基于平面多桿機構的多姿態轉換裝置設計與驗證*

李發強，唐樂為，陳明志，趙登彪，金秋談

(湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

近五年，中國人口老齡化程度逐年加劇,為改善老年人日常生活品質，已設計了多種助老機械[1-3]。對于老年人，躺姿、坐姿和站姿轉換被認為是一項最基本日常活動。郭杰等總結了國內外輔助老年人站立機械裝置的研究現狀，并分析了現有輔助站立機構特點[4]。目前，主要有兩類機構實現坐-站姿轉換，即外骨骼和可重構輪椅。穿戴式外骨骼控制直流電動機驅動髖、膝和踝關節運動，實現姿態轉換[5]；可重構輪椅被用于輔助坐-站姿的轉換動作，可重構輪椅由Watt六桿機構和曲柄滑塊機構組成。文獻[6]對可重構輪椅只進行了運動仿真，沒有進行實驗驗證。

連桿機構能實現多種特定運動，具有成本低、易于制造的優點[7]。本文在分析了躺-坐-站姿轉換動作的基本要求后，設計了一種基于平面多桿機構的躺-坐-站姿轉換助老裝置，并加工制作了縮比實驗模型，完成了運動功能測試。

1 躺-坐-站姿轉換基本要求

躺-坐-站姿轉換機構設計的目的是使用平面多桿機構實現躺-坐-站姿轉換。支撐人體組成部件如圖1所示，包括連接靠背、座板、腿支托和腳支托4個主要部件，支撐人體實現躺-坐-站姿轉換動作。

圖1 支撐人體組成部件

考慮用戶舒適度，規定以下三個基本設計要求：

(1) 通過四個組件相對運動，支持三種姿態轉換。

(2) 腿支托和靠背同時移動，并始終保持平行。

(3) 腳支托保持水平，扶手與座板平行。

2 機構設計

假設四個組件分別通過鉸鏈連接，并規定為剛性連桿，忽略滿足不同人體要求的調整結構設計。因此，最簡單的機械設計是用原動件單獨控制每個部件，但該設計方案存在兩個缺點：①通過4個原動件運動實現人體姿勢轉換，需要采用復雜的控制策略，否則容易產生運動干涉；②隨著原動件個數增加，制作成本將成倍增加。

2.1 躺-坐姿轉換

為滿足設計要求，基礎機構由一個四桿機構A1A3A3A4和兩個平行四邊形機構B1B2B3A4和C1C2C3A4組成，如圖2所示。腿支托運動角度θ∈[0°，90°]，兩個邊界角度值分別對應躺姿和坐姿。靠背(B1B2)、扶手(B2B3)、座板(B1C3)和腿支托(A4C1)構成平行四邊形，使得扶手(靠背)始終平行于座盤(腿支托)。此外，座板、腿支托和腳支托(C1C2)同樣構成了平行四邊形，座板和腳支托保持平行。雖然該機構只用一個原動件完成躺-坐姿轉換，但無法實現站姿。

2.2 躺-坐-站姿轉換

為滿足躺-坐-站姿轉換要求，設計一種新的平面多桿機構，如圖3所示。比較圖2，新機構使用兩個原動件絲桿螺母1和絲桿螺母2控制組件實現躺-坐-站姿轉換。座板能移動到垂直方向，實現站姿轉換。另外，座板和腳支托不再受平行四邊形約束，腳支托適合站姿變換，避免滑落或倒下。

圖2 躺-坐姿轉換機構簡圖

圖3 躺-坐-站姿轉換平面多桿機構簡圖

根據平面自由度公式，自由度F由下式計算：

F=3n-2Pl-Ph.

(1)

其中：n為自由鏈接的數量，n=14；Pl為低副數目,Pl=20;Ph為高副數目,Ph=0。將相關參數代入式(1)，計算得到F=2。絲桿螺母1和2為原動件，自由度數等于原動件數，因此該平面多桿機構運動由兩個原動件完全確定。

原動件驅動順序如表1所示，在每個姿態轉換時，只有一個原動件工作，有利于控制程序編寫，并降低了對系統通信速度要求。

表1 躺-坐-站姿轉換對應驅動執行順序

機構設計使用相似三角形特點，靠背和腳支托運動如圖4所示。△ABC～△CEG、△DEF～△FJH、在躺-坐姿轉換過程中，靠背(AB)始終與腿支托(EG)平行。因此，當腿支托繞E點旋轉時，靠背繞點B旋轉。由于點D和E固定在同一高度平面，腳支托(JH)始終與地面保持平行。參照四桿機構分類，△ABC是由滑塊、導桿和連桿組成的擺動導桿機構，△DEF是由搖塊、導桿和曲柄組成的曲柄搖塊機構。

在坐-站姿轉換中，固定△DEF和△FJH，將腿支托(EG)固定在框架上。座板(CE)由絲桿螺母1支撐，繞E點向前移動直到垂直。靠背和座板運動如圖5所示，坐-站姿轉換的基本四桿機構包括曲柄、搖塊和連桿，組成曲柄搖塊機構。

圖4 靠背和腳支托運動 圖5 靠背和座板運動

扶手設計成平行四邊形結構，扶手始終與座板平行。整體機構運動簡圖如圖6所示。

圖6 整體機構運動簡圖

3 實驗

為了驗證機構運動過程，制作躺-坐-站姿轉換機構縮尺模型，如圖7所示。作為輔助老年人自動助力床的一部分，該機構的躺、坐和站三種姿勢如圖7和圖8所示，實現了預定的姿態轉換動作。

圖7 躺-坐-站姿轉換機構縮尺驗證模型

圖8 躺-坐-站姿轉換裝置的躺和站姿勢

4 結論

本文設計了一種輔助老年人完成躺-坐-站姿轉換動作的平面多連桿機械裝置。該裝置采用了一種僅需兩個原動件的平面多連桿機構。在躺-坐姿和坐-站姿轉換過程中，僅控制相應的一個原動件運動，另一個原動件保持固定狀態。該平面多桿機構由多個四桿機構組合構成，比如曲柄搖塊機構和擺動導桿機構，并通過采用相似三角形和平行四邊形幾何特點滿足了三種位姿轉換運動要求。最后搭建了多姿態轉換機構縮尺模型，并驗證了多姿態轉換機構設計的有效性。