多功能助力起立器的設(shè)計

□ 曹軼萌 □ 解治琦 □ 王筱彤 □ 李羿霏 □ 許 虹

華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 上海 201499

1 設(shè)計背景

人口老齡化現(xiàn)象在全世界范圍內(nèi)都比較普遍,老齡化現(xiàn)象引發(fā)很多問題。根據(jù)《世界人口展望2019》預(yù)測數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)修正,2020年我國60歲及以上人口為2.56億人。此后一段時期內(nèi),老年人口以年均1 000萬人的規(guī)模增長,至2026年突破3億人,達(dá)到3.12億人,至2034年突破4億人,達(dá)到4.06億人。2020年至2035年的15 a間,共將增長1.5億人 。

隨著年齡的增長,老年人在生理機能上出現(xiàn)很多障礙和病變,如活動能力降低、行動緩慢、平衡能力減弱。許多老年人在彎腰、站起時比較費力,起落困難且容易滑倒。

現(xiàn)今國內(nèi)市場的助老產(chǎn)品還存在許多不足之處,筆者運用創(chuàng)新思維設(shè)計了一款多功能助力起立器,可以方便老年人的生活,用于養(yǎng)老院、社區(qū)等老年人集中的場所,能夠為老年人服務(wù)。

2 設(shè)計過程

多功能助力起立器以人機工程學(xué)理論作為設(shè)計支撐。在設(shè)計前,筆者搜集了大量相關(guān)文獻(xiàn)資料,奠定了理論研究基礎(chǔ)。在實踐部分,筆者采用調(diào)查問卷、訪談法、觀察法了解老年人的實際需求,結(jié)合設(shè)計理念進(jìn)行完善與重新設(shè)計。主要設(shè)計過程如下:

(1) 查閱相關(guān)文獻(xiàn),多方搜集資料,了解國內(nèi)老齡化與空巢問題現(xiàn)狀,掌握年齡增長對老年人生理和心理造成的影響;

(2) 分析市場上現(xiàn)有的老年人助行器,總結(jié)優(yōu)缺點,尋求設(shè)計思路;

(3) 明確用戶人群,主要針對有活動能力但虛弱無力、存在輕度運動障礙的老年人群體;

(4) 運用問卷調(diào)查和用戶訪談的方法,進(jìn)行用戶研究,明確老年人群體對多功能助力起立器性能的期待點;

(5) 制訂設(shè)計方案,完成可行性分析報告,并以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計實踐。

3 同類產(chǎn)品比較與改進(jìn)

產(chǎn)品的改進(jìn)是一個持續(xù)的、永無止境的過程,應(yīng)該給予足夠的重視。

市場上常見的普通助行器如圖1所示,優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,有支撐結(jié)構(gòu),可以確保穩(wěn)固性,缺點是活動性較差,不利于老年人的挪動。普通助行器完全依靠用戶自身力量操控器材,用戶人群受到限制,并且功能過于單一,無法滿足用戶的實際需求。

在普通助行器基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計的滑行助行器如圖2所示,優(yōu)點是不存在復(fù)雜的操作,增加了輔助輪,提高了活動性,缺點與普通助行器一樣,在使用時需要用戶彎腰,質(zhì)心比較低,不省力。

經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計的輔助行走器如圖3所示,優(yōu)點是增加了支撐臂托,提高了質(zhì)心,無需用戶彎腰,非常省力,可以適用于下肢力量不足、承受不了自身體重而無法完成獨立行走動作的用戶群體。

▲圖1 普通助行器

▲圖2 滑行助行器

▲圖3 輔助行走器

考慮到老年人的身體較虛弱,在行走過程中身體可能會處于疲憊狀態(tài),所以進(jìn)一步改進(jìn),設(shè)計得到可坐式助行器,如圖4所示。其優(yōu)點是助行器上設(shè)有手閘用以控制速度,有座椅結(jié)構(gòu),方便用戶休息。

但是,上述老年人助行器都沒有解決老年人起立困難的問題,功能單一,設(shè)計方面還存在許多需要改進(jìn)的地方。筆者在分析對比后,運用創(chuàng)新性思維設(shè)計了一款多功能助力起立器,以滿足市場需求。

4 總體結(jié)構(gòu)

多功能助力起立器外觀如圖5所示,可實現(xiàn)的功能是通過可控自動升降扶手托住老年人的腋下,助力老年人完成起立動作。多功能助力起立器底板上安裝有固定扶手,給予老年人支撐點。右側(cè)固定扶手前端可轉(zhuǎn)動,通過鍵連接和銷連接帶動齒輪機構(gòu)與底板下的多連桿機構(gòu)工作,實現(xiàn)可控轉(zhuǎn)向功能。底板前端安裝有調(diào)速電機,通過皮帶傳動驅(qū)動后輪前進(jìn),利用單片機實現(xiàn)調(diào)速功能。左側(cè)固定扶手下部安裝剎車裝置,方便用戶及時制動,確保安全性,防止意外發(fā)生。多功能助力起立器主體上安裝折疊座椅,老年人疲憊時可以坐下休息,在節(jié)省空間的同時滿足用戶需求。

▲圖4 可坐式助行器

▲圖5 多功能助力起立器外觀

5 自動升降扶手

自動升降扶手包括電動推桿和帶動電動推桿按預(yù)定軌跡實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的多連桿機構(gòu)。

5.1 多連桿機構(gòu)

多連桿機構(gòu)包括鉸接桿、連桿、固定銷。在底板的左右兩側(cè)各固定一個鉸接桿,每一個鉸接桿上鉸接有曲柄和搖桿,鉸接桿結(jié)構(gòu)如圖6所示。

鉸接點2離底板的距離為364 mm,連桿長度,即鉸接點3與鉸接點4之間的距離為465 mm,搖桿長度為311 mm,曲柄長度為220 mm,鉸接點1與鉸接點2之間的距離為230 mm。

5.2 電動推桿

電動推桿的活動端通過一個鉸接點在自動升降扶手上的指定位置處鉸接,電動推桿的固定端通過支架安裝在底板上。

▲圖6 鉸接桿結(jié)構(gòu)

電動推桿在完全收縮狀態(tài)時,收縮距離為900～905.75 mm,并且自動升降扶手與水平面之間的夾角為0°。電動推桿在完全伸展?fàn)顟B(tài)時,伸展距離為1 300～1 303.75 mm,并且自動升降扶手與水平面之間的夾角為30°。

電動推桿連接有一個控制器,控制器安裝于任意一個固定扶手上。鉸接桿與電動推桿固定端支架之間的距離為750 mm。

6 可控轉(zhuǎn)向機構(gòu)

可控轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括安裝在固定扶手前端的第一轉(zhuǎn)軸、齒輪機構(gòu)及安裝在底板前端的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

6.1 第一轉(zhuǎn)軸

底板的左右兩側(cè)通過固定支架各安裝一個固定扶手,固定扶手長464 mm,兩個固定扶手之間的距離為616 mm。右側(cè)固定扶手前端20 mm處通過鍵連接第一轉(zhuǎn)軸,用戶轉(zhuǎn)動該轉(zhuǎn)軸即可實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向功能。

6.2 齒輪機構(gòu)

齒輪機構(gòu)如圖7所示。第一齒輪與第一轉(zhuǎn)軸通過鍵連接第一齒輪與第二齒輪嚙合傳動,傳動比為1∶2。第二齒輪通過鍵連接第二轉(zhuǎn)軸,第二轉(zhuǎn)軸安裝在支撐托架上,可保持穩(wěn)定,支撐托架安裝在底板上。第二轉(zhuǎn)軸通過鍵連接第三齒輪,第三齒輪與第四齒輪嚙合傳動,傳動比為1∶1。第四齒輪通過鍵連接第三轉(zhuǎn)軸,第三轉(zhuǎn)軸固定在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上。

6.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是一個多連桿框架,未轉(zhuǎn)動變形時為長方形,長為450 mm,寬為180 mm。各連桿通過銷連接在一起,其中第一連桿和第二連桿分別和兩個前輪固定連接在一起,實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動。通過扶手前端第一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動帶動齒輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動,從而帶動第三轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,使長方形的多連桿框架變形為平行四邊形,使前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向機構(gòu)如圖8所示。

▲圖8 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

7 其它結(jié)構(gòu)

7.1 驅(qū)動調(diào)速裝置

驅(qū)動調(diào)速裝置由電機和皮帶輪機構(gòu)組成,如圖9所示。電機通過固定支架安裝在底板上,通過皮帶輪驅(qū)動后輪前進(jìn)。電機由單片機進(jìn)行控制,可以實現(xiàn)調(diào)速功能。

▲圖9 驅(qū)動調(diào)速裝置

7.2 剎車裝置

剎車把手安裝在固定扶手下方,用戶可以通過握緊剎車把手控制滾動輪,起到減緩滑移,保護(hù)用戶安全的作用。

7.3 折疊座椅

底板上安裝折疊座椅,用戶疲憊時可以坐下休息,在節(jié)省空間的同時提高使用的便捷性,滿足用戶需求。折疊座椅如圖10所示。

▲圖10 折疊座椅

7.4 防傾倒支座

考慮到用戶起立過程中施加至多功能助力起立器升降扶手的壓力較大,存在側(cè)翻等安全隱患,設(shè)計了防傾倒支座,如圖11所示。

▲圖11 防傾倒支座

8 創(chuàng)新點

多功能助力起立器的機械結(jié)構(gòu)靈活巧妙,用最簡單的設(shè)計達(dá)到效益最大化。

多連桿機構(gòu)帶動自動升降扶手平穩(wěn)地按特定運動軌跡實現(xiàn)高度和傾斜角度的變化,幫助用戶完成起立動作。

可控轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用多連桿框架,通過第一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動帶動齒輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動,進(jìn)而帶動第三轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,使長方形多連桿框架變形為平行四邊形,進(jìn)而使前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

多功能助力起立器集多種功能于一體,包括助力起立、驅(qū)動前進(jìn)、改變速度、輕松轉(zhuǎn)向、坐立一體等,提升了產(chǎn)品的性價比,更能滿足用戶需求。

多功能助力起立器可以在不同的空間環(huán)境中使用,使用戶在家中臥室、廚房、衛(wèi)生間等地點實現(xiàn)輕松移動,更能夠方便用戶在戶外運動,適應(yīng)性強。

9 結(jié)束語

在全球步入老齡化的社會背景下,解決老年人行動不便的問題具有重要的社會意義。筆者設(shè)計的多功能助力起立器彌補了傳統(tǒng)助行器的不足,為開發(fā)、設(shè)計新型助行器提供了新的途徑和方向,具有市場前景。