徐肖肖，熊 念，周傳喜，魏珉昊

（長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434100）

隨著我國快速步入老年化社會，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與智能機器人相結(jié)合，而車型助力器主要由電機驅(qū)動從而帶動人體前行，但其市場價格都較為昂貴。

本文介紹的老人輔助多功能助力器屬純機械腿，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)級改變上下樓梯提供力的大??； 同時，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，達到一種機器具有多種功能的效果，一定層面提高了機器功能上的多樣性。

1 助力器的總體結(jié)構(gòu)

本輔助多功能助力器的機械結(jié)構(gòu)主要由能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、 調(diào)級系統(tǒng)、 緩沖系統(tǒng)、 固定系統(tǒng)，伸縮系統(tǒng)，切換系統(tǒng)這6 個部分組成。

通過抬腿來壓縮彈簧，彈簧儲能，在放腿的時候彈簧伸長，釋放彈力，起到減輕膝蓋彎曲的作用。 此外，調(diào)級系統(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； 通過伸縮裝置使長度拉長來達到拐杖的要求； 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險。

1.1 驅(qū)動裝置

參考孫桓[1]主編的《機械原理》，可得凸輪與推桿配合可形成一種高副機構(gòu)，可實現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動變換為具有停歇往復擺動運動。 基于反轉(zhuǎn)法原理運用，可實現(xiàn)彈簧、 推桿、 凸輪的能量儲存釋放。 由壓縮彈簧提供的彈力作為裝置的原動力，驅(qū)動雙滾輪在凸輪內(nèi)槽之間滑動，從而起到減輕老人膝蓋受力頻繁彎曲問題[2]。

1.2 調(diào)級裝置

調(diào)級機構(gòu)主要是通過變級推桿與排齒之間的配合來改變儲能彈簧的壓縮量，以此來改變助力器推力的大小來實現(xiàn)助力器調(diào)級，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 調(diào)級裝置機構(gòu)圖

初始狀態(tài)下，儲能彈簧處于壓縮狀態(tài)下，由于彈力的作用，變級推桿與排齒接觸，此時通過推動手柄，變級推桿前段小球順著排齒圓形內(nèi)壁向上運動至下一個卡槽。 因此儲能彈簧的長度也被改變，其在后續(xù)運動過程中給大腿施加的力也會改變，從而起到調(diào)級的作用。

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，上部分則通過機架阻止其向上運動[3]。在切換為助力器時可先將抵桿旋轉(zhuǎn)到下方滑槽內(nèi)，手柄也通過旋轉(zhuǎn)到達變級機構(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)，通過小腿輔助機構(gòu)機架的設(shè)計，使其只能如圖3 所示順時針旋轉(zhuǎn)。 凸軸與連接扣通過螺紋連接，可以相對轉(zhuǎn)動，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

伸縮裝置通過推動助力器下端圓槽內(nèi)圓球，使彈簧壓縮。 此時抽出助力腿二級伸長部分，彈簧圓球運動到指定位置便彈出，與下部圓孔卡住，既可以保持穩(wěn)定，又可以達到日用拐杖的長度要求。

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到防滑的目的，其具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 緩沖裝置圖

當轉(zhuǎn)換為拐杖模式時，從伸長塊內(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，上連桿通過銷與伸長塊構(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，通過撥動卡桿內(nèi)的凸起塊，可實現(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)計一些花紋可起到增大摩擦力的作用。

2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

2.1 尺寸確定

為簡化設(shè)計思路，現(xiàn)做如下假定。 假定一，老人的大腿長55 cm。 假定二，老人的小腿長35 cm。假定三，老年人所用拐杖的長度為85 cm。 有以上3 個假定，即可通過老人的大小腿長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，不會導致機構(gòu)的長度過長或過短的小腿輔助機構(gòu)的長度為30 cm，從而確定膝蓋銷上部機構(gòu)的長度為50 cm，變成拐杖時手柄到膝蓋銷的距離為30 cm，二級延長機構(gòu)的長度為25 cm。

2.2 槽內(nèi)連桿尺寸的確定

由于手柄的長度為15 cm，寬度為30 cm，所以橫桿的長度和手柄的寬度相等，均為30 cm，抵桿與手柄槽相接觸時，抵桿與手柄成45°角，人體手掌對手柄的壓力約為150 N，假設(shè)老年人的手掌對手柄的壓力為150 N，對橫桿進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)壁對橫桿的反作用力，F(xiàn)3為抵桿對橫桿的作用力，N。 橫桿自重忽略不計。 由于橫桿的長度為30 cm，對左右兩邊取矩可得兩個支座處的支撐反力，得出如下彎矩圖 （見第138 頁圖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。 由以上分析計算得d1=7 mm。

2.3 關(guān)于彈簧絲直徑的設(shè)計計算

通過比較各種彈簧材料的性能和該設(shè)計的工作環(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，彈簧絲內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力及強度條件可表示為

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)級機構(gòu)上蓋子的固連實現(xiàn)凸輪中心與調(diào)級機構(gòu)之間的距離恒定。 滾輪在凸輪槽中的運動改變彈簧的伸縮量，從而實現(xiàn)儲能彈簧的儲能和釋放，以此來提供助力作用[4-5]。

此外，調(diào)級系統(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； 二級伸縮裝置的拉伸，使長度拉長來達到拐杖的要求； 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險。

4 結(jié)論

本文針對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創(chuàng)新點，彈簧推桿部分采用直卡尺、 齒進行調(diào)級，在無電子設(shè)備的前提下提高了老人對于助力器的適應(yīng)性和通用性。 同時本助力裝置采用側(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。 該助力器變換簡單，且方便攜帶具有多種用途，能夠極大地提高獨居老人日常生活質(zhì)量。