一種老人助行器的設(shè)計與分析

李宏濤

摘 要：人口老齡化現(xiàn)象日益加重，為幫助身體機能有所退化的老年人取得更好的出行體驗，設(shè)計了一種可實現(xiàn)減重功能的老人外出助行器。通過該助行器升降、折疊、支撐等機構(gòu)的配合，實現(xiàn)了電動輪椅模式與減重助行模式間的自由切換，并對關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)進行了有限元分析校核，確保了助行器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：老年人;出行;助行器;有限元分析

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0051-03

The Design and Implementation of a Walker for the Elderly

LI Hongtao

（School of Mechanical Engineering， Anhui University of Technology， Huainan Anhui 232000）

Abstract： The aging phenomenon of the population is increasing. In order to help the elderly with degraded physical function and achieve a better travel experience， an auxiliary elderly aid is designed that can realize the weight loss function to go out.Through the cooperation of the walker lifting， folding and support institutions， the free switch between the electric wheelchair mode and the weight loss support mode is realized and carried out the finite element analysis and check of the key load-bearing structure and ensure the stability and safety requirements of the walker structure.

Keywords： the elderly;going out;walker;finite element analysis

根據(jù)我國第七次全國人口普查結(jié)果，我國60歲及以上人口達到了2.64億，占總?cè)丝诘?8.7%;65歲及以上人口達到1.9億，占總?cè)丝诘?3.5%。國家統(tǒng)計局局長表示，人口老齡化是社會發(fā)展的重要趨勢，也是今后我國較長一段時間的基本國情[1]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，老人助行器產(chǎn)品雖然種類繁多，但大多功能單一，集成度不足，難以滿足老人的全部出行需要[2]。針對這一現(xiàn)象，設(shè)計了一款帶有減重功能的智能助行器，不僅能夠當成普通電動輪椅使用，還能夠幫助老人站立行走，鍛煉腿部肌肉，很好地完善了助行器的功能。

1 多功能助行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 老人助行器的功能需求分析

為確定老人助行器的功能，在網(wǎng)絡(luò)上查閱了部分國內(nèi)外關(guān)于老人助行器的研究文獻，并瀏覽了國內(nèi)主要電商平臺。經(jīng)過總結(jié)分析，針對身體機能開始退化的老人，設(shè)計了一款具有多種功能的老人助行器。老人助行器的功能需求如下：①普通電動輪椅功能，可以滿足老人長時間和長距離的出行需要，是助行器的基礎(chǔ)功能;②輔助站立功能，由于腿部肌肉的退化，老人常需要他人的幫助才能夠起身站立，而輔助站立功能可幫助老人獨立完成起坐;③減重站立助行功能，可幫助老人減重站立行走，從而達到一定的康復鍛煉效果。通過對老人助行器的功能需求進行分析，從使用者的安全性需求和心理需求出發(fā)，設(shè)計出一款可輔助減重的老人助行器，以改善老人的生活質(zhì)量。

1.2 方案設(shè)計

通過調(diào)查研究，減重助行設(shè)備的減重方案主要有3種，分別是懸吊式減重機構(gòu)、外骨骼式減重機構(gòu)及支撐式減重機構(gòu)。懸吊式減重機構(gòu)可以最大限度地減輕使用者腿部壓力，但一般設(shè)備尺寸比較龐大，出行靈活性不高;外骨骼式減重機構(gòu)體積小巧，靈活性好，但價格昂貴，且對控制系統(tǒng)要求較高，無法保證絕對安全性;支撐式減重機構(gòu)相對前兩者，成本較低，體積適中，安全性好，操作使用簡單，且主要面向腿部功能開始有所退化的老人設(shè)計。因此，充分考慮到設(shè)備使用時的安全性、穩(wěn)定性及舒適性后，選擇支撐式減重機構(gòu)。

1.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該助行器主要由4大機構(gòu)組成，分別是底盤機構(gòu)、升降機構(gòu)、座椅折疊機構(gòu)和支撐架機構(gòu)，如圖1所示。升降結(jié)構(gòu)通過軸承和桿件與底盤機構(gòu)配合連接，支撐架機構(gòu)和座椅折疊機構(gòu)通過螺栓與升降架機構(gòu)固定配合連接。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應(yīng)該滿足以下設(shè)計原則：①從人機工程學的角度出發(fā)，助行器外形和輪廓尺寸應(yīng)保證老人的使用體驗，提高舒適性和安全性;②零件材料的剛度和疲勞極限等應(yīng)有一定的安全系數(shù)，保證復雜工況下使用者的安全;③零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計便于生產(chǎn)和調(diào)試;④在保證產(chǎn)品所需的安全情況下，盡可能減輕產(chǎn)品質(zhì)量，使助行器輕量化;⑤確保各機構(gòu)運行中的穩(wěn)定配合，不會發(fā)生運動干涉。

1.4 升降結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了提高產(chǎn)品升降過程穩(wěn)定性及減小產(chǎn)品尺寸，本助行器的升降結(jié)構(gòu)選擇使用滾珠絲杠傳動方案[3]。如圖2所示，升降結(jié)構(gòu)主要由力矩電機、升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、絲杠、滑塊、導軌框架和導輪組成。升降機構(gòu)通過升降機構(gòu)轉(zhuǎn)軸與底盤連接，絲杠安裝在升降機構(gòu)框架內(nèi)，框架內(nèi)置導軌，滾珠絲杠的滑塊上安裝4個導輪，升降過程中導輪在導軌內(nèi)運動。力矩電機安裝在框架下端，通過減速器與絲杠下端相連，并使用推力球軸承承受絲杠軸向力。電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使滑塊升降，完成升降過程。升降機構(gòu)選擇滾珠絲杠作為傳動方案，滾珠絲杠傳動副具有高效率、長壽命、精度高以及體積小等優(yōu)點，可以增加升降機構(gòu)的穩(wěn)定性和高效性[4]。

1.5 座椅折疊機構(gòu)設(shè)計

座椅折疊機構(gòu)主要由電動推桿、特制連桿、座椅轉(zhuǎn)軸、坐墊框架、坐墊、腳踏桿折疊電機以及腳踏桿和腳踏桿轉(zhuǎn)軸組成，如圖3所示。坐墊安裝在坐墊框架上，坐墊框架通過座椅轉(zhuǎn)軸與升降機構(gòu)滑塊連接。電動推桿一端連接滑塊，一端連接特制連桿。特制連桿與坐墊框架固定連接，電動推桿伸縮帶動特制連桿繞坐墊轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而帶動坐墊框架繞座椅轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。腳踏桿折疊電機與腳踏桿通過腳踏桿轉(zhuǎn)軸與坐墊框架連接，腳踏桿電機轉(zhuǎn)動帶動腳踏桿繞腳踏桿軸轉(zhuǎn)動。本設(shè)計方案相對于傳統(tǒng)的座椅翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，優(yōu)點是不需要將支撐和翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計在座椅板下方，而是設(shè)在座椅板后方，可實現(xiàn)座椅折疊機構(gòu)隨升降機構(gòu)滑塊完成升降，同時節(jié)約了助行器空間，有助于產(chǎn)品輕量化。

2 助行器主要功能原理

本助行器的主要功能是減重助行。如圖4所示，設(shè)計的獨特之處在于通過多種機構(gòu)的相互配合，實現(xiàn)老人從坐到走的姿態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)變。助行器完成減重助行功能時分為兩個過程。第一過程是老人以坐姿坐在椅子上，通過按下控制面板上的減重助行按鈕，對助行器發(fā)出指令。第二過程中，坐墊下方電機轉(zhuǎn)動帶動腳踏板勻速折疊至座椅下方，然后升降結(jié)構(gòu)下方力矩電機轉(zhuǎn)動帶動絲杠轉(zhuǎn)動。絲杠滑塊與支撐架和坐墊折疊機構(gòu)相互連接，滑塊上升，從而使支撐架和坐墊緩慢上升至預先設(shè)定的工作高度。最后助行器左側(cè)電動推桿緩慢收縮，帶動特制連桿繞坐墊軸轉(zhuǎn)動，特制連桿帶動坐墊緩慢向下展開至與靠背平行狀態(tài)。此時，老人完成從坐姿向站姿的轉(zhuǎn)變，同時助行器支撐架通過對老人腋下支撐達到減重及固定效果。老人可通過控制器上的微調(diào)按鈕，調(diào)節(jié)滑塊高度來改變減重比例，以適應(yīng)自身狀況，取得更好的出行和鍛煉體驗。

3 有限元分析

升降機構(gòu)的框架是助行器的重要支撐件，在任何模式或位姿下都要承受一定的徑向力。為了避免絲杠承受徑向力而引起變形，導致滑塊無法正常滑動，必須保證框架的剛度及穩(wěn)定性，因此有必要對升降機構(gòu)的框架進行有限元分析[5]。在減重助行模式下，升降機構(gòu)框架需要承受全部減重量，且框架受力位置與支點較遠，容易產(chǎn)生形變，因此選擇此模式姿態(tài)對升降機構(gòu)框架進行靜力學分析。

首先，構(gòu)建三維模型，使用三維制圖軟件畫好外框架、內(nèi)置導軌及支撐架，支撐架與滑塊、滑塊上的導輪與框架都簡化為固定配合連接。其次，將相關(guān)信息導入有限元分析軟件，定義零件模型添材料為Q235。Q235是屈服值為235 MPa、密度為7.85 g/cm3、楊氏模量為210 GPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的剛度和焊接性。在框架與底盤連接的轉(zhuǎn)軸處添加固定約束，在支撐架的左右支撐柱處各添加500 N的豎直壓力。最后，對框架進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，劃分為78 066個單元，141 164個網(wǎng)格。進行靜力學分析，得到等效應(yīng)力云圖和總變形云圖，如圖5和圖6所示。對升降機構(gòu)框架的等效應(yīng)力云圖進行分析，可得到最大等效應(yīng)力發(fā)生在滑塊與導軌接觸處，約為36.96 MPa;對升降機構(gòu)框架在總變形云圖進行分析，可得到最大變形發(fā)生在框架頂部，位移量約為0.26 mm。有限元仿真結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力小于材料最大屈服極限，最大變形量滿足滾珠絲杠機構(gòu)的精度要求。

4 結(jié)語

本助行器選擇采用滾珠絲杠傳動機構(gòu)，較好地提升了助行器工作時的效率和平穩(wěn)性。通過多種機構(gòu)的相互配合，達到了減重助行的設(shè)計要求。通過有限元仿真，對主要承重機構(gòu)進行靜力學分析，確保助行器安全穩(wěn)定。本設(shè)計最終實現(xiàn)了設(shè)計者的初衷，對提升老人出行體驗及出行方式多樣性有很大幫助，同時通過減重比例的調(diào)節(jié)，達到了對老人腿部肌肉的鍛煉效果。

參考文獻：

[1]國家統(tǒng)計局，國務(wù)院第七次全國人口普查領(lǐng)導小組辦公室.第七次全國人口普查公報（第五號）：人口年齡構(gòu)成情況[J].中國統(tǒng)計，2021（5）：10-11.

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[3]范良勇.滾珠絲杠結(jié)構(gòu)家用電梯研發(fā)及應(yīng)用[J].河南科技，2020（11）：30-31.

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[5]鄭福建，常影，趙玉山，等.基于ANSYS Workbench的下肢康復機器人的有限元分析[J].河北農(nóng)機，2020（1）：43-45.