老人如廁助力扶手設計

倪福生 王森

摘要：本設計涉及一種廁所的助力扶手，該助力扶手由平臺機構和電機驅動機構組成。其中，平臺機構是由電機驅動的剪叉式升降臺和扶手組成，剪叉式升降臺的支撐桿和扶手均采用鑄鋁件鑄造而成，用以減輕整體的重量。電機驅動系統由伺服電機帶動滾珠絲桿，從而帶動升降臺的升降。為了保證絲杠運行時的安全行程，在整個平臺上安裝有光電開關，從而達到控制升降高度的目的。

關鍵詞：助力扶手;升降機構;剪叉式;結構設計

1 設計要求和參數

設計要求和參數如下：

（1）平臺機構選用雙鉸鏈剪叉式升降機構，電動驅動;

（2）升降高度300mm-1000mm;

（3）負載重量：40kg-100kg;

（4）升降速度：25mm/s;

平臺機構選用剪叉式升降扶手。剪叉式升降機構根據驅動方式的不同，可以分為液壓驅動剪叉式升降機構和電機驅動剪叉式升降機構。

2 電機驅動剪叉式升降機構

電機驅動剪叉式升降機構是通過電機控制絲杠等機構，將電機的直線運動轉換成升降臺的垂直運動，從而來帶動升降臺的升降。其結構示意圖如圖2.1所示。

本次設計的助力扶手應用于居民生活中，考慮到使用環境要求，如使用液壓驅動，需要安裝液壓泵站，對空間包括面積要求較高，故本次設計采用電機驅動剪叉式升降機構。

電機驅動組件是由電機帶動滾珠絲杠轉動，從而帶動兩端的支撐桿在滑軌上移動。電動驅動的設計主要是電機的選型計算、滾珠絲杠和滑軌的選型。

3 滾珠絲杠的選型

滾珠絲杠的行程為支撐桿從最低位置運動到最高位置時橫向的位置，即，取滾珠絲杠的有效行程為250mm。

（1）確定滾珠絲杠副的導程

根據電機額定轉速和X向最大速度，計算絲杠導程。X向運動的驅動電機選擇松下MDMA152P1V，電機最高轉速為4500rpm。因為伺服電機可以通過調整輸出脈沖的頻率來調節速度，故不需要鏈接減速機。電機與滾珠絲桿直連，傳動比為1。X向最大運動速度25mm/s，即1500mm/min。則絲杠導程為

實際取，可滿足速度要求。

（2）滾珠絲杠副的載荷及轉速計算

滾動導軌承重時的滑動摩擦系數最大為0.02，靜摩擦系數與摩擦系數差別不大，此處計算取靜摩擦系數為0.02。則導軌靜摩擦力：

（7）導程精度的選擇

根據X向運動的定位精度要求達到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長度的導程精度為0.0015mm。

（8）確定滾珠絲杠副規格代號

按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內循環雙螺母式滾珠絲桿，型號為FYND6310-4，精度等級2級。絲桿基本導程Ph=10mm，絲杠底Xd2m=57mm>14.42mm，外徑Xd=62mm，公稱直徑Xd0=63mm，額定動載荷Ca =48740N >Cam，額定靜載荷Cao=156912N。

4 電機選擇

根據工作場所的要求，考慮成本等因素，電機選擇伺服電機驅動，伺服電機選取松下NASA4系列MDMA152P1V型大慣量電機，其功率：1.5KW，額定轉矩：7.15 N.m，電機慣量JM：0.00123 Kg.m2。

X向運動工件及工作臺質量估計最大值約100Kg。

（5）加速度產生的負荷扭矩：

根據設計要求可知：X向工作臺運動速度為v=25mm/s，對應電機轉速=150rpm，最大加速度為a=40mm/s2，則工作臺速度從0升至25mm/s所需時間：

（6）電機總扭矩：

所選擇電機額定扭矩為7.15N.m，大于計算電機總扭矩3倍以上。所選擇電機扭矩符合要求

（作者單位：臨沂大學）