基于SolidWorks的輔助站立椅設(shè)計開發(fā)

郭 杰，劉大為，王 淦，趙鵬洋，崔佳琦，鄒今洛

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128； 2.智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

0 引 言

站立，是日常生活中一種普遍的、不可或缺的活動。殘疾人和老年人由于下肢力量的不足，在站立時往往存在困難。伴隨著年齡的增加，老年人的生理機能出現(xiàn)退行性改變[1]，尤其是下肢機能的衰退更加顯著，從而大幅度地降低了老年人的獨立生活能力，加速了老年人生活質(zhì)量的下降[1]。由于這些原因，我們基于SolidWorks設(shè)計了一種輔助站立椅裝置，旨在幫助他們解決站立難、活動難的問題，為老年人的生活帶來便利。

1 總體設(shè)計思路

本裝置在初步確定設(shè)計方案后，在SolidWorks軟件環(huán)境下進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)過數(shù)據(jù)校對、結(jié)構(gòu)調(diào)整、排除干涉等過程后，形成可行性較高的設(shè)計方案(三維整體效果見圖1所示)。在控制方面，采用雙電動推桿控制，并用與電動推桿互聯(lián)的遙控器控制輔助站立椅的啟動和停止，達到了功能所需。

2 輔助站立椅設(shè)計

該裝置機械系統(tǒng)主要包括升降裝置，座位轉(zhuǎn)動裝置，背部角度調(diào)整裝置和馬桶輔助裝置。通過對人體自然站立運動過程的分析，老人從椅子上站立遵循這樣的程序：身體重心上升→臀部水平轉(zhuǎn)向垂直→背部先前傾后豎直→完全站立狀態(tài)(如圖2所示)。

圖1 三維整體效果圖

圖2 人體站立過程圖

為解決3種運動時間上的先后順序，故采用具有控制功能的變胞構(gòu)件將3種裝置綜合到一起。按此順序運動符合人體起立過程的位置變化，使人能夠輕松自如地由坐姿轉(zhuǎn)化為站姿，實現(xiàn)輔助人起立的功能，并且在站姿狀態(tài)下能靠立在椅子上[2]。

2.1 各裝置設(shè)計概述

升降裝置的核心是剪式機構(gòu)，其功能是將由電動推桿所提供的水平推力轉(zhuǎn)換為豎直方向的位移，提供椅面垂直方向的高度差，經(jīng)過計算，此過程可實現(xiàn)的上升高度為161 mm；座位翻轉(zhuǎn)裝置的組成是曲柄滑塊機構(gòu)和變胞機構(gòu)，利用執(zhí)行過程中有效桿件的變化實現(xiàn)升降裝置與座位翻轉(zhuǎn)裝置中的銜接。經(jīng)過測算，在座位轉(zhuǎn)動裝置工作時，重心可繼續(xù)升高144 mm,同時座位翻轉(zhuǎn)角度可達44.63°，之后的背部角度調(diào)整裝置為30°，符合人體站立的軌跡標準；控制系統(tǒng)主要用于控制整個裝置的啟動和停止，當使用者坐在座椅上按下啟動按鈕后座椅中的電動推桿伸出推動剪式機構(gòu)的滑塊向前運動，此時座椅升高其余裝置不動，短時間后升降裝置與翻轉(zhuǎn)裝置連接處的兩根桿件拉直為一根有效桿件帶動后續(xù)翻轉(zhuǎn)裝置與背部調(diào)整裝置運動，實現(xiàn)座位的翻轉(zhuǎn)以及背部的角度調(diào)整，將人的臀部由水平方向變?yōu)樨Q直方向，實現(xiàn)使用者的站立。該裝置可以降低由坐姿轉(zhuǎn)換為站姿過程中對下肢力的要求，將轉(zhuǎn)換過程中的瞬時爆發(fā)力量轉(zhuǎn)換為一段平穩(wěn)的力學過渡，在站立過程中給以老年人為主的使用群體提供一個輔助力以及穩(wěn)定的支撐作用，實現(xiàn)使用群體平穩(wěn)快速的實現(xiàn)姿態(tài)轉(zhuǎn)變。

2.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 升降裝置設(shè)計

升降裝置，如圖3所示，由一對剪式機構(gòu)組成，兩側(cè)對稱排列，下方與導軌滑塊組合連接于機架，上方通過止推軸承、光軸與座位轉(zhuǎn)動裝置相連。驅(qū)動部分由一對電動推桿和下方滑塊連接，通過遙控器控制電機的啟動與停止，使滑塊做直線往復運動，從而控制剪式機構(gòu)的升降。

圖3 剪式機構(gòu)初始位置圖1.剪式機構(gòu) 2.導軌滑塊機構(gòu) 3.座位轉(zhuǎn)動裝置 4.變胞機構(gòu)

2.2.2 座位轉(zhuǎn)動裝置設(shè)計

座位轉(zhuǎn)動裝置，如圖4所示，主要由曲柄滑塊機構(gòu)和變胞機構(gòu)組成，通過剪叉機構(gòu)的運動帶動變胞機構(gòu)上的滑塊運動，當兩個變胞桿合并為一個桿件時，其與機架、椅面、滑塊組成曲柄滑塊機構(gòu)，這時隨著剪叉機構(gòu)的繼續(xù)上升，曲柄滑塊機構(gòu)開始運動至圖中所示狀態(tài)。與此同時，背部支撐也因為構(gòu)件的運動發(fā)生微調(diào)，構(gòu)成背部角度調(diào)整裝置。

圖4 座位轉(zhuǎn)動裝置圖1.驅(qū)動系統(tǒng) 2.剪叉機構(gòu) 3.座位轉(zhuǎn)動裝置 4.椅面及馬桶 輔助裝置 5.背部角度調(diào)整裝置 6.滑塊

3 創(chuàng)新點及適用場合

3.1 創(chuàng)新點

(1) 用構(gòu)件的變換實現(xiàn)運動過程的控制

輔助站立椅的座位轉(zhuǎn)動裝置和背部角度調(diào)整裝置在運動次序上要滯后于升降裝置，所以用構(gòu)件的變換來連接兩者，起到系統(tǒng)控制的作用，以此實現(xiàn)不同工作階段的順序轉(zhuǎn)換，輔助實現(xiàn)老年人的站立工作。

(2) 功能多樣

本產(chǎn)品在不發(fā)揮其主要功能的情況下，它是一個舒適性高、安全性強的普通輪椅，當老年人有站立的需要時，它就是輔助站立椅；同時當老人有如廁的需要時，它就是輔助如廁椅，一椅解決多問題。

3.2 適用場合

(1) 在家里或者室內(nèi)

老年人在家中的時候，可以通過此功能性輪椅干自己喜歡做的事，還可以自由往返臥室、廚房等地方當老人需要站起來的時候，只需輕輕地按一下按鈕，輪椅的輔助站立機構(gòu)就會開始工作，幫助老人輕松站起來；當老人要如廁時，可將輔助椅放置于馬桶上，掀起輔助椅的座椅面，在老人方便之后通過本裝置輔助起立，在座椅兩側(cè)安裝彈助力扶手，由此極大的方便了老年人的日常生活。

(2) 在室外

因為是功能性輪椅，老人也可以手推著它去外面散散心，用人力作為動力不僅能活動手部的肌肉，而且還達到了鍛煉的效果。同樣，當老年人要起立時，內(nèi)置機構(gòu)就會輔助老人站起來，工作時間與老年人站立所需時間吻合，運行過程穩(wěn)定，滿足了老年人的生活需要，緩解了老年人的下肢不適感，維護了老年人的身心健康。

4 改進方向

①自動化：運用自動控制原理，由電機控制輪子，使其能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域內(nèi)的自由移動，擴大椅子的適用范圍；②智能化：加入智能化電控模塊，巧妙利用智能通信、單片機等技術(shù)打造新時代的“智能椅”；③舒適化：在現(xiàn)有功能的條件下，充分利用人機工程學的知識針對老年人的生理特征、心理需要進行設(shè)計和改進，使產(chǎn)品服務惠及老年人的晚年生活；④外觀優(yōu)化：應用工業(yè)設(shè)計的相關(guān)知識，提出產(chǎn)品造型的優(yōu)化方案，使其更符合老年人的使用習慣和審美需要。

5 應用前景

隨著我國老齡化社會的推進，市場對于老年人輔助產(chǎn)品的需求也大幅度的增加，老年人輔助產(chǎn)品旨在關(guān)愛老年人，盡可能給他們的生活帶來便利，提高老年人的生活質(zhì)量，幫助老年人更好地與現(xiàn)代社會相融合。

我們以老年人客戶的真實需求設(shè)計了此產(chǎn)品，一方面是為了解決老年人站立難的問題，二是為了呼吁社會關(guān)心老年人、關(guān)注老年人群體，給他們提供優(yōu)質(zhì)的輔助站立與如廁輔助，極大程度的減小老年人的生活負擔和心理壓力，對促進和諧家庭、和諧社會的發(fā)展具有重要作用，同時也能帶動其他助老產(chǎn)品的研發(fā)，具有良好的社會經(jīng)濟效益，市場前景廣闊。