一種家用多功能助老裝置的設(shè)計(jì)*

王 望，平學(xué)文，李仔成

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011)

0 引言

2021年5月第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)60歲及以上人口為2.6億，占比18.70%，與2010年相比，比重上升5.44%。其中，65歲及以上人口為1.9億人，占比13.50%。全國(guó)31個(gè)省份中，有16個(gè)省份65歲及以上人口超過(guò)了500萬(wàn)，有6個(gè)省份的老年人口超過(guò)了1 000萬(wàn)。晚年生活中，老年人的自我照料以及行動(dòng)等方面的能力都有了較大幅度的降低，老年人普遍存在不希望成為別人負(fù)擔(dān)的心理，尤其害怕因?yàn)槭?、失智而失去尊?yán)。人口老齡化已經(jīng)成為我國(guó)社會(huì)發(fā)展的重要趨勢(shì)，也是今后較長(zhǎng)一段時(shí)期我國(guó)的基本國(guó)情。

《國(guó)家積極應(yīng)對(duì)人口老齡化中長(zhǎng)期規(guī)劃》中提出：加強(qiáng)老年輔助器材及產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新，優(yōu)先發(fā)展老年人護(hù)理照料、生活輔助、功能代償增進(jìn)等老年輔助科技產(chǎn)品；優(yōu)化老年輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高實(shí)用性，為老年人功能退化缺損提供智能科技代償，輔助、替代人力照護(hù)。

然而，現(xiàn)有的一些家用助老裝置存在占用空間大、移動(dòng)不方便、需要改造或更換床體、實(shí)用性不強(qiáng)等突出問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、工作可靠，可輔助老年人完成部分日常起居功能的助老裝置，對(duì)于應(yīng)對(duì)我國(guó)人口老齡化具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文設(shè)計(jì)了一種家用多功能助老裝置。

1 家用多功能助老裝置主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

家用多功能助老裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由位姿變形部分、升降部分和移動(dòng)模塊三部分組成，可實(shí)現(xiàn)位姿變形、高度調(diào)節(jié)和多方位移動(dòng)等功能。

圖1 家用多功能助老裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 位姿變形部分設(shè)計(jì)

市面上一些具有起背功能的同類產(chǎn)品，大都是依靠安裝在背板后部框架上電動(dòng)推桿的伸縮移動(dòng)來(lái)完成起背動(dòng)作的，屬于外部支撐式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是支撐力大，機(jī)構(gòu)外露，占用背板后部較大空間，適用于固定安放在床面上，不適用于經(jīng)常移動(dòng)的場(chǎng)所。

該裝置的位姿變形部分主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)躺位與坐位的連續(xù)變形以及起背功能，該部分主要包括背板、座板、腳板以及座板下部的連桿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 位姿變形部分

為了保證背板的起伏運(yùn)動(dòng)與剪叉式升降機(jī)構(gòu)不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，背板輪廓形狀設(shè)計(jì)為階梯形狀。根據(jù)使用要求，位姿變形部分主體是一個(gè)由背板、座板和腳板組成的三板鉸接式結(jié)構(gòu)。該部分的連桿機(jī)構(gòu)包括長(zhǎng)、短兩個(gè)連桿，長(zhǎng)連桿的一端與腳板鉸接，另一端與電動(dòng)推桿末端鉸接；短連桿的一端與背板底部鉸接，另一端同樣鉸接在電動(dòng)推桿末端。由于板與板之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，在連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，背板與座板以及座板與腳板之間均可產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣背板和腳板就各自形成一個(gè)杠桿，隱藏于座板的底部，在電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)下，背板就會(huì)圍繞與座板鉸接的轉(zhuǎn)動(dòng)副產(chǎn)生杠桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)起背功能，同時(shí)，腳板配合背板動(dòng)作起伏，共同完成躺位與坐位的連續(xù)變形功能。該裝置的位姿變形部分本質(zhì)上屬于杠桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)隱藏于座板下部，節(jié)省了背板后部的空間，便于移動(dòng)，美觀大方。

1.2 升降部分設(shè)計(jì)

該裝置的升降部分采用雙列剪叉式連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)置在座板下部，用于調(diào)節(jié)裝置板面高度，以保證裝置座板能與不同高度的床面貼合。升降部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 升降部分結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證座板的平穩(wěn)升降，升降部分采用雙列八點(diǎn)式剪叉連桿機(jī)構(gòu)，即由兩根固連在一起的內(nèi)支桿與兩根固連在一起的外支桿組成，并在內(nèi)、外支桿中點(diǎn)進(jìn)行鉸接。四根支桿的頂端和底部分別可以在座板下部和底框的滑槽內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。在升降電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)下，內(nèi)支桿與外支桿在鉸接處產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度升降。剪叉式連桿機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載力強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在機(jī)械升降設(shè)備中應(yīng)用廣泛。

1.3 移動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)裝置的位置移動(dòng)，能夠幫助老年人在不同房間之間挪動(dòng)。該模塊主要包括底板、麥克納姆輪、減速電機(jī)、鋰電源和控制模塊等元器件，如圖4所示。由于選用了麥克納姆輪，裝置可實(shí)現(xiàn)前、后、左、右和對(duì)角線等方向移動(dòng)，適合在狹小的家用空間里靈活操作。

圖4 移動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)與結(jié)果

為了更好地檢驗(yàn)裝置的動(dòng)作性能，按照裝置整體設(shè)計(jì)方案制作實(shí)物樣機(jī)，在平地上進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖5所示。先后操縱演示升降、位姿變形和移動(dòng)等動(dòng)作，觀察裝置動(dòng)作的平穩(wěn)性，并記錄裝置完成相應(yīng)動(dòng)作的時(shí)間。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 樣機(jī)試驗(yàn)

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

試驗(yàn)表明，該裝置在居家環(huán)境下工作，動(dòng)作靈活，工作可靠，基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)：該裝置可實(shí)現(xiàn)在47.3 cm～62.3 cm范圍內(nèi)高度的任意調(diào)節(jié)，能適應(yīng)絕大多數(shù)家用床面高度;該裝置位姿從躺位到坐位的變形平均時(shí)間為9.97 s，從坐位到躺位的變形平均時(shí)間為10.40 s，起背力矩大，變形平穩(wěn)；該裝置高度上升的平均時(shí)間為5.24 s，高度下降的平均時(shí)間為2.38 s，動(dòng)作迅速，升降平穩(wěn)；該裝置在平地上前進(jìn)/后退速度為0.15 m/s，左移/右移速度為0.07 m/s，速度適中。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)將為后期裝置的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)比分析部分家用助老裝置結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能夠幫助老年人完成躺臥、升降以及代步移動(dòng)的機(jī)械裝置。研究了一種可實(shí)現(xiàn)大力矩起背、躺位與坐位能夠雙向連續(xù)變形的隱藏式杠桿機(jī)構(gòu)；選用雙列剪叉式機(jī)構(gòu)，保證裝置整體平穩(wěn)升降；選用麥克納姆輪，可實(shí)現(xiàn)裝置多方位移動(dòng)；通過(guò)制作裝置樣機(jī)，測(cè)試數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)了裝置的工作性能，為下一步的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。