□ 曹軼萌 □ 解治琦 □ 王筱彤 □ 李羿霏 □ 許 虹

華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 201499

1 設(shè)計(jì)背景

人口老齡化現(xiàn)象在全世界范圍內(nèi)都比較普遍,老齡化現(xiàn)象引發(fā)很多問(wèn)題。根據(jù)《世界人口展望2019》預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)修正,2020年我國(guó)60歲及以上人口為2.56億人。此后一段時(shí)期內(nèi),老年人口以年均1 000萬(wàn)人的規(guī)模增長(zhǎng),至2026年突破3億人,達(dá)到3.12億人,至2034年突破4億人,達(dá)到4.06億人。2020年至2035年的15 a間,共將增長(zhǎng)1.5億人 。

隨著年齡的增長(zhǎng),老年人在生理機(jī)能上出現(xiàn)很多障礙和病變,如活動(dòng)能力降低、行動(dòng)緩慢、平衡能力減弱。許多老年人在彎腰、站起時(shí)比較費(fèi)力,起落困難且容易滑倒。

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的助老產(chǎn)品還存在許多不足之處,筆者運(yùn)用創(chuàng)新思維設(shè)計(jì)了一款多功能助力起立器,可以方便老年人的生活,用于養(yǎng)老院、社區(qū)等老年人集中的場(chǎng)所,能夠?yàn)槔夏耆朔?wù)。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

多功能助力起立器以人機(jī)工程學(xué)理論作為設(shè)計(jì)支撐。在設(shè)計(jì)前,筆者搜集了大量相關(guān)文獻(xiàn)資料,奠定了理論研究基礎(chǔ)。在實(shí)踐部分,筆者采用調(diào)查問(wèn)卷、訪談法、觀察法了解老年人的實(shí)際需求,結(jié)合設(shè)計(jì)理念進(jìn)行完善與重新設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)過(guò)程如下:

(1) 查閱相關(guān)文獻(xiàn),多方搜集資料,了解國(guó)內(nèi)老齡化與空巢問(wèn)題現(xiàn)狀,掌握年齡增長(zhǎng)對(duì)老年人生理和心理造成的影響;

(2) 分析市場(chǎng)上現(xiàn)有的老年人助行器,總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn),尋求設(shè)計(jì)思路;

(3) 明確用戶人群,主要針對(duì)有活動(dòng)能力但虛弱無(wú)力、存在輕度運(yùn)動(dòng)障礙的老年人群體;

(4) 運(yùn)用問(wèn)卷調(diào)查和用戶訪談的方法,進(jìn)行用戶研究,明確老年人群體對(duì)多功能助力起立器性能的期待點(diǎn);

(5) 制訂設(shè)計(jì)方案,完成可行性分析報(bào)告,并以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐。

3 同類產(chǎn)品比較與改進(jìn)

產(chǎn)品的改進(jìn)是一個(gè)持續(xù)的、永無(wú)止境的過(guò)程,應(yīng)該給予足夠的重視。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的普通助行器如圖1所示,優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有支撐結(jié)構(gòu),可以確保穩(wěn)固性,缺點(diǎn)是活動(dòng)性較差,不利于老年人的挪動(dòng)。普通助行器完全依靠用戶自身力量操控器材,用戶人群受到限制,并且功能過(guò)于單一,無(wú)法滿足用戶的實(shí)際需求。

在普通助行器基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的滑行助行器如圖2所示,優(yōu)點(diǎn)是不存在復(fù)雜的操作,增加了輔助輪,提高了活動(dòng)性,缺點(diǎn)與普通助行器一樣,在使用時(shí)需要用戶彎腰,質(zhì)心比較低,不省力。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)的輔助行走器如圖3所示,優(yōu)點(diǎn)是增加了支撐臂托,提高了質(zhì)心,無(wú)需用戶彎腰,非常省力,可以適用于下肢力量不足、承受不了自身體重而無(wú)法完成獨(dú)立行走動(dòng)作的用戶群體。

▲圖1 普通助行器

▲圖2 滑行助行器

▲圖3 輔助行走器

考慮到老年人的身體較虛弱,在行走過(guò)程中身體可能會(huì)處于疲憊狀態(tài),所以進(jìn)一步改進(jìn),設(shè)計(jì)得到可坐式助行器,如圖4所示。其優(yōu)點(diǎn)是助行器上設(shè)有手閘用以控制速度,有座椅結(jié)構(gòu),方便用戶休息。

但是,上述老年人助行器都沒(méi)有解決老年人起立困難的問(wèn)題,功能單一,設(shè)計(jì)方面還存在許多需要改進(jìn)的地方。筆者在分析對(duì)比后,運(yùn)用創(chuàng)新性思維設(shè)計(jì)了一款多功能助力起立器,以滿足市場(chǎng)需求。

4 總體結(jié)構(gòu)

多功能助力起立器外觀如圖5所示,可實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)可控自動(dòng)升降扶手托住老年人的腋下,助力老年人完成起立動(dòng)作。多功能助力起立器底板上安裝有固定扶手,給予老年人支撐點(diǎn)。右側(cè)固定扶手前端可轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)鍵連接和銷連接帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)與底板下的多連桿機(jī)構(gòu)工作,實(shí)現(xiàn)可控轉(zhuǎn)向功能。底板前端安裝有調(diào)速電機(jī),通過(guò)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn),利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。左側(cè)固定扶手下部安裝剎車裝置,方便用戶及時(shí)制動(dòng),確保安全性,防止意外發(fā)生。多功能助力起立器主體上安裝折疊座椅,老年人疲憊時(shí)可以坐下休息,在節(jié)省空間的同時(shí)滿足用戶需求。

▲圖4 可坐式助行器

▲圖5 多功能助力起立器外觀

5 自動(dòng)升降扶手

自動(dòng)升降扶手包括電動(dòng)推桿和帶動(dòng)電動(dòng)推桿按預(yù)定軌跡實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的多連桿機(jī)構(gòu)。

5.1 多連桿機(jī)構(gòu)

多連桿機(jī)構(gòu)包括鉸接桿、連桿、固定銷。在底板的左右兩側(cè)各固定一個(gè)鉸接桿,每一個(gè)鉸接桿上鉸接有曲柄和搖桿,鉸接桿結(jié)構(gòu)如圖6所示。

鉸接點(diǎn)2離底板的距離為364 mm,連桿長(zhǎng)度,即鉸接點(diǎn)3與鉸接點(diǎn)4之間的距離為465 mm,搖桿長(zhǎng)度為311 mm,曲柄長(zhǎng)度為220 mm,鉸接點(diǎn)1與鉸接點(diǎn)2之間的距離為230 mm。

5.2 電動(dòng)推桿

電動(dòng)推桿的活動(dòng)端通過(guò)一個(gè)鉸接點(diǎn)在自動(dòng)升降扶手上的指定位置處鉸接,電動(dòng)推桿的固定端通過(guò)支架安裝在底板上。

▲圖6 鉸接桿結(jié)構(gòu)

電動(dòng)推桿在完全收縮狀態(tài)時(shí),收縮距離為900～905.75 mm,并且自動(dòng)升降扶手與水平面之間的夾角為0°。電動(dòng)推桿在完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí),伸展距離為1 300～1 303.75 mm,并且自動(dòng)升降扶手與水平面之間的夾角為30°。

電動(dòng)推桿連接有一個(gè)控制器,控制器安裝于任意一個(gè)固定扶手上。鉸接桿與電動(dòng)推桿固定端支架之間的距離為750 mm。

6 可控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

可控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括安裝在固定扶手前端的第一轉(zhuǎn)軸、齒輪機(jī)構(gòu)及安裝在底板前端的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

6.1 第一轉(zhuǎn)軸

底板的左右兩側(cè)通過(guò)固定支架各安裝一個(gè)固定扶手,固定扶手長(zhǎng)464 mm,兩個(gè)固定扶手之間的距離為616 mm。右側(cè)固定扶手前端20 mm處通過(guò)鍵連接第一轉(zhuǎn)軸,用戶轉(zhuǎn)動(dòng)該轉(zhuǎn)軸即可實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向功能。

6.2 齒輪機(jī)構(gòu)

齒輪機(jī)構(gòu)如圖7所示。第一齒輪與第一轉(zhuǎn)軸通過(guò)鍵連接第一齒輪與第二齒輪嚙合傳動(dòng),傳動(dòng)比為1∶2。第二齒輪通過(guò)鍵連接第二轉(zhuǎn)軸,第二轉(zhuǎn)軸安裝在支撐托架上,可保持穩(wěn)定,支撐托架安裝在底板上。第二轉(zhuǎn)軸通過(guò)鍵連接第三齒輪,第三齒輪與第四齒輪嚙合傳動(dòng),傳動(dòng)比為1∶1。第四齒輪通過(guò)鍵連接第三轉(zhuǎn)軸,第三轉(zhuǎn)軸固定在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上。

6.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是一個(gè)多連桿框架,未轉(zhuǎn)動(dòng)變形時(shí)為長(zhǎng)方形,長(zhǎng)為450 mm,寬為180 mm。各連桿通過(guò)銷連接在一起,其中第一連桿和第二連桿分別和兩個(gè)前輪固定連接在一起,實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)扶手前端第一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)第三轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),使長(zhǎng)方形的多連桿框架變形為平行四邊形,使前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖8所示。

▲圖8 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

7 其它結(jié)構(gòu)

7.1 驅(qū)動(dòng)調(diào)速裝置

驅(qū)動(dòng)調(diào)速裝置由電機(jī)和皮帶輪機(jī)構(gòu)組成,如圖9所示。電機(jī)通過(guò)固定支架安裝在底板上,通過(guò)皮帶輪驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)。電機(jī)由單片機(jī)進(jìn)行控制,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。

▲圖9 驅(qū)動(dòng)調(diào)速裝置

7.2 剎車裝置

剎車把手安裝在固定扶手下方,用戶可以通過(guò)握緊剎車把手控制滾動(dòng)輪,起到減緩滑移,保護(hù)用戶安全的作用。

7.3 折疊座椅

底板上安裝折疊座椅,用戶疲憊時(shí)可以坐下休息,在節(jié)省空間的同時(shí)提高使用的便捷性,滿足用戶需求。折疊座椅如圖10所示。

▲圖10 折疊座椅

7.4 防傾倒支座

考慮到用戶起立過(guò)程中施加至多功能助力起立器升降扶手的壓力較大,存在側(cè)翻等安全隱患,設(shè)計(jì)了防傾倒支座,如圖11所示。

▲圖11 防傾倒支座

8 創(chuàng)新點(diǎn)

多功能助力起立器的機(jī)械結(jié)構(gòu)靈活巧妙,用最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)達(dá)到效益最大化。

多連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)自動(dòng)升降扶手平穩(wěn)地按特定運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)高度和傾斜角度的變化,幫助用戶完成起立動(dòng)作。

可控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用多連桿框架,通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)第三轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),使長(zhǎng)方形多連桿框架變形為平行四邊形,進(jìn)而使前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

多功能助力起立器集多種功能于一體,包括助力起立、驅(qū)動(dòng)前進(jìn)、改變速度、輕松轉(zhuǎn)向、坐立一體等,提升了產(chǎn)品的性價(jià)比,更能滿足用戶需求。

多功能助力起立器可以在不同的空間環(huán)境中使用,使用戶在家中臥室、廚房、衛(wèi)生間等地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)輕松移動(dòng),更能夠方便用戶在戶外運(yùn)動(dòng),適應(yīng)性強(qiáng)。

9 結(jié)束語(yǔ)

在全球步入老齡化的社會(huì)背景下,解決老年人行動(dòng)不便的問(wèn)題具有重要的社會(huì)意義。筆者設(shè)計(jì)的多功能助力起立器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)助行器的不足,為開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)新型助行器提供了新的途徑和方向,具有市場(chǎng)前景。