常青青, 陳 堅, 蔣正忠

(南寧學(xué)院 智能制造學(xué)院,南寧 530200,E-mail:changqing_1989@163.com )

隨著年齡增長,人體各項機能不斷下降,尤其是老年人,膝關(guān)節(jié)均發(fā)生不同程度的退行性變化,腿部肌肉功能減弱。因此,生活中很多看似簡單的事情變得極為困難,如上下床、洗澡、如廁等。尤其是如廁,老人下蹲、起立比較困難,如廁時間較久,腿部發(fā)麻,難以站立,甚至一個不小心,會造成跌倒、摔傷、骨折等事故,嚴(yán)重影響老年人的身心健康[1-4]。

為了解決這一問題,很多學(xué)者展開了關(guān)于老年人如廁輔助裝置的研究。其中,劉坤、吉碩等人[5]設(shè)計了一種多功能坐站輔助型如廁輪椅機械結(jié)構(gòu),通過變桿長及變桿位的線性聯(lián)動設(shè)計實現(xiàn)輔助人體坐、站動作,其推廣使用仍需進一步證實;史小華、盧浩等人[6]設(shè)計了一種兼具代步和如廁功能的如廁智能輪椅,通過平面兩自由度并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了坐、站姿態(tài)調(diào)節(jié)及高度調(diào)節(jié),但體積龐大,無法直接置于坐便器上使用;李遠(yuǎn)利、涂細(xì)凱等人[7]設(shè)計了一種基于人體坐立轉(zhuǎn)換運動軌跡的如廁輔助裝置,實現(xiàn)了如廁過程中坐立姿態(tài)的轉(zhuǎn)換,但助力功能比較單一。

因此,為解決老年人如廁困難問題,本文設(shè)計了一種從臀部、腋部、腕部不同方位助力的老年人如廁輔助裝置,該裝置可折疊存放,減小占用空間,并且能夠直接放置于坐便器或蹲便器上使用,無需安裝,適用范圍廣。

1 老年人如廁過程分析與總體方案設(shè)計

1.1 老年人如廁過程分析

老年人如廁過程中面臨的的主要問題就是站姿與坐姿的轉(zhuǎn)換,即如廁時可以獨立的由站姿轉(zhuǎn)換為坐姿,如廁完畢后可以獨立的由坐姿轉(zhuǎn)換為站姿。因此,對老人如廁過程進行模擬[7-8],如圖1所示,可知整個如廁過程涉及的動作主要包括行走、彎腰、下蹲、起身、站立。

圖1 老人如廁過程動作分析

1.2 總體方案設(shè)計

通過對人體由站至坐以及逆過程的行為進行觀察分析,為老年人如廁助力裝置提出設(shè)計需求和功能需求[9],針對設(shè)計需求和功能需求分析,確定了老年人如廁輔助裝置設(shè)計方案,如圖2所示。該方案通過設(shè)計z向扶手運動機構(gòu)實現(xiàn)對老人腋部助力,輔助完成下蹲、站立動作;通過設(shè)計坐墊升降機構(gòu)實現(xiàn)對老人臀部助力,輔助完成彎腰、起身動作;通過設(shè)計y向運動機構(gòu)對老人手腕部助力,輔助完成行走、轉(zhuǎn)身動作。

圖2 老年人如廁輔助裝置設(shè)計方案

2 主要機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案,該裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示,主要由z向扶手運動機構(gòu)、y向扶手運動機構(gòu)、坐墊升降機構(gòu)、折疊機構(gòu)、支撐總成組成。

圖3 整體結(jié)構(gòu)

2.1 折疊機構(gòu)

折疊機構(gòu)主要由坐墊板分離桿、z向折疊桿和y向折疊桿組成,如圖3所示,y向和z向折疊桿兩端通過螺栓連接支撐框架,中間通過銷軸連接,與銷軸配合的中間孔的軸線相互垂直,分別與y向、z向平行,實現(xiàn)對支撐框架的連接鎖緊。分離桿連接兩塊坐墊板,可繞一端轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)坐墊向下折疊,同時y向折疊桿和z向折疊桿分別通過繞y軸和z軸轉(zhuǎn)動使兩邊的結(jié)構(gòu)向中間對稱聚攏,實現(xiàn)了整個機械裝置的折疊。折疊后整個機械裝置更加緊湊,便于收納存放,如圖4所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)折疊狀態(tài)

2.2 z向扶手運動機構(gòu)

z向扶手運動機構(gòu)主要由T形扶手、螺桿、齒輪、電機等組成,如圖3所示,螺桿與從動齒輪同軸連接,通過齒輪傳動將電機提供的動力傳遞給螺桿,帶動T形扶手上下運動。使用時將兩手臂跨在兩個T形扶手上,T形扶手托住人體腋部,實現(xiàn)對腋部助力,輔助老人下蹲或起立。

2.3 y向扶手運動機構(gòu)

y向扶手運動機構(gòu)主要由y向扶手、支撐桿、y向?qū)к?、連桿、y向運動滑塊組成,如圖5所示,其中連桿兩端分別與轉(zhuǎn)動桿2和y向運動滑塊連接。動力通過坐墊升降機構(gòu)傳遞,由電機提供,可以實現(xiàn)對老人的手腕部助力,即當(dāng)電機工作時,動力傳遞給坐墊升降機構(gòu),坐墊升降機構(gòu)的轉(zhuǎn)動桿2轉(zhuǎn)動時通過連桿驅(qū)動y向運動滑塊沿y向?qū)к壷本€運動,從而帶動y向扶手前后運動,實現(xiàn)對老人的自動攙扶,防止老人在從衛(wèi)生間門口行至便池過程中意外滑倒。

圖5 y向扶手與坐墊升降機構(gòu)

2.4 坐墊升降機構(gòu)

坐墊升降機構(gòu)主要由連接滑塊、齒條、轉(zhuǎn)動桿1、導(dǎo)軌、導(dǎo)向板、坐墊、轉(zhuǎn)動桿2組成(見圖5),齒條與從動齒輪嚙合傳遞動力,動力由電機提供。當(dāng)齒條通過連接滑塊沿導(dǎo)軌y向前后運動時,整個機構(gòu)托住老人臀部上下前后運動,實現(xiàn)對老人臀部助力。坐墊升降機構(gòu)與y向扶手運動機構(gòu)通過平面機構(gòu)連接形成聯(lián)動機構(gòu),其機構(gòu)運動簡圖如圖6所示。

圖6 y向扶手與坐墊升降機構(gòu)運動簡圖

其中桿AB對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2,桿BC對應(yīng)坐墊,桿CD對應(yīng)導(dǎo)向板,桿CE對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿1,滑塊E對應(yīng)齒條滑塊,桿BF對應(yīng)連桿,滑塊F對應(yīng)y向運動滑塊,則計算該平面機構(gòu)的自由度:

F=3n-2pl-ph=3×7-2×10=1

(1)

其中滑塊E為主動件,當(dāng)電機通過齒輪傳動驅(qū)動滑塊E向前運動時,該聯(lián)動機構(gòu)從初始位置ABCDEF運動到AB′C′DE′F′,則坐墊從BC位置上升前行至B′C′位置,y向扶手從F移至F′。

由圖6知,該機構(gòu)運動簡圖可分解為平行四桿機構(gòu)ABCD、偏置搖桿滑塊機構(gòu)ABF和偏置曲柄滑塊機構(gòu)DCE。對偏置曲柄滑塊機構(gòu)DCE進行優(yōu)化設(shè)計,滑塊行程H=600 mm,行程速比系數(shù)K=1.48,桿CD、桿CE、偏心距e1分別用設(shè)計變量x1、x2、x3表示,最小傳動角γmin出現(xiàn)在圖6中桿CD與滑塊導(dǎo)路垂直的位置。在連桿機構(gòu)中常以最小傳動角γmin衡量機構(gòu)的傳力性能,傳動角γ越大,對機構(gòu)的傳力越有利,分析得出:

(2)

(3)

以最小傳動角γmin為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化設(shè)計中,目標(biāo)函數(shù)簡化為:

(4)

對曲柄滑塊進行運動分析,當(dāng)滑塊處于兩個極限位置時可推導(dǎo)出以下約束條件:

(5)

利用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon求解器進行優(yōu)化求解[10-12],得出x1=270.798 7 mm、x2=507.606 6 mm、x3=176.214 7 mm,當(dāng)滑塊向前移動時,坐墊前移和上升的行程分別用H1和H2表示,桿CD與水平面初始夾角為30°,則

(6)

同理,對偏置搖桿滑塊機構(gòu)ABF進行尺寸優(yōu)化設(shè)計,BF=118 mm,e2=116 mm,e3=168 mm,y向扶手前移的行程用H3表示,桿BF與水平面初始夾角為16°,則

(7)

3 工作原理

系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)共用一處動力來源,由伺服電機提供,通過齒輪傳動將動力傳遞給齒條,由連接滑塊沿導(dǎo)軌滑動帶動坐墊升降機構(gòu)上下前后運動以及y向扶手運動機構(gòu)前后直線運動,同時通過齒輪嚙合控制z向扶手運動機構(gòu)中的螺桿轉(zhuǎn)動完成z向扶手上下伸縮運動。以坐姿狀態(tài)為起始狀態(tài),當(dāng)老人行至衛(wèi)生間門口時,通過伺服電機傳動驅(qū)動z向扶手向上運動,y向扶手向前運動,坐墊升高并向前運動,老人通過伸長的y向扶手?jǐn)v扶緩慢行至便池,并通過攙扶z向扶手轉(zhuǎn)身,同時腋部跨在z向扶手上,老人輕微彎腰下蹲,臀部就能到達坐墊,實現(xiàn)對臀部、腋部的支撐助力,電機反向轉(zhuǎn)動,便可以通過驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)輔助老人完成下坐動作,起身過程相反。老人如廁時,輔助裝置的助力機構(gòu)與老人腋部、臀部、手腕部的接觸中心位置分別用a、b、c三點表示,如圖5所示,其運動軌跡符合人體運動自然規(guī)律,如圖7中軌跡①、②、③所示。

圖7 助力裝置運動軌跡

4 整體結(jié)構(gòu)有限元分析

坐墊板是整個機械系統(tǒng)的主要受力部件,變形過大或斷裂會嚴(yán)重影響老人健康,因此需要對其變形大小、抗彎強度進行分析,以確保該裝置的安全性。設(shè)定坐墊板托起的人體重量極限為150 kg,則坐墊板承受的重力為1 500 N,動力由電機提供,通過齒輪傳動帶動整個機械系統(tǒng)運行,各傳動機構(gòu)設(shè)計滿足要求?，F(xiàn)對整體機械結(jié)構(gòu)進行有限元分析[13-14],以坐墊板承受的重力作為它的工作載荷。首先建立如廁助力裝置的三維數(shù)字模型,然后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行有限元分析,在分析過程中對模型結(jié)構(gòu)進行簡化處理,如齒輪齒條簡化為接觸連接、螺桿化為光桿等。

具體步驟如下:首先在ANSYS Workbench中進行三維數(shù)字模型前置處理,建立靜力學(xué)關(guān)系流程圖,并導(dǎo)入如廁助力裝置的三維數(shù)字模型,然后在Engineering Data中添加Q235結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)作為整體結(jié)構(gòu)的仿真材料,并設(shè)置材料的相關(guān)屬性,其彈性模量E為200 GPa,泊松比μ為0.3,質(zhì)量密度ρ為7.85E+03 kg/m3,屈服強度為235 MPa。如圖8所示,對導(dǎo)入的模型進行網(wǎng)格劃分,在Mechanical中設(shè)置單位為Metric(mm,kg,N,s,mV,mA),在Mesh中進行自動網(wǎng)格劃分,模型所劃分的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)和單元數(shù)分別為40 748、20 643。坐墊板結(jié)構(gòu)對稱,每個坐墊板承受的作用力為750 N,對坐墊板施加750 N的力,方向豎直向下,最后進行后處理分析,添加EquivalentStress和TotalDeformation兩種顯示結(jié)果,求解之后查看結(jié)果,得到總變形云圖和等效應(yīng)力云圖,分別如圖9和圖10所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

圖9 總變形云圖

圖10 等效應(yīng)力云圖

由圖9和圖10的分析結(jié)果可知,如廁助力裝置的等效應(yīng)力值最大為70.479 MPa,在材料允許的許用應(yīng)力范圍之內(nèi),最大變形量為0.514 53 mm,屬于小變形,總體來說如廁助力裝置的設(shè)計滿足要求。

5 樣機制作與測試

根據(jù)前文結(jié)構(gòu)設(shè)計,按照實際尺寸制作該裝置的實物樣機,并對裝置助力過程的運行時間進行10次重復(fù)測試試驗。試驗過程如圖11所示,邀請體重為65 kg的實驗人員模擬前文圖1中如廁過程動作,其中行至便池—轉(zhuǎn)身站立—彎腰前傾—下蹲為前段如廁動作,起身—彎腰前傾—站立—離開便池為后段如廁動作,利用計時秒表記錄該裝置完成助力動作的時間,測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖11 試驗場景

表1 試驗測試數(shù)據(jù)

結(jié)果表明,當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為600 r/min時,y向扶手移動機構(gòu)移動速度為0.02 m/s,z向扶手升降速度約為0.03 m/s,設(shè)備傳動平穩(wěn),功能達到了預(yù)期效果,其中前段如廁所用時間為23.9 s,后段如廁所用的時間為21.1 s,整體運行時間為45 s。樣機測試實驗直接反應(yīng)了老年人如廁助力裝置方案設(shè)計的的可行性,一定程度上驗證了該助力裝置的安全性、穩(wěn)定性和實用性等各項性能,其各項參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 實物樣機測試的各項參數(shù)指標(biāo)

6 結(jié)論

在研究目前老人生活需求和老年人如廁產(chǎn)品優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,針對老人如廁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間、適用范圍小等問題進行深入分析,設(shè)計了一種多方位助力的老年人如廁助力裝置。該裝置具有以下特點:

(1) 通過設(shè)計不同的助力機構(gòu)進行多方位助力,實現(xiàn)了如廁過程中對老人臀部、腋部、手腕部助力,能夠輔助完成彎腰、下蹲、起身、站立、行走動作。

(2) 所有助力機構(gòu)共用一處動力來源,降低了機械系統(tǒng)復(fù)雜性,節(jié)約成本。

(3) 通過設(shè)計折疊機構(gòu)實現(xiàn)了整個機械裝置的對稱折疊,便于收納存放,節(jié)約空間,不影響其他人使用便池。

(4) 結(jié)構(gòu)簡單,直接放置便池之上使用,無需改造便池結(jié)構(gòu),對坐便器或蹲便器皆可適用。