（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

據(jù)全國(guó)老齡辦研究報(bào)告顯示，目前我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化階段[1]，伴隨著老齡化人口的不斷增加，最顯著的特點(diǎn)就是老年人的視力不好，身體衰弱，肌肉無(wú)力，行走不便，這嚴(yán)重影響了老年人的日常生活質(zhì)量[2,3]。

目前，老年助行機(jī)器人也成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，許多研究機(jī)構(gòu)都取得了一定的研究成果。國(guó)內(nèi)移動(dòng)式助行機(jī)器人方面最具有代表性的是上海交通大學(xué)的“蛟龍?zhí)枴敝袡C(jī)器人[4]；哈爾濱工程大學(xué)研制的下肢康復(fù)助行器是通過(guò)腿部助力機(jī)構(gòu)進(jìn)行行走鍛煉[5,6]。上述機(jī)器人多是為康復(fù)患者設(shè)計(jì)，老年人助行機(jī)器人很罕見(jiàn)，操作各方面都還存在不足。

本文主要針對(duì)身體健全，四肢無(wú)力，行走不便的老年人設(shè)計(jì)。根據(jù)老年人行走需求和人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)尺寸要求[7]，提出了助行機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，然后根據(jù)理論計(jì)算完成了老年助行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后利用UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體模型的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真與分析。

1 老年助行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本論文運(yùn)用UG軟件進(jìn)行實(shí)體建模.虛擬裝配以及虛擬仿真。裝配如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人機(jī)架、升降機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪和萬(wàn)向輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、直線電機(jī)、座椅機(jī)構(gòu)、腳踏板、折疊鉸支鏈。機(jī)器人的機(jī)架之間位置安裝有直線電機(jī)，通過(guò)推桿的伸縮來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人座椅和扶手的高度；坐板下方設(shè)計(jì)為彎曲的支撐桿，為直立行走提供了足夠的空間。前輪為萬(wàn)向輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)就可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。腳踏板和座椅都是向兩邊折疊。此助行機(jī)器人有兩種運(yùn)行模式，一種是輔助行走模式，另一種是電動(dòng)輪椅模式。

圖1 老年助行機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)裝配圖

1.1 升降部分的基本原理

依據(jù)《基于人機(jī)工程學(xué)的老年人助行器設(shè)計(jì)》論文，可以得到老年人的相關(guān)人體尺寸。老年人在行走站立過(guò)程中，扶手的適宜高度為1024mm，而助行機(jī)器人處于輪椅模式下，扶手的高度為935mm，扶手的升降尺寸只需100mm左右。

圖2 直線電機(jī)推桿處于推程狀態(tài)

圖3 直線電機(jī)推桿處于收縮狀態(tài)

為使機(jī)架升降尺寸達(dá)到100mm，選擇直線電機(jī)的推程尺寸為150mm。由上圖2可知當(dāng)直線電機(jī)處于推程狀態(tài)時(shí)其對(duì)應(yīng)的高度h1為243mm，由上圖3可知當(dāng)直線電機(jī)處于收縮狀態(tài)時(shí)其對(duì)應(yīng)的高度h2為355mm，h=h2-h1=112mm。因此可直線電機(jī)的伸縮量為150mm，升降高度為100mm。

1.2 座椅結(jié)構(gòu)

座椅為折疊結(jié)構(gòu)，三維模型如圖4所示，主要由椅架，靠背，坐板和鉸支鏈構(gòu)成。使用者在坐立過(guò)程中可以用手輕輕的抬起或者按下坐板。鉸支鏈具有限位作用，坐板繞鉸支鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到折疊效果。其中坐板是根據(jù)人體坐姿時(shí)的臀部和大腿部曲線設(shè)計(jì)，座椅靠背是根據(jù)人體坐姿時(shí)人體脊柱曲線設(shè)計(jì)，從而使老年人可舒適地坐著。

圖4 座椅的折疊結(jié)構(gòu)

1.3 機(jī)器人機(jī)架升降機(jī)構(gòu)

圖5 機(jī)器人升降結(jié)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)的三維模型如圖5所示，主要由直線電機(jī)和機(jī)器人機(jī)架組成。直線電機(jī)安裝在機(jī)器人座椅的下方正中間位置，直線電機(jī)工作時(shí)可以保證機(jī)架同時(shí)運(yùn)動(dòng)。只需要一個(gè)直線電機(jī)就可以完成整體的升降功能。升降結(jié)構(gòu)工作原理：當(dāng)直線電動(dòng)推桿收縮時(shí)，輪椅整體升高，處于輔助行走狀態(tài)。當(dāng)直線電動(dòng)推桿伸出時(shí)，機(jī)器人整體降低,處于輪椅工作狀態(tài)，此時(shí)相當(dāng)于電動(dòng)輪椅。

1.4 老年助行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程的技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于上述結(jié)構(gòu)，為了使整個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合設(shè)計(jì)要求，需設(shè)計(jì)合理的桿長(zhǎng)，論文中基于人機(jī)工程學(xué)的基本原理，確定了助行機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)及性能指標(biāo)。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 助行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能指標(biāo)

2 助行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真分析

為了模擬人的行走過(guò)程，在UG 10.0運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，使助行機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人機(jī)架的總體升降功能，設(shè)置的仿真運(yùn)動(dòng)條件[9]為：使用者在站立程中，直線電機(jī)推程為150mm，速度為30mm/s，時(shí)間為5s；使用者在坐下過(guò)程中，直線電機(jī)推程為150mm，速度為30mm/s，時(shí)間為5s。

直線電機(jī)的加速度變化曲線如圖6(a)所示，機(jī)架的升降位移變化曲線如圖6(b)所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)仿真模擬數(shù)據(jù)

圖7所示為仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程，圖7(a)為使用者坐下時(shí)的姿態(tài)圖；圖7(b)為運(yùn)動(dòng)中右腳抬起，右腳踏板折疊姿態(tài)圖；圖7(c)為直線電機(jī)收縮，助行機(jī)架整體升高，使用者站立姿態(tài)圖；圖7(d)為坐板折疊，使用者在助行模式下行走姿態(tài)圖。仿真結(jié)果可以看出各桿件的運(yùn)動(dòng)空間及行程，從而判斷此機(jī)構(gòu)模型及設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的。從而證明了此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，可以用于老年人的日常行走訓(xùn)練。

3 結(jié)論

圖7 運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程

本論文基于人機(jī)工程學(xué)中老年人人體尺寸和結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系完成了老年助行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了主要工作部件的幾何參數(shù)，建立了該結(jié)構(gòu)的三維模型并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。通過(guò)其運(yùn)動(dòng)仿真變化曲線可以看出直線電機(jī)的加速度變化曲線可以看出速度變化平緩。機(jī)架的升降位移變化數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相吻合。該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析驗(yàn)證了其參數(shù)的合理性。該結(jié)構(gòu)可以很方便作為老年人日常行走輔助工具。