机械设计大赛说明书：可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架.docx

一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架参赛单位：机电工程学院团队成员：吴佳琪 杨楠 柳相龙杨迁韩知轩目录作品简介 . - 1 -1 设计背景及意义 . - 2 -2 一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架设计方案 - 3 -2.1 腿部运动拟合设计 - 3 -2.1.1 运动机构设计 - 3 -2.1.2 适配性设计 - 4 -2.1.3 无极调速与压力传感器控制 - 4 -2.1.4 动态拟合设计 - 4 -2.2 磁吸式固定装置设计 - 5 -2.3 可变机架设计 - 6 -2.4 电动伸缩座椅设计 - 9 -2.5 可调节式加热护腰 - 9 -2.6 腰部安全气囊装置 - 10 -2.7 用户体感设计 - 10 -2.7.1 轻量设计 - 10 -2.7.2 人体工学设计 - 11 -2.7.3 假肢和康复功能 - 11 -2.7.4 5G技术的应用 - 11 - 12 -3 一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架设计计算3.1 腿部四杆机构的尺寸设计计算 - 12 -3.2 腿部四杆机构的受力校核计算 - 13 -3.3 腿部四杆机构的多变运动计算 - 15 -4 发展前景 . - 16 -5 模型展示 . - 17 -6 参考文献 . - 18 -作品简介摘要： 装置整体主要由镁合金与树脂材料制成。装置轻便，穿戴简易，舒适度与贴合度高。 装置结构相对简单，我们设计的“一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架”（以下 简称“设计”）的主要运动机构采用了简单的四杆机构，分别代表腰、大腿、小腿及连接杆， 整套机构可模拟出人体腿部的运动状态，且一套机构只需要一个原动机便可进行驱动，同时 可调节杆长度来适配使用者。该“设计”的腿部运动部分通过涡轮蜗杆电机中的编码器检测步行速度，结合腿部上的 多个压力传感器推算腿的运动状态，再用蓝牙进行通信将控制系统构成闭环系统，来实现对 双腿运动状态的精准控制，并通过涡轮蜗杆电机进行有效的运动补偿或运动削弱。且该“设计”除了实现行走的运动外还可完成上下楼和坐立躺等运动，在方便生活的同 时还可带动腿部肌肉运动，防止腿部肌肉进一步退化。并且老年人可以独自使用，且不受场 所限制，在运动过程中还可按摩患者腿部肌肉，达到促进血液循环的目的。与之配合使用的有一套磁吸式固定装置，固定在、马桶、沙发等特定位置，并且可调节 位置以适应用户使用习惯，在通电状态下可吸附该“设计”的小腿部位，将其变为固定机架， 以此改变装置的运动状态，来实现坐立躺、上厕所、上床、洗澡等运动。同时为了老年人在外累的时候可随时休息设计了电动座椅，安放在大腿部，电动控制， 平时收起平行于大腿，展开时可通过死点设计保持稳定性。本“设计”的护腰采用三片拼接设计，方便调节，且内部设有腰部加热垫片，可保暖防 寒，并且在腰部有穿戴式安全气囊，当陀螺仪检测到瞬时的异常角度和位置变化时判断老人 出现意外有摔倒倾向，腰部安全气囊及时自动弹开，保护老年人在跌倒时受到重创。同时，该“设计”也可作为一种腿部康复机器人训练机器人，并且在该“设计”的外形 上进行改进后也可作为假肢机器人。关键词： 助老 智能 闭环系统 无极调速 可调机架1 设计背景及意义随着人年龄的不断增长，当度过了壮年期步入老年期时，老年人各方面的健康指数都会 处于下降的状态之中，而腿部酸软无力就是其中一个严重的问题，腿部酸软无力会对老年人 的生活起居产生极大影响，比如：无法正常坐立、上下床、如厕、洗浴、行走等。而现有的轮椅设计， 更多的是帮助老年人进行位置的移动， 无法解决上述的大多数问题， 在活动范围和运动方式上有一定的局限性，并且老年人如果长期使用轮椅出行，由于身体不 能伸展会影响到血液流通，造成腿部发凉甚至浮肿，同时会压迫腰椎造成更大的损害。而拐杖的用途过小，依然需要耗费使用者大量的体力和工作。而楼梯间的电梯或扶手等装置，造价贵，局限性强，只适用于楼梯间的上下，且扶手只 起到防止摔倒的用途，不能极大方便老年人上下楼。同时，现在市面上大多步行辅助设备由国外企业设计生产，售价高昂。为了让更多的人 体验到外骨骼的便捷性和改善生活的可操作性，我们设计了“一种可穿戴式辅助老年人“行 坐立躺”支架 ”（以下简称“设计”），其结构简单、使用方便，并且将智能控制与机械装 置相结合，实现健康护理与方便生活的双重作用，使操作简便性和使用安全性更高。它采用简单的杆机构设计，模拟出人体腿部行走的运动状态，并可进行长度上的调节来 适配使用者。整体运动和控制通过蓝牙进行通信形成闭环系统。并且通过磁吸式固定装置， 可实现固定小腿机架，实现坐立、上厕所、上床等简单运动，以及电动座椅的设计使得老年 人在自主出行时可随时随地的休息。并且本“设计”的护腰采用三片拼接设计，方便调节， 且内部设有腰部加热垫片，可保暖防寒，并且在腰部有穿戴式安全气囊，当老人出现摔倒倾 向时，腰部安全气囊会及时自动弹开，保护老年人在跌倒时受到重创。对于该“设计”，我们将运用 5G技术，将使用者的心电、血压、血氧、呼吸等健康信息 和速度、加速度、姿态等运动信息实时回传。在老人发生意外前可提前预警。同时运用“北 斗”进行高精度定位，实现数字医疗。通过运用更多的可获数据，引导医疗体系从侧重治疗 转向侧重预防，或称之为从“疾病护理”转向真正的“健康护理”。同时，该“设计”除了助老作用外，还可以作为腿部康复机器人和假肢机器人，一机三 用。2 一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架设计方案2.1 腿部运动拟合设计2.1.1 运动机构设计 通过对人体腿部的运动分析，提取出了人在行走时腿部在自然状态下的近似运动规律，并设计了如图 1 所示的杆机构，使得在运动的过程中，可以保证腿部外骨骼在自然状态下的 运动状态与正常人腿的运动状态相似。图12.1.2 适配性设计同时可通过改变连接杆在图 2 所示的位置来调节腿部关节的长度，以适应不同使用者的 自身情况图22.1.3 无极调速与压力传感器控制腿部运动部分通过涡轮蜗杆电机中的编码器检测步行速度，结合腿部上的多个压力传感 器推算腿的运动状态，再用蓝牙进行通信将控制系统构成闭环系统，来实现对双腿运动状态 的精准控制，并通过涡轮蜗杆电机进行有效的运动补偿或运动削弱，使速度变化平缓，在使 用时更加稳定和安全。2.1.4 动态拟合设计如图 3 所示，通过控制滑块在直线滑轨上的位置来改变四杆机构其中一个铰链的位置， 可实现行走和上下楼的行为转换，如图 3 是行走和上楼时的步态对比，行走时，小腿向前倾 且腿部高度较低，与正常行走步态相近；上楼时，小腿略向内弯曲，且抬腿高度较高、步长 较短，与正常上楼步态相近。同时，在滑块未锁死的状态下，人体腿部的不同运动可带动滑块位置的移动，从而实现在佩戴整套装置时不会影响人体的正常细节运动图32.2 磁吸式固定装置设计为了满足老人在坐立、上厕所、上下床等位置需要固定的需求，我们设计了磁吸式固定 装置，内部含有 nfc 装置，同时也为外骨骼底部安装了贴片与 nfc 装置，如图 4所示。当老人在坐立、上厕所、上下床时，外骨骼靠近支架，电磁铁自动启动。支架与外骨骼 紧密吸附，可以防止其意外跌倒。同时，为了适应不同环境对固定位置的不同需求，可以自 由调节支架的位置，从而实现在不同位置实现不同角度定位，更加方便使用。图42.3 可变机架设计 由于本装置可实现行走、坐立、如厕、上床、洗澡等运动，经过分析可知。 行走时，腰部可看作固定机架，通过大腿根部的电机驱动腿部运动，实现第一种运动轨 迹，如图 5 所示。坐下与如厕时，将小腿吸附在上述磁吸式固定装置上，此时小腿可看作固定机架，通过 大腿根部的电机驱动腿部运动，实现第二种运动轨迹，如图 6 所示；起立时，运动轨迹方向 相反。上床时，在坐床时与坐下相同，之后在收小腿时，大腿可看作固定机架，通过大腿根部 的电机驱动腿部运动，实现第三种运动轨迹，如图 7 所示；起床时，实施步骤与运动轨迹方 向相反。图5图6图72.4 电动伸缩座椅设计为了方便老年人在出行时能随时随地的坐下休息，设计了电动伸缩座椅，利用电动推杆 伸缩的的原理和结构，来实现整个电动伸缩座椅在平时处于收于腿部与大腿平齐的状态，而 在使用时，通过电动推杆的运动使整个电动伸缩展开，直至死点位置。如图 8 所示，为电动伸缩座椅的结构与电动伸缩座椅展开时的状态图82.5 可调节式加热护腰如图 9 所示，护腰材料为树脂材料，整体采用三片拼接式设计，方便调节，且内部设有 腰部加热垫片，可保暖防寒。图92.6 腰部安全气囊装置如图 10 所示，在“一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架”的腰部设计有穿戴式安 全气囊，当陀螺仪检测到瞬时的异常角度和位置变化时判断老人出现意外有摔倒倾向，腰部 安全气囊及时自动弹开，保护老年人在跌倒时受到重创。图 102.7 用户体感设计2.7.1 轻量设计装置整体主要由镁合金与树脂材料制成。装置轻便，穿戴简易，舒适度与贴合度高。且 装置结构相对简单主要运动机构采用了简单的四杆机构，且一套机构只需要一个原动机便可 进行驱动，将能量传递损失减小到最低，使得使用更加的独立与方便。2.7.2 人体工学设计 为了尽量减轻使用设备所带来的疲劳，我们根据人的生理状况，疲劳测定等来定义外骨 骼设备的外形曲线， 使身体和精神不需要任何主动适应。 我们主要采用柔性材料替代的方法， 或覆以柔性材质，通过反复研究、打样、测试、调整，使其达到最贴合人体的状态。且支持 角度与长度自主调节，使其真正适合每一位老年人用户。2.7.3 假肢和康复功能 同时，该“设计”也可作为一种腿部康复机器人训练机器人，并且在该“设计”的外形 上进行改进后也可作为假肢机器人。2.7.4 5G 技术的应用 对于该“设计”，我们将运用 5G技术，将使用者的心电、血压、血氧、呼吸等健康信息和速度、加速度、姿态等运动信息实时回传。在老人发生意外前可提前预警。同时运用“北 斗”进行高精度定位，实现数字医疗。通过运用更多的可获数据，引导医疗体系从侧重治疗 转向侧重预防，或称之为从“疾病护理”转向真正的“健康护理”。3 一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架设计计算3.1 腿部四杆机构的尺寸设计计算将一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架的腿部简化为如图 12 所示的机构示意图，图中的机构由 6 个构件组成，其中可将构件 6（腰）当做固定构件图 11 腿部简化机构示意图如图所示，该机构共有6 个构件，其中，当机构运动时，构件6（腰）为固定机架，根据自由度的计算公式：F =3n-2PL 2PHF=3×5-7×2-0=1=原动件个数因此该机构有确定的运动。以给定标准进行计算，其中图中构件 1（小腿）为 390mm，构件 2（大腿）为 480mm。当 机构给定某一特殊位置时进行计算， 在如图所述位置时，给定 A=115°， D=111°AB=140m，m AC=210m。m则根据：BCACABsin Asin ABCsin ACB可得： ACB=ECD 26.4 °则根据：ED CDsin ECD sin CED可得： ED=175.1cm3.2 腿部四杆机构的受力校核计算当机构运动到如图所示 D=90°时，此时为坐立状态，也是整个机构受力最大的状态， 此状态下主要承受人体重量的是机构 2（大腿）的 A、 C、 D 点处，其中 AD的长度为 480mm， AC=210，CD=270m，m机构 2（大腿）的厚度 t=2.5cm ，连接构件 1与构件 2的轴销，连接构件 2 与构件 3 的轴销，连接构件 2 与构件 3 的轴销的直径均为 d=1.8cm。假设用户体重为 G=90kg时，因为有两支大腿外骨骼， 则单个轴销所受剪力和挤压力分别 为：Fs 1/3 G/2 g 0.5 1/3 90/2 9.8 0.5 74NFbs F 1/3 90/2 9.8 148N轴销的剪切面积和挤压面积分别为：Asd243.14 1.8242.54 cm2Abs td 2.5 1.8 4.5cm2FsAs74 100000.29 Mpa2.54Fbs bsAbs148 100000.33Mpa4.5轴销材料为 20钢， 30Mpa ， bs 50Mpa ，由计算可知，该材料满足设计 要求。图 12 腿部受力示意图3.3 腿部四杆机构的多变运动计算机构为了适应更多穿戴者的不同骨骼体质情况，将杆的长度设置成了可以调节，如 图16（a）、（ b）所示，可以通过对杆 1上A点、杆 2上 B点进行调节，调节格度为 5格， 每格调节额度为 3cm。如图，虽然杆 AB或杆 AD的长度发生了变化，但可以通过改变 E 点铰链的位置可以保证 整个机构的每个角度依然可以保持不变、运动状态不变。图 16（ a） 调节 A图 16（b） 调节 E5 发展前景随着人年龄的不断增长， 当度过了壮年期步入老年期时， 身体的各项机能逐渐出现问题， 老年人各方面的健康指数都会处于下降的状态之中，而腿部酸软无力就是其中一个严重的问 题。腿部酸软无力会对老年人的生活起居产生极大影响，比如：无法正常坐立、上下床、如 厕、洗浴、行走等。而现有的轮椅设计， 更多的是帮助老年人进行位置的移动， 无法解决上述的大多数问题， 在活动范围和运动方式上有一定的局限性，并且老年人如果长期使用轮椅出行，由于身体不 能伸展会影响到血液流通，造成腿部发凉甚至浮肿，同时会压迫腰椎造成更大的损害。同时由于其他外骨骼产品价格高昂，或者被外资企业垄断，导致许多行动不便的老人只 能独自忍受痛苦。老人行动不便成为我国面临的一大难题，而我们设计的“一种可穿戴式辅 助老年人“行坐立躺”支架”能很好地将这些问题解决。除此之外，该“设计”也可作为一种腿部康复机器人训练机器人，并且在该“设计”的 外形上进行改进后也可作为假肢机器人，适合大批量投入生产！并且对于该“设计”，后期我们将运用 5G技术，将使用者的心电、血压、血氧、呼吸等 健康信息和速度、加速度、姿态等运动信息实时回传。在老人发生意外前可提前预警。同时 运用“北斗”进行高精度定位，实现数字医疗。通过运用更多的可获数据，引导医疗体系从 侧重治疗转向侧重预防，或称之为从“疾病护理”转向真正的“健康护理”。将更多的健康 信息回传，对发展数字医疗具有积极作用。“一种可穿戴式辅助老年人“行坐立躺”支架”的设计对于解决我国城市发展过程中面 临的人口老龄化问题有重要作用，对于推动“中国制造 2025”，具有现实的社会意义和良好 的发展前景。6 模型展示8 参考文献1 Hiiragi Yukinobu. 站立动作时大腿和小腿的相关运动 A. 中国康复研究中心 .第六届北京 国际康复论坛主论坛论文集 C.中国康复研究中心 : 中国康复理论与实践 编辑部,2011:2.2 孙超,常健康 ,张仁祥 ,余洲.身体活动与久坐行为 J.当代体育科技 ,2019,9(06):14+256.3 李振威 . 双足机器人腿部结构设计 J.现代制造技术与装备 ,2018(10):36-39.4 陈成杭 . 碳纤维镁合金层板制备及抗低速冲击性能研究 D. 大连理工大学 ,2018.5 蒋雅丽.5 G如何赋能医疗 ?J.通信世界,2018(28):22.6 .5G 让患者对医疗服务有更大的控制权 J.中国医学计算机成像杂志 ,2018,24(05):445.