CN110721039A - 一种行走、起立辅助装置及其设计方法 - Google Patents

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CN110721039A CN201911209182.2A CN201911209182A CN110721039A CN 110721039 A CN110721039 A CN 110721039A CN 201911209182 A CN201911209182 A CN 201911209182A CN 110721039 A CN110721039 A CN 110721039A
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王德金
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Abstract

本发明涉及辅助机械领域，特别是一种行走、起立辅助装置及其设计方法。其包括可翻折座椅、伸缩架、支撑架、前后轮、动力装置、刹车装置六个部分。辅助起立时，动力装置受控制器控制，使伸缩架升高，可翻折座椅由于重力与伸缩架的支撑杆相切，并随之同步运动，使凳面高度及倾角改变，使用者借此助力，实现不费力的辅助站立功能；辅助行走时，使用者通过动力装置，调整伸缩架高度，使扶手高度与达到舒适高度，同时利用磁铁使翻折的座凳与靠背吸附，达到无障碍辅助行走功能。依据不同的需求，可通过公式更改设计参数，实现自主设计。本发明安全可靠、成本较低、可准确实现使用者对辅助行走、起立及坐立休息的需求，不失为一种有效的辅助器械。

Description

一种行走、起立辅助装置及其设计方法
技术领域
本产品涉及辅助机械领域，具体为一种行走、起立辅助装置及其设计方法。
技术背景
2020年我国老年人口比重超过17.8％，预计到2030年比例将达到24.6％。这标志着我国进入老龄化严重阶段，且呈现出基数大、增速快、高龄老人占比增多、老年人体质下降等特点。随着年龄增长，老人肌肉骨骼功能不断下降，导致跌倒频率显著上升。每年至少有2000万老年人发生2500万次跌倒,直接医疗费用在50亿元人民币以上,社会代价约160～180亿元人民币。跌倒已经成为了65周岁以上老年人首要死因。跌倒还会造成患者恐惧和焦虑及脑部损伤、软组织损伤、骨折、脱臼等并发症(赵寅,居家养老产品设计研究.大众文艺,2018(06):第 46-47页.张淑芳与曹巨江,基于人群特性分析的老年人室内健身器械设计研究,in第9届中国机构与机器科学应用国际会议(CCAMMS 2011)暨中国轻工机械协会科技研讨会2011:中国陕西西安.第3页.)，严重影响了老人的生活。
此外，很多老人虽然能够正常的行走，但缺乏站立能力，无法独立从座位上站起来(季磊,多姿势老人椅设计及研究,2014,浙江工业大学.第92页)。这类人群需要家人的帮扶照顾，给其家庭带来负担，也严重的影响了他们自身的身心发展。
专利号为201410288483.X的“一种助起助坐助行器”是利用电动推杆推动曲柄滑块机构，带动主架体升高，实现辅助起立。在该装置辅助起立过程中，老人的重力作用于其上，它会受一个向后的分力，使机构整体向后运动，存在严重安全隐患；且轮距太大，可使用场景少。专利号为201510417442.0的“老人辅助行走器”装置通过气压扶手给老人一个向上的力，实现辅助起立。但该装置辅助起立过程中，需要老人利用自身力量为气压扶手蓄力，不符合实际工况需求，老人难以完成，且无法满足坐立需求。专利号为US9180063B2的“systems and methods for assisted ambulation”是一框架结构，该装置给人手部提供支撑，辅助行走。在其辅助行走的过程中需要频繁提放该装置，给人手部带来不必要的负担。专利号为 201210080830.0的“起立动作辅助机器人”的装置是电推杆的一种应用，通过支撑部给老人向上的力实现辅助起立；在辅助起立时力作用于胸部或腹部，使人极不舒适。专利号为 CN201720726832.0的“一种集座行和助行于一体的装置”是在轮椅上增加可折叠座椅，行走时座椅折叠，扶手提供支撑，实现辅助行走，但其无法辅助老人起立。
总体而言，目前缺乏一款能够通过外力辅助使用者安全起立并方便行走的辅助装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种安全可靠的行走、起立辅助装置及其设计方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种行走、起立辅助装置及其设计方法，包括可翻折座椅、伸缩架、支撑架、前后轮、动力装置、刹车装置六个部分。
所述伸缩架包括短伸缩杆(16)、稳定轴(9)、后稳定轴(8)、长伸缩杆(17)、支撑腿(14)、伸缩架底部支撑杆(15)；所述支撑腿(14)、伸缩架底部支撑杆(15)、短伸缩杆(16)、长伸缩杆(17)之间通过销钉连接；所述稳定轴(9)固连于支撑腿(14)之间。
所述可翻折座椅包括凳面(4)、靠背(1)、扶手(2)、靠背侧板(19)、磁铁(25)、转轴(3)；所述短伸缩杆(16)上部及长伸缩杆(17)中部小孔中安装有支撑杆(27)；所述靠背(1)后侧和侧面分别固连有置物篮(26)和靠背侧板(19)；所述靠背侧板(19)中部开有小孔，与扶手(2)一端固定；所述扶手(2)另一端通过螺栓与伸缩架的短伸缩杆(16)上端小孔相连；所述凳面(4)前端及靠背(1)底面均安装有吊环螺栓(18)；所述吊环螺栓(18)套在转轴(3)中，保证所述凳面(4)、靠背(1)能够沿转轴(3)轴线转动；所述靠背(1)与凳面(4)中均装有磁铁(25)，方便座椅的折叠。
所述支撑架包括支撑板(13)及方管(7)；所述方管(7)与支撑板(13)通过焊接固连；所述支撑板(13)前端设有圆孔，中部设有通槽；所述后稳定轴(8)安装在支撑板(13)的通槽中。
所述动力装置包括电动推杆(5)、支撑座(6)、推头(23)、电池及控制器(28)；所述支撑座(6)侧面中部设有方孔，上部设有圆孔，利用销钉与所述电动推杆(5)配合；所述支撑座(6)的方孔与支撑架的方管(7)通过焊接固连；所述推头(23)侧面开有通孔，与所述伸缩架的支撑杆(27)相套；电动推杆(5)带动支撑杆(27)运动，支撑杆(27)再带动伸缩架运动，从而实现辅助起立的目的；所述电池及控制器(28)安装于方管(7)上。
所述前后轮包括大轮(10)和转向轮(11)；所述大轮(10)通过长销钉固定于支撑腿(14) 下端开设圆孔中；所述转向轮(11)顶部有螺栓，与其上方连接件(12)通过螺纹配合；所述连接件(12)与支撑板(13)通过螺栓螺母固连。
所述刹车装置包括舵机(20)、刹车片(22)、弹簧(21)、舵机摇臂(24)；所述支撑腿(14) 中部开有舵机孔及刹车片固定孔，用于安装舵机(20)及刹车片(22)；所述舵机(20)上装有舵机摇臂(24)；所述弹簧(21)一端与舵机摇臂(24)固连，另一端固连有刹车片(22)；舵机(20)、弹簧(21)、刹车片(22)、舵机摇臂(24)共同构成曲柄摇杆机构。
所述的一种行走、起立辅助及其设计方法的结构参数确定方法包括以下步骤：
步骤1:建立运动学模型：
所述运动学模型由可翻折座椅、伸缩架、支撑架、电动推杆四个部分组成；所述伸缩架与支撑架相结合，形成一个包括四杆机构及曲柄滑块机构的组合机构，其以电动推杆作为动力源；电动推杆的长度为自变量x；
步骤二：建立数学模型
所述运动学模型为单自由度机构，利用自变量x可得座凳高度h1及凳面倾角γ的表达式为： h1＝lKN+l1+lER+l2
Figure BDA0002297679460000031
其中：设长度为lDH,lHK,lCH,lCD,lGH,lHJ,lGJ,lHL,lLJ,lBG,lBC,lGC,lHG,lBD,lKN,lKD,lDE,lER,lEF,lKL
x＝305+time*7
Figure BDA0002297679460000041
Figure BDA0002297679460000042
Figure BDA0002297679460000044
Figure BDA0002297679460000045
lBC＝lBD-lCD
∠10＝∠1-∠9
∠11＝90-∠10-∠2
lKN＝lKDsin(∠11+∠BDK)
l1＝lDEsin∠11
lER＝lEFsin(90-∠10+∠BFE)
l2＝lKLsin(180-∠HKD-90+∠10-∠BFE)
根据工程需要，确定自变量x的值和
lDH,lHK,lCH,lCD,lGH,lHJ,lGJ,lHL,lLJ,lBG,lBC,lGC,lHG,lBD,lKN,lKD,lDE,lER,lEF,lKL,即可求解坐凳高度h1 和γ。
与现有技术相比，本发明提供了一种行走、起立辅助装置及其设计方法，具备以下有益效果：
1、该行走、起立辅助装置动力装置在控制器的控制下，使伸缩架升高，而凳面由于重力约束与支撑杆相切，随之同步运动，使凳面高度及倾角改变，使用者借此助力，能够实现不费力的辅助站立功能。
2、该行走、起立辅助装置在辅助行走时，使用者依据自身情况，调整通过动力装置调整伸缩架高度，使扶手高度与自身手肘高度相匹配，同时利用磁铁使翻折的座凳与靠背吸附，
达到无障碍辅助行走功能。
3、根据不同使用者个体需求与体型的不同，我们可以改变公式中一些杆的长度以及扶手的高度来达到适用面广泛的特点。
附图说明
图1为该装置的轴侧视图；
图2为该装置的左视图；
图3位该装置的后视图；
图4为刹车的局部放大图；
图5为图1中A的局部放大图；
图6为电动推杆的局部放大图；
图7为行走、起立辅助装置机构简图；
其中：1、靠背；2、扶手；3、转轴；4、凳面；5、电动推杆；6、支撑座；7、方管；8、后稳定轴；9、稳定轴；10、大轮；11、转向轮；12连接件；13、支撑板；14、支撑腿；15、伸缩架底部支撑杆；16短伸缩杆；17、长伸缩杆；18、吊环螺栓；19、靠背侧板；20、舵机； 21、弹簧；22、刹车片；23、推头；24、舵机摇臂；25、磁铁；26、置物篮；27、支撑杆； 28、电池及控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1-3具体描述了该装置的伸缩架。伸缩架位于支撑架上，包括支撑腿(14)、稳定轴(9)、伸缩架底部支撑杆(15)、短伸缩杆(16)、长伸缩杆(17)；稳定轴(9)贯穿于两侧伸缩架，并利用销钉锁定位置，使稳定轴(9)既作为支撑腿(14)连接销钉，又为伸缩架增添冗余约束，增强伸缩架的结构稳定性；方管(7)通过小孔焊接在伸缩架和支撑架上，用于连接和固定伸缩架和支撑架；后稳定轴(8)可沿支撑板(13)上的通槽滑动，保证了伸缩架的自由度。
图4具体描述了本发明实例的刹车装置。刹车装置位于支撑腿(14)上，包括舵机(20)、舵机摇臂(24)、刹车片(22)、弹簧(21)。支撑腿(14)下部还开有舵机孔及刹车片(22)固定孔，用于安装舵机(20)及刹车片(22)；舵机(20)上装有舵机摇臂(24)；弹簧(21) 一端与舵机摇臂(24)固连，另一端固连有刹车片(22)；舵机(20)、弹簧(21)、刹车片(22)、舵机摇臂(24)共同构成曲柄摇杆机构。锁定辅助起立时，舵机摇臂(24)利用弹簧(21) 带动刹车片(22)锁死大轮(10)，保证在辅助起立时机构不会与地面发生相对滑动，增强了可靠性。用弹簧(21)代替连杆，实现柔性连接，可以有效地保护舵机(20)。
图1、图5具体描述了本发明的可翻折座椅。可翻折座椅位于伸缩架上，包括凳面(4)、靠背(1)、扶手(2)、靠背侧板(19)、磁铁(25)；短伸缩架(16)和长伸缩杆(17)上端小孔中安装有支撑杆(27)；靠背(1)后侧和侧面分别固连有置物篮(26)和靠背侧板(19)；靠背侧板(19)中部开有小孔，与扶手(2)一端固定；扶手(2)另一端通过螺栓与短伸缩杆 (16)上端小孔相连；凳面(4)前端与靠背(1)底面均安装有吊环螺栓(18)和磁铁(25)，并将吊环螺栓(18)套入所述转轴(3)中，保证所述凳面(4)、靠背(1)能够沿转轴(3) 轴线转动；辅助行走时，坐凳向后翻折，并使磁铁(25)相互吸引，方便助力行走；扶手(2)、靠背(1)、伸缩架构成一个一边长度可变的三角形，保证结构稳定的同时，不会为伸缩架增加多余的约束。在辅助起立的同时，该三角形能使靠背后仰，不会和使用者发生剐蹭，避免了多余的阻碍。
图6具体描述了本发明的动力装置。动力装置包括电动推杆(5)、支撑座(6)、推头(23)、电池及控制器(28)，支撑座(6)侧面中部设有方孔，上部设有圆孔，利用销钉与电动推杆 (5)配合；支撑座(6)的方孔与支撑架的方管(7)配合，并通过焊接固定；推头(23) 侧面开有圆通孔，并与伸缩架的支撑杆(27)相套；电动推杆(5)带动支撑杆(27)运动，支撑杆(27)再带动伸缩架运动，从而实现辅助起立的目的。
如图1所示，前后轮分别位于支撑腿(14)和支撑板(13)下。包括大轮(10)和转向轮(11)。大轮(10)通过长销钉固定于支撑腿(14)下端圆孔中；转向轮(11)顶部有螺栓，与其上方连接件(12)通过螺纹配合；连接件(12)与支撑板(13)通过螺栓螺母固连；利用前后轮，可便捷推动该装置达到辅助行走的目的。
当辅助起立时，动力装置在控制器的控制下，使伸缩架升高，而凳面(4)由于重力约束与支撑杆(27)相切，随之同步运动，使凳面(4)高度及倾角改变，使用者借此助力，实现不费力的站立功能；当辅助行走时，使用者依据自身情况，调整电动推杆(5)推出距离，使扶手 (2)高度与自身手肘高度相匹配，同时利用磁铁(25)使翻折的凳面(4)与靠背(1)吸附，达到无障碍辅助行走功能。
图7具体描述了行走、起立辅助装置机构简化图。基于此，可分为两个步骤对装置进行描述：步骤1:建立运动学模型：
所述运动学模型由可翻折座椅、伸缩架、支撑架、电动推杆四个部分组成；所述伸缩架与支撑架相结合，形成一个包括四杆机构及曲柄滑块机构的组合机构，其以电动推杆作为动力源；电动推杆的长度为自变量x；
步骤二：建立数学模型
所述运动学模型为单自由度机构，利用自变量x可得座凳高度h1及凳面倾角γ的表达式为： h1＝lKN+l1+lER+l2
Figure BDA0002297679460000071
其中：设伸缩架长度为lDH,lHK,lCH,lCD,lGH,lHJ,lGJ,lHL,lLJ,lBG,lBC,lGC,lHG,lBD,lKN,lKD,lDE,lER,lEF,lKL x＝305+time*7
Figure BDA0002297679460000072
Figure BDA0002297679460000081
Figure BDA0002297679460000083
lBC＝lBD-lCD
∠10＝∠1-∠9
∠11＝90-∠10-∠2
lKN＝lKDsin(∠11+∠BDK)
l1＝lDEsin∠11
lER＝lEFsin(90-∠10+∠BFE)
l2＝lKLsin(180-∠HKD-90+∠10-∠BFE)
根据工程需要，确定自变量x的值和
lDH,lHK,lCH,lCD,lGH,lHJ,lGJ,lHL,lLJ,lBG,lBC,lGC,lHG,lBD,lKN,lKD,lDE,lER,lEF,lKL,即可求解坐凳高度h1 和γ。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种行走、起立辅助装置及其设计方法，包括可翻折座椅、伸缩架、支撑架、前后轮、动力装置、刹车装置六个部分。
2.根据权利要求1所述的一种行走、起立辅助装置及其设计方法，其特征在于：所述伸缩架包括短伸缩杆(16)、稳定轴(9)、后稳定轴(8)、长伸缩杆(17)、支撑腿(14)、伸缩架底部支撑杆(15)；所述支撑腿(14)、伸缩架底部支撑杆(15)、短伸缩杆(16)、长伸缩杆(17)之间通过销钉连接；所述稳定轴(9)固连于支撑腿(14)之间。
3.根据权利要求1所述的一种行走、起立辅助装置及其设计方法，其特征在于：所述可翻折座椅包括凳面(4)、靠背(1)、扶手(2)、靠背侧板(19)、磁铁(25)、转轴(3)；所述短伸缩杆(16)上部及长伸缩杆(17)中部小孔中安装有支撑杆(27)；所述靠背(1)后侧和侧面分别固连有置物篮(26)和靠背侧板(19)；所述靠背侧板(19)中部开有小孔，与扶手(2)一端固定；所述扶手(2)另一端通过螺栓与伸缩架的短伸缩杆(16)上端小孔相连；所述凳面(4)前端及靠背(1)底面均安装有吊环螺栓(18)；所述吊环螺栓(18)套在转轴(3)中，保证所述凳面(4)、靠背(1)能够沿转轴(3)轴线转动；所述靠背(1)与凳面(4)中均装有磁铁(25)，方便座椅的折叠。
4.根据权利要求1所述的一种行走、起立辅助装置及其设计方法，其特征在于：所述支撑架包括支撑板(13)及方管(7)；所述方管(7)与支撑板(13)通过焊接固连；所述支撑板(13)前端设有圆孔，中部设有通槽；所述后稳定轴(8)安装在支撑板(13)的通槽中。
5.根据权利要求1所述的一种行走、起立辅助装置及其设计方法，其特征在于：所述动力装置包括电动推杆(5)、支撑座(6)、推头(23)、电池及控制器(28)；所述支撑座(6)侧面中部设有方孔，上部设有圆孔，利用销钉与所述电动推杆(5)配合；所述支撑座(6)的方孔与支撑架的方管(7)通过焊接固连；所述推头(23)侧面开有通孔，与所述伸缩架的支撑杆(27)相套；电动推杆(5)带动支撑杆(27)运动，支撑杆(27)再带动伸缩架运动，从而实现辅助起立的目的；所述电池及控制器(28)安装于方管(7)上。
6.根据权利要求1所述的一种行走、起立辅助装置及其设计方法，其特征在于：所述前后轮包括大轮(10)和转向轮(11)；所述大轮(10)通过长销钉固定于支撑腿(14)下端开设圆孔中；所述转向轮(11)顶部有螺栓，与其上方连接件(12)通过螺纹配合；所述连接件(12)与支撑板(13)通过螺栓螺母固连。
7.根据权利要求1所述的一种行走、起立辅助装置及其设计方法，其特征在于：所述刹车装置包括舵机(20)、刹车片(22)、弹簧(21)、舵机摇臂(24)；所述支撑腿(14)中部开有舵机孔及刹车片固定孔，用于安装舵机(20)及刹车片(22)；所述舵机(20)上装有舵机摇臂(24)；所述弹簧(21)一端与舵机摇臂(24)固连，另一端固连有刹车片(22)；舵机(20)、弹簧(21)、刹车片(22)、舵机摇臂(24)共同构成曲柄摇杆机构。
8.根据权利要求1所述的一种行走、起立辅助装置及其设计方法，其特征在于：其结构参数确定方法包括以下步骤：
步骤一：建立运动学模型：
所述运动学模型由可翻折座椅、伸缩架、支撑架、电动推杆四个部分简化组成；所述伸缩架与支撑架相结合，形成一个包括四杆机构及曲柄滑块机构的组合机构，其以电动推杆作为动力源；电动推杆的长度为自变量x；
步骤二：建立数学模型：
所述运动学模型为单自由度机构，利用自变量x可得座凳高度h1及凳面倾角γ的表达式为：
h1＝lKN+l1+lER+l2
其中：设伸缩架长度为lDH,lHK,lCH,lCD,lGH,lHJ,lGJ,lHL,lLJ,lBG,lBC,lGC,lHG,lBD,lKN,lKD,lDE,lER,lEF,lKL
x＝305+time*7
Figure FDA0002297679450000031
Figure FDA0002297679450000032
Figure FDA0002297679450000033
Figure FDA0002297679450000034
Figure FDA0002297679450000035
lBC＝lBD-lCD
∠10＝∠1-∠9
∠11＝90-∠10-∠2
lKN＝lKD sin(∠11+∠BDK)
l1＝lDE sin∠11
lER＝lEF sin(90-∠10+∠BFE)
l2＝lKL sin(180-∠HKD-90+∠10-∠BFE)
根据工程需要，确定自变量x的值和
lDH,lHK,lCH,lCD,lGH,lHJ,lGJ,lHL,lLJ,lBG,lBC,lGC,lHG,lBD,lKN,lKD,lDE,lER,lEF,lKL,即可求解坐凳高度h1和γ。
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