家庭智能助老站立裝置

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著中國人口的老齡化程度的加深，中國老年人占比的增長速度已高于世界平均水平。老年人下肢肌肉力量衰退，導致膝關節力矩不足易摔倒，進而引發其他疾病。

現如今，許多幫助老年人站立的裝置都存在不足，例如拐杖功能單一且存在著打滑、易失去平衡的風險。而市場中存在的專門輔助老人起立的機械裝置，大都適應力較弱、操作不便、人性化設計缺失，使用情景受到較多限制，難以達到理想的使用效果。

因此，針對這些現象及問題，設計了一款家庭智能助老站立裝置，彌補了目前市場上助老輔具在智能性、適應性和便捷性方面的不足，從而為獨居老人提供更加舒適、安全的服務。

1 設計方案

本作品的主要功能是在家庭內部輔助老人在多個場景之下完成站立的過程，絲桿和電動推桿可以協同配合來實現對站立過程中老人重心的位移曲線的擬合，且通過控制絲桿電機的速度以及2 個推桿的速度比可以實現對多種曲線的擬合，從而適應不同體型的老人以及不同的起身高度。

智能控制方面，通過傳感器感知人力輸入的大小來調控電動推桿驅動速度的大小，以此實現人對該裝置的“智能化控制”。

根據以上設計目標，通過機構的精簡合并，簡化操作流程，最終多場景助老站立裝置的操作過程可以分為以下步驟：老人發出信號后裝置接收到信號→裝置自動移動到老人身前→裝置調整到老人適合的高度→老人穿上裝置的背帶→老人手握扶手控制裝置，在裝置輔助下完成站立動作。

裝置整體模型如圖1 所示。

2 裝置模塊設計

2.1 輔助站立模塊

本裝置輔助站立模塊的主要功能是通過絲桿與電動推桿的協同配合最終使背帶的運動軌跡擬合出人體站立過程中的運動軌跡，從而在老人腰背部為老人在站立過程中提供輔助支撐力，工作過程中參與的機構主要為多桿機構。

由于不同老人的體型參數不同，影響老人站立過程中重心的移動曲線的主要是老人的大腿長度以及站立狀態下髖關節到地面的距離。為了使得裝置更具有舒適性以及滿足對老人特殊運動軌跡的需求，該裝置可以通過調節絲桿電機和電動推桿的速度比來實現不同坡度的運動軌跡，通過參考人體數據做出了老人站立過程中身體重心的運動域，并使得裝置可以滿足2 個邊界條件，因此，使得裝置更加具有自適應的能力。

2.2 高度調節模塊

將裝置調節到高度調節的模式，控制器調整到設定好的絲桿滑塊和電動推桿的運動速度比，從而使得裝置整體在豎直方向可以實現一定范圍內的高度調節，從而適應家庭內部多種場景的高度，使得老人在完成站立的過程中更加自然、舒適。

2.3 全向移動模塊

全向移動模塊由麥克納姆輪底盤所組成。麥克納姆輪由4 個直流電機驅動，同時采用L298N 驅動芯片進行控制，其為雙H 橋電機驅動，可以控制電機的正反轉并利用單片機輸出PWM 波調速。全向移動模塊能使裝置在空間狹小的家庭環境中靈活移動，保證裝置擁有良好的通過性，老人通過語音控制裝置移動，合理規劃移動路徑，可花費較短的時間到達老人面前。

3 智能控制系統設計

為了使裝置使用更加方便、智能，裝置附帶有智能控制模塊。經過對裝置的機電設備和控制系統的可靠性設計，裝置在具有較高靈敏度的同時，發生意外事故時也能及時自鎖停止工作。裝置的電控部分采用Arduino 作為主控板，對各電控硬件進行精確控制，主要分為輔助站立部分、移動控制部分以及載物部分。

輔助站立控制部分要對背帶高度進行調節，高度調節采用語音控制，使用LD3320 語音識別模塊識別使用者的指令內容，老人通過“高、低”等指令調節步進電動推桿的移動速度及行程，進而控制背帶到達使用者所希望的高度，以適應使用者所處的不同高度。為了使裝置高度調節過程精準、平穩，使用57 mm 兩相式步進電機帶動絲桿轉動使滑塊移動，使輔助站立機構上下移動，其最大輸出力矩為2.3 N·m。

為了保證裝置運動的穩定性，使用TB6600 驅動器實現步進電動推桿的正反轉和速度的調節，通過撥碼開關選擇步進電動推桿的細分和電流控制，可達到電機振動、噪聲小的驅動效果，其硬件電路如圖2 所示。

4 結語

該裝置提升了目前中國市場助老產品的智能性和適應性，語音調控以及記憶功能使得該裝置更加適用于獨居老人在家使用，該裝置在未來可以開發出眾多附加功能，比如輔助摔倒老人站立、輔助老人行走、輔助搬運物品等，因此具有較為廣闊的應用前景。

圖2 TB6600 驅動器硬件電路圖