陈延辉 冯鸿基 王君海 王琦绚 潘明哲

摘 要：目前老龄人和腿部肌肉组织受损等特殊人群起身站立困难是一大难题。通过调查发现，目前市场上能够有效帮助特殊人群和老年人站立的产品很少。针对此问题，笔者研究了老人和特殊人群起立困难的原因，发现导致这一问题的根源是其腿部肌肉坏死或力量不足从而造成的力矩不足。基于相关研究结果，本研究设计了一款基于电控伺服系统的助力器，其拥有符合人体工程学、柔顺升降、伺服制动、智慧互联等特点，可以满足老年人和特殊人群的需求。

关键词：助力器;特殊人群;电控;伺服制动

中图分类号：TH789     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）10-0042-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.009

Innovative Design of Special Crowd Booster Based on Electric Servo

CHEN Yanhui    FENG Hongji    WANG Junhai    WANG Qixuan    PAN Mingzhe

（Xi'an Petroleum University，Xi'an 710000，China）

Abstract：The elderly and the leg muscle tissue damage and other special groups of standing difficulties is a major problem at present.Through investigation and research，there are few products on the market that can effectively help special groups and the elderly to stand.In view of this problem，we studied the reasons for the difficulty of standing up in the elderly and special groups，finding that the cause is lack of torque due to leg muscle necrosis or lack of strength.Based on the research results，an innovative booster based on electronic servo system is designed which has the characteristics of ergonomics，flexible lifting，servo braking，intelligent interconnection，etc.，and can meet the needs of the elderly and special groups.

Keywords：booster;special groups;electronic control;servo brake

0 引言

我国第七次人口普查公报和中国残联最新统计的数据显示，目前中国各类残疾人总数已达8 500万，约占中国总人口的6.21%，预计将涉及全国2亿多的家庭人口。国家统计局数据显示，中国老龄化人数占比为18.7%，预计十年内，中国老龄化人数占比将提升至30%，再加之中国的人口基数大，到2030年，中国老龄化人数约有3.68亿人。老年人有时会面临坐下后无法独立起身的问题，此时助力器应运而生[1-2]。

1 现有助力器市场调研分析

目前，一些老龄化严重的国家在助力器市场方面虽然容量巨大，但已有产品类型较为单一，多為传统助力器，少有符合人体构造的自动化助力器。通过调查来分析市面上已有助力器产品的优点与不足之处。

1.1 鱼跃助力器

该品牌的产品多为患者移动辅助型拐杖。主要产品为四脚老人助力器，其由高强度铝合金和PP材料组装而成，具有高度九挡调节等功能。作为可折叠拐杖，该产品具有轻便、耐用等优点，但安全保障性能不高，在老年人或残疾人使用其站立起身时，有向后仰倒的可能，且其设计较为传统，不能贴合老人起身的每一步动作。

1.2 互邦助力器

该品牌的产品可以折叠，手柄前端有照明灯，下边有小手柄，可以自动收回，使用时按下，从而与拐杖形成90°的夹角，但还欠缺与下身膝盖密切贴合的起身设置。

1.3 交叉式助力器

交叉式助力器是由加厚不锈钢材料制成（见图1），座椅的高度可以进行调节，且带有可拆卸的便盆，但整个产品设计较为传统，无自动化起身功能。

2 特殊人群关节力矩试验

通过对老年人和青年人站立运动的调查和试验数据进行分析可以发现，人体站立过程因人而异，但大致可分为三个阶段（见图2）。第一阶段为准备阶段[2]，臀部与脚部同时发力，身体前倾，双脚后抓，产生向前的动力，同时保证人体重心不变;第二阶段为上升阶段，臀部离开座位，腿部发力支撑身体向上运动达到最高点，此时重心垂直移动;第三阶段为制动阶段，身体完全依赖惯性作用达到最高点，腿部再次发力，防止身体前倾[3]。

根据此模型在相应时间内的活动情况，得到不同年龄的群体各个关节的运动曲线，如图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，相对于中年人，老年人关节力矩小，关节位移量大，要完成起立动作比较困难，且在站立过程中不够平稳，身体难以直立。导致其在站立过程中易产生较大的安全隐患和不良后果。针对使用者力矩不足的问题，本研究设计的产品通过对手臂受力点的力矩输出，进而代替膝关节受力，辅助站立装置提供给使用者水平向前和竖直向上的助力、臀部倾斜助力，以及给背部、臀部提供支撑力，帮助使用者站立，减轻其关节负重[4-5]。

通过上述分析可以发现，所有问题的根源在于腿部肌肉坏死或力量不足从而造成力矩不足，所以助力器要从根源下手，通过增加使用者起立时的着力点来增大力的作用长度，从而增大力矩，使得使用者能更平稳安全地站起。

3 针对特殊人群拟解决的问题

面对人口老龄化现状，笔者针对老年人与行动能力受损人员设计出一款新型拐杖，适用于本产品的主要人群在站立过程中面临着以下3个问题。

3.1 外部环境因素影响

由于使用者所处的环境不同，如外界桌椅的高度决定了使用者在站立时的难易程度，使用相对较高的座椅时还会增加腿部肌肉群的负担。

3.2 使用者自身主观因素影响

由于使用者多为老年人或失去部分行动能力的残疾人，其肌肉量和力量不足会导致起身时的平衡性低，无法站起。

3.3 其他因素影响

包括社会安全影响因素在内的各类影响，如某些场所未设置无障碍通道等。

4 助力器结构设计

很多老年人及特殊人群坐下后，很难依靠自身力量起身。在使用本研究设计的助力器（见图5）时，拉开拐杖下方的支撑腿17，将拐杖放于两腿之间的地面上，打开控制开关13，电动伸缩杆2伸出，连杆机构7联动，承托支座12呈水平位置，老年人和特殊人群的手撑或两肘前臂（腋下）置于承托支座12上，承托支座上的压力传感器在受到压力后，会将信号传递至控制模块，控制模块控制液压伸缩杆10启动上升，在老年人起身后，身体从承托支座12离开，控制模块接收压力传感器16传来的信号后，控制液压伸缩杆10下降，此时老年人按下复位按钮15，电动伸缩杆2缩回。如不再使用，可收起支撑腿17，竖立于一旁[6-7]。

5 助力器特点分析

本研究设计的助力器是基于人体工程力学进行设计的，适用人群主要有老年人、因腿部肌肉组织损坏而站立困难的残疾人、由于意外事故而行动不便正在康复中的患者。基于助力器柔顺升降、伺服制动、智慧物联等特点，其具有很好的人群普适性。

5.1 柔顺升降

柔顺驱动在助立、助老器械和康复器械上的应用越来越广泛，主要用于上下肢康复起身时适应患者的阻抗变化，在外骨骼中可保证穿戴者的安全，在假肢中可提高仿生性。

柔顺驱动简化图如图6所示。助力器的电动液压伸缩杆慢慢回弹，腋下传感器实时传输压力数据，实时控制伸缩加速度，避免因助力过低导致老年人起不了身或助力过大使老年人身体前倾摔倒，整个过程符合老年人起身各个阶段的特征，柔顺自然。电动液压杆运行过程实质上是压缩气体进入流道使软体结构发生形变的过程。随着气压的增大，气道往往向最易变形的区域进行形变扩张。气动软体驱动器由两部分组成，即柔性体部分和硬质外壳。柔性体结构由含有气道的中空圆柱和实心圆柱硅胶头组成。当气室内输入压缩空气后，由于硬质外壳的约束，发生径向和轴向膨胀，故最终的输出位移为轴向运动[8]。

5.2 伺服制动

伺服制动系统以人力和发电机动力为制动能源，是在人力液压制动的基础上加设的动力伺服系统（见图7）。伺服系统按输出力作用部位和控制装置操纵方式不同，可分为助力式和增压式[9-11]。

助力器动力源为电动助力，电动助力的基本结构为小型电动机，其传动机构为机械传动，该机构把电机旋转动能转化为主缸活塞的直线往复运动。因此，将设计好的控制算法应用到伺服制动系统，伺服驱动器将数字信号转变为机械运动量，实时调控电动机，从而达到控制机械部件按预定目标进行运动的目的。检测元件在检测到机械传动部件的移动速度后，将相关信息反馈到PLC进行调节，实现柔顺升降。如果发生故障急停，动力伺服系统将会失效，可由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力，以此来排除故障。动态制动器在发生故障失去电力供应时，能通过能耗制动缩短伺服电机的机械进给距离，使上升或下降運动停止。若伺服器处于正常工作状态，系统可进行再生制动，将伺服电机减速时产生的制动能量通过伺服驱动器的逆变回路进行反馈制动。

5.3 智慧物联

现如今互联网非常发达，很多技术的更新迭代都离不开电子信息产业的发展。因此，要想顺应时代潮流的发展，必须把电子产品和互联网结合起来，从而做出一款有特色的产品。智慧物联是将产品的数据实时同步到网络的重要手段（见图8）。首先基于App实现本研究设计产品的数据信息同步功能，包括无线通信和紧急响应。无线通信有两个功能部分：收音机和呼叫器。收音机结构简单，且有电池进行持续供电，满足老年人或残障人士闲暇之余的娱乐需求。呼叫器的作用相当于简易的电话。当老人身体不适或遇到其他突发情况时，按下紧急按钮，报警系统触发，助力拐杖自动合拢，防止老人摔倒，避免造成二次伤害。看护人会及时收到App发来的提醒求救信息，根据GPS定位及时找到老年人所在位置。助力拐杖上的灯可为老年人和特殊人群在夜晚进行照明[12-13]。

6 起坐助力器的应用场景分析

中国人口老龄化的进程日益加快，目前我国60岁及以上人口已有2.6亿，并有着指数增长的趋势。基于我国老年人及残障人士站立困难且难以寻求帮助的情况，助力器可以很大程度地帮助他们。现对老年人以及腿部肌肉组织受损等特殊人群的应用场合进行分析。

6.1 床边起身

6.1.1 场景分析。当人们在床边起身时，需要由大腿的股四头肌以及前臂等主要肌肉进行支撑，同时身体也要适当前倾，从而减少所使用的力量。但正因为特殊人群的肌肉力量损失，因此他们更需要身体大幅度前倾来起身，如此发生意外的可能性便会随之增加了。

6.1.2 设计应用。基于起坐助力器的设计，助力器传递的力矩带动老年人起身，助力器底部三角形稳定设计可以有效帮助老年人稳定地站立，而“柔顺升降”把危险降到了最低，实时反馈机制也可以及时给予特殊人群起身时合适的力量大小，帮助老年人和特殊人群安全、有效地起身。

6.2 座椅起身

6.2.1 场景分析。由于市场上座椅的凳面较为平滑，出于对安全性和舒适性的考虑，凳面不会设计为倾斜面。因此，特殊人群在座椅上起身时，也遇到了与床边起身同样的困难。基于老年人与年轻人起身时髋关节角度变化的研究结果，部分老年人在站立起身时，其身体前倾的角度较大，以此来弥补老年人因肌肉力量降低等原因而造成的力量不足。在身体和心理的双重作用下，老年人在站立过程中大腿肌肉没有完全伸展，如何帮助老年人稳定又正确地起身成为设计的一大重点。

6.2.2 设计应用。当老年人等特殊人群坐在座椅上时，助力器可以为他们提供合适的受力点和受力高度，提供更大的受力面，以此来弥补膝关节的力量不足。如果座椅较低，起身时所需要的动量需求过大，通过“柔顺升降”和传感器等，可实现对老年人起身力矩不足的智能补偿[14-15]。

7 结语

本研究为了解决老年人和腿部肌肉组织受损等特殊人群起身站立困难的问题，研究老年人和特殊人群起立困难的原因，基于研究结果创新设计了一款基于电控伺服系统、智慧互联的助力器。在老年人和特殊人群坐下后无法独立起身时，能够帮助其有效地站立。

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