老人辅助站立及移位机系统

1、老人辅助站立及移位机系统摘要在现实中，有下肢运动障碍的老人占有很大比重。护理这些老人具有很大难度，特别是在床和轮椅之间的移位加大了医护人员的劳动强度。因此本课题针对下肢肌力不足老年人的需求，面向公共养老机构或家庭，开发和研制老年人使用的低成本辅助站立及移位的低成本设备，为老年人提供辅助站立、身体移位和站立康复训练的护理服务。起坐困难是体弱的老年人必须面对的日常生活问题。起坐方式的确定、辅助站立机构的人性化设计以及安全保护是本项目需要解决的主要技术难点之一。有下肢运动障碍的老年在站立时都很缓慢，辅助站立移位机的控制系统必须保证整个设备在运行过程中的柔顺性，安全性和可靠性。因此，编写具有柔顺性、可

2、靠性的控制算法是本项目的技术难点之二。老年人辅助站立及移位机采用自动控制、人机工程学等先进技术。本课题研发集老年人辅助站立、位置转移以及站立康复训练于一体的高技术产品，为患有下肢活动障碍的老年人提供辅助站立以及站立训练，床和轮椅之间、卧室和浴室之间的自由移位等多种护理服务。在满足简单实用、安全可靠、轻便等要求的基础上，机械系统需要拥有保证老年人的辅助站立时平稳的提升/下降、转运等动作功能。整个控制系统应在实现基本功能的基础上，具有安全、稳定、可靠的性能，并需要考虑在断电情况下的紧急制动情况。此外，本课题仍需要研制集成的辅助站立及移位机原理样机，需要进行实验验证其功能的可靠性、安全性评估，实现产

3、品的示范应用及定型。我们的创新点在于：提出一种适用于老年人的辅助站立与移位为一体的助老设备，该设备具有新型、实用和低成本的特点，为老年的辅助站立和移位提出一种解决方案；但本课题的核心是辅助站立移位机的控制系统必须保证整个设备在运行过程中的柔顺性，安全性和可靠性。关键词：辅助站立；位置转移；站立康复训练；自动控制；人机工程学。AbstractNowadays,theelderlywithlowerlimbmovementdisorderaccountforalargeproportion.Takingcareoftheelderlyisgreatdifficult,especiallymovin

4、gthembetweenbedandwheelchair,whichincreasedthelaborintensityofthemedicalpersonnel.Therefore,thetaskoftheelderlywithlowerlimbmusclestrengthisdemandedbypublicpensioninstitutionsorfamily.Theinventionanddevelopmentofthelow-costequipmentwhichcanassisttheelderlystandingandwalkingareexactlywhattheywant.Sit

5、tingdifficultistheproblemtheelderlymustfaceindailylife.Thewaytheystand,auxiliarystandingmechanismofhumanizeddesignandsafetyprotectionareproblemsthatthetaskneedstosolve.Theelderlywithlowerlimbmovementdisorderalwaysstandveryslow.Auxiliarystandingcontrolsystemmustensurethattheequipment,intheprocessofco

6、mpliance,safetyandreliability.Therefore,keepingtheprogramfromaccidentsisoneofthetechnicaldifficultiesinthetask.Theelderlystandingandshiftmachineadoptsautomaticcontrolling,ergonomicsandotheradvancedtechnology.Itisinventedasaincorporateproductwhichcanassisttheelderlyinstanding,walkingexercise,andshift

7、ingfromaroomtoanother.Basedonreliable,safetyandlightweight,thesystemneedstomakesurethefunctionsrunningsmoothly.Oncethebatteryhaswornout,themachineshouldbeabletokeeptheownersafe.Besides,asampleisalsoneededtoassessthereliabilityandthesecurity,andcheckoutthefunctions.Ourinnovationliesinputtingforwardar

8、eliable,incorporateequipment,whichcanassisttheelderlyinstandingandshifting.Theequipmentisnew,practicalandlowcostcharacteristics,anditsalsoanewsolutionfortheelderly.Auxiliarystandingtransfermachinecontrolsystemmustensurethattheequipment,intheprocessofcompliance,safetyandreliability.Keywords:auxiliary

9、stand;positiontransfer;standingrehabilitationtraining;automaticcontrol;ergonomics.目录第一章绪论11 .项目目标与任务需求分析11.1 项目目标11.2 任务需求分析12 .项目主要技术难点、重点和创新点23 .国内外现状2第二章研究内容31 .辅助站立及移位机机械系统设计32 .辅助站立及移位机控制系统设计33 .人机工程学设计44 .系统样机的可靠性、安全性研究4第三章技术路线41 .工作原理42 .辅助站立及移位机机械系统设计53 .辅助站立及移位机控制系统设计64 .人机工程学研究8第四章创新点10第五章

10、预期目标10第一章绪论1 .项目目标与任务需求分析1.1 项目目标由于下肢肌力不足，很多老年人不能像正常人一样站立和坐下。在现实中，这类有下肢运动障碍的老人拥有庞大的人群，特别是在床和轮椅之间的移位也加大了护理医护人员的劳动强度。本课题针对下肢肌力不足老年人的需求，面向公共养老机构或家庭，开发和研制老年人使用的低成本辅助站立及移位的低成本设备，为老年人提供辅助站立、身体移位和站立康复训练的护理服务产品。1.2 任务需求分析当前，我国已经步入了老龄化社会，60岁以上人口已经超过了1.49亿，占全国人口的11%。据估计，从2020年开始，中国将步入严重老龄化阶段。2050年，中国将步入超高老龄化国

11、家行列，60岁以上人口将占到人口总数的30%。人口的老龄化对劳动力市场、医疗资源、社会保障等社会诸多方面带来巨大压力。由于社会、经济的转型、急速增长的老龄人口使得家庭养老功能弱化，急需养老院、福利院等公共养老机构，但老人服务行业和服务产品发展相对滞后，难以满足庞大的老年人群的服务需求。全国约有1400多万老年人要求进入老年福利机构养老，无论在养老院或家庭，具有下肢运动障碍的老年人的坐姿与站姿转换，移位都是一个难题。目前，辅助站立及移位设备在国外已有研究并出现了一些产品，但价格昂贵，国内用户很难承受。国内也有少量类似产品问世但缺乏人性化考虑，使用不方便，很难推广。总之，而目前市场上这类能降低护理

12、人员劳动强度的设备远远不能满足需要，且功能过于单一、自动化水平和安全质量问题亟待解决。因此，从我国社会养老服务的实际需求出发，开发老年人辅助站立移位机系统能够切实提高具有下肢运动障碍的老年人的生存质量，让他们感受到社会的关爱，实现我国2015年“人人享有康复服务”的国家战略目标和社会协调发展。解决人口老龄化等带来的重大社会服务问题。2 .项目主要技术难点、重点和创新点(1)人性化的辅助站立机构优化设计研究起坐是体弱的老年人必须面对的日常生活问题。起坐方式的确定、辅助站立机构的人性化设计以及安全保护是本项目需要解决的主要技术难点之一。新颖、实用、低成本的辅助站立移位机构设计是本项目的创新点之一。

13、(2)柔顺化的辅助站立控制算法研究有下肢运动障碍的老年在站立时都很缓慢。辅助站立移位机的控制系统必须保证整个设备在运行过程中的柔顺性，安全性和可靠性。因此，编写具有柔顺性、可靠性的控制算法是本项目的技术难点之一。3.国内外研究现状国外发达国家在老年人、残疾人护理方面研究起步较早，具有较高的水平，也出现了一些高技术产品。美国弗吉尼亚大学在2001年提出了一种叫做PersonalMobilityAid的装置，如图1所示是一种三轮的智能型辅助站立及步行支持机，该系统加装了各种传感器如激光测距仪、红外传感器等用于运动中避障。图1弗吉尼亚大学的PersonalMobilityAid系统麻省理工学院在20

14、03年提出了著名的PAM源统，如图2所示，包括智能型步行支持机和SmartCane两套装置。该系统利用力觉传感器作为主要的输入接口，驱动系统底部的主动轮，可以实现帮助使用者行走的功能。图2美国麻省理工学院的PAMMSmartCan解口SmartWalker系统由于一些国家的法律规定主动式机器不能随意使用，因此一些研究者发明了被动式智能辅助站立及步行支持机，主要代表为日本东北大学Hirata等人提出的RTWalker系统。该系统利用被动式的车闸调节机器人的动力学特性，具有防止操作者跌倒的功能。图3日本东北大学的RTWalker系统由于步行支持机一般体积大、重量也大，不便携带以及在狭窄空间运动，一

15、些研究者也提出了小型化版本一一智能拐杖系统。如上所述，麻省理工学院提出的PAM陈统中就包含有SmartCane智能拐杖系统。但是SmartCane不能实现任意全向运动，为改进这个不足，项目组主要成员黄剑博士和日本的福田敏男教授在名古屋大学于2007年底提出并设计了智能全方向拐杖系统，图3所示。图3日本名古屋大学的IntelligentCane系统目前国内销售的产品，大多代理国外品牌，在技术方面没有自主知识产权，缺少核心竞争力。目前，我国辅助站立及移位产品的总体水平和应用规模方面落后于西方发达国家，尤其是人性化、实用化的产品还未看到，因此，开发辅助站立及移位机系统意义重大。第二章研究内容本课题是

16、研制老年人使用的辅助站立及移位的低成本设备，为老年人提供辅助站立、身体移位和站立康复训练的护理服务产品。老年人辅助站立及移位机采用自动控制、人机工程学等先进技术，研发集老年人辅助站立、位置转移以及站立康复训练于一体的高技术产品，为患有下肢活动障碍的老年人提供辅助站立以及站立训练，床和轮椅之间、卧室和浴室之间的自由移位等多种护理服务。主要研究内容如下：1 .辅助站立及移位机机械系统设计在满足简单实用、安全可靠、轻便的基础上，机械系统需要完成老年人的辅助站立时平稳的提升/下降、转运等动作功能。其中，老年人的提升/下降动作通过电机驱动的滚珠丝杠来实现，同时，为保证系统的安全性，需要在升降机构上增加机

17、械限位机构。止匕外，辅助站立及移位机的底部安装有带有锁定功能的低阻安全脚轮，低阻力的设计使移位过程更加平稳灵活，减轻了护理人员的负担。所要研究的内容有：(1)基于虚拟仿真技术的人体重心和重量分布的研究；(2)辅助站立、转运移位等功能的实现；(3)基于人机工程学的机构设计与优化。2 .辅助站立及移位机控制系统设计整个控制系统应能够辅助站立及移位机在实现功能的基础上，具有安全、稳定、可靠的性能，并需要考虑在断电情况下的紧急制动。需要采用高性能的伺服控制器和硬件系统，并开发具有运动柔顺性的控制算法。主要研究内容有：(1)低成本、小型化的嵌入式基于高性能电机伺服控制器的硬件集成控制系统硬件集成;(2)

18、具有运动柔顺性的控制算法研究；(3)系统安全和稳定性的研究。3 .人机工程学设计在实现运动功能的基础上，综合老年人心理学、生物力学、人体测量学等内容，设计高舒适度的辅助站立及移位机把手、安全提升带、护腿安全垫及满足护理人员操作习惯控件布局设计。按照中国人的身高统计学数据，辅助站立及移位机的尺寸应该具有普遍适用性，通过建立的三维人体模型和虚拟样机模型进行计算机仿真分析，保证辅助站立及移位机符合人机工程学的要求，保证产品的安全舒适性。通过问卷调查研究老人以及护理人员的心理需求，设计符合其审美的外观色彩方案，提高产品的品质。研究内容包括：(1)老年人心理学、人体测量学等方面的研究；(2)辅助站立及移

19、位机的外观造型、色彩搭配设计；(3)辅助站立及移位机使用舒适性评价。4 .系统样机的可靠性、安全性研究研制集成的辅助站立及移位机原理样机，需要进行实验验证其功能的可靠性、安全性评估，实现产品的示范应用及定型。主要研究内容有：(1)辅助站立及移位机原理样机的实验验证；(2)辅助站立及移位机的示范应用及产品定型。第三章设计路线1.工作原理(1)老人坐在床上，护理人员把辅助站立及移位机推到合适的位置，如图6中左图；(2)把安全带从老年人的双臂下穿过，通过安全带对老年人进行保护，老人伸出双手握住辅助站立及移位机的两个把手；(3)护理人员控制辅助站立及移位机进行提升，使得老年人由坐姿转换成站姿，如图6中

20、右图所示。在辅助老人站立时，辅助站立及移位机的脚轮处于锁定状态，当老人处于站姿时，护理人员解除脚轮的锁定，可以把老人移动到想到达的地方。辅助站立及移位机可以简便地将老人在轮椅、床上、浴室、马桶、餐桌、汽车座椅间移位，移位快速安全省时省力，增加了老人在移位时的舒适和安全感，减轻了护理人员的负担，增加了老人外出的意愿，扩大了活动范围，并维护了老人的尊严。2.辅助站立及移位机机械系统设计机械系统在设计中，主要解决辅助站立、移位、安全保护等功能的实现、参数优化等方面的要求，在设计过程中遵循的设计路线如图7所示:结构功能的确定基于统计学的身高、体重分析*整体方案方案的确定结构的初步设计三维仿真建模分析基

21、于人体工效学的结构优化设计结构确定图7机械结构设计路线图(1)人体重心和重量分布的研究人体从坐姿转换成站姿时时，人体的中心处于变化中，身体各个部分的重量分布也是不同，因此在辅助老人由坐姿转换成站姿，或者身体移位的过程中，需要基于虚拟仿真技术人体重心和重量分布进行研究。在人体运动生理学等理论研究的基础上，考虑不同的人体身高、体型、体重，采用计算机三维建模技术，仿真分析人体坐姿和站姿转换中的重心和重量分布，为辅助站立及移位机的机械结构受力分析、电机选型和结构优化提供依据。(2)辅助站立和移位等功能实现方式的研究辅助站立及移位机完成辅助老人站立、移位等功能。在实现辅助站立的功能时，必须提供向上提升的

22、动作，并且有安全限位装置。在实现移位的功能时，辅助站立及移位机的脚轮必须可以安全锁定，为了移动时安全平稳，脚轮必须有高阻抗特性。整体升降功能拟采用丝杠进行运动传递，并配合限位机构，从而实现任意位置可调。辅助站立及移位机的底部安装高阻抗特性的万向脚轮，方便了移动，同时应考虑到扶手、安全带等安全辅助机构，满足用户的需求。在设计的过程中，应充分考虑实际操作过程中的具体参数，使得结构的设计尺寸和性能能够较好的满足老人对站立和移位功能的需求。止匕外，还应该考虑到不同使用人群身高、体重等生理参数，从而满足不同人群的需求。(3)机械结构的优化设计辅助站立及移位机在满足运动功能的情况下，应该最大限度的满足老人

23、和护理人员对舒适性和实用性的要求，因此需要通过基于人机工程学对整体的结构进行优化，从而实现良好的使用效果。在结构设计的过程中，应考虑到机构运动的刚度和稳定性、噪声、震动等多问题，从而达到良好的使用效果。3.辅助站立及移位机控制系统设计控制系统的设计主要解决高性能的伺服控制器和硬件系统的集成，具有运动柔顺性的控制算法的研究以及在断电等特殊情况下的制动等问题，在设计过程中的主要技术路线如图8所示：控制方式的确定系统稳定性分析运动方式的确定图8控制系统设计的技术路线图(1)控制系统的整体设计为了降低系统成本，减少传感器的使用，我们对整个控制系统设计提出了更高的要求。整个控制系统的整体设计如图9所示。

24、集成的电机控制器必须具备位置控制、速度控制和电流控制的功能。通过位置控制我们能够控制电机提升。通过速度控制，我们可以对运动优化，使电机的启动、运行和刹车更加的平稳，减少运行过程中的晃动和冲击，从而提高舒适性。通过电流控制，我们可以实时调节运动中力的输出，对运动过程进行电流安全监控，避免障碍物对设备造成破坏。24澹电池充电器或220V插座操作按钮嵌入式控制器起坐/重心控制图9控制系统整体图(2)具有运动柔顺性的控制算法的研究在辅助老人站立过程中，对电机的控制应该具有一定的柔顺性，以保证老人的安全性和舒适性。由于在运动过程中，老人施加在辅助站立及移位机上的力是随着老人身体的位置和姿态以及重心的移动，随时在变化着，因此不但需要对电机的速度进行控制，还应该研究相应的控制算法对电机的加速度进行控制，以保证运动的柔顺性。为了使老年人在站立过程中舒适、平缓，必须对控制系统进行运动学优化，严格控制运动的加速度和最高速度，使其具备较软的机械特性。(3)系统稳定性的研究控制系统除了能够实现基本的运动功能外，还在安全可靠方面提出了更高的要求。为了防止由于误操作而导致老年人受到伤害，控