智能模塊式輔助老人行走外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李冠男 王 紅 曾尚鵬

(沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

1 工作原理和功能

智能模塊式輔助老人行走外骨骼，行走部分的機(jī)械原理是以被動(dòng)行走為理論基礎(chǔ)而研究出來的。被動(dòng)步行理論最早是加拿大Tad McGeer博士于20世紀(jì)80年代發(fā)表，通俗來說就是受外力而行走，目前全世界最頂尖的各大研究機(jī)構(gòu)都已接受并認(rèn)為被動(dòng)步行理論是未來實(shí)現(xiàn)高效機(jī)器人的方式之一。坐姿部分原理類似中國(guó)武術(shù)中的扎馬步的原理，并參考了日本的archelis(可行走的椅子)，但archelis在行走上不夠便利，同時(shí)穿戴比較繁瑣。本設(shè)計(jì)是通過外骨骼提供的支撐與對(duì)關(guān)節(jié)的自由度鎖定形成類似坐的姿勢(shì)進(jìn)行休息，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)基本功能：輔助行走、輔助老人長(zhǎng)時(shí)間站立支撐、可通過關(guān)節(jié)卡死懸空站姿休息。同時(shí)在行走外骨骼上通過添加輕量化模塊實(shí)現(xiàn)智能操作和控制等拓展功能，比如，增加防摔倒功能，定位、計(jì)步功能，提醒、求救功能等。

圖1 智能模塊式輔助老人行走外骨骼整體結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能模塊式輔助老人行走外骨骼結(jié)構(gòu)如右圖1所示，主要由腰帶、月牙形護(hù)板、蓄能彈簧、長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)、腳踝長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。該外骨骼通過腰帶固定于人體下肢，月牙形護(hù)板能保證與腿部緊密貼合，并通過大腿與腰部的屈伸運(yùn)動(dòng)來對(duì)氣缸彈簧拉伸來實(shí)現(xiàn)通過重力勢(shì)能與大腿肌肉的伸直進(jìn)行積蓄勢(shì)能，通過氣動(dòng)彈簧的勢(shì)能釋放來帶動(dòng)輔助老人抬腿的方式來輔助老人行走，再通過可滑動(dòng)式的關(guān)節(jié)鎖緊罩來對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行鎖緊實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)間的互相鎖死來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)無法彎曲來幫助老人支撐及輔助懸空站姿休息。

關(guān)節(jié)采用了連桿式的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外骨骼采用卡扣式可伸縮鋼管來調(diào)節(jié)適應(yīng)老人身形。通過U形托來貼合老人腿部提高舒適性和腿部的貼合性。膝蓋活動(dòng)關(guān)節(jié)如圖2所示，通過螺釘?shù)姆绞竭M(jìn)行連接及限制上下2部分在X、Z方向的運(yùn)動(dòng)，上半部分采用半圓式的連接板來保證關(guān)節(jié)在Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性及自由度下半部分的U形連接槽來限制關(guān)節(jié)與上半部分在Y軸的移動(dòng)Z、X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。腳踝活動(dòng)關(guān)節(jié)和長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置如圖3所示，關(guān)節(jié)部分與膝蓋活動(dòng)關(guān)節(jié)相同長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置采用相同結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置采用螺釘連接采用螺釘導(dǎo)向式活動(dòng)控制長(zhǎng)度螺釘夾緊。關(guān)節(jié)鎖死固定裝置如圖4所示，通過滑動(dòng)罩住關(guān)節(jié)來鎖定關(guān)節(jié)自由度。大腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置如圖5所示，通過骨骼內(nèi)置V形卡簧卡緊骨骼上圓孔來調(diào)節(jié)骨骼長(zhǎng)度。

圖2 膝蓋活動(dòng)關(guān)節(jié)

圖3 腳踝活動(dòng)關(guān)節(jié)和長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置

圖4 關(guān)節(jié)鎖死固定裝置

圖5 大腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置

3 智能模塊拓展功能

通過改變材料減輕結(jié)構(gòu)使其方便穿戴以及減少老人行動(dòng)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)可在腰部護(hù)板處安裝電子檢測(cè)設(shè)備來檢測(cè)老人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行記錄及是否產(chǎn)生異常行動(dòng)姿勢(shì)來推測(cè)老人當(dāng)時(shí)是否有跌倒風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)施輕量化氣囊彈出裝置避免老人在跌倒中受傷，同時(shí)數(shù)據(jù)與報(bào)警模塊相連及時(shí)報(bào)警。還可在貼近老人皮膚的部位安裝定時(shí)體型振動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)按時(shí)吃藥提醒，在腿部安裝運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及數(shù)據(jù)收集模塊來采集老人日常活動(dòng)數(shù)據(jù)，在腰部卡扣位置安裝一鍵報(bào)警等模塊式智能控制、互聯(lián)網(wǎng)一鍵報(bào)警等功能。同時(shí)這些模塊可以選擇性安裝，當(dāng)模塊過多且安裝了腿部的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊時(shí)可以通過將儲(chǔ)能彈簧部分改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)來增加驅(qū)動(dòng)性，調(diào)試通過時(shí)來記憶老人的行走及運(yùn)動(dòng)習(xí)慣來驅(qū)動(dòng)電機(jī)輔助老人行走來減輕因增加模塊對(duì)老人產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)。