徐肖肖，熊 念，周傳喜，魏珉昊

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434100）

隨著我國(guó)快速步入老年化社會(huì)，老年人的生活問(wèn)題日益突出，如老年人的行走和上下樓問(wèn)題。 目前市面上主流的老年人上樓助力器大致分為車(chē)型助力器及外骨骼腿型助力器，腿型助力器主要是電機(jī)與智能機(jī)器人相結(jié)合，而車(chē)型助力器主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)從而帶動(dòng)人體前行，但其市場(chǎng)價(jià)格都較為昂貴。

本文介紹的老人輔助多功能助力器屬純機(jī)械腿，制造較為方便，成本較低； 能夠折疊，占地空間?。?且能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)級(jí)改變上下樓梯提供力的大?。?同時(shí)，內(nèi)置有把手以及伸縮裝置等，也可以從助力器轉(zhuǎn)換為拐杖，達(dá)到一種機(jī)器具有多種功能的效果，一定層面提高了機(jī)器功能上的多樣性。

1 助力器的總體結(jié)構(gòu)

本輔助多功能助力器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、 調(diào)級(jí)系統(tǒng)、 緩沖系統(tǒng)、 固定系統(tǒng)，伸縮系統(tǒng)，切換系統(tǒng)這6 個(gè)部分組成。

通過(guò)抬腿來(lái)壓縮彈簧，彈簧儲(chǔ)能，在放腿的時(shí)候彈簧伸長(zhǎng)，釋放彈力，起到減輕膝蓋彎曲的作用。 此外，調(diào)級(jí)系統(tǒng)根據(jù)拉伸手柄以及推桿與卡槽之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。 助力器到拐杖的變形主要通過(guò)固定膝關(guān)節(jié)，即固定裝置翻轉(zhuǎn)，通過(guò)磁性鐵鉤與卡槽的配合來(lái)完成； 通過(guò)伸縮裝置使長(zhǎng)度拉長(zhǎng)來(lái)達(dá)到拐杖的要求； 緩沖裝置增大拐杖底部的表面積，在使用途中更加平穩(wěn)，減小地面較滑而摔倒的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置

參考孫桓[1]主編的《機(jī)械原理》，可得凸輪與推桿配合可形成一種高副機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)變換為具有停歇往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 基于反轉(zhuǎn)法原理運(yùn)用，可實(shí)現(xiàn)彈簧、 推桿、 凸輪的能量?jī)?chǔ)存釋放。 由壓縮彈簧提供的彈力作為裝置的原動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)雙滾輪在凸輪內(nèi)槽之間滑動(dòng)，從而起到減輕老人膝蓋受力頻繁彎曲問(wèn)題[2]。

1.2 調(diào)級(jí)裝置

調(diào)級(jí)機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)變級(jí)推桿與排齒之間的配合來(lái)改變儲(chǔ)能彈簧的壓縮量，以此來(lái)改變助力器推力的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)助力器調(diào)級(jí)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)級(jí)裝置機(jī)構(gòu)圖

初始狀態(tài)下，儲(chǔ)能彈簧處于壓縮狀態(tài)下，由于彈力的作用，變級(jí)推桿與排齒接觸，此時(shí)通過(guò)推動(dòng)手柄，變級(jí)推桿前段小球順著排齒圓形內(nèi)壁向上運(yùn)動(dòng)至下一個(gè)卡槽。 因此儲(chǔ)能彈簧的長(zhǎng)度也被改變，其在后續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中給大腿施加的力也會(huì)改變，從而起到調(diào)級(jí)的作用。

1.3 切換裝置

手柄切換裝置主要是手柄在旋轉(zhuǎn)90°后，通過(guò)下端抵桿抵住手柄下端槽口來(lái)起到固定的作用，上部分則通過(guò)機(jī)架阻止其向上運(yùn)動(dòng)[3]。在切換為助力器時(shí)可先將抵桿旋轉(zhuǎn)到下方滑槽內(nèi)，手柄也通過(guò)旋轉(zhuǎn)到達(dá)變級(jí)機(jī)構(gòu)中，并通過(guò)滑扣固定。

1.4 固定裝置

固定裝置主要通過(guò)卡環(huán)與卡槽之間的連接實(shí)現(xiàn)上下端相互固定，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 固定裝置圖

由人體結(jié)構(gòu)可知，大腿與小腿之間旋轉(zhuǎn)角在90°內(nèi)，通過(guò)小腿輔助機(jī)構(gòu)機(jī)架的設(shè)計(jì)，使其只能如圖3 所示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 凸軸與連接扣通過(guò)螺紋連接，可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在上下兩端各放置卡槽，在助力狀態(tài)下，使卡鉤與下端卡槽配合，在拐杖模式下，轉(zhuǎn)動(dòng)擋板使卡鉤與上端卡槽配合，卡環(huán)與卡槽之間通過(guò)磁石連接。

1.5 伸縮裝置

伸縮裝置通過(guò)推動(dòng)助力器下端圓槽內(nèi)圓球，使彈簧壓縮。 此時(shí)抽出助力腿二級(jí)伸長(zhǎng)部分，彈簧圓球運(yùn)動(dòng)到指定位置便彈出，與下部圓孔卡住，既可以保持穩(wěn)定，又可以達(dá)到日用拐杖的長(zhǎng)度要求。

1.6 緩沖裝置

緩沖裝置主要通過(guò)增大拐杖底部表面積以達(dá)到防滑的目的，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 緩沖裝置圖

當(dāng)轉(zhuǎn)換為拐杖模式時(shí)，從伸長(zhǎng)塊內(nèi)抽出緩沖塊，緩沖塊與下連桿構(gòu)成球面副，可任意轉(zhuǎn)動(dòng)，上連桿通過(guò)銷(xiāo)與伸長(zhǎng)塊構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副，可自由旋轉(zhuǎn)。 此外，上連桿以及下連桿只由卡桿自由固定，通過(guò)撥動(dòng)卡桿內(nèi)的凸起塊，可實(shí)現(xiàn)緩沖塊的固定與旋轉(zhuǎn)。在一定程度上增大拐杖底部與地面的接觸面積，從而提高拐杖的穩(wěn)定性，緩沖塊底部設(shè)計(jì)一些花紋可起到增大摩擦力的作用。

2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 尺寸確定

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)思路，現(xiàn)做如下假定。 假定一，老人的大腿長(zhǎng)55 cm。 假定二，老人的小腿長(zhǎng)35 cm。假定三，老年人所用拐杖的長(zhǎng)度為85 cm。 有以上3 個(gè)假定，即可通過(guò)老人的大小腿長(zhǎng)度來(lái)確定膝蓋銷(xiāo)到圓盤(pán)的距離，膝蓋銷(xiāo)到伸縮桿一的距離。 經(jīng)確定，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的小腿輔助機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度為30 cm，從而確定膝蓋銷(xiāo)上部機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度為50 cm，變成拐杖時(shí)手柄到膝蓋銷(xiāo)的距離為30 cm，二級(jí)延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度為25 cm。

2.2 槽內(nèi)連桿尺寸的確定

由于手柄的長(zhǎng)度為15 cm，寬度為30 cm，所以橫桿的長(zhǎng)度和手柄的寬度相等，均為30 cm，抵桿與手柄槽相接觸時(shí)，抵桿與手柄成45°角，人體手掌對(duì)手柄的壓力約為150 N，假設(shè)老年人的手掌對(duì)手柄的壓力為150 N，對(duì)橫桿進(jìn)行受力分析可得橫桿所受的壓力為110 N，其受力分析見(jiàn)圖4。

圖4 橫桿受力分析圖

圖中F1，F(xiàn)2為結(jié)構(gòu)壁對(duì)橫桿的反作用力，F(xiàn)3為抵桿對(duì)橫桿的作用力，N。 橫桿自重忽略不計(jì)。 由于橫桿的長(zhǎng)度為30 cm，對(duì)左右兩邊取矩可得兩個(gè)支座處的支撐反力，得出如下彎矩圖 （見(jiàn)第138 頁(yè)圖5）。

圖5 彎矩圖

最大彎曲應(yīng)力為

式中： Mmax為橫桿所受最大彎矩，N·m； Wz為抗彎截面系數(shù)，mm3。

Wz的計(jì)算公式為

σca應(yīng)該滿(mǎn)足的條件為

式中： [σ] 為許用應(yīng)力，MPa，取[σ] =66 MPa，d1為槽內(nèi)連桿的直徑。 由以上分析計(jì)算得d1=7 mm。

2.3 關(guān)于彈簧絲直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算

通過(guò)比較各種彈簧材料的性能和該設(shè)計(jì)的工作環(huán)境，選擇50CrVAⅠ類(lèi)彈簧較合適。 圖6 為彈簧受力圖。

圖6 彈簧受力圖

曲度系數(shù)K 的計(jì)算公式為

式中： C 為旋繞比，根據(jù)常用旋繞比，取C=6。 根據(jù)安裝空間的大小，設(shè)彈簧的中徑為42 mm，根據(jù)人體的用力情況，可假設(shè)F=200 N 時(shí)，彈簧絲內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力及強(qiáng)度條件可表示為

式中： F 為彈簧所受的最大應(yīng)力，N； d2為估算的彈簧絲直徑，mm； [τ]為許用切應(yīng)力，MPa，取 [τ]=450 MPa。

彈簧絲的直徑為

經(jīng)以上計(jì)算分析整理得d2≥7 mm。

3 助力和變換流程

通過(guò)凸輪上連桿與調(diào)級(jí)機(jī)構(gòu)上蓋子的固連實(shí)現(xiàn)凸輪中心與調(diào)級(jí)機(jī)構(gòu)之間的距離恒定。 滾輪在凸輪槽中的運(yùn)動(dòng)改變彈簧的伸縮量，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能彈簧的儲(chǔ)能和釋放，以此來(lái)提供助力作用[4-5]。

此外，調(diào)級(jí)系統(tǒng)根據(jù)拉伸手柄以及推桿與卡槽之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。 由助力器到拐杖的變形，則通過(guò)固定膝關(guān)節(jié)，即固定裝置翻轉(zhuǎn)，通過(guò)磁性鐵鉤與卡槽的配合來(lái)完成； 二級(jí)伸縮裝置的拉伸，使長(zhǎng)度拉長(zhǎng)來(lái)達(dá)到拐杖的要求； 緩沖裝置增大拐杖底部的表面積，在使用途中更加平穩(wěn)，減小了老人摔倒的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)輔助老人上樓輔助工具的功能與便攜性?xún)煞矫鎲?wèn)題，設(shè)計(jì)了一種輔助老人上樓助力器。助力抬腿部分是本裝置的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，彈簧推桿部分采用直卡尺、 齒進(jìn)行調(diào)級(jí)，在無(wú)電子設(shè)備的前提下提高了老人對(duì)于助力器的適應(yīng)性和通用性。 同時(shí)本助力裝置采用側(cè)面加裝折疊拐杖柄以及小腿部分增加伸縮桿和抓地勾爪等手段，解決了助力器攜帶不便和功能單一的問(wèn)題，老人在平路行走時(shí)可將上樓助力器變形成拐杖，大大提高了助力器使用的便捷性。 該助力器變換簡(jiǎn)單，且方便攜帶具有多種用途，能夠極大地提高獨(dú)居老人日常生活質(zhì)量。