具有下肢訓(xùn)練功能的手推助力助行器設(shè)計(jì)

張雪雁，徐少波，侯迎迎

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山063009)

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具有下肢訓(xùn)練功能的手推助力助行器設(shè)計(jì)

張雪雁，徐少波，侯迎迎

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山063009)

下肢訓(xùn)練；手推助力；助行器；雙偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

長(zhǎng)期下肢癱瘓或不便于行走的患者，常常會(huì)發(fā)生下肢肌肉萎縮的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一部擁有輔助訓(xùn)練功能的手推助力助行器，采用雙偏置曲柄滑塊六桿步態(tài)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),使腿部被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模擬正常人行走的步態(tài)，以防止肌肉萎縮，利于康復(fù)?；贑reo/Parametric優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)步態(tài)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用有限元法對(duì)支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。

隨著社會(huì)老齡化日趨嚴(yán)重，助行器成了老年人的主要代步工具，并成為許多殘障人士多年的伴侶。如果下肢長(zhǎng)時(shí)間得不到運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮，甚至并發(fā)其他疾病。為此，本文設(shè)計(jì)了一款可輔助下肢訓(xùn)練功能的手推助力助行器[1]。

1助行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手推助理助行器由支撐結(jié)構(gòu)、移動(dòng)裝置(動(dòng)力源)、訓(xùn)練裝置3部分組成，可當(dāng)作輪椅使用，亦可訓(xùn)練恢復(fù)下肢肌肉力量。助行器總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。支撐結(jié)構(gòu)2采用通用座式輪椅框架結(jié)構(gòu)。行走裝置前部小輪為萬(wàn)向輪，后部大輪為驅(qū)動(dòng)輪。

(a)　總體結(jié)構(gòu)示意圖　　　　　　　　　(b)　后輪軸結(jié)構(gòu)示意圖

(a)　訓(xùn)練狀態(tài)　　　　　　　　　(b)　代步狀態(tài)

后輪軸如圖1(b)所示,設(shè)有棘輪機(jī)構(gòu)1，棘輪與一個(gè)后輪軸相連，棘爪與訓(xùn)練裝置步態(tài)機(jī)構(gòu)的曲柄軸相連，以避免輪椅后退時(shí)訓(xùn)練裝置隨著后輪一起反轉(zhuǎn)，同時(shí)保證兩后輪不共速，也便于輪椅的轉(zhuǎn)彎。訓(xùn)練裝置步態(tài)機(jī)構(gòu)1采用踏板位置和曲柄長(zhǎng)度可調(diào)的雙偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，布置在座椅下方框架上。采用條形通孔與螺栓連接實(shí)現(xiàn)踏板位置和曲柄長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)。圖2(a)和圖2(b)為踏板處于訓(xùn)練狀態(tài)和代步狀態(tài)。踏板采用具有彈性的塑料材質(zhì)，與支承桿間銷釘連接，可模仿足部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

2訓(xùn)練裝置步態(tài)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]

訓(xùn)練裝置的步態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為偏置雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。取雙偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄長(zhǎng)為l1=l3，連桿長(zhǎng)為l2=l4，偏距為e，m為踏板在連桿上距活動(dòng)鉸鏈的距離。

圖3　訓(xùn)練裝置步態(tài)機(jī)構(gòu)雙偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

不同身高正常人足部步長(zhǎng)和步高的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　不同身高正常人對(duì)應(yīng)步長(zhǎng)和步高的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(mm)

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定單偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為：X=[l1,l2,e,m]T。

以連桿上點(diǎn)M的坐標(biāo)差與正常人步長(zhǎng)和步高差最小為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件：四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件、助行器空間結(jié)構(gòu)邊界條件(ljieguoi)要求及四桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角限定條件。其表達(dá)式為：

基于三維軟件Creo/Parametric優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-4]。創(chuàng)建曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的骨架模型如圖4所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求取連桿長(zhǎng)為l1=1 m，偏距為e=0.15 m，為定值，設(shè)置參數(shù)曲柄長(zhǎng)度和踏板距離m。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。輸入優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如圖5所示。按公式(2)輸入約束條件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一組身高優(yōu)化結(jié)果和優(yōu)化設(shè)計(jì)收斂圖如圖6所示。 按表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果有4組，如表2所示。該結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整曲柄長(zhǎng)和踏板位置即可適應(yīng)不同人群訓(xùn)練的需求。

圖4　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的骨架模型

圖5　優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

圖6　第1組身高優(yōu)化結(jié)果和優(yōu)化設(shè)計(jì)收斂圖

身高曲柄長(zhǎng)l1距離m身高曲柄長(zhǎng)l1距離m1600～170074．32100．001750～1800123．78124．461700～175098．80120．371800～1850148．41123．57

3助行器運(yùn)動(dòng)分析及有限元分析

基于Creo軟件建立助行器的三維裝配圖模型，如圖7所示。

圖7　助行器三維模型

根據(jù)三維裝配模型對(duì)偏置式雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)踏板在后輪轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，踏板上M點(diǎn)的模擬軌跡如圖8所示，其速度加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖9所示。分析測(cè)量結(jié)果滿足步長(zhǎng)和步高的設(shè)計(jì)要求。計(jì)算機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角為74°，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求。

圖8　踏板上M點(diǎn)的軌跡模擬　　　　　　　　　　　圖9　踏板上M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果

支撐框架為整體承力構(gòu)件，選用管徑為Φ30 mm, 壁厚為2 mm的5A05鋁合金管材制作，在座椅中間節(jié)點(diǎn)處施加垂直力200 kg，設(shè)定后輪軸心位置處為軸承約束，固定位移，保留轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，前端小輪軸心為固定約束，進(jìn)行靜力有限元分析，其等效應(yīng)力如圖10所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。

圖10　支撐結(jié)構(gòu)von Mises等效應(yīng)力云圖

圖11　支撐結(jié)構(gòu)的變形云圖

分析結(jié)果表明，支撐結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力為97.957 5 MPa，而5A05管材的抗拉強(qiáng)度為225 MPa，滿足強(qiáng)度要求。變形也在許可使用范圍內(nèi)，滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

該具有下肢輔助訓(xùn)練功能的助行器，采用曲柄長(zhǎng)度和踏板位置可調(diào)的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，獲得可適用于不同身高人群的4組解。采用有限元分析方法對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，均滿足設(shè)計(jì)要求。該助行器手動(dòng)助力，使患者可在行進(jìn)和溝通中鍛煉受損的肌肉，既可適應(yīng)市場(chǎng)的需求，也便于現(xiàn)有輪椅的改進(jìn)。

[1]張秀峰，張曉玉.一種輕便普通輪椅的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2009，24(12)：9-11.

[2]韓炬，馮華，黃家文.基于Creo/Parametric的包裝機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].包裝工程2013,34(1):65-68.

[3]王孝平，龍偉，耿靜華，陳毅.平面四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械工程師，2009(1):81-82.

[4]林水雄，余偉鉻，劉峰．基于MATLAB及Pro/E對(duì)曲柄導(dǎo)桿滑塊組合機(jī)構(gòu)的仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009,207(3)：86-88.

Design of Manpowered Walking Aid with Function of Training Lower Limbs

ZHANG Xue-yan，XU Shao-bo，HOU Ying-ying

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China)

lower limb training;man-powered;walking aid;double offset type double crank slider mechanism

The person who was lower limb paralysis or inconvenient to walk, often troubled by muscle amyotrophy. The paper designs a manpowered walking aid with the function of training lower limbs, which help the foot moving with the double offset slider crank mechanism passive. The device is helpful of simulating the pace of normal person, avoiding the muscle amyotrophy, and is benefit to the rehabilitation. The paper design the lengths of bars of the double offset slider crank mechanism with the optimum design method, and check the strength and stiffness of the framework of the wheelchair with the finite element method.

2095-2716(2015)04-0034-06

TH789

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