智能模块式辅助老人行走外骨骼结构设计

李冠男 王 红 曾尚鹏

(沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122)

1 工作原理和功能

智能模块式辅助老人行走外骨骼，行走部分的机械原理是以被动行走为理论基础而研究出来的。被动步行理论最早是加拿大Tad McGeer博士于20世纪80年代发表，通俗来说就是受外力而行走，目前全世界最顶尖的各大研究机构都已接受并认为被动步行理论是未来实现高效机器人的方式之一。坐姿部分原理类似中国武术中的扎马步的原理，并参考了日本的archelis(可行走的椅子)，但archelis在行走上不够便利，同时穿戴比较繁琐。本设计是通过外骨骼提供的支撑与对关节的自由度锁定形成类似坐的姿势进行休息，可实现3个基本功能：辅助行走、辅助老人长时间站立支撑、可通过关节卡死悬空站姿休息。同时在行走外骨骼上通过添加轻量化模块实现智能操作和控制等拓展功能，比如，增加防摔倒功能，定位、计步功能，提醒、求救功能等。

图1 智能模块式辅助老人行走外骨骼整体结构

2 结构设计

智能模块式辅助老人行走外骨骼结构如右图1所示，主要由腰带、月牙形护板、蓄能弹簧、长度调节机构、关节锁死机构、脚踝长度调节机构等组成。该外骨骼通过腰带固定于人体下肢，月牙形护板能保证与腿部紧密贴合，并通过大腿与腰部的屈伸运动来对气缸弹簧拉伸来实现通过重力势能与大腿肌肉的伸直进行积蓄势能，通过气动弹簧的势能释放来带动辅助老人抬腿的方式来辅助老人行走，再通过可滑动式的关节锁紧罩来对关节进行锁紧实现关节间的互相锁死来实现关节无法弯曲来帮助老人支撑及辅助悬空站姿休息。

关节采用了连杆式的轴转动，外骨骼采用卡扣式可伸缩钢管来调节适应老人身形。通过U形托来贴合老人腿部提高舒适性和腿部的贴合性。膝盖活动关节如图2所示，通过螺钉的方式进行连接及限制上下2部分在X、Z方向的运动，上半部分采用半圆式的连接板来保证关节在Y轴转动的灵活性及自由度下半部分的U形连接槽来限制关节与上半部分在Y轴的移动Z、X轴的转动。脚踝活动关节和长度调节装置如图3所示，关节部分与膝盖活动关节相同长度调节装置采用相同结构长度调节装置采用螺钉连接采用螺钉导向式活动控制长度螺钉夹紧。关节锁死固定装置如图4所示，通过滑动罩住关节来锁定关节自由度。大腿长度调节装置如图5所示，通过骨骼内置V形卡簧卡紧骨骼上圆孔来调节骨骼长度。

图2 膝盖活动关节

图3 脚踝活动关节和长度调节装置

图4 关节锁死固定装置

图5 大腿长度调节装置

3 智能模块拓展功能

通过改变材料减轻结构使其方便穿戴以及减少老人行动的负担。同时可在腰部护板处安装电子检测设备来检测老人的运动形态进行记录及是否产生异常行动姿势来推测老人当时是否有跌倒风险并实施轻量化气囊弹出装置避免老人在跌倒中受伤，同时数据与报警模块相连及时报警。还可在贴近老人皮肤的部位安装定时体型振动模块来实现按时吃药提醒，在腿部安装运动检测及数据收集模块来采集老人日常活动数据，在腰部卡扣位置安装一键报警等模块式智能控制、互联网一键报警等功能。同时这些模块可以选择性安装，当模块过多且安装了腿部的运动检测模块时可以通过将储能弹簧部分改为电机驱动来增加驱动性，调试通过时来记忆老人的行走及运动习惯来驱动电机辅助老人行走来减轻因增加模块对老人产生的负担。