成整體的升降功能。升降結構工作原理：當直線電動推桿收縮時，輪椅整體升高，處于輔助行走狀態。當直線電動推桿伸出時，機器人整體降低,處于輪椅工作狀態，此時相當于電動輪椅。

1.4 老年助行機器人運動過程的技術指標

對于上述結構，為了使整個構件運動規律符合設計要求，需設計合理的桿長，論文中基于人機工程學的基本原理，確定了助行機器人的相關參數及性能指標。其技術指標如表1所示。

表1 助行機器人的結構參數及性能指標

2 助行機器人運動仿真分析

為了模擬人的行走過程，在UG 10.0運動仿真模塊進行了運動仿真，使助行機器人能夠實現機器人機架的總體升降功能，設置的仿真運動條件[9]為：使用者在站立程中，直線電機推程為150mm，速度為30mm/s，時間為5s；使用者在坐下過程中，直線電機推程為150mm，速度為30mm/s，時間為5s。

直線電機的加速度變化曲線如圖6(a)所示，機架的升降位移變化曲線如圖6(b)所示。

圖6 運動仿真模擬數據

圖7所示為仿真運動過程，圖7(a)為使用者坐下時的姿態圖；圖7(b)為運動中右腳抬起，右腳踏板折疊姿態圖；圖7(c)為直線電機收縮，助行機架整體升高，使用者站立姿態圖；圖7(d)為坐板折疊，使用者在助行模式下行走姿態圖。仿真結果可以看出各桿件的運動空間及行程，從而判斷此機構模型及設計參數是合理的。從而證明了此機構設計的合理性，可以用于老年人的日常行走訓練。

3 結論

圖7 運動仿真過程

本論文基于人機工程學中老年人人體尺寸和結構的幾何關系完成了老年助行機器人的整體結構設計，確定了主要工作部件的幾何參數，建立了該結構的三維模型并對其進行了運動仿真分析。通過其運動仿真變化曲線可以看出直線電機的加速度變化曲線可以看出速度變化平緩。機架的升降位移變化數據與理論計算數據相吻合。該結構的運動仿真分析驗證了其參數的合理性。該結構可以很方便作為老年人日常行走輔助工具。