基于電控伺服的特殊人群助力器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳延輝 馮鴻基 王君海 王琦絢 潘明哲

摘 要：目前老齡人和腿部肌肉組織受損等特殊人群起身站立困難是一大難題。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上能夠有效幫助特殊人群和老年人站立的產(chǎn)品很少。針對(duì)此問題，筆者研究了老人和特殊人群起立困難的原因，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這一問題的根源是其腿部肌肉壞死或力量不足從而造成的力矩不足。基于相關(guān)研究結(jié)果，本研究設(shè)計(jì)了一款基于電控伺服系統(tǒng)的助力器，其擁有符合人體工程學(xué)、柔順升降、伺服制動(dòng)、智慧互聯(lián)等特點(diǎn)，可以滿足老年人和特殊人群的需求。

關(guān)鍵詞：助力器;特殊人群;電控;伺服制動(dòng)

中圖分類號(hào)：TH789 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）10-0042-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.009

Innovative Design of Special Crowd Booster Based on Electric Servo

CHEN Yanhui? ? FENG Hongji? ? WANG Junhai? ? WANG Qixuan? ? PAN Mingzhe

（Xi'an Petroleum University，Xi'an 710000，China）

Abstract：The elderly and the leg muscle tissue damage and other special groups of standing difficulties is a major problem at present.Through investigation and research，there are few products on the market that can effectively help special groups and the elderly to stand.In view of this problem，we studied the reasons for the difficulty of standing up in the elderly and special groups，finding that the cause is lack of torque due to leg muscle necrosis or lack of strength.Based on the research results，an innovative booster based on electronic servo system is designed which has the characteristics of ergonomics，flexible lifting，servo braking，intelligent interconnection，etc.，and can meet the needs of the elderly and special groups.

Keywords：booster;special groups;electronic control;servo brake

0 引言

我國(guó)第七次人口普查公報(bào)和中國(guó)殘聯(lián)最新統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)各類殘疾人總數(shù)已達(dá)8 500萬，約占中國(guó)總?cè)丝诘?.21%，預(yù)計(jì)將涉及全國(guó)2億多的家庭人口。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國(guó)老齡化人數(shù)占比為18.7%，預(yù)計(jì)十年內(nèi)，中國(guó)老齡化人數(shù)占比將提升至30%，再加之中國(guó)的人口基數(shù)大，到2030年，中國(guó)老齡化人數(shù)約有3.68億人。老年人有時(shí)會(huì)面臨坐下后無法獨(dú)立起身的問題，此時(shí)助力器應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。

1 現(xiàn)有助力器市場(chǎng)調(diào)研分析

目前，一些老齡化嚴(yán)重的國(guó)家在助力器市場(chǎng)方面雖然容量巨大，但已有產(chǎn)品類型較為單一，多為傳統(tǒng)助力器，少有符合人體構(gòu)造的自動(dòng)化助力器。通過調(diào)查來分析市面上已有助力器產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與不足之處。

1.1 魚躍助力器

該品牌的產(chǎn)品多為患者移動(dòng)輔助型拐杖。主要產(chǎn)品為四腳老人助力器，其由高強(qiáng)度鋁合金和PP材料組裝而成，具有高度九擋調(diào)節(jié)等功能。作為可折疊拐杖，該產(chǎn)品具有輕便、耐用等優(yōu)點(diǎn)，但安全保障性能不高，在老年人或殘疾人使用其站立起身時(shí)，有向后仰倒的可能，且其設(shè)計(jì)較為傳統(tǒng)，不能貼合老人起身的每一步動(dòng)作。

1.2 互邦助力器

該品牌的產(chǎn)品可以折疊，手柄前端有照明燈，下邊有小手柄，可以自動(dòng)收回，使用時(shí)按下，從而與拐杖形成90°的夾角，但還欠缺與下身膝蓋密切貼合的起身設(shè)置。

1.3 交叉式助力器

交叉式助力器是由加厚不銹鋼材料制成（見圖1），座椅的高度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，且?guī)в锌刹鹦兜谋闩瑁麄€(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)較為傳統(tǒng)，無自動(dòng)化起身功能。

2 特殊人群關(guān)節(jié)力矩試驗(yàn)

通過對(duì)老年人和青年人站立運(yùn)動(dòng)的調(diào)查和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，人體站立過程因人而異，但大致可分為三個(gè)階段（見圖2）。第一階段為準(zhǔn)備階段[2]，臀部與腳部同時(shí)發(fā)力，身體前傾，雙腳后抓，產(chǎn)生向前的動(dòng)力，同時(shí)保證人體重心不變;第二階段為上升階段，臀部離開座位，腿部發(fā)力支撐身體向上運(yùn)動(dòng)達(dá)到最高點(diǎn)，此時(shí)重心垂直移動(dòng);第三階段為制動(dòng)階段，身體完全依賴慣性作用達(dá)到最高點(diǎn)，腿部再次發(fā)力，防止身體前傾[3]。

根據(jù)此模型在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的活動(dòng)情況，得到不同年齡的群體各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，相對(duì)于中年人，老年人關(guān)節(jié)力矩小，關(guān)節(jié)位移量大，要完成起立動(dòng)作比較困難，且在站立過程中不夠平穩(wěn)，身體難以直立。導(dǎo)致其在站立過程中易產(chǎn)生較大的安全隱患和不良后果。針對(duì)使用者力矩不足的問題，本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品通過對(duì)手臂受力點(diǎn)的力矩輸出，進(jìn)而代替膝關(guān)節(jié)受力，輔助站立裝置提供給使用者水平向前和豎直向上的助力、臀部?jī)A斜助力，以及給背部、臀部提供支撐力，幫助使用者站立，減輕其關(guān)節(jié)負(fù)重[4-5]。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，所有問題的根源在于腿部肌肉壞死或力量不足從而造成力矩不足，所以助力器要從根源下手，通過增加使用者起立時(shí)的著力點(diǎn)來增大力的作用長(zhǎng)度，從而增大力矩，使得使用者能更平穩(wěn)安全地站起。

3 針對(duì)特殊人群擬解決的問題

面對(duì)人口老齡化現(xiàn)狀，筆者針對(duì)老年人與行動(dòng)能力受損人員設(shè)計(jì)出一款新型拐杖，適用于本產(chǎn)品的主要人群在站立過程中面臨著以下3個(gè)問題。

3.1 外部環(huán)境因素影響

由于使用者所處的環(huán)境不同，如外界桌椅的高度決定了使用者在站立時(shí)的難易程度，使用相對(duì)較高的座椅時(shí)還會(huì)增加腿部肌肉群的負(fù)擔(dān)。

3.2 使用者自身主觀因素影響

由于使用者多為老年人或失去部分行動(dòng)能力的殘疾人，其肌肉量和力量不足會(huì)導(dǎo)致起身時(shí)的平衡性低，無法站起。

3.3 其他因素影響

包括社會(huì)安全影響因素在內(nèi)的各類影響，如某些場(chǎng)所未設(shè)置無障礙通道等。

4 助力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

很多老年人及特殊人群坐下后，很難依靠自身力量起身。在使用本研究設(shè)計(jì)的助力器（見圖5）時(shí)，拉開拐杖下方的支撐腿17，將拐杖放于兩腿之間的地面上，打開控制開關(guān)13，電動(dòng)伸縮桿2伸出，連桿機(jī)構(gòu)7聯(lián)動(dòng)，承托支座12呈水平位置，老年人和特殊人群的手撐或兩肘前臂（腋下）置于承托支座12上，承托支座上的壓力傳感器在受到壓力后，會(huì)將信號(hào)傳遞至控制模塊，控制模塊控制液壓伸縮桿10啟動(dòng)上升，在老年人起身后，身體從承托支座12離開，控制模塊接收壓力傳感器16傳來的信號(hào)后，控制液壓伸縮桿10下降，此時(shí)老年人按下復(fù)位按鈕15，電動(dòng)伸縮桿2縮回。如不再使用，可收起支撐腿17，豎立于一旁[6-7]。

5 助力器特點(diǎn)分析

本研究設(shè)計(jì)的助力器是基于人體工程力學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，適用人群主要有老年人、因腿部肌肉組織損壞而站立困難的殘疾人、由于意外事故而行動(dòng)不便正在康復(fù)中的患者。基于助力器柔順升降、伺服制動(dòng)、智慧物聯(lián)等特點(diǎn)，其具有很好的人群普適性。

5.1 柔順升降

柔順驅(qū)動(dòng)在助立、助老器械和康復(fù)器械上的應(yīng)用越來越廣泛，主要用于上下肢康復(fù)起身時(shí)適應(yīng)患者的阻抗變化，在外骨骼中可保證穿戴者的安全，在假肢中可提高仿生性。

柔順驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化圖如圖6所示。助力器的電動(dòng)液壓伸縮桿慢慢回彈，腋下傳感器實(shí)時(shí)傳輸壓力數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制伸縮加速度，避免因助力過低導(dǎo)致老年人起不了身或助力過大使老年人身體前傾摔倒，整個(gè)過程符合老年人起身各個(gè)階段的特征，柔順自然。電動(dòng)液壓桿運(yùn)行過程實(shí)質(zhì)上是壓縮氣體進(jìn)入流道使軟體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的過程。隨著氣壓的增大，氣道往往向最易變形的區(qū)域進(jìn)行形變擴(kuò)張。氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器由兩部分組成，即柔性體部分和硬質(zhì)外殼。柔性體結(jié)構(gòu)由含有氣道的中空?qǐng)A柱和實(shí)心圓柱硅膠頭組成。當(dāng)氣室內(nèi)輸入壓縮空氣后，由于硬質(zhì)外殼的約束，發(fā)生徑向和軸向膨脹，故最終的輸出位移為軸向運(yùn)動(dòng)[8]。

5.2 伺服制動(dòng)

伺服制動(dòng)系統(tǒng)以人力和發(fā)電機(jī)動(dòng)力為制動(dòng)能源，是在人力液壓制動(dòng)的基礎(chǔ)上加設(shè)的動(dòng)力伺服系統(tǒng)（見圖7）。伺服系統(tǒng)按輸出力作用部位和控制裝置操縱方式不同，可分為助力式和增壓式[9-11]。

助力器動(dòng)力源為電動(dòng)助力，電動(dòng)助力的基本結(jié)構(gòu)為小型電動(dòng)機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為機(jī)械傳動(dòng)，該機(jī)構(gòu)把電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為主缸活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，將設(shè)計(jì)好的控制算法應(yīng)用到伺服制動(dòng)系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)量，實(shí)時(shí)調(diào)控電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到控制機(jī)械部件按預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的目的。檢測(cè)元件在檢測(cè)到機(jī)械傳動(dòng)部件的移動(dòng)速度后，將相關(guān)信息反饋到PLC進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)柔順升降。如果發(fā)生故障急停，動(dòng)力伺服系統(tǒng)將會(huì)失效，可由人力驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的制動(dòng)力，以此來排除故障。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器在發(fā)生故障失去電力供應(yīng)時(shí)，能通過能耗制動(dòng)縮短伺服電機(jī)的機(jī)械進(jìn)給距離，使上升或下降運(yùn)動(dòng)停止。若伺服器處于正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)可進(jìn)行再生制動(dòng)，將伺服電機(jī)減速時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)能量通過伺服驅(qū)動(dòng)器的逆變回路進(jìn)行反饋制動(dòng)。

5.3 智慧物聯(lián)

現(xiàn)如今互聯(lián)網(wǎng)非常發(fā)達(dá)，很多技術(shù)的更新迭代都離不開電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，要想順應(yīng)時(shí)代潮流的發(fā)展，必須把電子產(chǎn)品和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，從而做出一款有特色的產(chǎn)品。智慧物聯(lián)是將產(chǎn)品的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步到網(wǎng)絡(luò)的重要手段（見圖8）。首先基于App實(shí)現(xiàn)本研究設(shè)計(jì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息同步功能，包括無線通信和緊急響應(yīng)。無線通信有兩個(gè)功能部分：收音機(jī)和呼叫器。收音機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且有電池進(jìn)行持續(xù)供電，滿足老年人或殘障人士閑暇之余的娛樂需求。呼叫器的作用相當(dāng)于簡(jiǎn)易的電話。當(dāng)老人身體不適或遇到其他突發(fā)情況時(shí)，按下緊急按鈕，報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)，助力拐杖自動(dòng)合攏，防止老人摔倒，避免造成二次傷害。看護(hù)人會(huì)及時(shí)收到App發(fā)來的提醒求救信息，根據(jù)GPS定位及時(shí)找到老年人所在位置。助力拐杖上的燈可為老年人和特殊人群在夜晚進(jìn)行照明[12-13]。

6 起坐助力器的應(yīng)用場(chǎng)景分析

中國(guó)人口老齡化的進(jìn)程日益加快，目前我國(guó)60歲及以上人口已有2.6億，并有著指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。基于我國(guó)老年人及殘障人士站立困難且難以尋求幫助的情況，助力器可以很大程度地幫助他們。現(xiàn)對(duì)老年人以及腿部肌肉組織受損等特殊人群的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行分析。

6.1 床邊起身

6.1.1 場(chǎng)景分析。當(dāng)人們?cè)诖策吰鹕頃r(shí)，需要由大腿的股四頭肌以及前臂等主要肌肉進(jìn)行支撐，同時(shí)身體也要適當(dāng)前傾，從而減少所使用的力量。但正因?yàn)樘厥馊巳旱募∪饬α繐p失，因此他們更需要身體大幅度前傾來起身，如此發(fā)生意外的可能性便會(huì)隨之增加了。

6.1.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用。基于起坐助力器的設(shè)計(jì)，助力器傳遞的力矩帶動(dòng)老年人起身，助力器底部三角形穩(wěn)定設(shè)計(jì)可以有效幫助老年人穩(wěn)定地站立，而“柔順升降”把危險(xiǎn)降到了最低，實(shí)時(shí)反饋機(jī)制也可以及時(shí)給予特殊人群起身時(shí)合適的力量大小，幫助老年人和特殊人群安全、有效地起身。

6.2 座椅起身

6.2.1 場(chǎng)景分析。由于市場(chǎng)上座椅的凳面較為平滑，出于對(duì)安全性和舒適性的考慮，凳面不會(huì)設(shè)計(jì)為傾斜面。因此，特殊人群在座椅上起身時(shí)，也遇到了與床邊起身同樣的困難。基于老年人與年輕人起身時(shí)髖關(guān)節(jié)角度變化的研究結(jié)果，部分老年人在站立起身時(shí)，其身體前傾的角度較大，以此來彌補(bǔ)老年人因肌肉力量降低等原因而造成的力量不足。在身體和心理的雙重作用下，老年人在站立過程中大腿肌肉沒有完全伸展，如何幫助老年人穩(wěn)定又正確地起身成為設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)。

6.2.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用。當(dāng)老年人等特殊人群坐在座椅上時(shí)，助力器可以為他們提供合適的受力點(diǎn)和受力高度，提供更大的受力面，以此來彌補(bǔ)膝關(guān)節(jié)的力量不足。如果座椅較低，起身時(shí)所需要的動(dòng)量需求過大，通過“柔順升降”和傳感器等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人起身力矩不足的智能補(bǔ)償[14-15]。

7 結(jié)語(yǔ)

本研究為了解決老年人和腿部肌肉組織受損等特殊人群起身站立困難的問題，研究老年人和特殊人群起立困難的原因，基于研究結(jié)果創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款基于電控伺服系統(tǒng)、智慧互聯(lián)的助力器。在老年人和特殊人群坐下后無法獨(dú)立起身時(shí)，能夠幫助其有效地站立。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張震，王雨晴.人口結(jié)構(gòu)老化對(duì)技術(shù)進(jìn)步的影響研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019（17）：76-78.

[2] 原新，高瑗.改革開放以來的中國(guó)經(jīng)濟(jì)奇跡與人口紅利[J].人口研究，2018（6）：3-14.

[3] 檀星宇，趙寅，黃楠，等.淺析老年人肌無力癥狀的助力器設(shè)計(jì)要素[J].戲劇之家，2018（24）：139-140.

[4] 王志強(qiáng)，姜洪源，KAMNIK R.康復(fù)機(jī)器人輔助站立人體質(zhì)心動(dòng)量測(cè)試及模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015（3）：844-850.

[5] RUSZALA S，MUSA I.An evaluation of equipment to assist patient sit-to-stand activities in physiotherapy[J]. Physiotherapy，2004（1）：35-41.

[6] 張偉康.輔助站立輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制技術(shù)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2018.

[7] 羅琳琳，龔霞輝.智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備及服裝的特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（3）：40-45.

[8] 宋吉來，曲道奎，徐方，等.機(jī)器人無力傳感器主動(dòng)柔順控制研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2020（8）：159-166.

[9] 劉逸飛，孟詩(shī)惠，呂培華，等.一種多功能智能拐杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2022（6）：69-71.

[10] LIAN Y F，TIAN Y T，HU L L，et al.A new braking force distribution strategy for electric vehicle based on regenerative braking strength continuity[J].Journal of Central So-uth University，2013（12）：3481-3489.

[11] 王春華.轉(zhuǎn)塔伺服系統(tǒng)智能復(fù)合控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（2）：12-14.

[12] CHUGO D ，YAMADA T，MURAMATSU S，et al.A standing assistance based on a load estimation considering with a muscle arrangements at the human leg[C]//2014 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics：1517-1522，2014.

[13] SCHENKMAN M，BERGER R A，RILEY P O，et al.Whole-Body Movements During Rising to Standing from Sitting[J].Physical Therapy，1990（10）：638-648.

[14] 周杰，朱思潮，張衛(wèi)忠，等.助扶式智能助老拐杖設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（5）：177-178.

[15] 倪東旭，魯傳航，宋勝偉，等.基于老年人群體需求的助老拐杖設(shè)計(jì)[J].河南科技，2021（6）：66-68.