基于人体外骨骼的穿戴式助行器的设计

杨玲 何润琴

摘要：本文针对老年人外出行动不便、体力不支的现象，介绍了基于人体外骨骼的穿戴式助行器的结构设计，并说明了其工作原理及特点。

关键词：老年人行动不便；纯机械结构；助行器

前言

1953年—2021年期间我国人口老龄化的速度越来越快，规模越来越大，预计将在2053年突破4.87亿的峰值。与此同时，从第七次全国人口普查结果来看，人口老龄化程度还在进一步加深。目前，大多数国家的科研机构对外骨骼的研究尚处于基础起步阶段，商用产品仍然较少。市面上已有产品相对来说智能化，在操作上对老人来说存在一定的困难且穿戴不便。为此，设计一款纯机械结构能够在日常生活中帮助老人出行的工具。

1.使用环境

本文所设计的穿戴式助行器主要针对老年人长时间行走感到疲惫和体力不支的情况。通过调研发现市场上拥有相似功能的机械都存在实现功能有限、不能实现蹲下、穿戴复杂、造价高昂等技术痛点。

而对于老年人所使用的产品应该机械操作方法简单，能让一个老年人在短时间内熟悉操作方法。

2.工作原理

当行动力尚欠的老年人出门在外找不到合适的座位，长时间站立使老人感到乏累时，通过膝盖处设置弹簧可以实现老人坐下时的冲击力，支脚自然落下时老人慢慢向后坐下，两支脚和地面形成一定角度并且自动锁定形成凳子供老人随地就坐。当需要行动时，可把小腿处的外骨骼折叠并卡入大腿后侧外骨骼的塑料卡扣处将其两者固定，更便于行走。

3.总体布局

助行器由连杆装置、助力装置、座垫、联轴器装置、固定器和保护带六个部分组成。连杆装置是由上、下连杆构成，材料选择了航天铝合金；助力装置是由两张塑料板组成，中间有4个扭转弹簧，通过绑带固定在膝盖后侧，当曲腿时会带动两块塑料板的形成挤压，中间的4个弹簧产生反弹力，可达到起身和上楼助力的效果；坐垫采用了尼龙的材料，形状的设计符合人体工程学，以保证人体的舒适度；联轴器装置在上、下肢的关节连接处采用了万向联轴器来实现产品随时坐下的功能；固定器时连接及固定鞋子与支脚，来让支脚顺势向地上支撑；通过保护带将上、下肢和连杆装置固定在一起。

4.方案论证

4.1联轴器装置

在上、下肢的关节连接处采用了万向联轴器来实现随时坐下的功能。万向联轴器最大的特点是：其结构有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高。不同结构型式万向联轴器两轴线夹角不相同，一般在5°-45°之间。而本产品则是利用了万向联轴器的角向补偿能力，在最大角度处能够正好符合人体坐下时的动作，使用者只需想象身后有张凳子，做出坐下的动作即可。该产品通过实现即走即坐的功能，从而达到使用者省力的效果。

万向联轴器装置是形成座椅的关键部分，由与它可以形成一定角度后锁死的特点，再经过力学计算后得出此产品能最多承载80公斤左右的重量。

4.2助力装置

助力装置是由两张塑料板组成，中间有4个扭转弹簧，通过绑带固定在膝盖后侧，当曲腿时会带动两块塑料板的形成挤压，中间的4个弹簧产生反弹力，让使用者在行走过程中抬脚时有一定的助力，从而达到起身和上楼助力的效果。

4.3连杆装置

在小腿关节处采用了双十字万向联轴器来实现折叠功能，大腿后侧的外骨骼上设有塑料卡扣，通过将小腿处的外骨骼折叠并卡入塑料卡扣中，从而实现把小腿部分的外骨骼和大腿部分的外骨骼固定在一起，更便于行走。当需要坐下时只需将卡扣中的外骨骼放下，利用套管将一个万向联轴器锁住，这样即可实现坐立的功能。

5.产品优势

1）本作品属于纯机械结构，且结构简单。

2）操作简单，适用范围广，适合老年群体使用。

3）简化机械结构，降低产品的生产成本。

4）符合中国人口老龄化的国情与趋势。

5）本作品适用于医院、家庭、养老院以及其他需求环境，极大方便老人，节约了人力。

6.推广应用

现有社会针对老人的福利体系还不够完善，就目前来看针对老年人的设备较少，很多制造企业认为老年人市场成本高，利润低，消费不强劲，不敢在设计、生产和销售方面加大投入，造成了现在老龄产品“总量小、品种少、规模小、传统产品多、科技含量少”的局面市场。在中国农村随着青壮年进城务工数量倍增，留守老人与留守儿童更多的是一种相互支撑的关系。留守老人与留守儿童在体力上有一定的弱势。而且他们大部分文化水平不高，自动化产品对于他们而言无论是使用或是维修均是一件难事。本作品简约而不简单。结构简约，但功能不简单。可随身携带，可提供支撑，可随地就坐，可上楼梯省力，而且使用起来舒适方便，在未来的发展道路上有着较大的前景。

结论

该机械主要服务于长时间行走感到疲惫和体力不支需要休息的老年人，具有结构简单、制作成本低，便于操作等特点。

参考文献：

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本项目为2021年国家级大学生创新创业训练计划项目（202113001029）