一種老年助行機器人的設計與研發

李凱樂 陳松 王仁義 孫珍惜

摘 要：隨著社會的發展，我國老齡化現象日趨嚴重，因此老人所需的外部輔助設施這一新型產品正成為一種新的社會需求。本文提出了一種可完成升降的助行方案，結合人體工程學，完成了對老年助行機器人詳盡的整體設計和主要機構設計，并建立了相應的三維模型，為老人行動不便等問題提供了一種解決方案。

關鍵詞：助行器 可升降 人機工程學

中圖分類號：TP24文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2020）06-0-01

引言

根據聯合國的規定，我國在20世紀末就已進入老齡化社會[1]。老年人群體是一個弱勢群體，存在很多社會問題，隨著老年人年齡的增加，老年人的身體機能退化，運動協調能力下降，反應慢。但他們又有著強烈的自己活動的愿望。因此老年人尤其是身體孱弱的人需要助行機器人來幫助行走。目前國內外對這一領域已經有大量的研究。主要有弗吉尼亞大學的Wasson設計的MARC Robotic Walker，韓國理工大學的 Shim 開發的 WAR（Walking Assistant Robot），上海交通大學研制的助行機器人 Walkmate[2]，浙江大學研制的助行器 ZJU Walker[3]等。

現在已有國家將助行器投入使用，但我國該領域還屬于研發階段，沒有成熟的產品，同時助行器的需求市場不斷增大，所以進行助行器的研究具有深遠意義。

一、助行機器人的整體設計

依據主要實現的功能需求，結合人機工程學，考慮安全性，適應性等要求，對整體進行了結構設計，如圖1所示。主要機構包括機架，升降機構，萬向輪，剎車電機，直流電機和座椅機構等組成。通過剎車電機的工作帶動螺紋桿轉動帶動扶手上升，實現坐下與站立兩種姿態的轉換。可以適用于大部分老年人的身高要求，任意高度停止。座椅通過直流電機帶動進行自動收縮和放下。底部四個輪子均為萬向輪，無動力的情況能更好地對老年人的下肢進行鍛煉，起到一定的康復鍛煉的輔助作用。扶手部分采用可分離環形結構更加安全。

圖1 助行機器人的三維示意圖

1.整體結構尺寸設計

在設計初期考慮到老人的身高不定所合適的高度差異大，為了讓同一產品適用與更多的人其可升降范圍顯得尤為重要。在查閱相關資料得到老年人的相關人體尺寸[4]后，站立姿態時扶手的極限高度是1160mm最低高度為740mm，可以服務于身高在150～180cm的老人，前后輪的跨距為600mm座椅水平時高度為550mm，扶手間距離為500mm，大于一般老人的肩寬，尺寸符合需求，空間充足。

2.座椅結構設計

座椅結構考慮到老人站起時的不便，采用電動升起座椅設計。采用直流電機，齒輪，齒條，滑槽機構實現座椅的自動收起和放平狀態的轉換。主要包括導向機構，傳動機構，座椅和直流電機組成，電動機帶動齒輪與齒條嚙合提供動力，并且在傾斜上升過程中與扶手臂配合，可以向上給予老人提供一部分力幫助站立。座椅支架均與一側的底座固定相連，直流電機通過電機架固定在座椅腔內。

3.細節設計

為使助行器更加人性化，在設計中我們考慮了很多使用中的細節問題，比如放大后備箱方便老人存藥品或生活用品，安裝無線報警裝置讓老人在緊急時刻發出求救信息，針對整體機器人的座椅結構設計成可調節式，以便適應不同體型的老人等。

二、助行機器人的主要機構設計

1.升降機構設計

查閱相關資料得到老人身形的相關尺寸后，考慮到身高差異大，需滿足不同老人的使用要求。所以我們選用螺紋桿進行傳動，根據螺紋傳動時螺紋的螺距小。我們對機構的高度進行精確調整，找到老人最舒服的高度狀態。機構在到達合適的高度后停止傳動時利用螺紋的自鎖原理，在停電、無動力時自行鎖定，并且配套相應的剎車電機斷電時剎車，保證了其穩定性，大大提高了其安全性。如圖2所示，整個升降機構由剎車電機，傳送帶，螺紋桿和配合的螺紋套組成。電機安裝在座椅靠背的后方經傳送帶以1：2的傳動比傳送動力帶動螺紋桿旋轉，利用傳送帶的安全性，平穩性保證螺紋桿的使用壽命和舒適性，降低噪聲。螺紋桿旋轉帶動扶手向上向下運動實現功能狀態的轉變。

圖2 剎車電機示意圖

2.環繞式防摔機構設計

考慮到老人行走過程中有可能摔倒，特設計L型扶手，與兩側的扶手臂形成四周環繞的防摔支撐機構，如圖3所示，包括L型扶手，扶手臂和插銷鎖止機構。起到保護老人的作用。L型扶手可以沿中心軸旋轉方便老人的進出，并配備插銷鎖止結構，當老人進入時，將插銷向前扳動，進行鎖止，將前后扶手鎖為一體。

圖3 環繞式防摔機構

結語

本論文基于人機工程學和中老年人體尺寸與結構的幾何關系完成了老年助行機器人的整體設計和主要機構設計，在此基礎上確定了各主要機構的參數，建立了整體結構的三維模型。該機器人具有助老鍛煉和輔助起坐的功能，在進行相關的仿真分析和實驗驗證后結果表明，該機器人可以很好地實現此功能。同時，該機器人也具有助行器所占據空間過大，過于笨重，舒適度不高等方面的不足，我們以后將對這幾方面的不足進行改進。

參考文獻

[1]張銳.人口老齡化的中國難題[J].滬港經濟，2012（09）：11.

[2]平偉.智能助行機器人概念樣機設計[D].上海：上海交通大學，2009.

[3]方芳，周武嘯，韋巍，等.助行機器人系統設計[J].傳感器與微系統，2010，

29（8）：120-122.

[4]梁艷霞.基于人機工程學的老年人助行器設計[J].鄭州輕工業學院學報（社會科學版），2009，10（6）：71-73.

作者簡介：

李凱樂（1999.3—），男，河南商丘人，本科在讀，研究方向：機械設計及其自動化;

陳松（1999.8—），男，重慶銅梁人，本科在讀，研究方向：機械電子工程（卓越）;

王仁義（1998.10—），男，河南周口人，本科在讀，研究方向：機械設計及其自動化;

孫珍惜（1999.6—），男，河南商丘人，本科在讀，研究方向：測控技術與儀器。