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)。