一種四輪助行機器人應用研究

郭冰

摘 要 隨著人口老齡化進程的加快，我國高齡人口在不斷增加。在困擾老年人生活的眾多問題中，尤為突出的一項是老年人渴望自主外出行走，增加運動的機會。但部分老年人由于身體虛弱或下肢功能不健全，導致行走困難，需要在輔助的情況下行走。另有老年人在行走的時候由于反應能力下降導致行走平衡能力下降，會有跌倒危險。這就需要研發(fā)一款小型的行走輔助設備幫助老年人安全舒適的行走。增加老年人外出的運動機會。改善其身體健康狀況，同時也提高其生活質量。

關鍵詞 老齡化;自主行走;行走輔助

1現(xiàn)有產(chǎn)品分析

由于日本、歐美等地區(qū)老齡化社會發(fā)展較早，老年人有穩(wěn)定的退休收入及社會保障，對助行器產(chǎn)品的擁有率很高。加之政府在養(yǎng)老機器人方面的投入也成倍增長。在政府及財團的大力支持下，很多養(yǎng)老用機器人的研發(fā)及應用均走在世界的前列，比較有代表性的RT-Works公司的一款老年人行走輔助車，也是至今為止最具規(guī)模的產(chǎn)品。

但是同類產(chǎn)品在國內(nèi)鮮有銷售，國內(nèi)的同類產(chǎn)品大多處于實驗室階段。市場現(xiàn)有產(chǎn)品以手杖、助行架、無動力助行車為主。

手杖輕便、易于便攜，但是穩(wěn)定性比較差;助行架有較大的支撐面積，安全穩(wěn)固，但是對路況要求高，無法在戶外使用;無動力助行車使用方便，有座椅能提供休息，能擴大老人的活動范圍，但在上下坡時有溜車風險，對身體平衡性不好的用戶，車子會越推越快，如果用戶突然跌倒時無法立刻停車為用戶提供良好的支撐。

2老年人日常活動分析

老年人日常比較喜歡看報，看電視。更關心自身的身體健康，大部分人會選擇在室外走路活動。廣東工業(yè)大學學生針對廣東工業(yè)大學小區(qū)、廣州黃花崗公園、廣州市越秀區(qū)黃花崗捷長者日托中心的百位60～80歲的老人日常活動范圍調(diào)查的數(shù)據(jù)[1]。數(shù)據(jù)顯示老年人每天的活動范圍主要集中在附近的公園或社區(qū)，樓下小區(qū)和附近的超市或菜市場，但因行走耐力有限大部分老人活動30分鐘就要休息下。

3設計概要

綜合RT-Work產(chǎn)品功能與國內(nèi)市面上一些助行設備的特點及問題分析，考慮到老人日常的活動空間及耐力、平衡能力等生理能力的下降，設計一款能提供助力功能的四輪助行機器人。助行機器人本體主要由車身、載物袋、控制器、車輪、傳感器5大部分組成。功能包括擴：

（1）助行器運行速度跟隨用戶的行走速度自適應調(diào)整，保持與用戶的速度同步。（2）速度限制功能，當用戶的行走速度超過設定速度時設備會制動剎車，防止用戶因身體不平衡導致越走越快。（3）助力行走，在前進的方向上提供持續(xù)的牽引力。（4）行走訓練，在前進方向上提供持續(xù)的阻力。（5）上坡時自動提供持續(xù)的牽引力。（6）下坡時自動提供持續(xù)的阻力，保證設備緩慢地從坡上下來。（7）不論在平地還是坡路，任意一只手離開車把后設備立刻剎車停止。（8）跌倒防護，當用戶有跌倒趨勢時設備立刻剎車為用戶提供良好的支撐。（9）手動物理剎車功能，手部向上握閘時可以將車制動;下拉車閘時可以使設備保持駐車狀態(tài)。（10）落座功能，當用戶行走疲憊時可以坐在車體的座墊上休息。（11）載物袋中可提供最大10KG的承重，方便老人放置物品。（12）車身可折疊、扶手高度可調(diào)。

4結構尺寸設計

助行器作為老人的外出伴侶，結構尺寸設計十分重要[2]。在助行器中，關鍵尺寸是其中高度（即手握部分的高度），主要尺寸是靠背支架高度、座高、座寬及座深，這些尺寸規(guī)格都需要根據(jù)老人的人體尺寸來確定。通過對《北京地區(qū)老年人人體尺寸測量》資料的查閱[3]，并考慮到大多老年人在彎腰、下蹲、從蹲姿或坐姿站起神來時姿態(tài)變化有困難，將設備設計尺寸如下所示：

（1）助行器高度（扶手部分的高度）：78～92cm可調(diào);（2）助行器寬度：63cm;（3）助行器長度：74cm;（4）靠背高度：66～80cm;（5）坐墊高度：55cm;（6）坐墊寬度：43cm;（7）坐墊深度25cm。

5技術特點

本產(chǎn)品定位為一款人機互動的行走輔助設備，人作為操作設備的輸入信號源同時也是機器人的控制對象。人對小車的推力一方面作為控制小車運動的信號輸入，另一方面小車的運動也會對人產(chǎn)生作用力，輔助使用者行走。這是一款典型的Human-in-the-loop系統(tǒng)（有人參與的控制系統(tǒng)）。

作為針對老年人行走輔助的產(chǎn)品，安全性、舒適性作為本次工作的重點。在系統(tǒng)中設有行走識別及跌倒檢測兩個環(huán)節(jié)以確保產(chǎn)品的安全性與舒適性。

6效果展示

圖1為四輪助行器的設計效果圖，考慮到老年人性情一般比較沉穩(wěn)、喜靜。車身的色彩搭配上偏重樸素平和。研究表明，老年人更傾向于優(yōu)雅、沉穩(wěn)、高貴的色彩，如茶色、藍、綠等[4]。在此設計中色彩的搭配可參照這一設計原則。

參考文獻

[1] 羅志云.基于老齡友好的老年人助行器設計研究[J].科技風，2015， （12）：230.

[2] 梁艷霞.人體尺度在產(chǎn)品設計中的應用——以雙層床的設計為例[J].鄭州輕工業(yè)學院學報：社會科學版，2009，（4）：68.

[3] 胡海滔，李志忠，肖惠，等.北京地區(qū)老年人人體尺寸測量[J].人類工效學，2006，3（12）：39.

[4] 程能林.工業(yè)設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008：91.