基于外骨骼助力的智能如厕机器人设计研究报告

本研究由陕西交通职业技术学院智能汽车制造学院的黄晓鹏、陈浩、李鑫，以及智能新能源汽车仿真测试陕西省高校工程研究中心的黄晓鹏共同完成。研究成果以《基于外骨骼助力的智能如厕机器人设计》为题，发表于《机械设计与制造工程》期刊2026年第5期。

一、 学术背景
本研究属于机器人技术、康复工程与老年福祉科技的交叉领域。随着我国人口老龄化程度持续加深，老年人口规模不断扩大，老年人日常生活中的安全与健康问题日益凸显。国家统计局数据显示，2023年我国60岁及以上老年人口占比已达21.1%，2024年进一步上升至22.0%。在老年人意外事故中，超过40%发生于卫生间，因身体机能衰退、行动失衡导致的如厕跌倒风险尤为突出。传统的马桶扶手等辅助设备存在结构刚性大、智能化水平低、缺乏健康监测与主动安全防护功能等问题，难以满足老年人对安全、私密、预警及全方位辅助的迫切需求。在此背景下，本研究旨在将外骨骼助力技术、智能传感与控制技术相结合，设计并开发一款集托举助力、健康监测、跌倒预警与紧急报警于一体的智能如厕机器人，以提升老年人如厕过程的安全性、舒适性与独立性，并为外骨骼技术在养老康复领域的应用提供创新思路与工程实践依据。

二、 研究详细工作流程
本研究是一个完整的机电一体化系统设计与验证过程，主要包含系统总体设计、硬件模块设计、有限元结构分析、软件控制系统设计、关键参数计算与实验测试六个核心流程。

流程一：系统总体框架结构设计
本研究首先确立了智能如厕机器人的整体架构。针对传统设备的不足，研究团队提出了一个集成托举助力、智能屏显和跌倒检测报警三大功能模块的系统方案。托举助力模块是核心，旨在根据使用者身体状况提供动态支撑。它设计了三种传动方式协同工作：1) 滑轮转动：驱动水平方向扶手运动机构，为腕部提供助力，辅助行走与转身；2) 螺纹转动（即滚珠丝杠）：带动竖直方向扶手运动机构，给予腋部助力，方便下蹲和站立；3) 折叠伸缩传动：作用于脚部升降机构，为脚部提供助力，实现屈伸与托举动作，同时使机器人具备折叠收纳功能。智能屏显模块负责实时显示使用者的生理数据和排泄物信息，集成人机交互界面。跌倒检测报警模块则通过高精度传感器实时监测身体状态，在发生意外时立即触发报警。这三个模块通过统一控制系统整合，构成了一个具备外骨骼式助力、健康监测整合、跌倒预警与响应等多技术融合特征的智能辅助系统。

流程二：硬件模块详细设计
研究对机器人的各个硬件模块进行了具体设计与选型。

1. 外骨骼机械臂模块：作为核心执行机构，该模块由直流电动推杆（型号PFDE24V-100-90）、机械臂、滚珠丝杠、机械臂滑动导轨模组和可折叠助力扶手组成。滚珠丝杠实现平稳升降，滑动导轨模组允许调节机械臂宽度以适应不同体态使用者，可折叠扶手则通过电动推杆控制实现空间节省。
2. 上肢托举助力模块：基于滚珠丝杠传动，控制扶手在竖直方向的精确运动。滚珠丝杠具有承载能力大、运动平稳、噪音低、磨损小、寿命长等优点，确保了支撑的可靠性与舒适性。
3. 下肢托举助力模块：基于人体工学研究发现，排便时上身与大腿保持约35°夹角更符合生理结构，有利于肠道健康。因此，该模块设计了一个可升降脚踏板，通过调节脚踏板高度，辅助老年人轻松达成这一理想排便角度。
4. 智能屏显模块：集成了人机交互界面、数据处理单元和机械臂控制功能。配备高分辨率触摸屏，用户可通过简洁的界面操控机械臂运动，并能根据个人习惯精准调节升降高度与速度。
5. 安全报警模块：包含光学传感器、报警单元和电源管理单元。具备久坐提醒（通过传感器监测坐姿时长）、跌倒检测报警和多渠道即时通知功能。其中，跌倒检测采用集成式防跌倒报警模块，配备4个各涵盖270°检测范围的光敏传感器，实现全方位动态监测。一旦算法判定使用者跌倒，系统将立即触发声光警报并向预设紧急联系人发送报警信息。

流程三：有限元结构分析
为确保机器人机械结构的强度与可靠性，研究团队利用ANSYS Workbench软件对其外框架进行了静力学有限元分析。

1. 几何建模与简化：在不改变结构的前提下，将机器人外框架简化为长1.5m、宽0.7m、高1.2m的梁结构模型，材料定义为Q235钢。
2. 建模与网格划分：在Design Modeler中建立梁（Beam）模型，将各段梁组合成一个多体零件以保证网格兼容性。采用Beam189单元类型，定义单元尺寸为25mm进行网格划分，共计生成272个单元和544个节点。随后，对关键受力部位进一步加密网格至10mm，以进行网格无关性验证，确保计算结果的准确性。
3. 边界条件与载荷施加：约束框架下端（与地面接触），在上部横梁（与上肢托举模块连接处）施加负载，模拟实际承重情况。
4. 求解与结果分析：计算结果显示，外框架最大弯曲位移发生在顶部，约为0.62mm，变形量极小，满足使用要求。最大弯矩和最大弯曲应力出现在两条竖梁上，数值分别为84,500 N·mm和4.98 MPa。该应力值远低于Q235钢的许用应力，安全系数高，证明结构设计在强度方面是安全可靠的。细化网格后的计算结果与之前一致，验证了分析的准确性。

流程四：软件控制系统设计
机器人的“大脑”基于西门子PLC S7-1200控制器构建，采用模块化设计思路，形成了“数据采集—处理换算—状态判断—动作控制”的闭环控制结构。

1. 总体架构与流程：软件系统划分为通信管理、数据采集与处理、阈值判断以及执行控制等模块。程序运行遵循顺序循环扫描模式：先初始化Modbus通信；然后周期性采集传感器数据；接着对数据进行处理换算；再与预设阈值比较判断状态；最后根据逻辑输出控制指令驱动执行机构。
2. 功能模块实现：
   • 通信控制模块：使用MBUS_CTRL指令块初始化通信参数（波特率9600bps等）。
   • 数据采集与传输模块：利用MBUS_MSG功能块，以1秒为周期，从传感器寄存器地址读取数据。
   • 数据处理模块：对采集的原始数据进行转移、整型转换、除法和浮点运算，将其转化为实际的物理量（如温度、角度、距离等）。
   • 阈值判断与报警模块：将处理后的数据与预设阈值（如温度低于10℃）进行比较，一旦超限则触发CPU输出，驱动报警或加热等联动装置。
   • 执行机构控制模块：设计了包含互锁机制（防止电机正反转冲突）和延时逻辑（避免误动作）的控制程序，确保机械臂、脚踏板等动作的可靠与安全。
3. 扩展健康监测功能：软件系统还可配合高精度微型检测针对粪便样本进行快速生化分析，检测蛋白质、脂肪等指标，并通过人工智能算法分析数据，为用户健康状况评估提供数据支持。

流程五：关键设计计算与参数设置
为验证设计的合理性，研究进行了关键尺寸计算、受力分析和控制参数设定。

1. 尺寸计算：根据人体尺寸学，计算得出扶手行程高度需180mm，脚踏板升降行程需120mm，机械臂宽度可调范围设为300-400mm，以适配多数使用者。
2. 受力分析：对承载100kg使用者的情况进行力学简化分析。将扶手简化为悬臂梁，计算其末端弯矩和弯曲应力，得出安全系数为4.3，远大于1.5的安全要求。同时，验证所选滚珠丝杠的额定动载荷（2000N）大于实际载荷（1000N），安全系数约为2，满足使用需求。
3. 软件参数设置：为PLC控制程序设定了关键参数，如通信波特率9600bps、数据采样周期100ms、扶手升降速度20mm/s、温度控制阈值10℃等，以平衡系统响应速度、安全性和舒适性。

流程六：实验测试与验证
研究通过实验室环境下的多轮调试和测试，对机器人样机性能进行了全面验证。

1. 测试项目与结果：在100kg模拟负载下进行承重测试，机械臂与丝杠运行平稳无变形。进行20次跌倒模拟试验，成功检测19次，准确率达95%。报警延迟测试显示，从传感器触发到声光报警输出的平均延迟为0.8秒。折叠/展开功能测试耗时8.7秒，体积缩减60%以上。老年用户操作测试对扶手升降速度舒适度评价良好。
2. 样机实地测试：制作的样机整体尺寸为1500mm×700mm×1500mm。通过哑铃测试验证悬臂结构可承重90kg；通过真人测试验证可承受100kg成年人助力蹲起。实地投放测试表明，该机器人为老人如厕时的蹲起提供了良好助力效果。

三、 主要研究结果

1. 结构设计可行性得到验证：有限元分析结果表明，所设计的机器人外框架在承受负载时，最大变形仅0.62mm，最大弯曲应力为4.98 MPa，具有很高的安全裕度，结构设计合理且可靠。
2. 硬件模块功能实现：成功设计并集成了外骨骼机械臂、上下肢托举助力、智能屏显和安全报警五大硬件模块。其中，基于270°光敏传感器的全方位跌倒检测方案和符合35°人体工学的可升降脚踏板设计，体现了功能创新。
3. 软件控制系统有效运行：构建了以PLC为核心的模块化闭环控制系统，实现了传感器数据采集、处理、判断到机构驱动的全流程自动化控制。程序运行稳定，参数设置合理，互锁与延时逻辑有效防止了误动作。
4. 关键性能指标达到设计目标：实验测试数据表明，机器人样机在核心性能指标上均达到或超过了预设目标：承重能力≥100kg（目标≥80kg）、跌倒检测准确率95%（目标≥90%）、报警延迟0.8秒（目标≤1.0秒）、折叠/展开时间8.7秒（目标≤10.0秒）。这证明了从设计、计算到制造的全流程是成功的。
5. 系统集成与空间适应性良好：样机成功将多自由度助力、健康监测、智能报警等功能集成于一体，并通过折叠机构实现了高空间利用率（提升75%），能够适应家庭或养老院等狭窄空间环境。

四、 研究结论与价值
本研究成功设计并验证了一款基于外骨骼助力的智能如厕机器人。该机器人有效解决了传统如厕辅助设备刚性大、功能单一、缺乏智能监测的问题。其主要价值体现在：

1. 工程应用价值：为行动不便的老年人提供了一种安全、舒适、智能的如厕辅助解决方案，有助于降低卫生间跌倒风险，提升老年人生活自理能力与尊严，具有明确的养老康复应用前景。
2. 技术创新价值：提出了融合上肢托举、下肢助力与整体支撑的外骨骼式全方位动态辅助构型；构建了集智能交互、健康监测与主动安全防护于一体的系统架构；通过有限元分析、模块化软件设计和实验测试，形成了一套完整的产品开发与验证方法。
3. 学术贡献：为外骨骼技术在具体生活辅助场景（如厕）中的应用提供了创新的设计思路、详细的技术实现路径和可靠的工程实践数据，对后续助老机器人的功能扩展与性能优化具有参考意义。

五、 研究亮点

1. 功能集成创新：首次将外骨骼助力、实时健康监测（包括粪便生化指标分析）、多传感器融合的跌倒检测与即时报警等功能深度集成于单一如厕辅助设备中，实现了从“被动支撑”到“主动智能辅助与防护”的跨越。
2. 人机工程学设计：基于排便生理研究，创新性地引入了可升降脚踏板以实现35°最佳排便角度，显著提升了使用的舒适性与健康性。
3. 系统化工程实现：研究涵盖了从概念设计、详细机械与硬件设计、有限元仿真分析、软件控制系统开发到原型机制作与全面性能测试的完整工程流程，工作扎实，数据详实，结论可信。
4. 解决实际空间约束：通过巧妙的折叠机构设计，使设备在非使用状态下大幅缩减体积，有效解决了助老设备与居住环境兼容性的普遍难题。

六、 其他有价值内容
本研究得到了2024年度陕西省教育厅重点科学研究计划（高校工程研究中心项目）（24JR026）的资助，显示了该研究方向获得了学术界的认可与支持。文中引用的参考文献涵盖了跌倒预警方法、辅助机器人心理学变量、新型养老护理机器人技术等多个相关前沿领域，表明研究团队对该领域的国际进展有较好的把握，并将这些知识融入了本项目的设计中。