多功能助力起立器的設計

2021-07-02 06:41:58曹軼萌解治琦王筱彤李羿霏

機械制造 2021年4期

□ 曹軼萌 □ 解治琦 □ 王筱彤 □ 李羿霏 □ 許虹

華東理工大學機械與動力工程學院上海 201499

1 設計背景

人口老齡化現象在全世界范圍內都比較普遍,老齡化現象引發很多問題。根據《世界人口展望2019》預測數據,結合現有數據修正,2020年我國60歲及以上人口為2.56億人。此后一段時期內,老年人口以年均1 000萬人的規模增長,至2026年突破3億人,達到3.12億人,至2034年突破4億人,達到4.06億人。2020年至2035年的15 a間,共將增長1.5億人。

隨著年齡的增長,老年人在生理機能上出現很多障礙和病變,如活動能力降低、行動緩慢、平衡能力減弱。許多老年人在彎腰、站起時比較費力,起落困難且容易滑倒。

現今國內市場的助老產品還存在許多不足之處,筆者運用創新思維設計了一款多功能助力起立器,可以方便老年人的生活,用于養老院、社區等老年人集中的場所,能夠為老年人服務。

2 設計過程

多功能助力起立器以人機工程學理論作為設計支撐。在設計前,筆者搜集了大量相關文獻資料,奠定了理論研究基礎。在實踐部分,筆者采用調查問卷、訪談法、觀察法了解老年人的實際需求,結合設計理念進行完善與重新設計。主要設計過程如下:

(1) 查閱相關文獻,多方搜集資料,了解國內老齡化與空巢問題現狀,掌握年齡增長對老年人生理和心理造成的影響;

(2) 分析市場上現有的老年人助行器,總結優缺點,尋求設計思路;

(3) 明確用戶人群,主要針對有活動能力但虛弱無力、存在輕度運動障礙的老年人群體;

(4) 運用問卷調查和用戶訪談的方法,進行用戶研究,明確老年人群體對多功能助力起立器性能的期待點;

(5) 制訂設計方案,完成可行性分析報告,并以此為依據進行設計實踐。

3 同類產品比較與改進

產品的改進是一個持續的、永無止境的過程,應該給予足夠的重視。

市場上常見的普通助行器如圖1所示,優點是結構簡單,有支撐結構,可以確保穩固性,缺點是活動性較差,不利于老年人的挪動。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,并且功能過于單一,無法滿足用戶的實際需求。

在普通助行器基礎上改進設計的滑行助行器如圖2所示,優點是不存在復雜的操作,增加了輔助輪,提高了活動性,缺點與普通助行器一樣,在使用時需要用戶彎腰,質心比較低,不省力。

經過進一步改進設計的輔助行走器如圖3所示,優點是增加了支撐臂托,提高了質心,無需用戶彎腰,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法完成獨立行走動作的用戶群體。

▲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,在行走過程中身體可能會處于疲憊狀態,所以進一步改進,設計得到可坐式助行器,如圖4所示。其優點是助行器上設有手閘用以控制速度,有座椅結構,方便用戶休息。

但是,上述老年人助行器都沒有解決老年人起立困難的問題,功能單一,設計方面還存在許多需要改進的地方。筆者在分析對比后,運用創新性思維設計了一款多功能助力起立器,以滿足市場需求。

4 總體結構

多功能助力起立器外觀如圖5所示,可實現的功能是通過可控自動升降扶手托住老年人的腋下,助力老年人完成起立動作。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。右側固定扶手前端可轉動,通過鍵連接和銷連接帶動齒輪機構與底板下的多連桿機構工作,實現可控轉向功能。底板前端安裝有調速電機,通過皮帶傳動驅動后輪前進,利用單片機實現調速功能。左側固定扶手下部安裝剎車裝置,方便用戶及時制動,確保安全性,防止意外發生。多功能助力起立器主體上安裝折疊座椅,老年人疲憊時可以坐下休息,在節省空間的同時滿足用戶需求。

▲圖4 可坐式助行器

▲圖5 多功能助力起立器外觀

5 自動升降扶手

自動升降扶手包括電動推桿和帶動電動推桿按預定軌跡實現轉動的多連桿機構。

5.1 多連桿機構

多連桿機構包括鉸接桿、連桿、固定銷。在底板的左右兩側各固定一個鉸接桿,每一個鉸接桿上鉸接有曲柄和搖桿,鉸接桿結構如圖6所示。

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

5.2 電動推桿

電動推桿的活動端通過一個鉸接點在自動升降扶手上的指定位置處鉸接,電動推桿的固定端通過支架安裝在底板上。

▲圖6 鉸接桿結構

電動推桿在完全收縮狀態時,收縮距離為900～905.75 mm,并且自動升降扶手與水平面之間的夾角為0°。電動推桿在完全伸展狀態時,伸展距離為1 300～1 303.75 mm,并且自動升降扶手與水平面之間的夾角為30°。

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

6 可控轉向機構

可控轉向機構包括安裝在固定扶手前端的第一轉軸、齒輪機構及安裝在底板前端的轉向機構。

6.1 第一轉軸

底板的左右兩側通過固定支架各安裝一個固定扶手,固定扶手長464 mm,兩個固定扶手之間的距離為616 mm。右側固定扶手前端20 mm處通過鍵連接第一轉軸,用戶轉動該轉軸即可實現前輪轉向功能。

6.2 齒輪機構

齒輪機構如圖7所示。第一齒輪與第一轉軸通過鍵連接第一齒輪與第二齒輪嚙合傳動,傳動比為1∶2。第二齒輪通過鍵連接第二轉軸,第二轉軸安裝在支撐托架上,可保持穩定,支撐托架安裝在底板上。第二轉軸通過鍵連接第三齒輪,第三齒輪與第四齒輪嚙合傳動,傳動比為1∶1。第四齒輪通過鍵連接第三轉軸,第三轉軸固定在轉向機構上。

6.3 轉向機構

轉向機構是一個多連桿框架,未轉動變形時為長方形,長為450 mm,寬為180 mm。各連桿通過銷連接在一起,其中第一連桿和第二連桿分別和兩個前輪固定連接在一起,實現同步轉動。通過扶手前端第一轉軸的轉動帶動齒輪機構轉動,從而帶動第三轉軸轉動,使長方形的多連桿框架變形為平行四邊形,使前輪實現轉向。轉向機構如圖8所示。