一種多功能助行椅設(shè)計研究*

姚晟琪， 蘭葉深， 毛佳杰， 余林月， 徐文俊

（衢州職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，浙江 衢州 324000）

進入21 世紀以來，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]，老齡化的問題日益嚴峻， 當前中國已成為世界上老年人口最多的國家[2]。 相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于老年人身體機能的衰退，使老年人在站立、行走過程中存在肢體活動受限、重心不穩(wěn)以及協(xié)調(diào)能力下降等問題，給老年人起身、行走鍛煉以及出行等日常生活帶來了諸多不便，容易摔倒和受傷[3]。 針對上述問題， 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]，能讓老年人無需他人幫助的情況下實現(xiàn)自由行走和出行，提高老年人的生活質(zhì)量。 然而，目前我國市場上老年人助行椅仍存在功能單一、使用不便、缺乏人機尺寸合理設(shè)計等問題[5]。 為滿足老年人的實際生活需求，提升助行椅的實際應用性，本文以老年人形體特征為基礎(chǔ)設(shè)計了一種多功能助行椅， 對助行椅進行合理的人機尺寸設(shè)計與功能完善，設(shè)計助行椅的輔助起身、行走鍛煉以及電動代步出行功能， 大大提升老年人活動的獨立性，減輕家人的負擔。

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)向機構(gòu)、鋰電池、搖桿、坐墊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、輔助起身機構(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題，在多功能座椅兩側(cè)設(shè)計輔助起身站立機構(gòu)， 利用電動推桿推動扶手實現(xiàn)高度和傾斜角度的變化，從而帶動老年人起身，老年人幾乎不用自己用力便可起身，使用方便；坐墊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)通過改變助行椅坐墊位置變換， 實現(xiàn)老年人輔助行走過程中“行”和“坐”自由切換功能，此功能可以幫助老年人較長時間行走成為可能性， 以滿足老年人行走過程中休息緩解疲勞的需要； 為了克服傳統(tǒng)電動輪椅結(jié)構(gòu)復雜笨重的特點， 基于老年人形體特征和鋁合金型材設(shè)計助行椅的具體尺寸[6]，如表1 所示，通過無刷電機后輪驅(qū)動，并設(shè)計電動推桿聯(lián)動結(jié)構(gòu)進行助行椅的轉(zhuǎn)向控制，可實現(xiàn)平地快速行駛、轉(zhuǎn)向、翻越小型障礙物以及爬坡等功能，滿足了老年人對助行椅高強度、輕重量和小體積的需求，同時也滿足了老年人對助行椅更多應用場合的實際需要。

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)計與工作原理

2.1 輔助起身機構(gòu)

為解決老年人起身站立困難的問題，設(shè)計了輔助起身站立機構(gòu)，其工作原理如圖2 所示。 扶手右端通過固定安裝座與助行椅框架進行固定連接，左端與電動推桿活動連接，工作時，老年人只需將手握住扶手，通過控制電動推桿實現(xiàn)扶手高度和傾斜角度變化， 從而帶動老年人起身站立，起身完畢后，控制電動推桿縮回，從0°變化到25°，扶手復位。

圖2 輔助起身工作過程

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

因此，選擇額定輸出力為1 500N 的電動推桿。

2.2 坐墊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

考慮到老年人行走每隔30min 左右需要進行適當休息的需求[7]，對助行椅設(shè)計了可翻轉(zhuǎn)的坐墊機構(gòu)，如圖3所示，當老年人需要休息時，將坐墊下翻至與地面平行的位置，在幫助老年人進行行走康復鍛煉時，將坐墊上翻至椅背處，并采用吸鐵石鎖定坐墊位置，防止老年人行走過程中因助行椅振動導致坐墊下落，實現(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)向機構(gòu)

圖4 前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)

前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由腳踏桿、電動推桿、拉桿、連接板、擺桿、轉(zhuǎn)向拉桿、前輪等組成，如圖4 所示。電動推桿一端固定在助行椅上，另一端與拉桿連接，控制電動推桿伸出時，推動拉桿向右運動，從而控制擺桿向右旋轉(zhuǎn)，進而使轉(zhuǎn)向拉桿帶動前輪向左旋轉(zhuǎn)，同理，控制電動推桿縮回時，前輪右轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)向機構(gòu)通過電動推桿伸出和縮回，來控制擺桿的擺動角度，從而控制前輪擺角大小，實現(xiàn)前輪定量擺動和對稱擺動，機構(gòu)緊湊。

2.4 驅(qū)動控制原理

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

圖5 助行椅的驅(qū)動控制原理

3 結(jié)論

本文通過研究老年人群體的身體形態(tài)特征，以其實際需求為基礎(chǔ)設(shè)計了助行椅的結(jié)構(gòu)和輔助起身、行走鍛煉以及電動代步出行功能，該助行椅可作為老年人下肢機能鍛煉，原地零移位實現(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)計提供一定的依據(jù)。