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(diào)研，針對老年人行走不便的原因進行分析，設(shè)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(xié)調(diào)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(guān)鍵詞：輔助行走;?機器人;?服務(wù)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(yè)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(dǎo)致老年人能力不足引發(fā)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(yīng);且容易跌倒，引發(fā)事故。

針對此種狀況，國內(nèi)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(xiàn)自動化輔助行走，但同樣功能單一，無法對突發(fā)情況迅速做出反應(yīng)，為老年人保駕護航。對于這一問題，我們設(shè)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(shè)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(dǎo)致行動能力減弱的老年人。如圖1位本設(shè)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(wù)，全方位監(jiān)控護航，設(shè)置避障自適應(yīng)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(wù)，方便老年人日常生活;

3.提供按摩服務(wù)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(wù)，更具人性化。

二、項目內(nèi)容

（一）整體設(shè)計

Accompany?spider助力老年行走機器人采用了模塊化功能的設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)計，在減小人腿受力的同時增加老人在行走時的平穩(wěn)性。

除兩條仿人腿式機械支撐腿外，本裝置還設(shè)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(tǒng)根據(jù)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(xué)地按摩。

由于路況復(fù)雜，老年人只靠兩條腿行走勢必會導(dǎo)致行動的平穩(wěn)性較差，因此，本裝置設(shè)置了多足可吸附式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)仿造蜘蛛的行走過程設(shè)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(shè)計使得裝置在輔助老年人行走的過程中平穩(wěn)性得到大大提高。

（二）腿部支撐模塊設(shè)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(guān)節(jié)基本一致，下肢外骨骼機構(gòu)運動主要包括髖關(guān)節(jié)的三個自由度轉(zhuǎn)動、膝關(guān)節(jié)一個自由度轉(zhuǎn)動的和踝關(guān)節(jié)的三個自由度轉(zhuǎn)動。本模塊為適應(yīng)不同人群的腿部長度和粗細，設(shè)計了可伸縮式支撐架，該支撐架由電機提供動力，主要實現(xiàn)以下功能：1.使膝關(guān)節(jié)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(shè)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(xiàn)腿粗細的調(diào)節(jié);4.由電機帶動萬向節(jié)，實現(xiàn)腳部模塊的旋轉(zhuǎn)，從而對老年人腳踝關(guān)節(jié)進行按摩。

（三）多功能機械臂模塊設(shè)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(tǒng)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(xiàn)。其中，手指部分利用多自由度差動驅(qū)動原理與彈性鉸鏈的巧妙結(jié)合，使設(shè)計手掌僅由一個原動件便可驅(qū)動手的所有15個關(guān)節(jié)，并且有對抓取物體的自適應(yīng)性。手掌設(shè)計了15自由度差動機構(gòu)，驅(qū)動手指的3個關(guān)節(jié)，實現(xiàn)對抓取物體的自適應(yīng)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(dǎo)致老年人在行走過程中重心不穩(wěn)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(zhuǎn)化為輪椅形態(tài)時，機械臂作為驅(qū)動力來源，轉(zhuǎn)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(xiàn)腿酸等癥狀，針對這一問題，本模塊設(shè)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(shè)計

為適應(yīng)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(wěn)性;對于普通路面采用輪系結(jié)構(gòu)模式，提高行走效率。兩種行走模式依靠于下列腳尖組合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由吸盤機構(gòu)、鎖扣機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)的具體分析。

1.吸盤機構(gòu)：吸盤機構(gòu)主要用于通過在吸盤內(nèi)外產(chǎn)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(gòu)由活塞連桿和橡膠吸盤以及后箱中的錐齒輪傳動機構(gòu)和曲軸組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部形成空腔，使得內(nèi)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(nèi)部氣壓變大，當內(nèi)部氣壓大于外部大氣壓時，吸盤與地面脫離。

吸盤機構(gòu)的實現(xiàn)主要是靠后箱體中的電機通過軸輸出帶動錐齒輪2轉(zhuǎn)動，然后由錐齒輪2將轉(zhuǎn)動傳遞到錐齒輪1，然后由錐齒輪帶動曲軸轉(zhuǎn)動，進而使套在曲軸上的連桿轉(zhuǎn)動，最后由連桿帶動活塞連桿運動推動吸盤的運動，裝配關(guān)系如圖9所示。運動過程中適當調(diào)節(jié)后箱中電機輸出軸轉(zhuǎn)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(gòu)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(xiàn)了兩.個垂直軸的傳動。

2鎖扣機構(gòu)：在設(shè)計過程中，為了使得機器人能夠適應(yīng)各種不同的路面情況，進而可以更好、更穩(wěn)定地吸附于地面，本裝置在吸盤機構(gòu)的后箱體上設(shè)計添加了鎖扣機構(gòu)，如圖11所示為鎖扣機構(gòu)的透視圖。在行走過程中，當控制中心識別路況后發(fā)出指令利用吸盤吸附于地面之進行行走運動，本裝置設(shè)計了行星齒輪機構(gòu)，可通過電機驅(qū)動中心的太陽輪轉(zhuǎn)動從而同時帶動周邊的四個行星齒輪轉(zhuǎn)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(gòu)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(qū)動反轉(zhuǎn)，將鎖扣打開，在通過連桿的運動就可以使吸盤機構(gòu)與基體分離。鎖扣機構(gòu)如圖12所示。

（五）按摩模塊設(shè)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(yīng)性，通過支架與支座固連，曲軸由電機帶動，并實現(xiàn)傳動，從而實現(xiàn)變形按摩骨的前后運動達到按摩效果。可根據(jù)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(chǎn)生的振動可起到人體頸部按摩的效果。

（六）底部支撐模塊設(shè)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(xié)助老年人站立，保持裝置的穩(wěn)定，裝置底板設(shè)計了彈簧推桿結(jié)構(gòu)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(fā)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(wěn)定支桿支撐整體。

當裝置為輪椅形態(tài)時，底部翻轉(zhuǎn)輪支撐整體，進行前進，保持平穩(wěn)。

（七）檢測反饋模塊

系統(tǒng)主要有兩部分組成，第一部分包括前端數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tài)性能好，用于獲取實時的動作信息。但陀螺儀會產(chǎn)生偏移，而加速度傳感器和電子指南針傳感器其靜態(tài)性能比較優(yōu)越，所以可以用來對陀螺儀的動作檢測數(shù)據(jù)進行相應(yīng)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(shè)計結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，由基本的機械傳動機構(gòu)組成（例如：行星輪、曲柄滑塊等），因此在技術(shù)層面，Accompany?spider助力老年行走機器人是完全可以實現(xiàn)的。

材料方面，裝置整體框架采用質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yīng)力校核分析

1.變形多足行走模塊吸盤機構(gòu)：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(wěn)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(wǎng)格劃分、材料參數(shù)、載荷參數(shù)如表1所示，根據(jù)下表所設(shè)置的參數(shù)利用inventor軟件對該吸盤進行應(yīng)力分析，其具體結(jié)果如圖16，17所示：

分析結(jié)果顯示，吸盤所受的最大應(yīng)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(shè)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(chǎn)生應(yīng)力，整體體結(jié)構(gòu)需要有足夠的強度和剛度，必須達到所設(shè)計環(huán)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(jié)果如圖18：

分析結(jié)果顯示，手掌件最大應(yīng)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(shè)計及材料選擇在實際工作載荷下滿足工作要求。

四、整體創(chuàng)新性

（一）功能創(chuàng)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(yīng)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(wěn)性提高。

3.采用彈簧推桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(gòu)創(chuàng)新

1.輪系與吸盤行走方式組合，使車輪可實現(xiàn)0轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向，對地面適應(yīng)性強，在各種復(fù)雜路面均可順利運動。

2.可變多足式行走機構(gòu)設(shè)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(wěn)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(jié)省裝置安放的空間。

3.按摩骨按摩模塊設(shè)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(xiàn)對老年，人背部進行按摩的功能。

結(jié)語

本設(shè)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?qū)夏耆颂貏e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(qū)有較好的前景。

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