营口理工学院 辽宁营口 115014
【摘要】随着目前人口的老龄化趋势相关的助老设备、助老服务越来越多。其中许多老人因上肢力量不够而无法使用拐杖或者直立行走造成诸多不便为了减轻老年人以及腿部受损的康复人员在走路和上下楼的负担本团队研发出一种智能步行辅助器此装置可以通过检测迈腿的趋势进行识别判断使用者是要做什么动作并完成该动作。此装置可以让使用者穿戴便捷使用简单既可以辅助腿部力量不够的老人行走又可以帮助腿部受损的人进行辅助行走及康复训练市场前景非常广阔。
【关键词】智能、步行辅助、康复
1 设计的背景及意义
1.1 研究的背景及意义
辅助人体支撑体重、保持平衡和行走的器具称为助行器本产品是仿照人体的腿部轮廓做的高科技助步器具有辅助行走即日常动作的功能。本产品由机械外骨骼减速器电机电源处理器及其他零件构成。通过检测迈腿的趋势进行识别作出判断使用者是要做什么动作并完成该动作。本产品还具有倾斜辅助的能力检测到使用者身体不在直立而是往其中一边倾斜时便会作出反应像反方向进行拉伸这个过程不会影响使用者的位置是在原地完成的。若使用者向一边倾倒的趋势过大有摔倒的可能则本产品将会向那个方向迈出一定距离来保持平衡。
当下比较主流的步行器有拐杖轮椅助步车及相关设备。
拐杖是一种重要的医疗康复辅助用具,分手杖\肘杖\腋杖,其中手杖主要用于轻度需要,例如老年人或登山者,手杖不属于残疾人用品,肘杖属于中度下肢残疾人用品。
轮椅是装有轮子可以帮助替代行走的椅子分为电动和手动折叠轮椅。用于伤员、病员、残疾人居家康复、周转运输、就诊、外出活动的重要移动工具轮椅它不仅满足肢体伤残者和行动不便人士的代步更重要的是方便家属移动和照顾病员使病员借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。
普通轮椅一般由可折叠框架、前后车轮、左右护膝和脚踏板、左右可拆卸扶手、把手刹车装置、座椅、靠背有医学影像资料袋、便盆接尿袋挂钩、电动站立等部分组成。手摇轮椅在普通轮椅基础上增加手摇装置。电动轮椅在普通轮椅基础上增加电子助力系统减轻了使用者的体力消耗。智能轮椅在电动轮椅的基础上增加了定位移动、站立移动、遥控移动以及相关互联网+辅助生活。
1.2国内外研究现状
随着老年人口比例的不断提高老年人的身体状况随着年龄的增长而变差骨质疏松、肌肉萎缩等情况导致行走困难这些人群需要助行器来辅助独立行走。助行器是为老年人、部分外伤、中风后偏瘫患者和残疾人提供的一种行走辅助工具帮助他们自主行走或锻炼肢体。
通过调查分析齐齐哈尔工程学院研究分析了一种基于气压杆的辅助装置但是在速度和装置大小上有一定局限本设计在运动分析和结构分析等方面对此项研究有所参考。上海交通大学在传感器信号采集与处理方面及正常人步态数据的步态规划算法方面进行了大规模研究本设计在研究过程中对主动式步行模型的步态规划算法进行进行研究参考最后调整步态规划参数来进行步态优化使整体设计更接近于正常人的行动姿态。传感器方面合肥工业大学机械工程学院为了解决步态识别中多传感器信息采集系统成本高、佩戴舒适度差、信息冗余、系统复杂等问题提出了一种基于单肌肉表面肌电-加速度融合的简单、低成本的步态识别方法。
综合考察国内外研究现状本项目设计出一种能够辅助行走和进行康复训练的步行辅助器械模仿人体下肢的结构特点对使用者起到支撑、保护、行走助力的作用。
2 设计方案
通过对目前国内外研究现状的比较分析制定出本项目的设计方案通过单片机控制步进电机转动一定转数和转速结合减速器和相关辅助结构达到行走目的。
1. 通过肌电传感器捕捉电信号传给单片机进行数据处理。
2. 通过单片机控制电机的转速控制陀螺仪来调节平衡并正常工作。
3. 通过由减速器齿轮和电机组成的关节来驱动整个装置从而带动人体下肢行走。
4. 通过深度学习算法逐渐调节电机的转数及转速使产品主动适应使用者。
3 结构及工作原理
本产品由两个腿部辅助装置和一个腰部固定装置构成腿部辅助装置由步进电机摆线针轮减速器构成的减速电机组固定支架及机电传感器组成分布在使用者脚腕部位膝盖部位和胯部通过机电传感器捕捉使用者腿部肌肉的电信号传给控制单元通过PID反馈调节和深度学习功能逐渐适应使用者的走路姿态使使用者行动更加顺畅。在使用者膝盖后部弯曲处还设置了压力反馈调节装置使使用者在抬腿时更加省力。在腰部固定装置内设置了六轴传感器检测使用角度偏差如果检测到使用者偏转角度过大有摔倒的趋势则会向其趋势方向进行调节防止摔倒。
4 创新点
本产品操作简单通过检测使用者抬腿的动作来使用者前进达到辅助行走的目的。主要创新点如下：
1.产品结构新颖、智能化类似行走的机器人能够逐渐取代拐杖的地位。
2.产品不仅可以助老也可辅助下肢受损人群实现自主行走。受益人员较多市场广阔。
3.本产品具有成长性根据用户反馈而不断更新和调试各种功能来达到用户满意。
【参考文献】
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[4]基于单肌肉表面肌电-加速度融合的步态识别[J]. 吴平平,徐剑华,杜明家,王勇.合肥工业大学学报(自然科学版) .2020(07)
基金项目：2020年营口理工学院大学生创新创业训练计划项目 智能助老步行辅助器