輔助老人獨立起居裝置

鄭桅霄 袁海磊 潘金坤 王 建 吳天豪

（南京工程學院，江蘇 南京211100）

1 概述

對于大多數老人來說，身體機能隨著年齡的增長而減弱，腿腳不便，腰部疾病等變得十分常見。在國內大多數的設計均可定義為醫療床，或者護理床，這些裝置適合在醫院等場所使用，但卻不適合家用，因此那些醫療用床、護理床并不適合他們。本裝置能夠在最大程度上幫助老人獨立完成日常起居，同時減小起居過程中老人對腰等部分的負擔，降低老人受傷的風險。

2 項目研究內容

首先通過人體體位信息的分析，使用UG 進行初步的三維建模，其次通過Adams 對日常起居過程中輔助裝置進行運動仿真分析，得到裝置中主要部件（床尾床板，鉸接連桿）的運行軌跡和運動學規律，達到了能夠準確模擬生活中老人起居的目的。其中采用ABAQUS 對裝置的主要部件進行有限元分析。

2.1 整體機構設計

2.1.1 床頭模塊：采用絲桿傳動，通過控制電機，實現床板的翻折，實現抬背功能。

2.1.2 臀部模塊：采用凸輪傳動，通過凸輪的移動，實現人體與床體的接觸減小，實現穿、脫褲功能。

2.1.3 床尾模塊：采用齒輪傳動，通過控制電機，撐褲桿的移動，實現褲子的收集功能。

2.2 計算機仿真分析

根據實際數據通過UG 進行三維建模，以及使用matlab 中spline 三次樣條函數插值法對凸輪進行優化設計；針對涉及到的多組傳動機構利用Adams 軟件進行運動及動力學仿真，以此對傳動機構的參數進行調整；針對絲桿、凸輪等多個關鍵部件進行有限元分析。

2.3 控制部分

圖1 電路工作流程圖

圖1 所示為電路工作流程圖。步進電機驅動限位桿工作流程：電源模塊插頭接220v 進行變壓，整流，濾波，穩壓，給步進電機穩定的24v 交流供電。與此同時，主控板接收變壓器方波次數并換算成通電時間。當主控板接收到開始工作的信號時，發送PWM波給步進電機驅動器，并接收來自電位器的脈沖頻率的反饋保證步進電機在合適的速度運作。當步進電機驅動限位桿運動到設定位置時，紅外限位器和測距傳感器相互校對并向主控板發送結束工作的信號。主控板立即停止向步進電機驅動器發送PWM波，步進電機停止工作。

3 研究方案

3.1 三維建模

3.1.1 模塊化設計

圖2 整體機構展示圖

裝置整體上采用模塊化設計，將整體機構分為：床頭模塊，臀部模塊，床尾模塊，見圖2。模塊的參數設計上引用了人體體位分布信息，確保運動過程的穩定性與安全性。

圖3 模擬工作機構圖

圖3 展示機構在運動過程中，凸輪推桿機構與線性滑臺的同步運行，同時將人體與床體的主體接觸部分通過床板的翻折減小擠壓，實現抓褲爪的順利通過。

3.1.2 床頭模塊設計

圖4 輔助起居床_床頭模塊- 絲桿傳動示意圖

輔助起居床_床頭模塊：本模塊采用絲桿傳動，通過控制電機，實現床板的翻折，實現抬背功能。

工作原理：本模塊采用絲桿傳動機構（見圖4），通過電機驅動，使得11.絲桿螺母在9.絲桿上平穩運行，以鉸接作為中間機構，5.床頭床板，6.二級床板能夠實現翻折，進而人體上身的體位進行調整，減小了臀部以及大腿等對床的壓力，采用絲桿傳動，絲桿傳動穩定，能以較為安全的速度與方式，輔助老人完成抬背等活動。

圖5 輔助起居床_臀部模塊凸輪傳動示意圖

3.1.3 臀部模塊設計輔助起居床_臀部模塊：采用凸輪傳動，通過凸輪的移動，實現人體與床體的接觸減小。

工作原理：本模塊采用凸輪推桿機構，以滾子直動從動件的運動變化，來實現床板的翻折。工作流程：人躺在床上時，可手動將23.抓夾夾住的褲腰，進而即可摁下啟動按鈕，上下兩個線性滑臺通過電機控制，保持著的同步運行，同時23.抓夾與19.凸輪固定滑塊保持上下對齊，14.移動凸輪由16.線性滑臺帶動，保持一定的速率的向床尾段移動，在移動過程中15.推桿隨著16.移動凸輪進行移動，實現15.推桿的在豎直方向上的運動，進而實現20.床板的翻折，減少人體與床板的接觸力，便于23.抓夾能夠順利完成向床尾的運動，完成脫褲工作。

本模塊采用的凸輪傳動設計，可以根據床板的翻折速度，角度的需求來反向設計凸輪輪廓曲線；采用的凸輪與滾子推桿配合工作，可以避免速度，慣性力等的突變，確保穩定運行。

圖6 Adams 凸輪傳動機構仿真

利用Adams 軟件進行凸輪輪廓曲線設計。具體流程：根據凸輪機構理想的運動規律，采用spline 三次樣條函數插值法，同時利用數學規劃中最優化方法，以各段時間為設計變量，期望要求（非約束量，非反求設計要求限制量）為優化目標函數（可以取多個量），工程實際限制要求為約束條件，建立數學模型。由于在凸輪機構優化時，大部分是非線性規劃，故此處采用非線性規劃方法求解。根據以上數學模型進行編程，借助matlab 軟件進行計算求解，對多個優化結果進行合理評估和篩選。

3.1.4 床尾模塊設計

圖7 輔助起居床_床尾模塊齒輪傳動示意圖

輔助起居床_床尾模塊：本模塊采用齒輪傳動，通過控制電機，實現撐褲桿的移動，實現褲子的收集功能。

圖7 為輔助起居床_床尾模塊齒輪傳動示意圖。其工作原理：本模塊建立了一個二維滑臺模型，由32.電機的轉動方向以及角度來決定在26.光桿上的30.滑塊的左右移動；同時因為采用的是兩個嚙合的31. 齒輪可確保30. 滑塊能以相同的速率移動，同時28.推桿能以相同的速率在33.鈑金件上進行伸出與縮回；模塊以收集褲子為主，老人只需躺在床上，將兩腿略微靠近支撐桿，將褲腳套在支撐桿即可；當臀部模塊的爪子完成脫褲工作時，此處32.電機即可工作使得28.推桿進行縮回；在床動人不動的前提下，是收集褲子的機構移除床主體區域，不影響人的正常活動區域。本模塊采用相同模數的齒輪，保證在傳動過程中運動輸出的同步性；齒輪傳動穩定性，保證了老人的活動空間之內的安全性；齒輪連桿的配合，減少了空間的使用。

3.2 計算機仿真

通過Adams 對日常起居過程中輔助裝置進行建模和運動仿真分析，對比老人實際起居過程的活動，對輔助裝置機構連桿的各長度進行優化和確定，并計算各機構運動的位移、速度、加速度等物理量，得到裝置中主要部件（床尾床板，鉸接連桿）的運行軌跡和運動學規律，達到了能夠準確模擬實際中老人起居的目的。采用ABAQUS 對裝置的主要部件進行有限元分析，從強度，剛度等方面去確保裝置的可靠性.

3.3 控制系統設計

本裝置的電機為步進電機，是一種能將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，就會驅動步進電機轉動一個固定的角度。因此可以通可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

本題研究并設計輔助老人獨立起居裝置，采用ARM單片機為控制核心。通過相應的程序來輸出所需的脈沖信號。當其需要收縮時，按下減小按鈕，單片機接收到信號并向電機輸出提前設計好的脈沖信號。當其需要舒展時，按下增大按鈕，單片機向步進電機輸出與之前相反的脈沖信號。

4 結論

綜上所述，輔助老人起居裝置符合我國的市場發展需求，其能提高我國大部分符合條件的老人的生活質量，進而改善他們的生活。從目前發展情況來看，技術方面不存在太大障礙，主要需要市場的配合，從而促進人們生活質量的發展。