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        一種多功能助行椅設(shè)計(jì)研究*

        2021-01-20 11:41:54姚晟琪蘭葉深毛佳杰余林月徐文俊
        南方農(nóng)機(jī) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:老年人設(shè)計(jì)

        姚晟琪, 蘭葉深, 毛佳杰, 余林月, 徐文俊

        (衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,浙江 衢州 324000)

        進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái),隨著現(xiàn)代生活水平和醫(yī)療技術(shù)的高速發(fā)展,60 歲以上老年人的數(shù)量在不斷增加[1],老齡化的問(wèn)題日益嚴(yán)峻, 當(dāng)前中國(guó)已成為世界上老年人口最多的國(guó)家[2]。 相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于老年人身體機(jī)能的衰退,使老年人在站立、行走過(guò)程中存在肢體活動(dòng)受限、重心不穩(wěn)以及協(xié)調(diào)能力下降等問(wèn)題,給老年人起身、行走鍛煉以及出行等日常生活帶來(lái)了諸多不便,容易摔倒和受傷[3]。 針對(duì)上述問(wèn)題, 助行椅作為一種幫助老年人支撐平衡和輔助行走的助老器具[4],能讓老年人無(wú)需他人幫助的情況下實(shí)現(xiàn)自由行走和出行,提高老年人的生活質(zhì)量。 然而,目前我國(guó)市場(chǎng)上老年人助行椅仍存在功能單一、使用不便、缺乏人機(jī)尺寸合理設(shè)計(jì)等問(wèn)題[5]。 為滿足老年人的實(shí)際生活需求,提升助行椅的實(shí)際應(yīng)用性,本文以老年人形體特征為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種多功能助行椅, 對(duì)助行椅進(jìn)行合理的人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)與功能完善,設(shè)計(jì)助行椅的輔助起身、行走鍛煉以及電動(dòng)代步出行功能, 大大提升老年人活動(dòng)的獨(dú)立性,減輕家人的負(fù)擔(dān)。

        1 助行椅結(jié)構(gòu)與主要功能

        多功能助行椅主要由前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、鋰電池、搖桿、坐墊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助起身機(jī)構(gòu)及控制箱等組成,如圖1 所示。 為解決老年人起身站立困難的問(wèn)題,在多功能座椅兩側(cè)設(shè)計(jì)輔助起身站立機(jī)構(gòu), 利用電動(dòng)推桿推動(dòng)扶手實(shí)現(xiàn)高度和傾斜角度的變化,從而帶動(dòng)老年人起身,老年人幾乎不用自己用力便可起身,使用方便;坐墊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)改變助行椅坐墊位置變換, 實(shí)現(xiàn)老年人輔助行走過(guò)程中“行”和“坐”自由切換功能,此功能可以幫助老年人較長(zhǎng)時(shí)間行走成為可能性, 以滿足老年人行走過(guò)程中休息緩解疲勞的需要; 為了克服傳統(tǒng)電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重的特點(diǎn), 基于老年人形體特征和鋁合金型材設(shè)計(jì)助行椅的具體尺寸[6],如表1 所示,通過(guò)無(wú)刷電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng),并設(shè)計(jì)電動(dòng)推桿聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行助行椅的轉(zhuǎn)向控制,可實(shí)現(xiàn)平地快速行駛、轉(zhuǎn)向、翻越小型障礙物以及爬坡等功能,滿足了老年人對(duì)助行椅高強(qiáng)度、輕重量和小體積的需求,同時(shí)也滿足了老年人對(duì)助行椅更多應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際需要。

        圖1 多功能助行椅的組成

        表1 老年人人體尺寸與助行椅部件尺寸

        2 主要功能部件的設(shè)計(jì)與工作原理

        2.1 輔助起身機(jī)構(gòu)

        為解決老年人起身站立困難的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了輔助起身站立機(jī)構(gòu),其工作原理如圖2 所示。 扶手右端通過(guò)固定安裝座與助行椅框架進(jìn)行固定連接,左端與電動(dòng)推桿活動(dòng)連接,工作時(shí),老年人只需將手握住扶手,通過(guò)控制電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)扶手高度和傾斜角度變化, 從而帶動(dòng)老年人起身站立,起身完畢后,控制電動(dòng)推桿縮回,從0°變化到25°,扶手復(fù)位。

        圖2 輔助起身工作過(guò)程

        多功能助行椅的質(zhì)量為30kg,最大載重為90kg,可得G 為1 200N,當(dāng)輔助起身時(shí),扶手受到T2和電動(dòng)推桿力F的作用,假設(shè)在靜止?fàn)顟B(tài)下,由力矩平衡可知:

        因此,選擇額定輸出力為1 500N 的電動(dòng)推桿。

        2.2 坐墊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

        考慮到老年人行走每隔30min 左右需要進(jìn)行適當(dāng)休息的需求[7],對(duì)助行椅設(shè)計(jì)了可翻轉(zhuǎn)的坐墊機(jī)構(gòu),如圖3所示,當(dāng)老年人需要休息時(shí),將坐墊下翻至與地面平行的位置,在幫助老年人進(jìn)行行走康復(fù)鍛煉時(shí),將坐墊上翻至椅背處,并采用吸鐵石鎖定坐墊位置,防止老年人行走過(guò)程中因助行椅振動(dòng)導(dǎo)致坐墊下落,實(shí)現(xiàn)老年人“行”和“坐”自由切換功能,為老年人的出行提供了更多的方便。

        圖3 坐墊翻轉(zhuǎn)示意圖

        2.3 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

        圖4 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

        前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由腳踏桿、電動(dòng)推桿、拉桿、連接板、擺桿、轉(zhuǎn)向拉桿、前輪等組成,如圖4 所示。電動(dòng)推桿一端固定在助行椅上,另一端與拉桿連接,控制電動(dòng)推桿伸出時(shí),推動(dòng)拉桿向右運(yùn)動(dòng),從而控制擺桿向右旋轉(zhuǎn),進(jìn)而使轉(zhuǎn)向拉桿帶動(dòng)前輪向左旋轉(zhuǎn),同理,控制電動(dòng)推桿縮回時(shí),前輪右轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)推桿伸出和縮回,來(lái)控制擺桿的擺動(dòng)角度,從而控制前輪擺角大小,實(shí)現(xiàn)前輪定量擺動(dòng)和對(duì)稱擺動(dòng),機(jī)構(gòu)緊湊。

        2.4 驅(qū)動(dòng)控制原理

        助行椅的驅(qū)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)代步功能的平穩(wěn)行進(jìn)和后退,采用搖桿進(jìn)行控制,搖桿的左右兩端分別用于控制前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn),前后兩端分別用于控制無(wú)刷電機(jī)輪轂的前進(jìn)和后退功能。 如圖5 所示,在助行椅的后輪控制中,通過(guò)搖桿連接到無(wú)刷電機(jī)輪驅(qū)動(dòng)控制器中,由搖桿的輸出開關(guān)信號(hào)給調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈寬調(diào)制電路,脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生PWM 波進(jìn)而控制無(wú)刷電機(jī)輪轂的轉(zhuǎn)速。 在使用過(guò)程中,老年人只需控制搖桿即可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作,助行椅的驅(qū)動(dòng)控制模塊操作簡(jiǎn)便、車速控制平穩(wěn),且具有無(wú)污染和低噪聲的特點(diǎn)。

        圖5 助行椅的驅(qū)動(dòng)控制原理

        3 結(jié)論

        本文通過(guò)研究老年人群體的身體形態(tài)特征,以其實(shí)際需求為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了助行椅的結(jié)構(gòu)和輔助起身、行走鍛煉以及電動(dòng)代步出行功能,該助行椅可作為老年人下肢機(jī)能鍛煉,原地零移位實(shí)現(xiàn)站、坐、行自由切換的功能,還能幫助老年人起身站立,解決老年人起身困難的問(wèn)題,也可作為老年人代步出行工具, 大大改善了老年人自身的生活狀態(tài),也為今后的助老輔助器具的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

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