徐亞芬，張 華，喻凌峰，馬國(guó)棟，李媛媛，羅檸鋒

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東東莞 523083）

0 引言

中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)殘疾人總?cè)藬?shù)超過8 500 萬(wàn)，其中肢體殘疾人數(shù)近2 500 萬(wàn)，2021 年期間得到康復(fù)服務(wù)的持證殘疾人中肢體殘疾人數(shù)為407萬(wàn)[1]。我國(guó)殘疾人康復(fù)需求主要表現(xiàn)為醫(yī)療服務(wù)與救助、輔助器具、康復(fù)訓(xùn)練與服務(wù)和貧困殘疾人救助[2]。由于這些患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)存在需要醫(yī)護(hù)人員輔助、占用他人時(shí)間、耗費(fèi)他人體力等問題，急需一款智能康復(fù)行走器解決以上痛點(diǎn)。

目前輔助行走的主要方式為外骨骼輔助行走方式和輪椅代步方式[3]。2019年5月西班牙馬德里Technaid公司推出新版本的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人Exo-H3，它可以通過存儲(chǔ)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的步態(tài)數(shù)據(jù)模擬人類的行走，幫助下肢功能不便的患者，開展幫助行走和康復(fù)訓(xùn)練[4]，但是這種機(jī)器人需要定制，通用性差，成本高。輪椅代步方式成本較低，在市場(chǎng)上較為通用，但不夠智能，對(duì)下肢恢復(fù)有一定的影響[5]，由于久坐不利于下肢的康復(fù)，易形成下肢靜脈血栓，出現(xiàn)下肢無(wú)力、疼痛和麻木等癥狀[6]。

本文針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上輔助行走裝置存在的問題，設(shè)計(jì)一種能夠安全獨(dú)立操作，可在康復(fù)訓(xùn)練和休息及代步之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的智能輔助行走器，滿足患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中可隨時(shí)根據(jù)自己意愿進(jìn)行休息或代步的需求，有助于提高患者訓(xùn)練的信心，幫助患者更加有效地進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到預(yù)期的康復(fù)訓(xùn)練效果。

1 總體結(jié)構(gòu)和功能

智能輔助行走器的總體結(jié)構(gòu)由訓(xùn)練模塊、座椅折疊模塊、移動(dòng)模塊3個(gè)模塊組成。

智能輔助訓(xùn)練行走器可承受人體最大質(zhì)量100 kg，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 顯示的是行走訓(xùn)練時(shí)的形態(tài)，代步或休息時(shí)的形態(tài)如圖2 所示。智能輔助行走器共有3 個(gè)直流電機(jī)、4 個(gè)伺服電機(jī)提供動(dòng)力，其中2 個(gè)直流電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)智能輔助行走器的移動(dòng)，另一個(gè)直流電機(jī)用于座椅升降模塊的驅(qū)動(dòng)，其中2個(gè)伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)升降電機(jī)模組，另外2 個(gè)伺服電機(jī)用于訓(xùn)練擺桿的驅(qū)動(dòng)。在2 個(gè)寬度調(diào)節(jié)扶手處分別布置了壓力傳感器，用于反饋信號(hào)。

圖1 行走訓(xùn)練時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)的形態(tài)

圖2 代步或休息時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)的形態(tài)

1.1 訓(xùn)練模塊

該模塊由直流電機(jī)、換向器、滑動(dòng)絲桿模組、寬度調(diào)節(jié)扶手和訓(xùn)練擺桿組成。滑動(dòng)絲桿模組由滑動(dòng)絲桿、直線導(dǎo)軌、鋁合金型材、滑座、聯(lián)軸器、光電開關(guān)等組成。腋下的寬度調(diào)節(jié)模塊由寬度調(diào)節(jié)扶手和與其相連的滑軌等組成。寬度調(diào)節(jié)扶手可根據(jù)每個(gè)人不同的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠起到支撐作用。

當(dāng)患者兩側(cè)腋下開始發(fā)力夾緊，位于寬度調(diào)節(jié)扶手左右兩端的DYMH-102 膜盒式荷重壓力傳感器產(chǎn)生信號(hào)。智能控制系統(tǒng)啟動(dòng)電機(jī)，通過滑動(dòng)絲桿模組傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)患者腋下的扶手向上移動(dòng)，從而托舉患者，幫助患者慢慢站起，同時(shí)座椅開始折疊。當(dāng)患者被托舉達(dá)到所需的高度時(shí)，訓(xùn)練擺桿剛好達(dá)到最低點(diǎn)[7]。然后通過扶手處傳感器控制啟動(dòng)，由訓(xùn)練模塊開始帶動(dòng)患者的雙腿在原地進(jìn)行慢慢擺動(dòng)訓(xùn)練，這樣可以緩解使用人員長(zhǎng)時(shí)間受到壓迫的背部肌肉群和臀部肌肉群，同時(shí)可以活動(dòng)腿部和腳部的關(guān)節(jié)和肌肉，能夠進(jìn)行安全且放松式的訓(xùn)練。

當(dāng)患者恢復(fù)一定行動(dòng)能力時(shí)，可以不使用訓(xùn)練擺桿，直接落地步行鍛煉，腋下扶手可提供一定的托舉力以減少患者腿部的支撐力量，防止二次傷害。

1.2 座椅折疊模塊

該模塊由座椅升降模組中的電動(dòng)缸提供動(dòng)力，通過連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)使座墊展開或折疊。座椅展開與折疊情況分別如圖1與圖2所示。

當(dāng)患者處于坐姿并準(zhǔn)備站起訓(xùn)練時(shí)，后面的電動(dòng)缸收縮、座墊折疊；當(dāng)患者處于訓(xùn)練并準(zhǔn)備坐下時(shí)，后面的電動(dòng)缸伸出、座墊展開，以達(dá)到空間的最大化利用。

1.3 移動(dòng)模塊

該模塊是由后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)模組、傳動(dòng)軸以及軸承等組成。后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)模組由直流電機(jī)和減速器組成。

減速器將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，達(dá)到一個(gè)合適的力矩和轉(zhuǎn)速，減速器輸出軸通過聯(lián)軸器與后輪相連，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)的效果。轉(zhuǎn)向時(shí)，左右兩電機(jī)進(jìn)行差速運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

該智能輔助行走器的功能流程如圖3所示。

圖3 功能流程

2 主要電機(jī)選型計(jì)算

2.1 移動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)

考慮到智能輔助行走器維修難度及成本等多方面客觀原因，有以下2種方案。

方案一：后輪轉(zhuǎn)向式。如圖4所示，在2個(gè)后輪上利用電機(jī)的差速進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，前面的2 個(gè)輪子用萬(wàn)向輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向輔助。

圖4 后輪轉(zhuǎn)向式

方案二：前輪轉(zhuǎn)向式。如圖5所示，在2個(gè)后輪進(jìn)行連軸傳動(dòng)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

圖5 前輪轉(zhuǎn)向式

2 種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：方案一的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但需要克服直接驅(qū)動(dòng)輪子的一系列問題，如電機(jī)轉(zhuǎn)速過高等問題，側(cè)重點(diǎn)在電器控制上的設(shè)計(jì)；方案二結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，需要添加較多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但在電器控制上較為簡(jiǎn)單，不符合功能設(shè)計(jì)。

綜合考慮電機(jī)性能、占用空間、質(zhì)量、成本等因素，最終確定為方案一，即采用后輪轉(zhuǎn)向式，由2個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)經(jīng)減速器降速后，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩（即驅(qū)動(dòng)力矩）傳遞給后輪，當(dāng)后輪的驅(qū)動(dòng)力矩大于阻力矩時(shí)，智能輔助行走器加速行駛；當(dāng)后輪的驅(qū)動(dòng)力矩小于阻力矩時(shí)，智能輔助行走器減速行駛。當(dāng)智能輔助行走器勻速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩與阻力矩平衡，則有：

式中：Tt為2 個(gè)直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；ηT為機(jī)械傳遞效率；r為后輪半徑；m為整車質(zhì)量；f為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；ua為車速；α為上坡坡度；CD為空阻系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；δ為智能輔助行走器質(zhì)量換算系數(shù)。

患者使用智能輔助行走器的路況應(yīng)為平坦路面，空氣阻力和爬坡阻力較小，相對(duì)地面摩擦阻力可忽略不計(jì)。所以，當(dāng)智能輔助行走器勻速行駛時(shí)，總阻力約等于地面摩擦阻力。

智能輔助行走器用于代步時(shí)的行駛速度設(shè)計(jì)為5～15 km/h，所需的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速可由以下公式計(jì)算得出。

式中：v1為智能輔助行走器勻速行駛速度；w1為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；i1為減速器減速比。

2.1.1 勻速直行時(shí)所需參數(shù)

根據(jù)上述智能輔助行走器車身骨架設(shè)計(jì)，估測(cè)智能輔助行走器空載質(zhì)量約為m車=50～60 kg；智能輔助行走器需能承載最大質(zhì)量m人=100 kg。所以，智能輔助行走器承載時(shí)最大質(zhì)量M總約為150 kg。

智能輔助行走器行駛在普通路面上時(shí)，摩擦力為輪胎與地面的滾動(dòng)摩擦力，摩擦因數(shù)為0.010～0.020，取最大值0.020。可計(jì)算地面摩擦阻力Ff為：

輔助行走器的后輪半徑設(shè)為0.15 m，外加齒輪箱減速比i1=10?？紤]功率傳遞損耗，取功率傳遞效率ηT=0.9。

根據(jù)公式（1）得單個(gè)電動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：

設(shè)智能輔助行走器平均行駛速度為12 km/h，即v=3.33 m/s，所需后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速應(yīng)為：

智能輔助行走器勻速直行時(shí)功率為：

確定各部分效率：聯(lián)軸器效率（1 對(duì)）η1=0.99，滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（1 對(duì)）η2=0.98，閉式齒輪傳動(dòng)效率（1對(duì)）η3=0.96。

傳動(dòng)裝置的總效率為：

所需電動(dòng)機(jī)功率為：

采用后輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)，需2 個(gè)電機(jī)差速轉(zhuǎn)向，故單側(cè)電機(jī)的功率等于總功率的1/2，則有：

綜上，為使智能輔助行走器在負(fù)載為100 kg 且勻速直行時(shí)行駛速度能達(dá)到15 km/h，所需單個(gè)電機(jī)扭矩為0.245 N·m，轉(zhuǎn)速為1330 r/min，功率為0.052 kW。

2.1.2 轉(zhuǎn)向時(shí)所需參數(shù)

當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)，智能行走輔助器一側(cè)的后輪不動(dòng)，另一側(cè)后輪工作，由2 個(gè)后輪提供動(dòng)力變成單個(gè)動(dòng)力，但是單個(gè)電機(jī)的負(fù)載也下降為原來(lái)的1/2。移動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 移動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)

由于智能輔助行走器載荷總質(zhì)量約為150 kg，在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)一個(gè)輪子固定不動(dòng)，另一個(gè)輪子提供動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向輪做功只需克服單邊所受的摩擦力，設(shè)單邊輪所受的重力為：

則單邊所受的摩擦力為：

輔助行走器的后輪半徑設(shè)為0.15 m，減速器減速比i1=10，取功率傳遞效率為0.9。

由式（1）得單個(gè)電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩為：

設(shè)2個(gè)后輪之間的距離約為1 m，其中一個(gè)后輪固定不動(dòng)，另一個(gè)后輪的轉(zhuǎn)向速度為2π rad/s，圓周速度v=2πr=2 m/s。

電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速：

電機(jī)功率為：

綜上，智能輔助行走器在轉(zhuǎn)向時(shí)為保證后輪的轉(zhuǎn)向速度為2π rad/s，所需電機(jī)的參數(shù)：轉(zhuǎn)矩為0.125 N·m，轉(zhuǎn)速為1273 r/min，功率為0.033 kW。

2.1.3 加減速時(shí)所需扭矩

由SolidWorks三維建模[8]得聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=3.3×10-7kg·m2，軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=1.316×10-6kg·m2，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3=7 892×10-6kg·m2。

將智能輔助行走器的移動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

智能輔助行走器移動(dòng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

設(shè)加速時(shí)間t=10 s，則電機(jī)加速度為：

根據(jù)角加速度與慣量之間的關(guān)系[9]可得加速扭矩為：

總扭矩為：

綜上，受到物體慣量的影響，該智能輔助行走器若在10 s 內(nèi)加速至最大速度，需要提供的加速扭矩為0.062 5 N·m，故此電機(jī)所需的扭矩應(yīng)大于0.31 N·m。

綜合各種使用情況下所需的電機(jī)參數(shù)，扭矩應(yīng)大于0.31 N·m，轉(zhuǎn)速應(yīng)大于1 330 r/min，功率應(yīng)大于55 W，最終確定移動(dòng)模塊的2 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均選用上海某公司生產(chǎn)的GC5 系列直流電機(jī)，型號(hào)DC5GU90-N-24-20s，具體參數(shù)如下：額定電壓為24 V；負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.378 N·m；負(fù)載轉(zhuǎn)速為1 590 r/min；額定功率為90 W；質(zhì)量為2.2 kg。

2.2 滑動(dòng)絲桿模組驅(qū)動(dòng)電機(jī)

2.2.1 自鎖性驗(yàn)算

升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生扭矩，驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，從而將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲桿螺母的直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樾枰z桿的自鎖屬性，故絲桿選用梯形螺紋。梯形螺紋的牙型角a=30°,固定方式為固定-固定結(jié)構(gòu)。

確定梯形絲桿的公稱直徑D=30 mm，導(dǎo)程P=10 mm，行程為1 200 mm，精度為C7級(jí)。

滑動(dòng)絲桿的自鎖條件[10]為螺旋升角小于當(dāng)量摩擦角p，梯形螺紋的當(dāng)量摩擦角為5°5′，螺旋升角λ為：

因?yàn)棣耍紁，所以該絲桿具有自鎖性。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算

假設(shè)此智能輔助行走器承載的患者的重力完全作用在扶手上且同時(shí)升降，即患者的重力G人=1000 N，作用于絲桿的軸向力為1 000 N，電機(jī)產(chǎn)生的扭矩需要能使絲桿產(chǎn)生向上大于1 000 N的力。

智能輔助行走器需要升降位移約1.2 m，假設(shè)升降的最大速度v3=50 mm/s=3 m/min。加減速時(shí)間為1 s，則最大加速度=0.05 m/s2。

絲桿產(chǎn)生的軸向推力用于克服導(dǎo)向塊的摩擦力和患者作用在絲桿上的力。

導(dǎo)向塊的摩擦力計(jì)算公式為：

導(dǎo)向塊潤(rùn)滑方式為油液潤(rùn)滑，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[10]摩擦因數(shù)u=0.25。

則摩擦力為：

絲桿需要輸出推力大小為：

因?yàn)樾枰档馁|(zhì)量包括患者在內(nèi)一共為150 kg，則產(chǎn)生加速度所需的力：

所以總推力為：

轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的扭矩為：

式中：T為絲桿輸入轉(zhuǎn)矩；F為絲桿進(jìn)給力；P為絲桿導(dǎo)程；η為絲桿效率。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩差距過小，故忽略不計(jì)。絲桿的導(dǎo)程為10 mm，最大升降速度為3 m/min，則絲桿的旋轉(zhuǎn)速度n3=300 r/min。

故需要輸入的扭矩為5 N·m，輸入轉(zhuǎn)速為300 r/min。絲桿輸出功率為：

考慮到軸承、絲桿及其他效率損耗，給予安全系數(shù)為2。

選擇電機(jī)加減速器的形式增大輸出轉(zhuǎn)矩，選擇減速器傳動(dòng)比i2=10。

則所需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速：

扭矩為：

滑動(dòng)絲桿模組采用雙側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所需電機(jī)扭矩為0.25 N·m。

綜上所述，確定滑動(dòng)絲桿模組選用的2 個(gè)伺服電機(jī)及2 個(gè)減速器型號(hào)如下：減速器為浙江某公司的60JB 平行減速器，減速比為1∶10；伺服電機(jī)為廣州某公司的ASHM60L 無(wú)刷伺服電機(jī)，輸入電壓為DC24/48 V，功率為100 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定扭矩為0.33 N·m。

3 座椅升降模組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

座椅折疊結(jié)構(gòu)主要由1個(gè)電動(dòng)推缸、連桿機(jī)構(gòu)和1個(gè)座椅組成。如圖7～8 所示，連桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)，有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，1個(gè)滑動(dòng)副。根據(jù)該智能輔助行走器的尺寸規(guī)格，各桿的長(zhǎng)度（mm）及角度如圖7所示。

圖7 折疊狀態(tài)

圖8 工作狀態(tài)

自由度F=3n-2PL-Ph=1，故該連桿機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)[11]。

由SolidWorks 三維設(shè)計(jì)得運(yùn)動(dòng)前后的數(shù)據(jù)如表1～2所示。

表1 移動(dòng)副長(zhǎng)度變化 mm

表2 轉(zhuǎn)動(dòng)副角度變化（°）

根據(jù)上述數(shù)據(jù)得出，該智能輔助行走器電動(dòng)推缸的行程應(yīng)為230 mm。

4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足患者需求和應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，本設(shè)計(jì)使用了以STM32 芯片為核心的具有多種功能的系統(tǒng)。STM32 系列產(chǎn)品基于超低功耗的ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核，整合增強(qiáng)的技術(shù)和功能，瞄準(zhǔn)的是超低成本預(yù)算的應(yīng)用[12]。

該系列微控制器縮短了采用8 位和16 位微控制器的設(shè)備與采用32位微控制器的設(shè)備之間的性能差距，能夠在經(jīng)濟(jì)型用戶終端產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)且復(fù)雜的功能[12]。智能控制系統(tǒng)包含緊急呼救、伸縮座椅和扶手調(diào)整的按鍵實(shí)現(xiàn)功能。傳感器模塊用于產(chǎn)生信號(hào)，并輸出信號(hào)給STM32F103 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)或藍(lán)牙動(dòng)作。智能控制的實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

圖9 智能控制的實(shí)現(xiàn)

4.1 傳感器模塊

緊急呼救部分使用一個(gè)緊急按鈕連接到STM32 芯片的一個(gè)GPIO口上，當(dāng)按鈕按下時(shí)觸發(fā)傳感器模塊中的壓力傳感器，GPIO 口會(huì)檢測(cè)到高電平信號(hào)，STM32芯片會(huì)通過中斷程序進(jìn)行處理[4]。在中斷程序中，可以根據(jù)患者的具體需求執(zhí)行一系列緊急處理程序，如觸發(fā)一個(gè)警報(bào)、向指定號(hào)碼發(fā)送短信或撥打電話等。

通信模塊使用無(wú)線通信藍(lán)牙模塊，一個(gè)相應(yīng)的接口將通信模塊連接到STM32芯片，STM32芯片使用其中一個(gè)接口連接通信模塊。編寫一個(gè)發(fā)送函數(shù)和一個(gè)接收函數(shù)，分別用于將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信模塊和從通信模塊接收數(shù)據(jù)。

當(dāng)智能輔助行走器處于代步功能移動(dòng)時(shí)，采用超聲波傳感器監(jiān)測(cè)周圍障礙物[13]。超聲波模塊的基礎(chǔ)是超聲波測(cè)距，本設(shè)計(jì)使用的測(cè)距模塊是單發(fā)雙接收發(fā)超聲波裝置，定位裝置由發(fā)射超聲波模塊、接收超聲波模塊和供電電路組成。發(fā)射超聲波模塊將VCC和GND接入系統(tǒng)電源即可發(fā)送出6 個(gè)50 Hz 的方波信號(hào)，再利用2 個(gè)接收模塊接收方波信號(hào)，通過聲音信號(hào)引腳S和光信號(hào)引腳L即可將信號(hào)傳送給單片機(jī)處理，從而更精準(zhǔn)地判斷使用者的距離，提高輔助行走器的安全性，保護(hù)使用者的安全[14]。

4.2 傳感器握力剎車功能

在智能輔助行走器操作過程中，需要通過傳感器獲取多元的環(huán)境信息[15]。智能輔助行走器采用陀螺儀傳感器和壓力傳感器來(lái)測(cè)量行走器的重心位置和壓力分布，用于控制行走器的平衡和步態(tài)控制。

設(shè)患者的握力大約為0～300 N，通過在智能康復(fù)訓(xùn)練行走器的扶手上增加DYMH-102 膜盒式荷重壓力傳感器計(jì)算患者在訓(xùn)練時(shí)抓住扶手的力。當(dāng)患者由于遇到突發(fā)情況而緊張使握住扶手的壓力增大到規(guī)定的數(shù)值時(shí)，壓力傳感器發(fā)出反饋信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)智能地發(fā)出指令使電機(jī)安全減速。

智能輔助行走器采用加速度傳感器測(cè)量加速度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)速度，通過患者的恢復(fù)情況設(shè)定該行走器的安全速度值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步安全的訓(xùn)練[16]。

握力剎車系統(tǒng)壓力傳感器分布如圖10 所示。握力檢測(cè)剎車功能由安裝在寬度調(diào)節(jié)扶手左右端的DYMH-102 膜盒式荷重壓力傳感器、STM32F103 芯片和連接剎車的制動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖10 握力剎車系統(tǒng)壓力傳感器分布

壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)患者的握力，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，如速度過快或者下坡由于慌張忘記制動(dòng)時(shí)，患者的第一反應(yīng)是緊握扶手，此時(shí)由于超過壓力傳感器設(shè)置的壓力值，傳感器發(fā)出信號(hào)到STM32F103 芯片處理輸出高脈沖信號(hào)給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)收到信號(hào)使得智能輔助行走器及時(shí)剎車，保障患者安全。握力剎車控制流程如圖11所示。

圖11 握力剎車控制流程

5 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

5.1 扶手仿真分析

扶手除需要支撐患者所施加的重力外，還需承受患者在訓(xùn)練過程中因沖擊產(chǎn)生的握力，這些力的大小往往具有不確定性，且作用次數(shù)頻繁，易使扶手產(chǎn)生疲勞破壞。參考不同年齡段的人手部握力變化趨勢(shì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出在20～70歲年齡段的人握力為320～450 N[17]，取患者由于沖擊產(chǎn)生的握力為450 N，患者的質(zhì)量為100 kg，則可得作用在扶手上的力為1 450 N。

采用SolidWorks Simulation 進(jìn)行有限元分析[18]，將1 450 N 的力施加在扶手零件上，并將扶手與扶手移動(dòng)裝置的連接處看成剛體去研究。選取304 不銹鋼作為測(cè)試材料[19]，生成扶手處應(yīng)力和變形如圖12～13 所示。由圖可知，采用304 不銹鋼作為扶手的材質(zhì)能夠承受來(lái)自患者施加的力，雖然在扶手連接處有較大的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為1.6×105N/m2，但是遠(yuǎn)小于不銹鋼材料的屈服載荷2.1×108N/m2，不會(huì)對(duì)智能輔助行走器的安全性能造成影響，且變形小、安全系數(shù)高。

圖12 扶手應(yīng)力圖

圖13 扶手變形圖

5.2 座椅仿真分析

座椅是智能輔助行走器的重要支撐裝置，為保證患者的安全性，將實(shí)驗(yàn)余量放大50%，即患者的體重和隨身物品加起來(lái)的質(zhì)量大約為125 kg，實(shí)驗(yàn)取180 kg。座椅也采用304 不銹鋼材質(zhì)，座椅應(yīng)力和變形如圖14～15所示。由圖14 可知，采用304 不銹鋼材料的座椅也能承受實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，并在連接處有較大的應(yīng)力集中，但都遠(yuǎn)小于屈服載荷。由圖15可知，座椅的變形量微小，不會(huì)對(duì)智能輔助行走器使用安全造成影響。

圖14 座椅應(yīng)力圖

圖15 座椅變形圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練中存在的問題進(jìn)行了分析，通過SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)了一款在康復(fù)訓(xùn)練與休息、代步之間可以相互轉(zhuǎn)換的智能輔助行走器。進(jìn)行了電機(jī)的選型、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)扶手和座墊進(jìn)行了有限元分析。智能輔助行走器的控制模塊是實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練的關(guān)鍵，通過控制器、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊的有機(jī)組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)行走器的控制和監(jiān)測(cè)。根據(jù)傳感器反饋的信息，可以智能調(diào)節(jié)智能輔助行走器的扶手高度和訓(xùn)練擺桿的角度，如根據(jù)身高確定扶手的高度等，以使患者得到最好的使用感受，提高康復(fù)效果，實(shí)現(xiàn)了安全性、可操作性等多功能需求。