助力老年人行走機器人設計

江可玥 邱煜焜

摘要：隨著我國老齡化速度不斷加快，老齡化所帶來的社會問題也日益顯著，老年人的身體狀況不容樂觀。如何有效幫助老人在家的生活成了重要問題。我們通過對行動能力不便的老年人進行調研，針對老年人行走不便的原因進行分析，設計了一種助力老年人行走的機器人，為老人在家庭生活中提供幫助。各個模塊協調運行，幫助老年人，特別是行動不便的老年，人順利進行日常生活。該機器人可以為行動不便的老年，人提供便利。

關鍵詞：輔助行走;?機器人;?服務機械

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）08-0008-03

引言

在人口老齡化的趨勢下，老齡化所帶來的社會問題也日益顯著。老年人身體狀況不容樂觀：各項身體機能逐漸退化，血液流通不暢等引起的腿腳無力，行走等能力受到限制，起身站立困難，無法進行長距離行走。而年輕人的就業競爭和工作壓力大，工作和家庭兼顧已然不易，并無過多時間和精力照顧老人，由此極易導致老年人能力不足引發的一系列危險狀況：行動緩慢，對潛在危險不能及時做出反應;且容易跌倒，引發事故。

針對此種狀況，國內市場推出了老人站立助力器，輔助老年人起身站立，短距離行走，但功能單一，自動化程度極低，無法滿足老年人正常生活所需;日本豐田則推出Honda步行輔助器，實現自動化輔助行走，但同樣功能單一，無法對突發情況迅速做出反應，為老年人保駕護航。對于這一問題，我們設計了一款助力老年行走機器人-Accompany?spider，為老年人的家庭生活提供幫助。

一、功能設計

本裝置主要針對行動不便的老年人，尤其是腿部不能長時間站立、行走或是因為行走費力而導致行動能力減弱的老年人。如圖1位本設計整體模型圖，其具備的主要功能有以下三點：

1.提供助力行走服務，全方位監控護航，設置避障自適應功能，當遇到危險時，及時采取措施，避免老人傾倒;也可提供自動前進功能，老人可坐在座椅上自動前進，舒適感更強;

2.提供日常生活取物遞送服務，方便老年人日常生活;

3.提供按摩服務等輔助功能，針對老年人不同的身體狀況，提供不同類型的服務，更具人性化。

二、項目內容

（一）整體設計

Accompany?spider助力老年行走機器人采用了模塊化功能的設計，整體由腿部支撐模塊，多功能機械臂模塊，多足行走模塊，按摩模塊，底部支撐模塊和控制檢測模塊六大模塊組成。本裝置主要針對行動不便的老年人，尤其是腿部不能長時間站立、行走或是因為行走費力而導致行動能力減弱的老年人。

由于人在行走時會將自身的重力全部集中在人的兩只腿上，從而導致人在行走時腿部承力較大，尤其是在人下蹲或是起身時膝蓋部分所受的力為正常走路時的5-7倍，因此許多老年人隨著年齡增長行動能力減弱的一個重要原因是膝蓋不能承力，因此本裝置為方便老年人行走，設置了腿部支撐模塊，當老年人在行走時，依靠裝置上的座椅承受部分身體的重力，通過仿人腿式支撐模塊的設計，在減小人腿受力的同時增加老人在行走時的平穩性。

除兩條仿人腿式機械支撐腿外，本裝置還設有兩只多功能機械臂，這兩只機械臂在老人行走時將老人圍住，防止老年，人在行走過程中摔倒;在老年人需要取物時可通過老人的手動控制輔助老年人拿取書報、食物等物品，避免了老人屈膝取物的動作，保護了老年人的膝蓋。除此之外該機械手具有按摩的功能，當老年人在行走過后，為緩解其腿部肌肉的酸痛，機械臂將通過控制系統根據老年人行走的距離、路況等信息綜合考慮為老年人進行科學地按摩。

由于路況復雜，老年人只靠兩條腿行走勢必會導致行動的平穩性較差，因此，本裝置設置了多足可吸附式結構，該結構仿造蜘蛛的行走過程設計，在行走時針對不同的路況通過高清攝像頭智能識別路況，從而選擇不同的行走方式，多足式設計使得裝置在輔助老年人行走的過程中平穩性得到大大提高。

（二）腿部支撐模塊設計

如圖2所示為腿部支撐模塊總裝圖，其由電機、傳動齒輪、固定卡扣、氣動桿等部分組成，為了和人體下肢運動關節基本一致，下肢外骨骼機構運動主要包括髖關節的三個自由度轉動、膝關節一個自由度轉動的和踝關節的三個自由度轉動。本模塊為適應不同人群的腿部長度和粗細，設計了可伸縮式支撐架，該支撐架由電機提供動力，主要實現以下功能：1.使膝關節以下部分的長度可隨不同人體的小腿長度而自動變化;2.由于人體腳掌的面積較小，因此腳掌所承受的人體自身中立多帶來的壓強較大，因此本裝置設計了機械腳掌以增大腳掌受力面積;3.通過電機帶動滾珠絲杠實現腿粗細的調節;4.由電機帶動萬向節，實現腳部模塊的旋轉，從而對老年人腳踝關節進行按摩。

（三）多功能機械臂模塊設計

如圖4所示為多功能機械臂模塊，該模塊由大臂和小臂兩部分組成，其中小臂由兩部分氣動桿提供動力，通過控制系統對不同部位氣動桿的伸長長度來控制多功能機械臂小臂部分的長度和手指部分不同功能的實現。其中，手指部分利用多自由度差動驅動原理與彈性鉸鏈的巧妙結合，使設計手掌僅由一個原動件便可驅動手的所有15個關節，并且有對抓取物體的自適應性。手掌設計了15自由度差動機構，驅動手指的3個關節，實現對抓取物體的自適應性。

隨著老年人年齡的增長，由于肌肉組織的退化或其他問題將導致老年人在行走過程中重心不穩而摔倒，針對這一老年人在行走過程中普遍存在的問題，本裝置利用該多功能機械臂作為老年人行走過程中的防護裝置，在老年人行走時通過彎曲小臂，使小臂與大臂之間成90°角，將老年人圍在其中，降低老年人摔倒的可能性。同時，轉化為輪椅形態時，機械臂作為驅動力來源，轉動輪椅輪前進。

除此之外，當老年人行走一段時間后，可能會出現腿酸等癥狀，針對這一問題，本模塊設計利用多功能機械臂小臂的手指部分，如圖5，對老年人的腿部進行適當按壓，緩解老年人行走過后的疲勞程度。

（四）變形多足行走模塊設計

為適應瓷磚等光滑路面、不平整路面下的行走，本裝置采用兩種不同的行走模式，對于瓷磚等光滑路面和樓梯采用吸盤吸附式行走，增大抓地面積，提高裝置平穩性;對于普通路面采用輪系結構模式，提高行走效率。兩種行走模式依靠于下列腳尖組合結構。該結構主要由吸盤機構、鎖扣機構、旋轉機構組成。整體裝置由四個變形多足行走模塊組成，兩個行走模塊通過控制旋轉耦合，可以合并為行進輪，從而使裝置變成輪椅模式。整體效果圖如圖6所示，以下是對這些機構的具體分析。

1.吸盤機構：吸盤機構主要用于通過在吸盤內外產生壓力差來吸附地面，增加裝置與地面之間的抓力。吸盤機構由活塞連桿和橡膠吸盤以及后箱中的錐齒輪傳動機構和曲軸組成，其內部結構如圖8所示。通過連桿的運動帶動橡膠吸盤的運動，當裝置在行進過程中需要抓地時，橡膠吸盤被拉伸，使吸盤內部形成空腔，使得內部氣壓減小，然后在外部大氣壓的作用下，將裝置緊緊地吸附在地面上;同理當吸盤需脫離地面向前行走時，橡膠吸盤被擠壓，使得內部氣壓變大，當內部氣壓大于外部大氣壓時，吸盤與地面脫離。

吸盤機構的實現主要是靠后箱體中的電機通過軸輸出帶動錐齒輪2轉動，然后由錐齒輪2將轉動傳遞到錐齒輪1，然后由錐齒輪帶動曲軸轉動，進而使套在曲軸上的連桿轉動，最后由連桿帶動活塞連桿運動推動吸盤的運動，裝配關系如圖9所示。運動過程中適當調節后箱中電機輸出軸轉過的角度來控制曲軸運動，最終控制吸盤的吸附與放松，其機構運動簡圖如圖10所示。此處采用錐齒輪，充分利用了錐齒輪壽命長，高負荷承載力以及減震的特點，更重要的是通過使用錐齒輪，實現了兩.個垂直軸的傳動。

2鎖扣機構：在設計過程中，為了使得機器人能夠適應各種不同的路面情況，進而可以更好、更穩定地吸附于地面，本裝置在吸盤機構的后箱體上設計添加了鎖扣機構，如圖11所示為鎖扣機構的透視圖。在行走過程中，當控制中心識別路況后發出指令利用吸盤吸附于地面之進行行走運動，本裝置設計了行星齒輪機構，可通過電機驅動中心的太陽輪轉動從而同時帶動周邊的四個行星齒輪轉動，最終將4個鎖扣扣到吸盤尾部的連接柱上，起到了連接基體與吸盤機構的作用;如果需要另一種運動方式而不采用吸盤吸附，只需通過電機驅動反轉，將鎖扣打開，在通過連桿的運動就可以使吸盤機構與基體分離。鎖扣機構如圖12所示。

（五）按摩模塊設計

如圖13所示為按模模塊，該模塊主要由按摩骨、支架、曲軸、連桿和推桿五部分組成。其中，按摩骨由多塊易形變骨組成，因此其具有較強的適應性，通過支架與支座固連，曲軸由電機帶動，并實現傳動，從而實現變形按摩骨的前后運動達到按摩效果。可根據老年人的背部情況自動貼合在老年人的背部，使振動傳遞到老年人的背部達到背部按摩的效果。而頸部按摩塊由于其完美地貼合人體的頸部造型，通過電機產生的振動可起到人體頸部按摩的效果。

（六）底部支撐模塊設計

如圖14所示為底部支撐模塊整體圖。為減小裝置行進時的震動，以及協助老年人站立，保持裝置的穩定，裝置底板設計了彈簧推桿結構以及支撐推桿。當裝置作為四足機器人行進時，為減小震動，彈簧推桿作為減震裝置發揮作用;當老年人需要站立時，彈簧推桿向上推起，助力老年人站立。支撐推桿作為穩定支桿支撐整體。

當裝置為輪椅形態時，底部翻轉輪支撐整體，進行前進，保持平穩。

（七）檢測反饋模塊

系統主要有兩部分組成，第一部分包括前端數據采集傳感器、信號處理單元、主控制芯片和射頻通信模塊組成。第二部分由上位機、微控制器和無線通信模塊組成。前端數據采集傳感器主要包括三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS陀螺儀傳感器和三軸MEMS電子指南針傳感器，陀螺儀由于動態性能好，用于獲取實時的動作信息。但陀螺儀會產生偏移，而加速度傳感器和電子指南針傳感器其靜態性能比較優越，所以可以用來對陀螺儀的動作檢測數據進行相應的修正，如圖15。

三、可行性分析

（一）整體分析

Accompanyspider助力老年行走機器人的設計結構并不復雜，由基本的機械傳動機構組成（例如：行星輪、曲柄滑塊等），因此在技術層面，Accompany?spider助力老年行走機器人是完全可以實現的。

材料方面，裝置整體框架采用質地輕盈的鋁合金，其加工.難度低，耐腐蝕能力強，在保證機器人結構強度的同時，減少機器人整體重量，使其輕量化。

（二）部分零部件應力校核分析

1.變形多足行走模塊吸盤機構：吸盤為行走部分的重要零件，吸盤與地面的吸附力大小影響著裝置整體的平穩性好壞，且吸盤所承受的壓力為整個車身的重量，由于整個車身由多條支撐腿共同受力，因此在對吸盤進行受力分析時在吸盤施加大小為50N的力，約束固定在與地面支撐處，其網格劃分、材料參數、載荷參數如表1所示，根據下表所設置的參數利用inventor軟件對該吸盤進行應力分析，其具體結果如圖16，17所示：

分析結果顯示，吸盤所受的最大應力2.143MPa，低于橡膠材料的強度和極限拉伸強度，因此，吸盤的形狀與尺寸設計及材料選擇在實際工作載荷下滿足工作要求。

2.多功能機械臂模塊機械臂手掌殼

機械臂在工作過程中會對自身產生應力，整體體結構需要有足夠的強度和剛度，必須達到所設計環境的工作要求。其材料分析如表2所示，針對機械臂上的手部外殼通過Inventor軟件進行分析，其結果如圖18：

分析結果顯示，手掌件最大應力361.4MPa，低于合金鋼屈服強度和極限拉伸強度，因此，機械臂手掌的形狀與尺寸設計及材料選擇在實際工作載荷下滿足工作要求。

四、整體創新性

（一）功能創新

1.將多種輔助功能融為一體，使用一種機器人便可輔助行動不便的老年人完成日常活動。為老年人提供腿部支撐的同時，還兼顧按摩、取物等功能，真正方便老年，人的生活。

2.為適應在多種路面上行走，采用了兩種不同的行走模式，在普通路面能夠正常行走的同時，兼顧瓷磚、樓梯等特殊路面，可以自動檢測路面情況選擇不同的行走方式，讓老年，人行走平穩性提高。

3.采用彈簧推桿結構實現輔助老年人進行站立的功能，方便老年人進行站立動作，并減少此動作對老年人膝蓋的損傷。

（二）機構創新

1.輪系與吸盤行走方式組合，使車輪可實現0轉彎半徑轉向，對地面適應性強，在各種復雜路面均可順利運動。

2.可變多足式行走機構設計，在進行瓷磚等光滑路面和樓梯上的行走動作時，可以大大提高老年人行走的平穩性，避免老年人因為重心長時間傾斜帶來的損傷。在不進行使用時，還能收縮折疊，以節省裝置安放的空間。

3.按摩骨按摩模塊設計，由多塊易變性骨、支架、曲軸、連桿、推桿組成，曲軸由電機帶動，實現對老年，人背部進行按摩的功能。

結語

本設計Accompany?spider助力老年行走機器人裝置原理可行，材料易獲取，能夠對老年人特別是行動不便的老年人的日常生活起到比較大的幫助作用，在人口老齡化趨勢的地區有較好的前景。

參考文獻

[1]彭文生，等.機械設計：第2版[M].武漢：華中科技大學，200[J].

[2]唐增寶，常建娥機械設計課程設計.第3版[M].武漢：華中科技大學，2006.

[3]熊良山，等機械制造技術基礎第1版[M].武漢：華中科技大學，2007.

[4]曲彩云，等機械設計手冊第3版[M].北京：機械工業出版社，2007.

[5]之庚，陳開來，等工程塑料手冊.應用與測試卷[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]之庚，陳開來，等工程塑料手冊.材料卷[M].北京：機械工業出版社，2004.

[7]朱孝錄，等齒輪傳動設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2005.

[8]張明樹，李強，遲永剛，單東偉.一種基于可擺動吸盤的多用途高效真空吸取器設計[J].制造業自動化，2015，（16）：84-88.

[9]王裕清，王紅旗，張高峰，陳小靜.目標物體抓取機械手的設計與仿真[J].機械設計與制造，2015，（2）：168-172.

[10]張碩基于聯合分析法的機器人頭部形態研究[J].設計，2017，30（11）：108-109.