家庭智能助老站立装置

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

随着中国人口的老龄化程度的加深，中国老年人占比的增长速度已高于世界平均水平。老年人下肢肌肉力量衰退，导致膝关节力矩不足易摔倒，进而引发其他疾病。

现如今，许多帮助老年人站立的装置都存在不足，例如拐杖功能单一且存在着打滑、易失去平衡的风险。而市场中存在的专门辅助老人起立的机械装置，大都适应力较弱、操作不便、人性化设计缺失，使用情景受到较多限制，难以达到理想的使用效果。

因此，针对这些现象及问题，设计了一款家庭智能助老站立装置，弥补了目前市场上助老辅具在智能性、适应性和便捷性方面的不足，从而为独居老人提供更加舒适、安全的服务。

1 设计方案

本作品的主要功能是在家庭内部辅助老人在多个场景之下完成站立的过程，丝杆和电动推杆可以协同配合来实现对站立过程中老人重心的位移曲线的拟合，且通过控制丝杆电机的速度以及2 个推杆的速度比可以实现对多种曲线的拟合，从而适应不同体型的老人以及不同的起身高度。

智能控制方面，通过传感器感知人力输入的大小来调控电动推杆驱动速度的大小，以此实现人对该装置的“智能化控制”。

根据以上设计目标，通过机构的精简合并，简化操作流程，最终多场景助老站立装置的操作过程可以分为以下步骤：老人发出信号后装置接收到信号→装置自动移动到老人身前→装置调整到老人适合的高度→老人穿上装置的背带→老人手握扶手控制装置，在装置辅助下完成站立动作。

装置整体模型如图1 所示。

2 装置模块设计

2.1 辅助站立模块

本装置辅助站立模块的主要功能是通过丝杆与电动推杆的协同配合最终使背带的运动轨迹拟合出人体站立过程中的运动轨迹，从而在老人腰背部为老人在站立过程中提供辅助支撑力，工作过程中参与的机构主要为多杆机构。

由于不同老人的体型参数不同，影响老人站立过程中重心的移动曲线的主要是老人的大腿长度以及站立状态下髋关节到地面的距离。为了使得装置更具有舒适性以及满足对老人特殊运动轨迹的需求，该装置可以通过调节丝杆电机和电动推杆的速度比来实现不同坡度的运动轨迹，通过参考人体数据做出了老人站立过程中身体重心的运动域，并使得装置可以满足2 个边界条件，因此，使得装置更加具有自适应的能力。

2.2 高度调节模块

将装置调节到高度调节的模式，控制器调整到设定好的丝杆滑块和电动推杆的运动速度比，从而使得装置整体在竖直方向可以实现一定范围内的高度调节，从而适应家庭内部多种场景的高度，使得老人在完成站立的过程中更加自然、舒适。

2.3 全向移动模块

全向移动模块由麦克纳姆轮底盘所组成。麦克纳姆轮由4 个直流电机驱动，同时采用L298N 驱动芯片进行控制，其为双H 桥电机驱动，可以控制电机的正反转并利用单片机输出PWM 波调速。全向移动模块能使装置在空间狭小的家庭环境中灵活移动，保证装置拥有良好的通过性，老人通过语音控制装置移动，合理规划移动路径，可花费较短的时间到达老人面前。

3 智能控制系统设计

为了使装置使用更加方便、智能，装置附带有智能控制模块。经过对装置的机电设备和控制系统的可靠性设计，装置在具有较高灵敏度的同时，发生意外事故时也能及时自锁停止工作。装置的电控部分采用Arduino 作为主控板，对各电控硬件进行精确控制，主要分为辅助站立部分、移动控制部分以及载物部分。

辅助站立控制部分要对背带高度进行调节，高度调节采用语音控制，使用LD3320 语音识别模块识别使用者的指令内容，老人通过“高、低”等指令调节步进电动推杆的移动速度及行程，进而控制背带到达使用者所希望的高度，以适应使用者所处的不同高度。为了使装置高度调节过程精准、平稳，使用57 mm 两相式步进电机带动丝杆转动使滑块移动，使辅助站立机构上下移动，其最大输出力矩为2.3 N·m。

为了保证装置运动的稳定性，使用TB6600 驱动器实现步进电动推杆的正反转和速度的调节，通过拨码开关选择步进电动推杆的细分和电流控制，可达到电机振动、噪声小的驱动效果，其硬件电路如图2 所示。

4 结语

该装置提升了目前中国市场助老产品的智能性和适应性，语音调控以及记忆功能使得该装置更加适用于独居老人在家使用，该装置在未来可以开发出众多附加功能，比如辅助摔倒老人站立、辅助老人行走、辅助搬运物品等，因此具有较为广阔的应用前景。

图2 TB6600 驱动器硬件电路图