辅助站立装置结构设计及试验_陆玥.pdf

第 24 卷 第 4 期北华大学学报(自然科学版)Vol24 No42023 年 7 月JOUNAL OF BEIHUA UNIVESITY(Natural Science)Jul2023文章编号:1009-4822(2023)04-0554-07DOI:1011713/jissn1009-4822202304024辅助站立装置结构设计及试验陆玥，董晟昊，曾永阳，李海连，邢钟元，王小平，王晓昌，罗春阳，孙永强(北华大学机械工程学院，吉林 吉林132021)摘要:设计一种能够满足中、轻度失能老人室内站立行走和日常生活需求的辅助站立变换装置通过力矩合成法得到人体站立过程中的重心位置坐标，并转化为辅助站立过程中肩关节运动轨迹，将其作为装置举升单元设计的理论依据，确保辅助站立装置设计符合正常人体站立运动;利用 UG 软件对装置关键零部件进行仿真分析，并对装置整体进行模态分析;通过运动仿真及试验验证装置的可行性和合理性;开展主观评价结果表明:该装置关键部位具有足够强度，装置输出频率不会影响使用者的舒适性，符合人机工程学关键词:辅助站立;轨迹回归分析;举升测试;用户体验中图分类号:TH69文献标志码:A收稿日期:2023-03-08基金项目:吉林省科技发展计划项目(20200708126YY，20230401103YY，20210401146YY);国家级大学生创新创业训练计划项目(202210201025X)作者简介:陆玥(1998)，女，硕士研究生，主要从事机械电子工程研究，E-mail:2523294780 qqcom;通信作者:李海连(1982)，女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事助老器械研究，E-mail:alian524 163comStructural Design and Testing of Auxiliary Standing DevicesLU Yue，DONG Shenghao，ZENG Yongyang，LI Hailian，XING Zhongyuan，WANG Xiaoping，WANG Xiaochang，LUO Chunyang，SUN Yongqiang(College of Mechanical Engineering，Beihua University，Jilin 132021，China)Abstract:An assisted standing transformation device is designed to meet the needs of the elderly with mild tomoderate disability in indoor standing and walking and daily lifeThe coordinates of the center of gravity in theprocess of human standing are obtained by the moment synthesis method and transformed into the trajectory ofshoulder joint movement in the process of assisted standing，which is used as the theoretical basis for the design ofthe lifting unit of the device to ensure that the design of the assisted standing device conforms to the normalhuman standing movement;The key components of the device are simulated and analyzed by Unigraphics NX;Thefeasibility and rationality of the device are verified by motion simulation and actual test，the subjective evaluationis conductedThe results show that the key parts of the device have sufficient strength and the output frequency ofthe device does not affect the comfort of the user，which is in line with ergonomicsKey words:assisted standing;trajectory regression analysis;lift test;user experience随着年龄增长引发的肌肉强度下降、下肢骨骼系统承载能力下降以及钙流失导致的骨质疏松等对老年人站立及行走造成严重影响1 因此，研究帮助老年人独立进行日常站立及行走的辅助站立装置，对辅助老年人的日常生活具有重要意义2 目前，国内外研究者在辅助站立装置研究上取得了一定成果ZHOUJ 等3 设计了可调节运动轨迹的辅助仰卧起坐装置，该装置采用简单机构整合老年人的仰卧、屈腿、起立运动功能，可有效减轻背部压力，满足日常起卧站立需求KIM S W 等4 开发了被动坐站走辅助装置，通过对角提升机构将患者自身重量转化为驱动力，从而实现由坐姿到站姿的转换KUODA Y 等5 采用推拉链制动器设计了辅助人体站立运动座椅，通过抬起座椅推动人体髋关节伸展，实现从坐到站的转换彭见辉等6 设计了辅助老年人坐立转换的站立装置，该装置由电动推杆提供动力，分别驱动辅助站立机构进行双臂伸展支撑、托举机构托举臀部，实现站立功能雷云菁7 研制了三自由度的系统辅助结合自主站立装置，采用辅助支撑座椅面板先平动再旋转的运动方式，在臀部为患者提供支撑力，当座椅面板与大腿倾斜角度达到 19时，装置辅助结束从现有的辅助站立装置看，大多结构复杂，行走功能过于智能化，忽略了使用过程中的操作便捷性;并且，大多采用辅助臀部的助力方式，难以在辅助站立的同时保证使用者上半身平衡因此，为满足老年人日常站立及行走活动需求，本文利用力矩合成法得到人体站立过程的重心位置运动坐标，设计一种具有助行功能的辅助肩关节站立装置，通过举升单元在保证使用者躯干平衡的同时实现辅助站立;设计助行移动单元，满足老年人室内行走活动需求本装置在辅助站立过程中，采取以患者为主、装置为辅的助力方式，能够提高使用者的主动参与感图 1人体站立过程简化模型Fig1Simplified model of standing processof the human body1人体站立过程分析分析人体站立过程，可以为辅助站立装置设计提供依据本文采用力矩合成法分别分析正常人体站立过程和辅助人体站立过程的重心轨迹由于站立过程比较复杂，因此，假设人体在站立过程中动作缓慢，且始终处于平衡状态人体站立过程简化模型见图 1，图中:l1、l2、l3为小腿、大腿、躯干重心位置(mm);lshanke、lthigh为小腿、大腿长度(mm);1、2、3为小腿、大腿、躯干与水平正方向的夹角选取踝关节为坐标原点，推导人体站立过程中小腿、大腿、躯干(及以上部位)的重心坐标方程小腿重心坐标:x1=l1cos1，y1=l1sin1;大腿重心坐标:x2=lshankcos1 l2cos2，y2=lshanksin1+l2sin2;躯干及以上部位重心坐标:x3=lshankcos1 lthighcos2+l3cos3，y3=lshanksin1+lthighsin2+l3sin3;根据力矩合成法，人体重心坐标:xc=(xi mi)m，yc=(yi mi)m，(1)式中:xi、yi为环节重心坐标;mi为环节质量;m 为人体总质量为更好地拟合人体站立过程中的重心轨迹，以一名 175 cm、质量 70 kg 的成年男性为例，查阅相关资料8-10，提取各部位人体参数，见表 1以 NUZIK S 等11 归纳的人体站立阶段各关节与水平正方向夹角 为参考依据，由式(1)得到人体站立过程重心坐标轨迹，见图 2，其中，虚线代表人体正常站立过程中的重心坐标轨迹，实线代表躯干始终处于平行移动状态下的人体站立重心坐标轨迹将躯干简化为质量分布均匀的模型，以人体站立过程中重心坐标轨迹作为躯干运动轨迹555第 4 期陆玥，等:辅助站立装置结构设计及试验表 1人体参数Tab1Parameter of human body人体部位尺寸/mm重心位置比环节质量比小腿3960410107大腿4960420200躯干(含以上部位)8580520657将图 2 人体站立过程重心坐标轨迹转化为图 3 人体站立过程肩关节运动轨迹由图 3 a 可见:正常人体站立过程中，在离开座椅前，人体以髋关节为旋转点顺时针旋转躯干使其接近大腿位置，从而使人体重心在水平方向上向脚的位置移动;臀部离开座椅后，通过下肢伸展，人体重心在竖直方向上移动到站立状态下的重心位置，即在正常人体自然站立过程中需要上半身前屈，以保持站立过程中的重心稳定图 3 b为通过托举腋下，保证躯干始终处于平动状态的辅助人体站立过程在此状态下，由于腋下有支撑，站立过程中不需考虑上半身前倾以保持重心稳定的问题为便于结构设计，将图 2 辅助站立状态下的躯干运动轨迹简化为图 3 b 的辅助站立状态下的肩关节运动轨迹，并以此作为后续结构设计时的理论依据图 2人体站立过程重心轨迹Fig2Gravity trajectory of standing processof the human body图 3人体站立过程运动轨迹Fig3Particle trajectory of standing processof the human body图 4辅助站立装置总体方案Fig4Overall program of assisted standing device2辅助站立装置结构设计在设计辅助站立装置时，可通过上肢辅助协调身体姿态、下肢自主站立的方式，最大限度地接近正常人体站立状态，满足辅助由坐到站及逆过程的全部动作需求以坐姿并将双脚置于基座上为初始状态，通过举升电机驱动举升单元托起人体完成辅助站立;通过电机反转，反向驱动举升单元完成辅助坐下过程考虑到移动需要，在完成辅助站立后可由行走电机带动装置移动为保障使用安全，通过在人体胸部安装固定带来缓解移动过程中出现的站立不稳情况本文设计的辅助站立装置主要由助行移动单元和举升单元两部分组成，总体方案见图 421举升单元基于辅助站立的肩关节运动轨迹，确定装置中齿条与导杆的基本结构，设计双导杆齿轮、齿条爬坡式举升结构，见图 5举升单元由导杆、举升电机、滑套、齿轮、齿条、托板、托架和减速器组成参考中国成年人人体尺寸标准(GB/T 100001988)，成年人坐在床边与站立地面时，腋下到地面的高度为 8001 250 mm，故装置中的举升托架极限行程设计为 7901 300 mm举升单元功能包括辅助站立和辅助坐下在辅助站立过程中，托架位于导杆最底端，使用者将脚放于基座踏板上，托架置于腋下，启动举升电机，通过减速器带动齿轮旋转，齿轮与齿条啮合产生直线驱动力，655北华大学学报(自然科学版)第 24 卷图 5举升单元结构Fig5Structure of lifting unit通过滑套沿导杆向上移动，带动使用者由坐姿变为站姿，完成辅助站立;辅助坐下过程与上述相反考虑到使用的安全性，举升单元中的减速器带有自锁功能，以防止失电造成意外滑落22助行移动单元目前，大部分辅助装置的助行功能过于智能化，忽略了助行装置本身驾驶的舒适性和简易性为此，以操作便捷性为目标，设计了以驱动开关控制的助行移动单元助行单元由驱动轮、万向轮、行走电机、基座、踏板、计程轮、编码器和拉簧组成通过行走电机带动驱动轮旋转实现行走，每个驱动轮通过独立的行走电机驱动，利用差速原理，