智能輔助行走器結構和控制研究*

徐亞芬，張 華，喻凌峰，馬國棟，李媛媛，羅檸鋒

（廣東科技學院機電工程學院，廣東東莞 523083）

0 引言

中國殘疾人聯合會發布的數據顯示，目前我國殘疾人總人數超過8 500 萬，其中肢體殘疾人數近2 500 萬，2021 年期間得到康復服務的持證殘疾人中肢體殘疾人數為407萬[1]。我國殘疾人康復需求主要表現為醫療服務與救助、輔助器具、康復訓練與服務和貧困殘疾人救助[2]。由于這些患者在進行康復訓練時存在需要醫護人員輔助、占用他人時間、耗費他人體力等問題，急需一款智能康復行走器解決以上痛點。

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器人Exo-H3，它可以通過存儲有關實驗的步態數據模擬人類的行走，幫助下肢功能不便的患者，開展幫助行走和康復訓練[4]，但是這種機器人需要定制，通用性差，成本高。輪椅代步方式成本較低，在市場上較為通用，但不夠智能，對下肢恢復有一定的影響[5]，由于久坐不利于下肢的康復，易形成下肢靜脈血栓，出現下肢無力、疼痛和麻木等癥狀[6]。

本文針對現有市場上輔助行走裝置存在的問題，設計一種能夠安全獨立操作，可在康復訓練和休息及代步之間進行轉換的智能輔助行走器，滿足患者在康復訓練過程中可隨時根據自己意愿進行休息或代步的需求，有助于提高患者訓練的信心，幫助患者更加有效地進行下肢康復訓練，達到預期的康復訓練效果。

1 總體結構和功能

智能輔助行走器的總體結構由訓練模塊、座椅折疊模塊、移動模塊3個模塊組成。

智能輔助訓練行走器可承受人體最大質量100 kg，其機械結構如圖1 所示。圖1 顯示的是行走訓練時的形態，代步或休息時的形態如圖2 所示。智能輔助行走器共有3 個直流電機、4 個伺服電機提供動力，其中2 個直流電機用于驅動智能輔助行走器的移動，另一個直流電機用于座椅升降模塊的驅動，其中2個伺服電機用于驅動升降電機模組，另外2 個伺服電機用于訓練擺桿的驅動。在2 個寬度調節扶手處分別布置了壓力傳感器，用于反饋信號。

圖1 行走訓練時機械結構的形態

圖2 代步或休息時機械結構的形態

1.1 訓練模塊

該模塊由直流電機、換向器、滑動絲桿模組、寬度調節扶手和訓練擺桿組成?；瑒咏z桿模組由滑動絲桿、直線導軌、鋁合金型材、滑座、聯軸器、光電開關等組成。腋下的寬度調節模塊由寬度調節扶手和與其相連的滑軌等組成。寬度調節扶手可根據每個人不同的寬度進行調節，同時能夠起到支撐作用。

當患者兩側腋下開始發力夾緊，位于寬度調節扶手左右兩端的DYMH-102 膜盒式荷重壓力傳感器產生信號。智能控制系統啟動電機，通過滑動絲桿模組傳動，驅動患者腋下的扶手向上移動，從而托舉患者，幫助患者慢慢站起，同時座椅開始折疊。當患者被托舉達到所需的高度時，訓練擺桿剛好達到最低點[7]。然后通過扶手處傳感器控制啟動，由訓練模塊開始帶動患者的雙腿在原地進行慢慢擺動訓練，這樣可以緩解使用人員長時間受到壓迫的背部肌肉群和臀部肌肉群，同時可以活動腿部和腳部的關節和肌肉，能夠進行安全且放松式的訓練。

當患者恢復一定行動能力時，可以不使用訓練擺桿，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缸提供動力，通過連桿機構傳動使座墊展開或折疊。座椅展開與折疊情況分別如圖1與圖2所示。

當患者處于坐姿并準備站起訓練時，后面的電動缸收縮、座墊折疊；當患者處于訓練并準備坐下時，后面的電動缸伸出、座墊展開，以達到空間的最大化利用。

1.3 移動模塊

該模塊是由后輪驅動電機模組、傳動軸以及軸承等組成。后輪驅動電機模組由直流電機和減速器組成。

減速器將電機的轉矩和速度進行轉換，達到一個合適的力矩和轉速，減速器輸出軸通過聯軸器與后輪相連，以達到驅動的效果。轉向時，左右兩電機進行差速運動即可實現轉向。

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 主要電機選型計算

2.1 移動模塊驅動電機

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：后輪轉向式。如圖4所示，在2個后輪上利用電機的差速進行轉彎，前面的2 個輪子用萬向輪進行轉向輔助。

圖4 后輪轉向式

方案二：前輪轉向式。如圖5所示，在2個后輪進行連軸傳動，用電機驅動前輪進行轉向。

圖5 前輪轉向式

2 種方案的優缺點：方案一的驅動結構比較簡單，但需要克服直接驅動輪子的一系列問題，如電機轉速過高等問題，側重點在電器控制上的設計；方案二結構上較為復雜，需要添加較多的傳動機構，但在電器控制上較為簡單，不符合功能設計。

綜合考慮電機性能、占用空間、質量、成本等因素，最終確定為方案一，即采用后輪轉向式，由2個直流電機驅動。

電機經減速器降速后，將旋轉運動和轉矩（即驅動力矩）傳遞給后輪，當后輪的驅動力矩大于阻力矩時，智能輔助行走器加速行駛；當后輪的驅動力矩小于阻力矩時，智能輔助行走器減速行駛。當智能輔助行走器勻速行駛時，驅動力矩與阻力矩平衡，則有：

式中：Tt為2 個直流電機輸出轉矩；ηT為機械傳遞效率；r為后輪半徑；m為整車質量；f為滾動摩擦因數；ua為車速；α為上坡坡度；CD為空阻系數；A為車輛迎風面積；δ為智能輔助行走器質量換算系數。

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

智能輔助行走器用于代步時的行駛速度設計為5～15 km/h，所需的電機輸出轉速可由以下公式計算得出。

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

2.1.1 勻速直行時所需參數

根據上述智能輔助行走器車身骨架設計，估測智能輔助行走器空載質量約為m車=50～60 kg；智能輔助行走器需能承載最大質量m人=100 kg。所以，智能輔助行走器承載時最大質量M總約為150 kg。

智能輔助行走器行駛在普通路面上時，摩擦力為輪胎與地面的滾動摩擦力，摩擦因數為0.010～0.020，取最大值0.020?？捎嬎愕孛婺Σ磷枇f為：

輔助行走器的后輪半徑設為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。

根據公式（1）得單個電動機所需轉矩為：

設智能輔助行走器平均行駛速度為12 km/h，即v=3.33 m/s，所需后輪驅動電機的平均轉速應為：

智能輔助行走器勻速直行時功率為：

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

傳動裝置的總效率為：

所需電動機功率為：

采用后輪驅動轉向的結構，需2 個電機差速轉向，故單側電機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載為100 kg 且勻速直行時行駛速度能達到15 km/h，所需單個電機扭矩為0.245 N·m，轉速為1330 r/min，功率為0.052 kW。

2.1.2 轉向時所需參數

當轉向時，智能行走輔助器一側的后輪不動，另一側后輪工作，由2 個后輪提供動力變成單個動力，但是單個電機的負載也下降為原來的1/2。移動模塊結構如圖6所示。

圖6 移動模塊結構

由于智能輔助行走器載荷總質量約為150 kg，在作轉向運動時一個輪子固定不動，另一個輪子提供動力進行轉向，轉向輪做功只需克服單邊所受的摩擦力，設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）得單個電動機所需的轉矩為：

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

電機所需的轉速：

電機功率為：

綜上，智能輔助行走器在轉向時為保證后輪的轉向速度為2π rad/s，所需電機的參數：轉矩為0.125 N·m，轉速為1273 r/min，功率為0.033 kW。

2.1.3 加減速時所需扭矩

由SolidWorks三維建模[8]得聯軸器轉動慣量J1=3.3×10-7kg·m2，軸轉動慣量J2=1.316×10-6kg·m2，后輪轉動慣量J3=7 892×10-6kg·m2。

將智能輔助行走器的移動慣量轉換為轉動慣量：

智能輔助行走器移動總的轉動慣量：

設加速時間t=10 s，則電機加速度為：

根據角加速度與慣量之間的關系[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，故此電機所需的扭矩應大于0.31 N·m。

綜合各種使用情況下所需的電機參數，扭矩應大于0.31 N·m，轉速應大于1 330 r/min，功率應大于55 W，最終確定移動模塊的2 個驅動電機均選用上海某公司生產的GC5 系列直流電機，型號DC5GU90-N-24-20s，具體參數如下：額定電壓為24 V；負載轉矩為0.378 N·m；負載轉速為1 590 r/min；額定功率為90 W；質量為2.2 kg。

2.2 滑動絲桿模組驅動電機

2.2.1 自鎖性驗算

升降驅動電機產生扭矩，驅動絲桿旋轉，從而將電機軸的旋轉運動轉換為絲桿螺母的直線運動。因為需要絲桿的自鎖屬性，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-固定結構。

確定梯形絲桿的公稱直徑D=30 mm，導程P=10 mm，行程為1 200 mm，精度為C7級。

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

因為λ＜p，所以該絲桿具有自鎖性。

2.2.2 驅動電機選型計算

假設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，電機產生的扭矩需要能使絲桿產生向上大于1 000 N的力。

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

絲桿產生的軸向推力用于克服導向塊的摩擦力和患者作用在絲桿上的力。

導向塊的摩擦力計算公式為：

導向塊潤滑方式為油液潤滑，查機械設計手冊[10]摩擦因數u=0.25。

則摩擦力為：

絲桿需要輸出推力大小為：

因為需要升降的質量包括患者在內一共為150 kg，則產生加速度所需的力：

所以總推力為：

轉換成相應的扭矩為：

式中：T為絲桿輸入轉矩；F為絲桿進給力；P為絲桿導程；η為絲桿效率。

啟動轉矩相對于負載轉矩差距過小，故忽略不計。絲桿的導程為10 mm，最大升降速度為3 m/min，則絲桿的旋轉速度n3=300 r/min。

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

考慮到軸承、絲桿及其他效率損耗，給予安全系數為2。

選擇電機加減速器的形式增大輸出轉矩，選擇減速器傳動比i2=10。

則所需要的驅動電機轉速：

扭矩為：

滑動絲桿模組采用雙側電機驅動，所需電機扭矩為0.25 N·m。

綜上所述，確定滑動絲桿模組選用的2 個伺服電機及2 個減速器型號如下：減速器為浙江某公司的60JB 平行減速器，減速比為1∶10；伺服電機為廣州某公司的ASHM60L 無刷伺服電機，輸入電壓為DC24/48 V，功率為100 W，額定轉速為3 000 r/min，額定扭矩為0.33 N·m。

3 座椅升降模組傳動機構設計

座椅折疊結構主要由1個電動推缸、連桿機構和1個座椅組成。如圖7～8 所示，連桿機構是平面四桿機構，有3個轉動副，1個滑動副。根據該智能輔助行走器的尺寸規格，各桿的長度（mm）及角度如圖7所示。

圖7 折疊狀態

圖8 工作狀態

自由度F=3n-2PL-Ph=1，故該連桿機構具有確定的運動[11]。

由SolidWorks 三維設計得運動前后的數據如表1～2所示。

表1 移動副長度變化 mm

表2 轉動副角度變化（°）

根據上述數據得出，該智能輔助行走器電動推缸的行程應為230 mm。

4 智能控制系統設計

為滿足患者需求和應對突發情況，本設計使用了以STM32 芯片為核心的具有多種功能的系統。STM32 系列產品基于超低功耗的ARM Cortex-M0 處理器內核，整合增強的技術和功能，瞄準的是超低成本預算的應用[12]。

該系列微控制器縮短了采用8 位和16 位微控制器的設備與采用32位微控制器的設備之間的性能差距，能夠在經濟型用戶終端產品上實現先進且復雜的功能[12]。智能控制系統包含緊急呼救、伸縮座椅和扶手調整的按鍵實現功能。傳感器模塊用于產生信號，并輸出信號給STM32F103 芯片來實現控制電機或藍牙動作。智能控制的實現如圖9所示。

圖9 智能控制的實現

4.1 傳感器模塊

緊急呼救部分使用一個緊急按鈕連接到STM32 芯片的一個GPIO口上，當按鈕按下時觸發傳感器模塊中的壓力傳感器，GPIO 口會檢測到高電平信號，STM32芯片會通過中斷程序進行處理[4]。在中斷程序中，可以根據患者的具體需求執行一系列緊急處理程序，如觸發一個警報、向指定號碼發送短信或撥打電話等。

通信模塊使用無線通信藍牙模塊，一個相應的接口將通信模塊連接到STM32芯片，STM32芯片使用其中一個接口連接通信模塊。編寫一個發送函數和一個接收函數，分別用于將數據發送到通信模塊和從通信模塊接收數據。

當智能輔助行走器處于代步功能移動時，采用超聲波傳感器監測周圍障礙物[13]。超聲波模塊的基礎是超聲波測距，本設計使用的測距模塊是單發雙接收發超聲波裝置，定位裝置由發射超聲波模塊、接收超聲波模塊和供電電路組成。發射超聲波模塊將VCC和GND接入系統電源即可發送出6 個50 Hz 的方波信號，再利用2 個接收模塊接收方波信號，通過聲音信號引腳S和光信號引腳L即可將信號傳送給單片機處理，從而更精準地判斷使用者的距離，提高輔助行走器的安全性，保護使用者的安全[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測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控制。

設患者的握力大約為0～300 N，通過在智能康復訓練行走器的扶手上增加DYMH-102 膜盒式荷重壓力傳感器計算患者在訓練時抓住扶手的力。當患者由于遇到突發情況而緊張使握住扶手的壓力增大到規定的數值時，壓力傳感器發出反饋信號，系統會智能地發出指令使電機安全減速。

智能輔助行走器采用加速度傳感器測量加速度，實時監測速度，通過患者的恢復情況設定該行走器的安全速度值，實現穩步安全的訓練[16]。

握力剎車系統壓力傳感器分布如圖10 所示。握力檢測剎車功能由安裝在寬度調節扶手左右端的DYMH-102 膜盒式荷重壓力傳感器、STM32F103 芯片和連接剎車的制動異步電動機實現。

圖10 握力剎車系統壓力傳感器分布

壓力傳感器實時檢測患者的握力，當遇到緊急情況時，如速度過快或者下坡由于慌張忘記制動時，患者的第一反應是緊握扶手，此時由于超過壓力傳感器設置的壓力值，傳感器發出信號到STM32F103 芯片處理輸出高脈沖信號給伺服電機，伺服電機收到信號使得智能輔助行走器及時剎車，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 測試驗證與結果分析

5.1 扶手仿真分析

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

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

圖12 扶手應力圖

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，將實驗余量放大50%，即患者的體重和隨身物品加起來的質量大約為125 kg，實驗取180 kg。座椅也采用304 不銹鋼材質，座椅應力和變形如圖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驗質量，并在連接處有較大的應力集中，但都遠小于屈服載荷。由圖15可知，座椅的變形量微小，不會對智能輔助行走器使用安全造成影響。

圖14 座椅應力圖

圖15 座椅變形圖

6 結束語

本文針對下肢康復訓練中存在的問題進行了分析，通過SolidWorks 軟件設計了一款在康復訓練與休息、代步之間可以相互轉換的智能輔助行走器。進行了電機的選型、機械結構的設計、智能控制系統的設計，并對扶手和座墊進行了有限元分析。智能輔助行走器的控制模塊是實現康復訓練的關鍵，通過控制器、傳感器、數據采集模塊和數據分析模塊的有機組合，可以實現對行走器的控制和監測。根據傳感器反饋的信息，可以智能調節智能輔助行走器的扶手高度和訓練擺桿的角度，如根據身高確定扶手的高度等，以使患者得到最好的使用感受，提高康復效果，實現了安全性、可操作性等多功能需求。