基于繩驅(qū)動(dòng)的輔助站立裝置設(shè)計(jì)與研究

丁曉博 韓飛坡 蔣志偉 郭家偉 韓 龍

（1.馬鞍山學(xué)院 智造工程學(xué)院，馬鞍山 243100；2.馬鞍山學(xué)院 人工智能創(chuàng)新學(xué)院，馬鞍山 243100；3.馬鞍山學(xué)院 大阪醫(yī)工學(xué)院，馬鞍山 243100）

隨著我國(guó)人口數(shù)量的增加，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局預(yù)估到2022年我國(guó)65歲以上人口將占到總?cè)丝诘?4%[1]。基數(shù)龐大的老年人消費(fèi)群體使得老年人生活輔助類產(chǎn)品愈發(fā)火熱，其中輔助站立裝置因可以幫助下肢力量不足的老年人實(shí)現(xiàn)站立，而備受青睞。

近幾年，國(guó)際上很多學(xué)者均對(duì)老年人需要的輔助站立裝置進(jìn)行了大量研究。例如，美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種垂直方向升降式輔助站立機(jī)構(gòu)[2]，通過(guò)2個(gè)空氣彈簧裝置伸縮為用戶提供垂直向上的力，幫助用戶站立，但由于空氣彈簧僅能上下運(yùn)動(dòng)，軌跡為一條垂直直線，使用不便。日本高知工科大學(xué)研制了一種站立康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)[3]，通過(guò)分析人體下肢動(dòng)力學(xué)，將雙繩控制拉力與運(yùn)動(dòng)軌跡輔助站立聯(lián)合，開(kāi)發(fā)了一套訓(xùn)練系統(tǒng)。斯洛文尼亞盧布爾雅納大學(xué)研制的液壓蹺蹺板式輔助站立機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)[4]，可實(shí)現(xiàn)人體起立。此外，國(guó)外還有很多其他的輔助站立機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)和原理對(duì)當(dāng)代輔助站立裝置的研究極具參考價(jià)值。在國(guó)內(nèi)，孫技偉等人設(shè)計(jì)了一種基于變胞機(jī)構(gòu)原理的老年自助椅[5]，結(jié)合平面連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造方法，引進(jìn)變胞機(jī)構(gòu)的概念，設(shè)計(jì)自助椅應(yīng)用在老年人生活家居中。

以上輔助站立裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格高。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2021年5月11日發(fā)布的《第七次全國(guó)人口普查公報(bào)》，與2010年第六次全國(guó)人口普查相比，城鎮(zhèn)人口增加23 641萬(wàn)人，鄉(xiāng)村人口減少16 436萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口比重上升14.21個(gè)百分點(diǎn)[6]。本文主要針對(duì)我國(guó)農(nóng)村空巢老人及現(xiàn)有椅子機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于繩驅(qū)動(dòng)的輔助站立裝置。該裝置在SolidWorks軟件環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)數(shù)據(jù)校對(duì)、結(jié)構(gòu)調(diào)整和Adams運(yùn)行仿真，得到了具有較好實(shí)用性的設(shè)計(jì)方案。

1 基于繩驅(qū)動(dòng)輔助站立裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 輔助站立裝置組成

基于繩驅(qū)動(dòng)的輔助站立裝置的主要組成如圖1所示，包括椅子1、主動(dòng)輪2、棘輪3、卡爪4、定滑輪5、驅(qū)動(dòng)繩6、定滑輪7、椅板8、動(dòng)滑輪9、輔助軸10以及扶手11。椅子1類似日常生活座椅，椅板8可以繞椅子1前端橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)。扶手11前端安裝主動(dòng)輪2，棘輪3內(nèi)槽可繞有一定量的驅(qū)動(dòng)繩6，棘輪3內(nèi)槽上開(kāi)有與卡爪4發(fā)生卡位的卡槽。驅(qū)動(dòng)繩6通過(guò)椅子1后方的動(dòng)滑輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助軸10的升降。輔助軸10上有與椅板8穩(wěn)定嚙合的齒輪機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)椅板8的升降。

圖1 輔助站立裝置主要組成

1.2 工作原理

使用者坐在輔助站立裝置上，用手轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)輪2。動(dòng)力通過(guò)驅(qū)動(dòng)繩6傳遞到定滑輪7，再由其傳遞到定滑輪5，促使動(dòng)滑輪組工作。在一個(gè)平面內(nèi)提升動(dòng)滑輪9、輔助軸10豎直向上移動(dòng)，且輔助軸10在上升轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中其上輪齒與椅板8底部齒槽依次對(duì)應(yīng)嚙合，使得椅板8能穩(wěn)定繞著椅子前端橫梁軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而把用戶轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)輪2的力轉(zhuǎn)化為椅板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。隨著椅板8受力，轉(zhuǎn)動(dòng)位置發(fā)生變化，使用者臀部、腰部分別前傾和提升，從而達(dá)到輔助站立的效果。上升過(guò)程中，使用者轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)輪2存在間歇休息的情況。當(dāng)主動(dòng)輪2沒(méi)有主動(dòng)力的時(shí)候，卡爪4能夠卡住棘輪3的槽口，防止主動(dòng)輪2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使得椅板8可以在不同位置穩(wěn)固停頓，實(shí)現(xiàn)使用者間歇休息的功能。當(dāng)使用者實(shí)現(xiàn)站立后想恢復(fù)端坐，可撥動(dòng)卡爪4解開(kāi)卡爪4與棘輪3的卡扣，輔助軸10在自身重力下下降，椅板8在自身重力作用下實(shí)現(xiàn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最終回到椅板8的初始位置。

1.3 驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)繩尺寸計(jì)算

人體自然站立過(guò)程中的平穩(wěn)主要依靠下肢多個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)支撐身體向上移動(dòng)[7-10]。牛嵩云學(xué)者通過(guò)運(yùn)動(dòng)特征觀察實(shí)驗(yàn)[11]，得出輔助老年人起立的最佳起立角度為35°。本文設(shè)計(jì)輔助站立裝置主要輔助人體實(shí)現(xiàn)從端坐姿態(tài)0°到輔助角度為35°姿態(tài)。

在河南省商丘市某村募集50名（25名男性和25名女性）60～80歲的老人參與研究?？紤]個(gè)體之間肢體長(zhǎng)度差異，表1列出了老年人基本數(shù)據(jù)的平均值。

表1 老年人基本數(shù)據(jù)平均值

根據(jù)表1基本數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)繩驅(qū)動(dòng)輔助站立裝置，主要尺寸如圖2所示。其中，手輪直徑為100 mm，定滑輪和動(dòng)滑輪直徑為20 mm。

取老年人平均體質(zhì)量為60 kg，則其重力G為600 N。在圖3中對(duì)驅(qū)動(dòng)繩進(jìn)行受力分析，取E點(diǎn)處轉(zhuǎn)矩為0，重力G受力處為椅板ED中間1/2處?？紤]輔助站立裝置左右對(duì)稱，動(dòng)滑輪中心受力FD為

根據(jù)動(dòng)滑輪原理，A處手輪上驅(qū)動(dòng)繩受力F1為

以圖3中A為中心，手輪直徑為槽輪直徑5倍。若要保證手輪與槽輪靜力平衡，手輪邊緣驅(qū)動(dòng)力為槽輪邊緣驅(qū)動(dòng)力5倍，故最終手驅(qū)動(dòng)力F為15 N。

圖3 驅(qū)動(dòng)繩受力分析

驅(qū)動(dòng)繩一端固定于A處手輪內(nèi)槽處，一端固定于C處定滑輪下方位置，標(biāo)注驅(qū)動(dòng)繩與滑輪切點(diǎn)如圖4所示。根據(jù)圖4中驅(qū)動(dòng)繩與滑輪之間的關(guān)系，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)度l，即

圖4 驅(qū)動(dòng)繩與滑輪關(guān)系

式中：l12、l23、l34、l45、l56、l67、l78的取值分別為440.0 mm、15.7 mm、231.3 mm、31.4 mm、442.3 mm、31.4 mm、421.0 mm。于是，計(jì)算可得l為1 213.1 mm，最終取驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)度為1 500 mm。

1.4 椅板尺寸計(jì)算

圖5中，繩驅(qū)動(dòng)輔助站立裝置核心為動(dòng)滑輪D與椅板時(shí)刻接觸，促使椅板繞點(diǎn)E轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而輔助人體站立。由于滑輪系統(tǒng)空間位置確定，在椅板達(dá)到輔助角度35°時(shí)，滑動(dòng)輪D依然應(yīng)保證與椅板接觸，故椅板長(zhǎng)度為

圖5 驅(qū)動(dòng)繩與滑輪關(guān)系

式中：lED為520 mm。于是，計(jì)算可得l椅板椅板長(zhǎng)度為634.9 mm。根據(jù)表1臀寬尺寸，確定椅板尺寸為400 mm×700 mm。

2 基于繩驅(qū)動(dòng)輔助站立裝置運(yùn)動(dòng)性能仿真

根據(jù)圖2提供的尺寸數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)中的椅子模型，在SolidWorks軟件中建立繩驅(qū)動(dòng)輔助站立裝置的三維實(shí)體零部件模型。根據(jù)各個(gè)構(gòu)件間的裝配關(guān)系，建立對(duì)應(yīng)的裝配體模型，簡(jiǎn)化輔助站立裝置的裝配體結(jié)構(gòu)，然后將簡(jiǎn)化后的實(shí)體模型導(dǎo)入Adams軟件。首先，根據(jù)裝配關(guān)系添加各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副，編輯各構(gòu)件材料及質(zhì)量屬性；其次，將模擬人的體重設(shè)置為600 N，并以圖5中E點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系；最后，添加驅(qū)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)繩驅(qū)動(dòng)輔助站立裝置進(jìn)行性能評(píng)估。由圖6可知，圖5中動(dòng)滑輪中心以6 mm·s-1速度上升，耗時(shí)65 s，動(dòng)滑輪勻速上升390 mm。

圖6 動(dòng)滑輪位置與時(shí)間關(guān)系圖

由圖7可知，椅板可以轉(zhuǎn)動(dòng)角度為37.1°，超過(guò)原預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度35°，用戶大約花費(fèi)65 s可實(shí)現(xiàn)輔助站立。

圖7 椅板轉(zhuǎn)動(dòng)角度與時(shí)間關(guān)系圖

當(dāng)椅板轉(zhuǎn)動(dòng)角度為37°時(shí)，圖5中K點(diǎn)的縱向位移為

式中：l椅板取700 mm。于是，計(jì)算可得K點(diǎn)的縱向位移約為420 mm。

由圖8可知，椅板轉(zhuǎn)動(dòng)角度為37.1°時(shí)，椅板K點(diǎn)Y方向的距離為423 mm，與式（5）計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致。

圖8 椅板K點(diǎn)Y方向位移

圖9為椅板整體質(zhì)心速度，椅板在整個(gè)升起過(guò)程中速度變化平緩，且逐漸變低。

圖9 椅板質(zhì)心速度圖

圖10為椅板質(zhì)心角加速度，椅板在整個(gè)升起過(guò)程中，質(zhì)心角加速度變化較小，無(wú)較大沖擊，上升平穩(wěn)。

圖10 椅板質(zhì)心角加速度圖

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)社會(huì)老齡化帶來(lái)的老年人站立問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于繩驅(qū)動(dòng)的輔助站立裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)輔助起身功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，可在現(xiàn)有椅子上改進(jìn)使用，在醫(yī)療輔助領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)動(dòng)滑輪定理，以60 kg老年人為例，使用者用15 N力轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，即可自給自足輔助站立，省力輕便。輔助老年人起身站立37°的過(guò)程中，700 mm長(zhǎng)度椅板縱向最大上升距離為423 mm，角加速度最大值為0.005 °·s-2，沖擊極小，便于老年人使用。繩驅(qū)動(dòng)輔助站立裝置動(dòng)力源還可以向電動(dòng)源、手工動(dòng)力源雙動(dòng)力源方向發(fā)展，進(jìn)一步滿足使用者個(gè)性化需求，提高裝置使用的舒適度。