陸英男 劉博 沈慶杰

摘 ?要：智能助行車主要為身體虛弱或下肢功能不健全的老年人群實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主行走而設(shè)計(jì)，它能幫助此類人群解決行走距離短、平衡能力差、容易跌倒等問題，能根據(jù)不同的使用環(huán)境為使用者提供可調(diào)可變的持續(xù)的助力、阻力及安全保護(hù)，讓使用者能夠更加安全地?cái)U(kuò)大活動(dòng)范圍，改善身心健康狀況，提高生活質(zhì)量。產(chǎn)品定位為一款人機(jī)互動(dòng)的智能設(shè)備，人作為操作設(shè)備的輸入信號(hào)源，同時(shí)也是助行車的控制對(duì)象，人對(duì)智能助行車的作用力一方面作為控制其運(yùn)動(dòng)的信號(hào)輸入，另一方面智能助行車的運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)人產(chǎn)生作用力，輔助使用者行走。

關(guān)鍵詞：智能助行車;力傳感器;交互控制

中圖分類號(hào)：TP24 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0031-02

Abstract： The intelligent rollator is mainly designed for the elderly who are weak or with imperfect lower limb functions to walk independently. It can help such people solve the problems of short walking distance， poor balance， easy to fall， etc.， and can provide users with adjustable and variable continuous assistance， resistance and safety protection according to different use environments， so that users can more safely expand the scope of activities and improve their physical and mental health， thus improving the quality of their lives. The product is positioned as an intelligent device with man-machine interaction， and the human is not only the input signal source of the operating equipment， but also the control object of the driving aid. On the one hand， the force acting on the intelligent driving is used as the signal input to control its movement; on the other hand， the movement of the intelligent rollator will also produce a force on people to assist users to walk.

Keywords： intelligent rollator; force sensor; interactive control

1 設(shè)計(jì)背景

我國(guó)已經(jīng)步入老齡化社會(huì)，預(yù)測(cè)到2030年我國(guó)老年人口將達(dá)到2.55億，2050年將達(dá)到4.4億，屆時(shí)老年人口的比例將達(dá)到人口總數(shù)的31%，即每3個(gè)人當(dāng)中就有一個(gè)老年人。在困擾老年人生活的諸多問題當(dāng)中，尤為突出的是老年人對(duì)獨(dú)立自主外出行走的渴望得不到滿足。部分老年人由于身體虛弱或下肢功能不健全，導(dǎo)致獨(dú)立行走困難，需要在一定的輔助下行走;另外，老年人在行走的時(shí)候由于反應(yīng)能力下降導(dǎo)致行走平衡能力下降，隨時(shí)有跌倒的危險(xiǎn);這就需要一款小型的助行設(shè)備幫助老年人群安全地行走，增加其外出運(yùn)動(dòng)的頻率，提高其生活質(zhì)量。

2 市場(chǎng)現(xiàn)狀

縱觀目前國(guó)內(nèi)外小型智能助行類設(shè)備，大多數(shù)處于研發(fā)階段或樣機(jī)階段，以成熟產(chǎn)品姿態(tài)投入到市場(chǎng)上的品種和數(shù)量相對(duì)較少。尤其在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺少成熟的智能助行車用于老年人日常生活的行走輔助。分析主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）技術(shù)尚未成熟，安全性、可靠性難有保障：作為一款針對(duì)老年人的智能助行設(shè)備如果不能保證其安全性，一旦出現(xiàn)事故，損失將難以彌補(bǔ)。（2）產(chǎn)品價(jià)格過高：科研院所及高校研發(fā)的產(chǎn)品對(duì)成本的控制能力弱，造成成本過高不能被廣大消費(fèi)者接受;由企業(yè)研發(fā)的產(chǎn)品處于小批量生產(chǎn)階段，也存在成本高的問題;國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴，難以被國(guó)內(nèi)普通消費(fèi)者接受。（3）具有多樣功能的產(chǎn)品操作復(fù)雜，不便于老年人使用;相反，易于操作的產(chǎn)品功能單一不能滿足用戶的需求。

綜上所述，市場(chǎng)上需要的智能助行車應(yīng)該滿足三點(diǎn)要求，第一要確保產(chǎn)品的安全性與可靠性;第二要設(shè)計(jì)出滿足用戶需求的各項(xiàng)功能，解決老年人的實(shí)際問題;第三要在生產(chǎn)方面控制成本，使智能助行車產(chǎn)品的價(jià)格能夠被大多數(shù)的消費(fèi)者所接受。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

本智能助行車的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要由把手接觸器、雙向鎖緊車閘、車體、靠墊、座墊、輪轂電機(jī)、控制器等部分組成。整車重量15kg，最大尺寸為長(zhǎng)810mm、寬660mm、高935mm，車身可折疊，占地空間小，折疊后尺寸為長(zhǎng)730mm、寬230mm、高805mm;車體高度可調(diào)節(jié)，適用于不同身高的使用者;座墊可供乘坐休息，最大承重100kg;前輪為全向輪，也可以通過一鍵鎖死功能固定全向輪的方向只能向前，這樣可以防止平衡能力差的用戶保持向前行走的趨勢(shì);雙向鎖緊車閘具有抱死保持裝置，當(dāng)向下拉緊手剎時(shí)，手剎的位置會(huì)被固定在抱死的狀態(tài)，需要手動(dòng)解除，提高使用的安全性;智能助行車采用鋰電池供電，充電采用29.4V2A的充電適配器，充電時(shí)間2.5小時(shí)，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間4小時(shí)。

3.2 功能

本智能助行車是一款人機(jī)互動(dòng)設(shè)備，使用者作為操作設(shè)備的輸入信號(hào)源，同時(shí)也是助行車的控制對(duì)象，使用者對(duì)智能助行車的作用力作為控制其運(yùn)動(dòng)的信號(hào)輸入，智能助行車的運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)使用者產(chǎn)生作用力，輔助其行走。

本智能助行車主要功能如下：（1）握把檢測(cè)：智能助行車上電后，使用者雙手握住車把，可推動(dòng)智能助行車前進(jìn)，速度跟隨用戶行走的速度而變化。使用者任意一只手離開車把，行走輔助機(jī)器人會(huì)立即停車。（2）速度限制：智能助行車的速度可設(shè)置為“1-5”檔，對(duì)應(yīng)的速度分別為0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s及1.0m/s。當(dāng)使用者推動(dòng)智能助行車行走的速度大于設(shè)定速度時(shí)，智能助行車會(huì)立即剎車停止;當(dāng)使用者推動(dòng)智能助行車行走的速度小于或等于設(shè)定速度時(shí)，智能助行車在行進(jìn)方向上提供持續(xù)的助力，助力大小為當(dāng)前“助力”檔位的設(shè)定值。（3）速度、阻力、助力設(shè)定值可調(diào)節(jié)：使用者可以根據(jù)自身的實(shí)際情況，調(diào)整智能助行車的最大運(yùn)行速度，以及在平地上提供的持續(xù)助力值或者阻力值的大小。智能助行車可提供的最大助力為上坡20N、平地40N，最大阻力為下坡30N。（4）上下斜坡輔助功能：智能助行車所能檢測(cè)到的坡度范圍為5°至15°，當(dāng)?shù)孛嫫露刃∮?°時(shí)，助行車判定為工作在平地模式;當(dāng)?shù)孛嫫露却笥?°時(shí)，助行車判定為工作在斜坡模式，在上坡過程中提供持續(xù)助力，下坡過程中提供持續(xù)阻力;當(dāng)?shù)孛嫫露却笥?5°時(shí)，助行車判定為工作在坡度為15°的斜坡上。（5）防止向前跌倒功能：當(dāng)使用者有向前跌倒的趨勢(shì)時(shí)，智能助行車可以識(shí)別到使用者此時(shí)的狀態(tài)，并剎車且保持停止?fàn)顟B(tài)，給予使用者一個(gè)與前傾相反的阻力，防止使用者跌倒。（6）雙向剎車功能：智能助行車設(shè)置了雙向剎車功能，具有在行走過程中的上拉剎車和休息時(shí)的下拉駐車兩種模式。當(dāng)向下拉緊手剎時(shí)，手剎的位置會(huì)被固定在抱死的狀態(tài)，需要手動(dòng)解除，當(dāng)使用者坐在小車的坐墊上時(shí)可以使用該功能防止小車滑動(dòng)。（7）可作為座椅使用：在平坦的路面上，可以作為座椅使用，使用前必須將車閘下拉使后輪抱死。（8）折疊與展開：智能助行車具有車身折疊功能，能夠?qū)崿F(xiàn)車身的展開與折疊，不使用時(shí)將其折疊存放，節(jié)省存放空間。（9）車把高度調(diào)節(jié)：將車體兩側(cè)的高度調(diào)節(jié)按鈕按壓到腔體內(nèi)，下壓或者上拉車把，使按鈕在合適的孔位彈出，實(shí)現(xiàn)對(duì)車把高度的調(diào)節(jié)，以適合不同身高的使用者。

3.3 控制方式

（1）行走意圖識(shí)別：通過使用電容接觸傳感器及力傳感器，識(shí)別使用者的行走意圖，包括走行的方向、速度等，根據(jù)反饋信號(hào)選擇不同的行走模式。內(nèi)嵌在車把處的力傳感器用來判斷使用者行走的意圖，根據(jù)力傳感器數(shù)據(jù)大小，量化使用者行走意圖的強(qiáng)度。根據(jù)左右兩手的力量差可以得出使用者想要行走的方向。例如使用者向左轉(zhuǎn)彎的時(shí)候必然左手力量減弱或左手有向后拉扯車把的力量，而右手會(huì)增加推動(dòng)的力量。以此為依據(jù)控制智能助行車兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速，運(yùn)動(dòng)差速調(diào)節(jié)助行車偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到轉(zhuǎn)向的功能。（2）人機(jī)力交互控制：將使用者與智能助行車之間的相互作用力作為控制對(duì)象，控制助行車行進(jìn)的速度，起到輔助老年人行走的功能。當(dāng)使用者下肢功能不健全，在行走過程中智能助行車需要提供一個(gè)輔助的力阻止使用者由于重心不穩(wěn)向前傾倒的趨勢(shì)。（3）跌倒檢測(cè)與防倒：通過力傳感器檢測(cè)使用者跌倒前的推力變化，以此判斷跌倒的趨勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)度，智能助行車在檢測(cè)到“跌倒”信號(hào)的時(shí)候采取最優(yōu)的防倒策略避免使用者跌倒。當(dāng)使用者被障礙物絆倒，身體急速向前傾覆的時(shí)候，通過檢測(cè)人機(jī)交互力的變化可以判斷是否有跌倒的危險(xiǎn)，并啟動(dòng)防倒功能。（4）功能顯示及控制面板：有低成本DSP系統(tǒng)為核心構(gòu)建的機(jī)器人控制板卡。滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及通訊性能。能夠符合長(zhǎng)期穩(wěn)定工作、一鍵迅速開機(jī)等穩(wěn)定性。（5）電機(jī)及電源控制：控制板通過CAN總線連接電機(jī)控制板與電源，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。板卡可驅(qū)動(dòng)額定電壓24V，額定電流10A的無刷直流電機(jī);板卡預(yù)留多種類型接口，可通過USB接口進(jìn)行上位機(jī)軟件調(diào)試，采用SPI接口的FRAM存儲(chǔ)參數(shù);板卡設(shè)計(jì)有過流、過壓、欠壓和溫度保護(hù)。

3.4 設(shè)計(jì)特性

（1）維修性設(shè)計(jì)：本智能助行車采用模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思路，設(shè)備可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、容錯(cuò)性能好。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的零部件具有良好的互換性，出現(xiàn)故障時(shí)可以迅速方便地更換，各組件通用性高，市場(chǎng)來源廣泛，能夠充分保證供應(yīng)。（2）測(cè)試性設(shè)計(jì)：本智能助行車的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均方便采樣測(cè)量，可通過各預(yù)留接口和模塊進(jìn)行電流采樣、電壓監(jiān)測(cè)、速度、位置檢測(cè)，可通過USB接口進(jìn)行上位機(jī)軟件調(diào)試。（3）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)：本智能助行車可以通過調(diào)整設(shè)定值功能來針對(duì)不同的路面情況，在平地和上坡時(shí)助力行走，電機(jī)提供主動(dòng)助力，進(jìn)行重力補(bǔ)償;下坡時(shí)保持恒定速度，電機(jī)維持穩(wěn)定速度，防止下坡時(shí)加速，并且在使用者松開把手的情況下會(huì)自動(dòng)停止前進(jìn);在斜面?zhèn)刃幸部梢员３种本€行進(jìn)，避免側(cè)滑。

4 結(jié)論

本智能助行車是以康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)品各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)和指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)、控制用板卡及周邊傳感器的綜合智能設(shè)備。產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證本智能助行車可靠性高、安全性高、成本低，滿足身體虛弱或下肢功能不健全的老年人群的使用需求。

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