物联网服务模式下智能养老器械的开发*

沈斯佳，武 菁，姚世京，白东升，李昊文，刘家铭，邓 飞

（1.河北科技大学，河北 石家庄 050018；2.河北奇诺信息技术有限公司，河北 石家庄 050018）

随着医疗技术快速发展及健康养生日趋受到重视，虽然人类的平均寿命稳步增加，但是社会人口老龄化问题愈加突出，据国家人口部门统计，截至2019年，我国60岁以上人口数量达2．49亿人，占总人口的17．9%，且老年人口比例呈不断上升趋势。老年人生理逐渐衰老，意外风险多发，经常需要临时看护或长期照顾，人力、物力支出巨大[1]。据我国社会养老机构统计，随着身体衰老，老年人的生活质量持续降低，2019年我国65岁以上老年人的服务需求满足率仅为16%。而我国执行独生子女政策40多年，已经开始面临一对夫妻要承担4个老年人的养老义务，家庭养老问题已成为一个亟待解决的社会问题[2]。

1 国内外助老器械研究现状

老龄化问题的日趋严重促使各国政府大力开展“科技创新助力解决社会养老”的专项课题，其中重点方向之一是开发适用于家庭的智能助老、养老器械产品，使老年人在器械的助力下能够进行一定的日常活动，减少对全职陪护的依赖。如欧美国家早在20世纪70年代就开始研究身体康复机器人，其中Heidelberg和Spartacus主动操作手项目被认为是康复型器械的研究起源，英国研制的Handy 1机器人能够辅助患有脑瘫的男孩自主就餐，美国斯坦福大学开发的MOVAR机器人在一定程度上实现了未知空间环境的工作和服务，通过多种信号的感知组合及一体控制，获得机械手模拟仿真人手的触觉和施力过程，并保证工作过程的安全可靠[3]。近年来日本、韩国等亚洲发达国家在助老康复器械方面的研究也发展迅速，如SONY公司智能服务机器人项目在家庭教育、休闲娱乐等行业应用中取得了较大成功，丰田、本田、三星、现代等公司致力于开发特定功能的服务机器人。

我国在服务保健器械领域起步较晚但发展迅速，近年来服务机器人产业已初具规模，主要有安保机器人、轮椅机器人、穿戴机器人等。21世纪以来，智能服务机器人相继被列入了国家863计划“先进制造与自动化技术领域”重点项目和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》。随着人口老龄化的日趋严重，在未来10年内，智能助老类服务器械在我国的需求将持续增长，尤其是家用型产品将成为快速增长点[4]。目前市场上的生活服务器械往往基于特定工作环境开发，尚未有面向家庭养老、助老等特定功能的专项开发，也没有充分利用物联网信息科技成果来实现服务过程的智能化，不能满足居家养老所需的生活护理辅助和身体康复保健等功能。

2 助老器械功能开发的发展方向

通过广泛的社会调研和论证，未来助老器械发展的3个主要方向包括：一是家庭化。随着国民健康意识的增强、消费能力的提升和人工服务成本的增加，适合老年人居家生活的养老器械产品趋向于体积小型化、操作简便、适于老年人室内自主使用。二是物联化。助老器械要有广泛物联功能，能够实时监测环境和用户身体状态，突发意外时能够应急调动和通信预警。三是智能化。实施养老器械的智能制造工程，支持人工智能、虚拟显示等新技术，通过人机交互控制方式，给予感官模拟和视觉反馈。以上创新功能能够有效改善传统助老器械功能单一、无法真正融入老年人日常生活的短板。

3 智能助老器械的开发

3.1 功能定位

智能助老器械的开发基于居家生活老年人的生活环境和特征状态，定位于生活护理辅助和身体康复保健两种功能方向，主要功能模块包括：老年人站立、上下床、如厕、洗浴等基本生活辅助；集成开发智能药盒，具备药物分类储存、自动吃药提醒、药量提醒功能；实时监控老年人的生活状态、身体基本健康参数及应急信号发送。助老器械智能化程度高，工作稳定，能大幅减轻家庭照顾负担，改善老年人的生活品质，提高他们的生活质量。

3.2 助老生活机器人的开发

3.2.1 开发目的

调研发现，65岁以上老年人群体约80%具备基本生活自理能力，他们由于部分器官老化，只是做某些特定的动作时力不从心，如日常起坐、如厕、洗浴等用力活动，在没有外力支撑的情况下，如果动作过大过急，就非常容易摔倒或引起心脏病、脑溢血等突发疾病。因此，开发助老生活机器人，首先是帮助老年人在进行施力动作时给予稳定的被动支撑或外力主动辅助；其次，行动不便的老年人居家生活时需要活动或散步锻炼，机器人能够主动跟随协助或支撑保护，将是得力的智能养老工具。目前助老生活机器人开发的最大难点是：机器人在施加较大的助力时，如何保持自身牢固稳定和运动平衡。

3.2.2 方案设计

助老生活机器人的智能化控制采用比较成熟的微型传感技术、信号处理技术、人工智能和现代控制技术进行综合集成，实现过程相对比较容易。机器人的助力辅助功能通过机械结构的设计实现：一是主动助力功能，充分考虑老年人身体弱、易疲劳的特点，为老年人提供稳定的强助力，辅助老年人站坐、起卧，核心创新在于机器人进行助力时能够保证自身的稳定性；二是辅助行走功能，伴随老年人室内散步锻炼，提供身体稳定性支撑；三是依托物联网技术开发远程监测功能，具有视觉、语音、红外追踪、信号通信功能，实时监控老年人的生活状态和基本健康参数，并能够发送应急信号。

主要结构（见图1）包括：一是底盘稳定模块。助老机器人定位于家庭使用，居家室内地面普遍光滑，因此在运动底盘上集成开发真空吸盘组辅助稳定模块，多个吸盘根据承受拉力和压力进行分组，实现多位置定位布局。在机器人受力或助力时，通过对吸盘组的升降控制和对地面的真空吸附实现对机器人的稳定性固定，同时设计3个车轮的分布式万向驱动模式，实现底盘各方向受控运动和最小转弯半径的灵活转向机动，快速跟随老年人室内活动。二是助力辅助模块。设计了并联丝杠控制的升降臂结构，通过带动升降臂上升或下降，老年人的手部或胳膊在升降臂的拉动下实现对起、坐的助力辅助，该功能适用于老年人具备自主握持能力，机器人起到辅助助力效果，缓解老年人施力的突然性。并联丝杠能够增加升降臂的稳定性，升降臂的压力分配到两个丝杠上，进而分配到机器人底盘的吸盘组和万向轮上，保持机器人主体的稳定性。三是物联网通信模块。在机器人顶部集成摄像云台能够摄录外部环境状态，并将信号通过无线通信模块定向传输给接收端；声音传感器采集用户的声音指令，并将其传输给控制器，控制器将控制指令发送给相应受控模块，实现机器人的声控操作。同时在机器人上集成心率、血压、体温等身体基本健康参数监测模块，可对异常监测数据自动报警并远程发送到监护人的手机上。

图1 助老生活机器人结构透视图

3.3 康复扶椅的开发

3.3.1 开发目的

调研发现，65岁老年人中近10%行走较困难，手部难以大力度握持，自主移动空间非常狭小。目前传统的轮椅仅具有代步功能，久坐舒适性不好，也没有对乘坐人进行主动康复保健的功能。因此开发一种助老康复扶椅，适用于站立不稳、起坐困难的老年人、残疾人等康复人群。

3.3.2 方案设计

康复扶椅整体结构见图2，除了具备传统电动轮椅的受控运动功能外，还创新开发了辅助老年人起坐的功能，由电推装置和升降连杆机构组合设计实现座椅在垂直高度和侧倾角度的一体控制，起到辅助老年人站立、坐下和侧撑作用。底盘上设计了四足多连杆稳定机构，当老年人需要扶椅提供较大力度的横向助力和扭转助力时，连杆稳定机构牢牢吸附在地面上，保证扶椅整体具有足够的稳定性。同时开发了康复保健功能，如智能药盒能够定时提醒老年人服药，自适应恒温水杯座能够保持适当的水温，可翻折扶手能够在老年人如厕时提供助力支撑，折叠升降杆能够在扶椅运动状态下提供稳定挂物功能等。扶椅集成远程监控、通信功能，实现人体生命体征信息的监控和远程传送功能。物联网服务管理体现在扶椅的功能和家庭智能硬件的一体化连通，老年人在扶椅上实现了对各种智能硬件的远程操控和使用。

图2 康复扶椅结构透视图

4 应用前景分析

截至2019年底，我国60岁以上的老年人中失能、半失能人口已达到4 000万人，均需专人照顾，耗费巨大的人力与财力。此外，我国残疾人占总人口比重位居世界前列，残疾人的护理和康复也是社会的重要负担之一，因此智能养老器械市场空间巨大。本团队研发的助老器械定位于家庭应用，充分保证养老助老过程的实用性和稳定性，操作和服务过程的智能化，并预期以家用电器的销售模式进行市场推广，辅以工业化产品的维护维修管理和回收机制，应用前景广阔。