具有輔助上下床功能助行裝置的設計

王明旭,黃鵬春,王 月,王申伊,梁明萬,葉桉佟

(北華大學 機械工程學院,吉林 吉林 132013)

據統計,21世紀初我國60歲以上老人數量高達2.5億,占我國總人口的20%,老年人的體力變弱,正常生活受到影響,請護工來照顧老年人的日常起居,不僅費用昂貴,老年人也不一定能得到細致、精心的照顧,家庭護理也會干擾子女的正常生活,因此,開發助老器械,成為當前助老的熱點和主要課題之一。日本筑波大學設計的HAL系列下肢外骨骼,其售價昂貴,且性價比不高。國內常見的協助老人上下及坐臥的床主要為扶手床、支架床、多功能活動床以及座椅床等。武漢理工大學的“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行的設計,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,實現行動不便老人獨自完成上下床和日常活動的直立行走需求,例如老人的床椅轉換、上廁所等。

1 輔助坐立裝置設計方案

1.1 整體方案設計

本研究設計研制了一種具備在室內環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支撐單元、舉升單元、行走單元和控制單元四部分組成。可調支撐單元可以滿足更多人群的使用要求,使用者可根據自己的胸圍和身高來調節支撐單元;舉升單元是實現站立和坐臥轉換的關鍵;行走單元是實現老年人自主行走的關鍵;控制單元配合行走單元實現方向的轉變[2,3],如圖1所示。

圖1 輔助坐立裝置總體設計方案

1.2 可調支撐單元設計

可調支撐單元主要可細化為以下三個機構:腋下支撐機構、胸圍調節機構和高度調節機構。該單元主要作用是為老年人在起身時提供安全舒適的腋下與胸部的支撐,是起身時動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 可調支撐單元結構圖

1)腋下支撐機構

腋下支撐機構作用于老人胸部及腋下,在老人起床的整個過程中對其起到支撐保護作用。在老人要完成由床上坐立到站立的過程時,首先通過控制裝置調整腋下支撐桿機構使其到達合適位置,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塊上,即完成了腋下支撐機構對老人的支撐保護作用。

2)胸圍調節機構

為了適應不同人群的胸圍寬度,使該裝置具有更好的實用性。設計了可根據不同人群的需求,調節支撐單元胸圍寬度大小的機構。腋下支撐架通過管狀連接器連接,圓管部分與金屬鍵進行焊接固連,然后與管狀連接器上的鍵槽配合。實現腋下支撐架在水平方向可以移動但不可轉動,這樣就為胸圍可調提供了條件。當需要調節時,先將連接腋下支撐桿與管狀連接器的螺栓松開,然后移動腋下支撐架使其調節到合適位置,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,胸圍寬度調節的另一邊調節過程相同[6],如圖3所示。

圖3 胸圍調節機構示意圖

3)高度調節機構

管狀連接器與胸部保護架之間通過螺栓連接,也可通過不同螺孔之間的配合來實現高度調節,原理和胸圍調節機構原理相同。

1.3 舉升單元

坐立姿勢的轉換,是老人上下床動作的主要難點,舉升單元的作用就是解決此問題。在本設計中,舉升單元由電機、齒輪、齒條、導向塊和導軌等組成。工作時,電機啟動,通過蝸輪蝸桿減速器進行減速增距,帶動齒輪在齒條導軌上沿著光杠運動,從而將老人架起,由坐姿轉化為站立。輔助老人由站姿轉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現老人站姿和坐姿之間的相互轉換,其中起主要作用的是舉升機構,如圖4所示。

圖4 舉升單元模型

舉升機構工作原理如下:導向塊可沿著導軌上下滑動,將導軌和齒條平行放置,這樣當電機啟動時,電機通過蝸輪蝸桿減速增距,帶動齒輪沿齒條向上爬升,導向塊也沿軌道滑動,老人由坐姿轉化為站姿[4]。

此外,為了安全性考慮,還設計了防跌落機構,利用棘輪機構,在機構失控超速后立即抱死,防止裝置跌落,從而起到保護老人的目的[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。行走單元主要由驅動電機、定向輪和萬向輪等組成,由兩個電機提供動力帶動兩個定向輪前進,通過輪轂電機差速原理實現轉向,萬向輪輔助轉向,可以輔助老人在室內狹小空間內前往指定地點(如客廳,廁所等),如圖5所示。

圖5 行走單元模型

2 理論設計計算

2.1 電機選型計算

根據輔助坐立裝置設計要求,本裝置需要設計一個一級渦輪蝸桿減速器來實現傳動,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;

根據工作條件和使用要求,選用一般用途的直流電機。

2.1.2 選擇電動機的容量

人坐起所需時間[9]:t1=15 s ;

(1)

舉升機構運行速率:

V結構=l總長÷t1=700÷15=0.046 7 (m/s);

(2)

工作機構運行速率:

Vw=V結構=0.045 7m/s ;

(3)

工作機負載Fw:Fw=1 400 N;

工作機所需功Pw:

(4)

(5)

機械傳動裝置總效率μ總:

(6)

查表并根據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聯軸器=0.99;μ直線軸承=0.97 ,

(7)

故電動機所需功率P0為

(8)

選取電動機額定功率Pm,使

Pm=1.5×P0=1.5×138.46=207.69 W;

(9)

最終電機選取Pw=500 W。

2.1.3 確定電動機轉速

舉升機構運行速率V機構=0.046 7 (m/s);

設定齒輪分度圓直徑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i:

i=7.5～100;

所以電機轉速可選范圍為

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

(11)

此處電機轉速選用為2 000 rpm。

根據選定電動機的類型、容量和轉速,最終電機型號選定為:114FB7GA。

其滿載轉速為nm=1 800 rpm。

2.1.4 確定裝置總傳動比

(12)

所以取iε=80。

2.2 輔助坐立裝置關鍵零件有限元分析

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

圖7 應力分析結果

圖8 位移分析結果

由圖7、8可以看出,機架的最大變形出現在右上方,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。最大應力分布比較小,未出現較嚴重的應力集中現象,最大應力值為44 MPa,小于該材料的屈服強度620 MPa。因此所設計的機架符合強度要求。

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鍵結構在承力最嚴重情況下結構穩定性和是否會發生材料或結構失效就顯得有必要和有意義[11],因此對平行板在承力最嚴重情況下作了結構應力應變強度穩定性有限元分析。

2.3 整體分析

2.3.1 整體結構分析

該機整體支架,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;防跌落機構采用棘輪機,導軌與齒條相互平行,底板前端連接電機輪,后端連接萬向輪。

圖9 輔助坐立裝置實物圖

2.3.2 技術指標

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

3 結 論

本文提出具有輔助上下床功能的助行裝置,結合國內外研究現狀,提出輔助起臥和輔助坐立方案構思,意在構建具有輔助上下床功能的助行裝置,實現中輕度失能老人獨立起臥、站立、助行、轉移等動作。該裝置借鑒齒輪齒條機構實現站立動作;借鑒空間萬向節擺桿機構實現起臥動作。并對人體站立過程中肩部運動曲線進行提取,優化出上升機構最佳運動軌跡。對核心機構進行理論分析和關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:

1)可根據不同人群的需求,調節支撐單元胸圍寬度和高度;設計了防跌落機構,利用棘輪機構,在機構失控超速后立即抱死,防止裝置跌落。

2)由兩個電機提供動力帶動兩個定向輪前進,通過輪轂電機差速原理實現轉向,萬向輪輔助轉向,可以輔助老人在室內狹小空間內前往指定地點。