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)，老年人的生活問題日益突出，如老年人的行走和上下樓問題。 目前市面上主流的老年人上樓助力器大致分為車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。

通過抬腿來壓縮彈簧，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)系來實(shí)現(xiàn)。 助力器到拐杖的變形主要通過固定膝關(guān)節(jié)，即固定裝置翻轉(zhuǎn)，通過磁性鐵鉤與卡槽的配合來完成； 通過伸縮裝置使長(zhǎng)度拉長(zhǎng)來達(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題[2]。

1.2 調(diào)級(jí)裝置

調(diào)級(jí)機(jī)構(gòu)主要是通過變級(jí)推桿與排齒之間的配合來改變儲(chǔ)能彈簧的壓縮量，以此來改變助力器推力的大小來實(shí)現(xiàn)助力器調(diào)級(jí)，具體結(jié)構(gòu)見圖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，通過下端抵桿抵住手柄下端槽口來起到固定的作用，上部分則通過機(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)，手柄也通過旋轉(zhuǎn)到達(dá)變級(jí)機(jī)構(gòu)中，并通過滑扣固定。

1.4 固定裝置

固定裝置主要通過卡環(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)與卡槽之間通過磁石連接。

1.5 伸縮裝置

伸縮裝置通過推動(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)，上連桿通過銷與伸長(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，即可通過老人的大小腿長(zhǎng)度來確定膝蓋銷到圓盤的距離，膝蓋銷到伸縮桿一的距離。 經(jīng)確定，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度過長(zhǎng)或過短的小腿輔助機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度為30 cm，從而確定膝蓋銷上部機(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)系來實(shí)現(xiàn)。 由助力器到拐杖的變形，則通過固定膝關(guān)節(jié)，即固定裝置翻轉(zhuǎn)，通過磁性鐵鉤與卡槽的配合來完成； 二級(jí)伸縮裝置的拉伸，使長(zhǎng)度拉長(zhǎng)來達(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兩方面問題，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。