具有輔助上下床功能助行裝置的設(shè)計(jì)

王明旭,黃鵬春,王 月,王申伊,梁明萬,葉桉佟

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,吉林 吉林 132013)

據(jù)統(tǒng)計(jì),21世紀(jì)初我國60歲以上老人數(shù)量高達(dá)2.5億,占我國總?cè)丝诘?0%,老年人的體力變?nèi)?正常生活受到影響,請護(hù)工來照顧老年人的日常起居,不僅費(fèi)用昂貴,老年人也不一定能得到細(xì)致、精心的照顧,家庭護(hù)理也會(huì)干擾子女的正常生活,因此,開發(fā)助老器械,成為當(dāng)前助老的熱點(diǎn)和主要課題之一。日本筑波大學(xué)設(shè)計(jì)的HAL系列下肢外骨骼,其售價(jià)昂貴,且性價(jià)比不高。國內(nèi)常見的協(xié)助老人上下及坐臥的床主要為扶手床、支架床、多功能活動(dòng)床以及座椅床等。武漢理工大學(xué)的“一種老年人上下床的輔助裝置”主要是針對輔助老年人在床上坐臥進(jìn)行的設(shè)計(jì),沒有兼顧老人上下床的問題。本文基于此,提出了一種具有輔助上下床功能的助行裝置,該裝置可以輔助老人坐立,實(shí)現(xiàn)行動(dòng)不便老人獨(dú)自完成上下床和日?；顒?dòng)的直立行走需求,例如老人的床椅轉(zhuǎn)換、上廁所等。

1 輔助坐立裝置設(shè)計(jì)方案

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)研制了一種具備在室內(nèi)環(huán)境下輔助老年人站立、行走的智能化裝置,該裝置是具有輔助上下床功能的助行裝置,以解決老人或殘疾人居家起臥不便、行動(dòng)困難等難以生活自理的問題[1],整體上輔助坐立裝置由可調(diào)支撐單元、舉升單元、行走單元和控制單元四部分組成?？烧{(diào)支撐單元可以滿足更多人群的使用要求,使用者可根據(jù)自己的胸圍和身高來調(diào)節(jié)支撐單元;舉升單元是實(shí)現(xiàn)站立和坐臥轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵;行走單元是實(shí)現(xiàn)老年人自主行走的關(guān)鍵;控制單元配合行走單元實(shí)現(xiàn)方向的轉(zhuǎn)變[2,3],如圖1所示。

圖1 輔助坐立裝置總體設(shè)計(jì)方案

1.2 可調(diào)支撐單元設(shè)計(jì)

可調(diào)支撐單元主要可細(xì)化為以下三個(gè)機(jī)構(gòu):腋下支撐機(jī)構(gòu)、胸圍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該單元主要作用是為老年人在起身時(shí)提供安全舒適的腋下與胸部的支撐,是起身時(shí)動(dòng)力輸出的直接作用部分[4,5],如圖2所示。

(b) 裝置右視圖圖2 可調(diào)支撐單元結(jié)構(gòu)圖

1)腋下支撐機(jī)構(gòu)

腋下支撐機(jī)構(gòu)作用于老人胸部及腋下,在老人起床的整個(gè)過程中對其起到支撐保護(hù)作用。在老人要完成由床上坐立到站立的過程時(shí),首先通過控制裝置調(diào)整腋下支撐桿機(jī)構(gòu)使其到達(dá)合適位置,然后將胳膊放在腋下支撐架上,將自己的胸部貼在胸部保護(hù)塊上,即完成了腋下支撐機(jī)構(gòu)對老人的支撐保護(hù)作用。

2)胸圍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為了適應(yīng)不同人群的胸圍寬度,使該裝置具有更好的實(shí)用性。設(shè)計(jì)了可根據(jù)不同人群的需求,調(diào)節(jié)支撐單元胸圍寬度大小的機(jī)構(gòu)。腋下支撐架通過管狀連接器連接,圓管部分與金屬鍵進(jìn)行焊接固連,然后與管狀連接器上的鍵槽配合。實(shí)現(xiàn)腋下支撐架在水平方向可以移動(dòng)但不可轉(zhuǎn)動(dòng),這樣就為胸圍可調(diào)提供了條件。當(dāng)需要調(diào)節(jié)時(shí),先將連接腋下支撐桿與管狀連接器的螺栓松開,然后移動(dòng)腋下支撐架使其調(diào)節(jié)到合適位置,再用螺栓螺孔配合,緊固螺栓將腋下支撐桿與管狀連接器連接起來,胸圍寬度調(diào)節(jié)的另一邊調(diào)節(jié)過程相同[6],如圖3所示。

圖3 胸圍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

3)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

管狀連接器與胸部保護(hù)架之間通過螺栓連接,也可通過不同螺孔之間的配合來實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié),原理和胸圍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理相同。

1.3 舉升單元

坐立姿勢的轉(zhuǎn)換,是老人上下床動(dòng)作的主要難點(diǎn),舉升單元的作用就是解決此問題。在本設(shè)計(jì)中,舉升單元由電機(jī)、齒輪、齒條、導(dǎo)向塊和導(dǎo)軌等組成。工作時(shí),電機(jī)啟動(dòng),通過蝸輪蝸桿減速器進(jìn)行減速增距,帶動(dòng)齒輪在齒條導(dǎo)軌上沿著光杠運(yùn)動(dòng),從而將老人架起,由坐姿轉(zhuǎn)化為站立。輔助老人由站姿轉(zhuǎn)換為坐姿流程與之相反,十分的方便快捷,舉升單元的主要作用是實(shí)現(xiàn)老人站姿和坐姿之間的相互轉(zhuǎn)換,其中起主要作用的是舉升機(jī)構(gòu),如圖4所示。

圖4 舉升單元模型

舉升機(jī)構(gòu)工作原理如下:導(dǎo)向塊可沿著導(dǎo)軌上下滑動(dòng),將導(dǎo)軌和齒條平行放置,這樣當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速增距,帶動(dòng)齒輪沿齒條向上爬升,導(dǎo)向塊也沿軌道滑動(dòng),老人由坐姿轉(zhuǎn)化為站姿[4]。

此外,為了安全性考慮,還設(shè)計(jì)了防跌落機(jī)構(gòu),利用棘輪機(jī)構(gòu),在機(jī)構(gòu)失控超速后立即抱死,防止裝置跌落,從而起到保護(hù)老人的目的[7,8]。

1.4 行走單元

老年人和肢體殘疾人生活最大的障礙就是行走不便的問題,無論是室內(nèi)還是室外,良好的輔助行走功能是助老最基本的功能單元。行走單元主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、定向輪和萬向輪等組成,由兩個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)兩個(gè)定向輪前進(jìn),通過輪轂電機(jī)差速原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,萬向輪輔助轉(zhuǎn)向,可以輔助老人在室內(nèi)狹小空間內(nèi)前往指定地點(diǎn)(如客廳,廁所等),如圖5所示。

圖5 行走單元模型

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 電機(jī)選型計(jì)算

根據(jù)輔助坐立裝置設(shè)計(jì)要求,本裝置需要設(shè)計(jì)一個(gè)一級渦輪蝸桿減速器來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng),如圖6所示。

圖6 單級蝸輪蝸桿減速器簡圖

2.1.1 工作條件

1.小頻率間歇使用;

2.自帶電源;

根據(jù)工作條件和使用要求,選用一般用途的直流電機(jī)。

2.1.2 選擇電動(dòng)機(jī)的容量

人坐起所需時(shí)間[9]:t1=15 s ;

(1)

舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)行速率:

V結(jié)構(gòu)=l總長÷t1=700÷15=0.046 7 (m/s);

(2)

工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行速率:

Vw=V結(jié)構(gòu)=0.045 7m/s ;

(3)

工作機(jī)負(fù)載Fw:Fw=1 400 N;

工作機(jī)所需功Pw:

(4)

(5)

機(jī)械傳動(dòng)裝置總效率μ總:

(6)

查表并根據(jù)工作條件取較合理值:

μ齒條=0.98;μ滾子軸承=0.98;μ蝸桿=0.8;μ聯(lián)軸器=0.99;μ直線軸承=0.97 ,

(7)

故電動(dòng)機(jī)所需功率P0為

(8)

選取電動(dòng)機(jī)額定功率Pm,使

Pm=1.5×P0=1.5×138.46=207.69 W;

(9)

最終電機(jī)選取Pw=500 W。

2.1.3 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)行速率V機(jī)構(gòu)=0.046 7 (m/s);

設(shè)定齒輪分度圓直徑d=40 mm;

那么其分度圓周長c=40π mm;

齒輪軸速率為

(10)

蝸輪蝸桿傳動(dòng)i:

i=7.5～100;

所以電機(jī)轉(zhuǎn)速可選范圍為

nd=nw×i=22.26×(7.5～100)=166.95～2 226rpm;

(11)

此處電機(jī)轉(zhuǎn)速選用為2 000 rpm。

根據(jù)選定電動(dòng)機(jī)的類型、容量和轉(zhuǎn)速,最終電機(jī)型號選定為:114FB7GA。

其滿載轉(zhuǎn)速為nm=1 800 rpm。

2.1.4 確定裝置總傳動(dòng)比

(12)

所以取iε=80。

2.2 輔助坐立裝置關(guān)鍵零件有限元分析

機(jī)架是輔助坐立裝置的主題框架,假設(shè)齒條受到全部外力,將齒條簡化后在齒條面上添加豎直向下載荷力為1 000 N,將行走輪視為整個(gè)框架的固定端約束,對模型網(wǎng)格劃分。對其進(jìn)行有限元仿真分析[10],按照約束條件施加載荷后,變形及應(yīng)力分析結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 應(yīng)力分析結(jié)果

圖8 位移分析結(jié)果

由圖7、8可以看出,機(jī)架的最大變形出現(xiàn)在右上方,最大變形量為0.837 mm,該變形量在光杠的彈性形變量的范圍內(nèi)。最大應(yīng)力分布比較小,未出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力值為44 MPa,小于該材料的屈服強(qiáng)度620 MPa。因此所設(shè)計(jì)的機(jī)架符合強(qiáng)度要求。

輔助坐立裝置在工作過程中,主要承力部件為平行板,因此探索輔助坐立裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在承力最嚴(yán)重情況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和是否會(huì)發(fā)生材料或結(jié)構(gòu)失效就顯得有必要和有意義[11],因此對平行板在承力最嚴(yán)重情況下作了結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度穩(wěn)定性有限元分析。

2.3 整體分析

2.3.1 整體結(jié)構(gòu)分析

該機(jī)整體支架,如圖9所示,整體尺寸750 mm×540 mm×1 100 mm。腋下支撐架由蝸輪蝸桿減壓器來支撐壓力低端連接有電機(jī);防跌落機(jī)構(gòu)采用棘輪機(jī),導(dǎo)軌與齒條相互平行,底板前端連接電機(jī)輪,后端連接萬向輪。

圖9 輔助坐立裝置實(shí)物圖

2.3.2 技術(shù)指標(biāo)

胸部寬度調(diào)整范圍為348～428 mm;整體抬升時(shí)間為12 s;裝置舉升范圍為0～460 mm;裝置舉升角度為90°;最大平地移動(dòng)速度為0.6 m/s;整體抬升速度為0.13 rad/s,最大負(fù)載為150 kg;抬腿板旋轉(zhuǎn)角度為80°;整體舉升時(shí)間為15 s;電機(jī)功率為240 W;最大續(xù)航時(shí)間為8 h。

3 結(jié) 論

本文提出具有輔助上下床功能的助行裝置,結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出輔助起臥和輔助坐立方案構(gòu)思,意在構(gòu)建具有輔助上下床功能的助行裝置,實(shí)現(xiàn)中輕度失能老人獨(dú)立起臥、站立、助行、轉(zhuǎn)移等動(dòng)作。該裝置借鑒齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)站立動(dòng)作;借鑒空間萬向節(jié)擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起臥動(dòng)作。并對人體站立過程中肩部運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行提取,優(yōu)化出上升機(jī)構(gòu)最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。對核心機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析和關(guān)鍵部件有限元分析校核,滿足使用要求。該裝置具有以下特點(diǎn):

1)可根據(jù)不同人群的需求,調(diào)節(jié)支撐單元胸圍寬度和高度;設(shè)計(jì)了防跌落機(jī)構(gòu),利用棘輪機(jī)構(gòu),在機(jī)構(gòu)失控超速后立即抱死,防止裝置跌落。

2)由兩個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)兩個(gè)定向輪前進(jìn),通過輪轂電機(jī)差速原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,萬向輪輔助轉(zhuǎn)向,可以輔助老人在室內(nèi)狹小空間內(nèi)前往指定地點(diǎn)。