智能模塊式輔助老人行走外骨骼結構設計

李冠男 王 紅 曾尚鵬

(沈陽工學院，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，行走部分的機械原理是以被動行走為理論基礎而研究出來的。被動步行理論最早是加拿大Tad McGeer博士于20世紀80年代發表，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構都已接受并認為被動步行理論是未來實現高效機器人的方式之一。坐姿部分原理類似中國武術中的扎馬步的原理，并參考了日本的archelis(可行走的椅子)，但archelis在行走上不夠便利，同時穿戴比較繁瑣。本設計是通過外骨骼提供的支撐與對關節的自由度鎖定形成類似坐的姿勢進行休息，可實現3個基本功能：輔助行走、輔助老人長時間站立支撐、可通過關節卡死懸空站姿休息。同時在行走外骨骼上通過添加輕量化模塊實現智能操作和控制等拓展功能，比如，增加防摔倒功能，定位、計步功能，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構

2 結構設計

智能模塊式輔助老人行走外骨骼結構如右圖1所示，主要由腰帶、月牙形護板、蓄能彈簧、長度調節機構、關節鎖死機構、腳踝長度調節機構等組成。該外骨骼通過腰帶固定于人體下肢，月牙形護板能保證與腿部緊密貼合，并通過大腿與腰部的屈伸運動來對氣缸彈簧拉伸來實現通過重力勢能與大腿肌肉的伸直進行積蓄勢能，通過氣動彈簧的勢能釋放來帶動輔助老人抬腿的方式來輔助老人行走，再通過可滑動式的關節鎖緊罩來對關節進行鎖緊實現關節間的互相鎖死來實現關節無法彎曲來幫助老人支撐及輔助懸空站姿休息。

關節采用了連桿式的軸轉動，外骨骼采用卡扣式可伸縮鋼管來調節適應老人身形。通過U形托來貼合老人腿部提高舒適性和腿部的貼合性。膝蓋活動關節如圖2所示，通過螺釘的方式進行連接及限制上下2部分在X、Z方向的運動，上半部分采用半圓式的連接板來保證關節在Y軸轉動的靈活性及自由度下半部分的U形連接槽來限制關節與上半部分在Y軸的移動Z、X軸的轉動。腳踝活動關節和長度調節裝置如圖3所示，關節部分與膝蓋活動關節相同長度調節裝置采用相同結構長度調節裝置采用螺釘連接采用螺釘導向式活動控制長度螺釘夾緊。關節鎖死固定裝置如圖4所示，通過滑動罩住關節來鎖定關節自由度。大腿長度調節裝置如圖5所示，通過骨骼內置V形卡簧卡緊骨骼上圓孔來調節骨骼長度。

圖2 膝蓋活動關節

圖3 腳踝活動關節和長度調節裝置

圖4 關節鎖死固定裝置

圖5 大腿長度調節裝置

3 智能模塊拓展功能

通過改變材料減輕結構使其方便穿戴以及減少老人行動的負擔。同時可在腰部護板處安裝電子檢測設備來檢測老人的運動形態進行記錄及是否產生異常行動姿勢來推測老人當時是否有跌倒風險并實施輕量化氣囊彈出裝置避免老人在跌倒中受傷，同時數據與報警模塊相連及時報警。還可在貼近老人皮膚的部位安裝定時體型振動模塊來實現按時吃藥提醒，在腿部安裝運動檢測及數據收集模塊來采集老人日常活動數據，在腰部卡扣位置安裝一鍵報警等模塊式智能控制、互聯網一鍵報警等功能。同時這些模塊可以選擇性安裝，當模塊過多且安裝了腿部的運動檢測模塊時可以通過將儲能彈簧部分改為電機驅動來增加驅動性，調試通過時來記憶老人的行走及運動習慣來驅動電機輔助老人行走來減輕因增加模塊對老人產生的負擔。