物聯網服務模式下智能養老器械的開發*

沈斯佳，武 菁，姚世京，白東升，李昊文，劉家銘，鄧 飛

（1.河北科技大學，河北 石家莊 050018；2.河北奇諾信息技術有限公司，河北 石家莊 050018）

隨著醫療技術快速發展及健康養生日趨受到重視，雖然人類的平均壽命穩步增加，但是社會人口老齡化問題愈加突出，據國家人口部門統計，截至2019年，我國60歲以上人口數量達2．49億人，占總人口的17．9%，且老年人口比例呈不斷上升趨勢。老年人生理逐漸衰老，意外風險多發，經常需要臨時看護或長期照顧，人力、物力支出巨大[1]。據我國社會養老機構統計，隨著身體衰老，老年人的生活質量持續降低，2019年我國65歲以上老年人的服務需求滿足率僅為16%。而我國執行獨生子女政策40多年，已經開始面臨一對夫妻要承擔4個老年人的養老義務，家庭養老問題已成為一個亟待解決的社會問題[2]。

1 國內外助老器械研究現狀

老齡化問題的日趨嚴重促使各國政府大力開展“科技創新助力解決社會養老”的專項課題，其中重點方向之一是開發適用于家庭的智能助老、養老器械產品，使老年人在器械的助力下能夠進行一定的日常活動，減少對全職陪護的依賴。如歐美國家早在20世紀70年代就開始研究身體康復機器人，其中Heidelberg和Spartacus主動操作手項目被認為是康復型器械的研究起源，英國研制的Handy 1機器人能夠輔助患有腦癱的男孩自主就餐，美國斯坦福大學開發的MOVAR機器人在一定程度上實現了未知空間環境的工作和服務，通過多種信號的感知組合及一體控制，獲得機械手模擬仿真人手的觸覺和施力過程，并保證工作過程的安全可靠[3]。近年來日本、韓國等亞洲發達國家在助老康復器械方面的研究也發展迅速，如SONY公司智能服務機器人項目在家庭教育、休閑娛樂等行業應用中取得了較大成功，豐田、本田、三星、現代等公司致力于開發特定功能的服務機器人。

我國在服務保健器械領域起步較晚但發展迅速，近年來服務機器人產業已初具規模，主要有安保機器人、輪椅機器人、穿戴機器人等。21世紀以來，智能服務機器人相繼被列入了國家863計劃“先進制造與自動化技術領域”重點項目和《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》。隨著人口老齡化的日趨嚴重，在未來10年內，智能助老類服務器械在我國的需求將持續增長，尤其是家用型產品將成為快速增長點[4]。目前市場上的生活服務器械往往基于特定工作環境開發，尚未有面向家庭養老、助老等特定功能的專項開發，也沒有充分利用物聯網信息科技成果來實現服務過程的智能化，不能滿足居家養老所需的生活護理輔助和身體康復保健等功能。

2 助老器械功能開發的發展方向

通過廣泛的社會調研和論證，未來助老器械發展的3個主要方向包括：一是家庭化。隨著國民健康意識的增強、消費能力的提升和人工服務成本的增加，適合老年人居家生活的養老器械產品趨向于體積小型化、操作簡便、適于老年人室內自主使用。二是物聯化。助老器械要有廣泛物聯功能，能夠實時監測環境和用戶身體狀態，突發意外時能夠應急調動和通信預警。三是智能化。實施養老器械的智能制造工程，支持人工智能、虛擬顯示等新技術，通過人機交互控制方式，給予感官模擬和視覺反饋。以上創新功能能夠有效改善傳統助老器械功能單一、無法真正融入老年人日常生活的短板。

3 智能助老器械的開發

3.1 功能定位

智能助老器械的開發基于居家生活老年人的生活環境和特征狀態，定位于生活護理輔助和身體康復保健兩種功能方向，主要功能模塊包括：老年人站立、上下床、如廁、洗浴等基本生活輔助；集成開發智能藥盒，具備藥物分類儲存、自動吃藥提醒、藥量提醒功能；實時監控老年人的生活狀態、身體基本健康參數及應急信號發送。助老器械智能化程度高，工作穩定，能大幅減輕家庭照顧負擔，改善老年人的生活品質，提高他們的生活質量。

3.2 助老生活機器人的開發

3.2.1 開發目的

調研發現，65歲以上老年人群體約80%具備基本生活自理能力，他們由于部分器官老化，只是做某些特定的動作時力不從心，如日常起坐、如廁、洗浴等用力活動，在沒有外力支撐的情況下，如果動作過大過急，就非常容易摔倒或引起心臟病、腦溢血等突發疾病。因此，開發助老生活機器人，首先是幫助老年人在進行施力動作時給予穩定的被動支撐或外力主動輔助；其次，行動不便的老年人居家生活時需要活動或散步鍛煉，機器人能夠主動跟隨協助或支撐保護，將是得力的智能養老工具。目前助老生活機器人開發的最大難點是：機器人在施加較大的助力時，如何保持自身牢固穩定和運動平衡。

3.2.2 方案設計

助老生活機器人的智能化控制采用比較成熟的微型傳感技術、信號處理技術、人工智能和現代控制技術進行綜合集成，實現過程相對比較容易。機器人的助力輔助功能通過機械結構的設計實現：一是主動助力功能，充分考慮老年人身體弱、易疲勞的特點，為老年人提供穩定的強助力，輔助老年人站坐、起臥，核心創新在于機器人進行助力時能夠保證自身的穩定性；二是輔助行走功能，伴隨老年人室內散步鍛煉，提供身體穩定性支撐；三是依托物聯網技術開發遠程監測功能，具有視覺、語音、紅外追蹤、信號通信功能，實時監控老年人的生活狀態和基本健康參數，并能夠發送應急信號。

主要結構（見圖1）包括：一是底盤穩定模塊。助老機器人定位于家庭使用，居家室內地面普遍光滑，因此在運動底盤上集成開發真空吸盤組輔助穩定模塊，多個吸盤根據承受拉力和壓力進行分組，實現多位置定位布局。在機器人受力或助力時，通過對吸盤組的升降控制和對地面的真空吸附實現對機器人的穩定性固定，同時設計3個車輪的分布式萬向驅動模式，實現底盤各方向受控運動和最小轉彎半徑的靈活轉向機動，快速跟隨老年人室內活動。二是助力輔助模塊。設計了并聯絲杠控制的升降臂結構，通過帶動升降臂上升或下降，老年人的手部或胳膊在升降臂的拉動下實現對起、坐的助力輔助，該功能適用于老年人具備自主握持能力，機器人起到輔助助力效果，緩解老年人施力的突然性。并聯絲杠能夠增加升降臂的穩定性，升降臂的壓力分配到兩個絲杠上，進而分配到機器人底盤的吸盤組和萬向輪上，保持機器人主體的穩定性。三是物聯網通信模塊。在機器人頂部集成攝像云臺能夠攝錄外部環境狀態，并將信號通過無線通信模塊定向傳輸給接收端；聲音傳感器采集用戶的聲音指令，并將其傳輸給控制器，控制器將控制指令發送給相應受控模塊，實現機器人的聲控操作。同時在機器人上集成心率、血壓、體溫等身體基本健康參數監測模塊，可對異常監測數據自動報警并遠程發送到監護人的手機上。

圖1 助老生活機器人結構透視圖

3.3 康復扶椅的開發

3.3.1 開發目的

調研發現，65歲老年人中近10%行走較困難，手部難以大力度握持，自主移動空間非常狹小。目前傳統的輪椅僅具有代步功能，久坐舒適性不好，也沒有對乘坐人進行主動康復保健的功能。因此開發一種助老康復扶椅，適用于站立不穩、起坐困難的老年人、殘疾人等康復人群。

3.3.2 方案設計

康復扶椅整體結構見圖2，除了具備傳統電動輪椅的受控運動功能外，還創新開發了輔助老年人起坐的功能，由電推裝置和升降連桿機構組合設計實現座椅在垂直高度和側傾角度的一體控制，起到輔助老年人站立、坐下和側撐作用。底盤上設計了四足多連桿穩定機構，當老年人需要扶椅提供較大力度的橫向助力和扭轉助力時，連桿穩定機構牢牢吸附在地面上，保證扶椅整體具有足夠的穩定性。同時開發了康復保健功能，如智能藥盒能夠定時提醒老年人服藥，自適應恒溫水杯座能夠保持適當的水溫，可翻折扶手能夠在老年人如廁時提供助力支撐，折疊升降桿能夠在扶椅運動狀態下提供穩定掛物功能等。扶椅集成遠程監控、通信功能，實現人體生命體征信息的監控和遠程傳送功能。物聯網服務管理體現在扶椅的功能和家庭智能硬件的一體化連通，老年人在扶椅上實現了對各種智能硬件的遠程操控和使用。

圖2 康復扶椅結構透視圖

4 應用前景分析

截至2019年底，我國60歲以上的老年人中失能、半失能人口已達到4 000萬人，均需專人照顧，耗費巨大的人力與財力。此外，我國殘疾人占總人口比重位居世界前列，殘疾人的護理和康復也是社會的重要負擔之一，因此智能養老器械市場空間巨大。本團隊研發的助老器械定位于家庭應用，充分保證養老助老過程的實用性和穩定性，操作和服務過程的智能化，并預期以家用電器的銷售模式進行市場推廣，輔以工業化產品的維護維修管理和回收機制，應用前景廣闊。