沈斯佳，武 菁，姚世京，白東升，李昊文，劉家銘，鄧 飛

（1.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018；2.河北奇諾信息技術(shù)有限公司，河北 石家莊 050018）

隨著醫(yī)療技術(shù)快速發(fā)展及健康養(yǎng)生日趨受到重視，雖然人類的平均壽命穩(wěn)步增加，但是社會人口老齡化問題愈加突出，據(jù)國家人口部門統(tǒng)計，截至2019年，我國60歲以上人口數(shù)量達(dá)2．49億人，占總?cè)丝诘?7．9%，且老年人口比例呈不斷上升趨勢。老年人生理逐漸衰老，意外風(fēng)險多發(fā)，經(jīng)常需要臨時看護或長期照顧，人力、物力支出巨大[1]。據(jù)我國社會養(yǎng)老機構(gòu)統(tǒng)計，隨著身體衰老，老年人的生活質(zhì)量持續(xù)降低，2019年我國65歲以上老年人的服務(wù)需求滿足率僅為16%。而我國執(zhí)行獨生子女政策40多年，已經(jīng)開始面臨一對夫妻要承擔(dān)4個老年人的養(yǎng)老義務(wù)，家庭養(yǎng)老問題已成為一個亟待解決的社會問題[2]。

1 國內(nèi)外助老器械研究現(xiàn)狀

老齡化問題的日趨嚴(yán)重促使各國政府大力開展“科技創(chuàng)新助力解決社會養(yǎng)老”的專項課題，其中重點方向之一是開發(fā)適用于家庭的智能助老、養(yǎng)老器械產(chǎn)品，使老年人在器械的助力下能夠進(jìn)行一定的日?；顒?，減少對全職陪護的依賴。如歐美國家早在20世紀(jì)70年代就開始研究身體康復(fù)機器人，其中Heidelberg和Spartacus主動操作手項目被認(rèn)為是康復(fù)型器械的研究起源，英國研制的Handy 1機器人能夠輔助患有腦癱的男孩自主就餐，美國斯坦福大學(xué)開發(fā)的MOVAR機器人在一定程度上實現(xiàn)了未知空間環(huán)境的工作和服務(wù)，通過多種信號的感知組合及一體控制，獲得機械手模擬仿真人手的觸覺和施力過程，并保證工作過程的安全可靠[3]。近年來日本、韓國等亞洲發(fā)達(dá)國家在助老康復(fù)器械方面的研究也發(fā)展迅速，如SONY公司智能服務(wù)機器人項目在家庭教育、休閑娛樂等行業(yè)應(yīng)用中取得了較大成功，豐田、本田、三星、現(xiàn)代等公司致力于開發(fā)特定功能的服務(wù)機器人。

我國在服務(wù)保健器械領(lǐng)域起步較晚但發(fā)展迅速，近年來服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，主要有安保機器人、輪椅機器人、穿戴機器人等。21世紀(jì)以來，智能服務(wù)機器人相繼被列入了國家863計劃“先進(jìn)制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域”重點項目和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》。隨著人口老齡化的日趨嚴(yán)重，在未來10年內(nèi)，智能助老類服務(wù)器械在我國的需求將持續(xù)增長，尤其是家用型產(chǎn)品將成為快速增長點[4]。目前市場上的生活服務(wù)器械往往基于特定工作環(huán)境開發(fā)，尚未有面向家庭養(yǎng)老、助老等特定功能的專項開發(fā)，也沒有充分利用物聯(lián)網(wǎng)信息科技成果來實現(xiàn)服務(wù)過程的智能化，不能滿足居家養(yǎng)老所需的生活護理輔助和身體康復(fù)保健等功能。

2 助老器械功能開發(fā)的發(fā)展方向

通過廣泛的社會調(diào)研和論證，未來助老器械發(fā)展的3個主要方向包括：一是家庭化。隨著國民健康意識的增強、消費能力的提升和人工服務(wù)成本的增加，適合老年人居家生活的養(yǎng)老器械產(chǎn)品趨向于體積小型化、操作簡便、適于老年人室內(nèi)自主使用。二是物聯(lián)化。助老器械要有廣泛物聯(lián)功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境和用戶身體狀態(tài)，突發(fā)意外時能夠應(yīng)急調(diào)動和通信預(yù)警。三是智能化。實施養(yǎng)老器械的智能制造工程，支持人工智能、虛擬顯示等新技術(shù)，通過人機交互控制方式，給予感官模擬和視覺反饋。以上創(chuàng)新功能能夠有效改善傳統(tǒng)助老器械功能單一、無法真正融入老年人日常生活的短板。

3 智能助老器械的開發(fā)

3.1 功能定位

智能助老器械的開發(fā)基于居家生活老年人的生活環(huán)境和特征狀態(tài)，定位于生活護理輔助和身體康復(fù)保健兩種功能方向，主要功能模塊包括：老年人站立、上下床、如廁、洗浴等基本生活輔助；集成開發(fā)智能藥盒，具備藥物分類儲存、自動吃藥提醒、藥量提醒功能；實時監(jiān)控老年人的生活狀態(tài)、身體基本健康參數(shù)及應(yīng)急信號發(fā)送。助老器械智能化程度高，工作穩(wěn)定，能大幅減輕家庭照顧負(fù)擔(dān)，改善老年人的生活品質(zhì)，提高他們的生活質(zhì)量。

3.2 助老生活機器人的開發(fā)

3.2.1 開發(fā)目的

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，65歲以上老年人群體約80%具備基本生活自理能力，他們由于部分器官老化，只是做某些特定的動作時力不從心，如日常起坐、如廁、洗浴等用力活動，在沒有外力支撐的情況下，如果動作過大過急，就非常容易摔倒或引起心臟病、腦溢血等突發(fā)疾病。因此，開發(fā)助老生活機器人，首先是幫助老年人在進(jìn)行施力動作時給予穩(wěn)定的被動支撐或外力主動輔助；其次，行動不便的老年人居家生活時需要活動或散步鍛煉，機器人能夠主動跟隨協(xié)助或支撐保護，將是得力的智能養(yǎng)老工具。目前助老生活機器人開發(fā)的最大難點是：機器人在施加較大的助力時，如何保持自身牢固穩(wěn)定和運動平衡。

3.2.2 方案設(shè)計

助老生活機器人的智能化控制采用比較成熟的微型傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)、人工智能和現(xiàn)代控制技術(shù)進(jìn)行綜合集成，實現(xiàn)過程相對比較容易。機器人的助力輔助功能通過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)：一是主動助力功能，充分考慮老年人身體弱、易疲勞的特點，為老年人提供穩(wěn)定的強助力，輔助老年人站坐、起臥，核心創(chuàng)新在于機器人進(jìn)行助力時能夠保證自身的穩(wěn)定性；二是輔助行走功能，伴隨老年人室內(nèi)散步鍛煉，提供身體穩(wěn)定性支撐；三是依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，具有視覺、語音、紅外追蹤、信號通信功能，實時監(jiān)控老年人的生活狀態(tài)和基本健康參數(shù)，并能夠發(fā)送應(yīng)急信號。

主要結(jié)構(gòu)（見圖1）包括：一是底盤穩(wěn)定模塊。助老機器人定位于家庭使用，居家室內(nèi)地面普遍光滑，因此在運動底盤上集成開發(fā)真空吸盤組輔助穩(wěn)定模塊，多個吸盤根據(jù)承受拉力和壓力進(jìn)行分組，實現(xiàn)多位置定位布局。在機器人受力或助力時，通過對吸盤組的升降控制和對地面的真空吸附實現(xiàn)對機器人的穩(wěn)定性固定，同時設(shè)計3個車輪的分布式萬向驅(qū)動模式，實現(xiàn)底盤各方向受控運動和最小轉(zhuǎn)彎半徑的靈活轉(zhuǎn)向機動，快速跟隨老年人室內(nèi)活動。二是助力輔助模塊。設(shè)計了并聯(lián)絲杠控制的升降臂結(jié)構(gòu)，通過帶動升降臂上升或下降，老年人的手部或胳膊在升降臂的拉動下實現(xiàn)對起、坐的助力輔助，該功能適用于老年人具備自主握持能力，機器人起到輔助助力效果，緩解老年人施力的突然性。并聯(lián)絲杠能夠增加升降臂的穩(wěn)定性，升降臂的壓力分配到兩個絲杠上，進(jìn)而分配到機器人底盤的吸盤組和萬向輪上，保持機器人主體的穩(wěn)定性。三是物聯(lián)網(wǎng)通信模塊。在機器人頂部集成攝像云臺能夠攝錄外部環(huán)境狀態(tài)，并將信號通過無線通信模塊定向傳輸給接收端；聲音傳感器采集用戶的聲音指令，并將其傳輸給控制器，控制器將控制指令發(fā)送給相應(yīng)受控模塊，實現(xiàn)機器人的聲控操作。同時在機器人上集成心率、血壓、體溫等身體基本健康參數(shù)監(jiān)測模塊，可對異常監(jiān)測數(shù)據(jù)自動報警并遠(yuǎn)程發(fā)送到監(jiān)護人的手機上。

圖1 助老生活機器人結(jié)構(gòu)透視圖

3.3 康復(fù)扶椅的開發(fā)

3.3.1 開發(fā)目的

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，65歲老年人中近10%行走較困難，手部難以大力度握持，自主移動空間非常狹小。目前傳統(tǒng)的輪椅僅具有代步功能，久坐舒適性不好，也沒有對乘坐人進(jìn)行主動康復(fù)保健的功能。因此開發(fā)一種助老康復(fù)扶椅，適用于站立不穩(wěn)、起坐困難的老年人、殘疾人等康復(fù)人群。

3.3.2 方案設(shè)計

康復(fù)扶椅整體結(jié)構(gòu)見圖2，除了具備傳統(tǒng)電動輪椅的受控運動功能外，還創(chuàng)新開發(fā)了輔助老年人起坐的功能，由電推裝置和升降連桿機構(gòu)組合設(shè)計實現(xiàn)座椅在垂直高度和側(cè)傾角度的一體控制，起到輔助老年人站立、坐下和側(cè)撐作用。底盤上設(shè)計了四足多連桿穩(wěn)定機構(gòu)，當(dāng)老年人需要扶椅提供較大力度的橫向助力和扭轉(zhuǎn)助力時，連桿穩(wěn)定機構(gòu)牢牢吸附在地面上，保證扶椅整體具有足夠的穩(wěn)定性。同時開發(fā)了康復(fù)保健功能，如智能藥盒能夠定時提醒老年人服藥，自適應(yīng)恒溫水杯座能夠保持適當(dāng)?shù)乃疁?，可翻折扶手能夠在老年人如廁時提供助力支撐，折疊升降桿能夠在扶椅運動狀態(tài)下提供穩(wěn)定掛物功能等。扶椅集成遠(yuǎn)程監(jiān)控、通信功能，實現(xiàn)人體生命體征信息的監(jiān)控和遠(yuǎn)程傳送功能。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)管理體現(xiàn)在扶椅的功能和家庭智能硬件的一體化連通，老年人在扶椅上實現(xiàn)了對各種智能硬件的遠(yuǎn)程操控和使用。

圖2 康復(fù)扶椅結(jié)構(gòu)透視圖

4 應(yīng)用前景分析

截至2019年底，我國60歲以上的老年人中失能、半失能人口已達(dá)到4 000萬人，均需專人照顧，耗費巨大的人力與財力。此外，我國殘疾人占總?cè)丝诒戎匚痪邮澜缜傲校瑲埣踩说淖o理和康復(fù)也是社會的重要負(fù)擔(dān)之一，因此智能養(yǎng)老器械市場空間巨大。本團隊研發(fā)的助老器械定位于家庭應(yīng)用，充分保證養(yǎng)老助老過程的實用性和穩(wěn)定性，操作和服務(wù)過程的智能化，并預(yù)期以家用電器的銷售模式進(jìn)行市場推廣，輔以工業(yè)化產(chǎn)品的維護維修管理和回收機制，應(yīng)用前景廣闊。