輔助行進(jìn)助手

　　研究的目的與意義
　　
　　我爺爺今年86歲了，身體不是很好，外出散步時(shí)都要扶著助行架。助行架的四條腿是“Ⅱ”型結(jié)構(gòu)，兩邊是扶手，使用時(shí)需用雙手將助行架往前提一步，放穩(wěn)后，雙手支撐在扶架上，人才能走一步。爺爺使用助行架感到很吃力，走幾步就不得不停下休息一下。爺爺知道我參加了學(xué)校的科技小組活動(dòng)，開(kāi)玩笑說(shuō)我能否幫他新發(fā)明一個(gè)更好用的助行架。帶著這個(gè)問(wèn)題，我到市場(chǎng)上和老人院調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隨著我國(guó)老年人口的增多以及人們壽命的增長(zhǎng)，需要用器械輔助行走的老人也越來(lái)越多，助行架在老年人和病人群體中使用很廣泛。但是，目前老年人或病人使用的助行架多為支撐型，存在著前進(jìn)時(shí)需提起前移的缺點(diǎn)。這種助行架很容易導(dǎo)致老年人摔跤或腿部受傷害。于是我確定了研究新型助行架——輔助行進(jìn)助手的研究課題。希望能發(fā)明一個(gè)使得老年人和病人使用更方便、更平穩(wěn)、更省力的助行架。
　　針對(duì)當(dāng)前老年人或病人使用的助行架存在的缺點(diǎn)，我研究和設(shè)計(jì)了一種更適合老弱病殘、中風(fēng)半身不遂的人使用的方便、省力新型助行架——輔助行進(jìn)助手。我設(shè)計(jì)的輔助行進(jìn)助手前腳采用滑動(dòng)式結(jié)構(gòu)，后輪裝上單向前進(jìn)的小輪構(gòu)，架子穩(wěn)定，安全可靠。使用過(guò)程中，老年人或病人的身體重量仍然由輔助行進(jìn)助手承受，節(jié)省了體力。原來(lái)使用者每向前一小步，必須提起助行架往前挪一步才能走；現(xiàn)在使用者只需輕輕一壓，滑行板向前滑行，后輪跟進(jìn)，輔助行進(jìn)助手輕輕前移10～20厘米，手輕輕一放，架子又恢復(fù)原狀態(tài)。省卻了提助行架的動(dòng)作，增加了使用的舒適度，安全感仍然得到充分保證。輔助行進(jìn)助手每次的移動(dòng)距離可根據(jù)使用者的需要進(jìn)行調(diào)整，適合各種體型的老年人或病人的需求。
　　新型的助行架將使老弱病殘人士使用更方便、更平穩(wěn)、更省力，其重要?jiǎng)?chuàng)新改進(jìn)意義在于將提架前進(jìn)變?yōu)閴杭芮斑M(jìn)。
　　
　　研究方案設(shè)計(jì)
　　
　　輔助行進(jìn)助手設(shè)計(jì)的方案重點(diǎn)是方便省力，關(guān)鍵技術(shù)是不用人力提起，輔助行進(jìn)助手就能自動(dòng)往前移動(dòng)。我在日?；顒?dòng)中，注意到了公園里的搖擺木馬，研究后知道了搖晃木馬的運(yùn)動(dòng)原理。木馬底部的重心只是不斷在一定范圍內(nèi)變化，即其重心的振幅始終小于最大值，當(dāng)重心回到初始位置時(shí)，弧面滑板即扇形滑板的受力點(diǎn)也回到原來(lái)位置。因此就算小孩不斷向前傾搖晃，木馬也不會(huì)發(fā)生水平位移。經(jīng)過(guò)反復(fù)的研究構(gòu)思借鑒，我發(fā)現(xiàn)，要是有一個(gè)外力使得重心水平位移，那么底部弧面也會(huì)水平前移；再運(yùn)用上彈簧的彈力使扇形弧面復(fù)位；那么，只需一個(gè)斜向前的力，就能使弧面前移。完全可以在新型輔助行進(jìn)助手上利用這種原理達(dá)到依靠人本身重力通過(guò)手壓，使助行架前進(jìn)的目的，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)構(gòu)突破。
　　
　　設(shè)計(jì)過(guò)程
　　
　　確定方案
　　助行架原來(lái)是四條腿的一個(gè)穩(wěn)定支架，為了讓它不用提起就能往前移動(dòng)，先將后兩腳各安裝一個(gè)小膠輪，方便往前移動(dòng)。
　　在前邊兩腳各安裝一個(gè)扇形的金屬支架，扇形圓心固定在圓柱上，扇形支架應(yīng)能前后靈活擺動(dòng)。當(dāng)腳架受力下壓時(shí)，扇形支架會(huì)自動(dòng)從一端轉(zhuǎn)到另一端，直至架腳放穩(wěn)地上，整個(gè)輔助行進(jìn)助手會(huì)往前移動(dòng)一段距離；當(dāng)手稍減輕對(duì)扶手的壓力，扇形支架又會(huì)自動(dòng)復(fù)位，恢復(fù)到起始位置，為下一步前移做好準(zhǔn)備。如此，一壓一松，輔助行進(jìn)助手就會(huì)一步一步帶著使用者往前移動(dòng)。
　　可根據(jù)使用者的需要，改變扇形的支架形狀，從而無(wú)論使用者需要以壓力為主還是以推力為主，或是壓推力結(jié)合，都會(huì)讓輔助行進(jìn)助手自行移動(dòng)。
　　
　　設(shè)計(jì)草圖
　　完整的設(shè)計(jì)草圖見(jiàn)圖1。輔助行進(jìn)助手的后兩腳各有一個(gè)半徑為2.5cm的輪子(輪子由滾動(dòng)軸承外套小膠輪構(gòu)成)，用于向前滑動(dòng)。而前邊兩腳各有一個(gè)扇形的金屬支架，見(jiàn)圖2。
　　扇形支架圓心固定在圓柱上，圓心處安上彈簧，可以使滑動(dòng)面復(fù)位，恢復(fù)到起始一端。在前腳的低端離地約8cm處，有一個(gè)圓孔，可以用來(lái)安裝固定彈簧一端的螺絲。扇形滑動(dòng)面的圓心與彈簧和螺絲相連接，固定在前腳的孔上。后腳跟距離地面14mm處有一孔洞，用于固定小膠輪。在扇形滑動(dòng)面的一邊支架之間，有一金屬條用于限位。當(dāng)腳架沒(méi)有受到外力的作用時(shí)，扇形支架會(huì)因?yàn)閺椈勺饔没氐绞芰ζ胶馕恢茫捎诮饘贄l的限制，支架不會(huì)因?yàn)槭艿降膹椓^(guò)大而繼續(xù)向前彈起。這樣就能保證扇形滑動(dòng)板持續(xù)運(yùn)動(dòng)。
　　
　　零件準(zhǔn)備
　　在醫(yī)療器械商品店購(gòu)買(mǎi)一個(gè)合金助行架。
　　二個(gè)單向滾珠軸承(在商店購(gòu)買(mǎi))，再在每個(gè)滾珠軸承外套上一個(gè)橡皮膠輪，為防止打滑，橡皮膠輪采用磨砂表面的。
　　找不銹鋼加工廠(chǎng)代加工四塊大小一樣的扇形板，每?jī)蓧K再用薄不銹板片在弧線(xiàn)上焊接成一個(gè)弧形的套狀。見(jiàn)圖3。每個(gè)扇形支架的兩個(gè)頂點(diǎn)要左右各鉆一個(gè)直徑為8mm的孔。在鉆孔時(shí)鉆頭方向要準(zhǔn)確，否則容易導(dǎo)致左右兩個(gè)孔不對(duì)稱(chēng)。
　　復(fù)位彈簧是自己纏制的。
　　
　　制作
　　
　　加工后腳。首先在助行架的兩只后腳在腳跟離地14mm處，各鉆一個(gè)直徑為8mm的圓孔，再用一根8mm的螺絲穿在套好膠輪的軸承上并將其固定在助行架后腳的孔內(nèi)，使得輪子固定在腳架上。要選擇粗細(xì)適合的螺絲，螺絲太細(xì)不耐壓，太粗則穿不進(jìn)。螺絲的頂部必須足夠大，才能使得輪子有效固定在后腳上。
　　加工前腳。在前腳離腳跟70cm處，左右各鉆一個(gè)直徑為8mm的孔。安裝扇形支架并調(diào)整，使得套上的腳套與后輪的前進(jìn)方向一致。
　　在扇形支架和助行架腳架安裝一條用于復(fù)位的彈簧，在不受外力時(shí)，由于有彈簧的彈力和限位條的作用，使得扇形支架的前端是處于最高位置的。這樣做能使得在使用助行架向下壓時(shí)，助行架能向前水平位移出最大的距離。
　　最后，把所有的部件都組裝起來(lái)。螺絲穿過(guò)扇形滑動(dòng)支架的一端頂點(diǎn)，再?gòu)淖笾劣掖┻^(guò)助行架前腳上的孔和彈簧，從支架另一頂點(diǎn)穿出。扭上螺母，固定螺絲。使扇形滑動(dòng)板和復(fù)位彈簧一并固定在助行架前腳上。
　　
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　　
　　移動(dòng)幅度分析
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每次只需用雙手輕輕地下壓一點(diǎn)，輔助行進(jìn)助手在前腳扇形滑板的帶動(dòng)下就可以往前移動(dòng)15cm。改變扇形滑板的長(zhǎng)度，可以改變輔助行進(jìn)助手每步的前進(jìn)距離，以適應(yīng)不同人的需要。改變支架的長(zhǎng)短也能改變輔助行進(jìn)助手每步的前進(jìn)距離。下一步的改進(jìn)重點(diǎn)之一就是嘗試設(shè)計(jì)出一塊可任意更改每步移動(dòng)距離的扇形滑動(dòng)板。
　　
　　安全穩(wěn)定性分析
　　輔助行進(jìn)助手后腳的橡膠輪采用的是只能單向移動(dòng)的控制小輪，這種單向移動(dòng)橡膠輪不會(huì)向后滑也不會(huì)左右滑，只能單向移動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)保證了輔助行進(jìn)助手的穩(wěn)定性；輔助行進(jìn)助手前腳的滑動(dòng)支架采用的是三腳架式固定方式，把原本的扁平片狀支架改成堅(jiān)固性更高的柱狀支架，這樣的支架更加堅(jiān)固穩(wěn)定，不易變形，可承受一定的沖擊力，降低了因?yàn)橹Ъ茏冃味斐傻奈ｋU(xiǎn)。我們使用的彈簧彈性較好，能夠在外力減小后，第一時(shí)間恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。下壓過(guò)程中支架可以承受較大的壓力不易發(fā)生變形。實(shí)驗(yàn)證明，體重90千克的人在把身體的重量完全放在支架上后，輔助行進(jìn)助手也不會(huì)壓壞變形。
　　
　　重量分析
　　普通的助行架都是2千克。輔助行進(jìn)助手增加了2個(gè)輪子、2個(gè)滑動(dòng)板及支架、螺絲。增加后總重量為2.422千克，正常的老年人都可以使用。
　　此項(xiàng)目獲得第25屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)
　　
　　專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)
　　該項(xiàng)目從關(guān)愛(ài)老人、病人出發(fā)，改進(jìn)了目前普遍使用的助行架。改進(jìn)思路較為巧妙，如果能夠使轉(zhuǎn)向更為靈活，則將更加完