摘要 助步轮椅是一种可重构机构在助残工具中的应用。设计了一种集轮椅与行走功能于一体的助步轮椅,依靠人体上肢功能完好的力量,可实现路面上为轮椅形态的行进;依靠人体上肢功能完好的力量与楼梯扶手的协助,可实现上下楼梯的动作。解决了轮椅状态下的双摇杆机构与传动的设计、变换为行走状态下的双腿上下楼梯的参数计算问题。
0 引言
肢体残疾的人很多,而且由于自然灾害、疾病与交通事故的原因,人数正逐年增加,目前,中国下肢残疾的人已经超过900万[1]。下肢残疾大大限制了他们的活动空间,降低了生活自理能力,并且会产生心理上的问题。轮椅为下肢几乎完全残疾的人在平坦的地面上自由活动与部分自理创造了条件。康复医学与康复器械都致力于帮助下肢残疾的人康复与行走[2-8],文献[9]研究了可直立行走的电动助步轮椅的步态规划,文献[10]对智能轮椅的研究现状和发展趋势作了综述。然而,可直立行走的助步轮椅的机构设计问题仍然没有得到良好地解决,为此,我们利用可重构机构的思想,结合绳索的单向约束特性,对坐位形态下的轮椅机构进行了设计,对行走状态下的双腿上下楼梯的参数进行了设计计算,以便为可直立行走的助步轮椅的商品化提供可行的机构与参数计算方法。
1 可直立行走助步轮椅的结构与功能
可直立行走的助步轮椅适用于上肢功能完好或基本完好、下肢功能不完全丧失但不能独立行走的个体。它具有坐位形态、直立形态与助行功能。它优越于普通轮椅的地方在于它可以实现直立与助行;它优越于双拐杖助残的地方在于它可以将双手解放出来以便料理家务或照顾自己。
在坐态时,如图1所示,它与普通轮椅的功能几乎完全相同,除了链传动在一侧之外,其余的结构左右对称;座位为左右两瓣结构,一瓣与左侧上架后端铰联,另一瓣与右侧上架后端铰联,两瓣之间不再连接,两条大腿分别与两瓣以扁带扣连,以便为直立行走时创造
几何条件;前面两个轮子独立支撑,后面两个轮子为同轴结构,以便为坐态时行走与转向创造条件。在直立形态,具有协助行走、上下楼梯的功能。上楼的机构简图如图2所示,下楼的机构简图如图3所示。前面两个轮子、后面两个轮子之间的轮距都为480mm。前下方左右各有一个两节的脚踏,脚踏相对于水平面的倾角α=5°,脚踏离地的最小距离为5mm。该种设计一是为轮椅形态时放置双脚与向前行进时顺利越过低矮的障碍物,二是为直立形态时行走使用(脚被扁带扣连在脚踏上)。两节脚踏比一节脚踏更适宜脚迈步的需要,两节脚踏之间为转动副,后一节脚踏与前架组成转动副,两节脚踏均通过钢丝绳与前架连接以达到行走时脚踏(脚)可相对于前架(小腿)摆动的目的。在进入直立形态的过程中,人体在每个脚踏上的重力一旦超过预设的弹性力(20kg),脚踏着地,为行走创造条件。前架为两节套装结构,可以轴向伸缩5mm,通过约束弹簧与重力实现5mm的伸缩量,两节之间可以作相对转动,以便通过前架下段的转向手把(左右各1个)相对于上段的转动而实现转向。前架与上架组成转动副,该转动副处(膝关节)设置一个驱动手轮,通过链条驱动后轮实现前后运动。当需要站立时,上身先向前倾斜,使重心前移,再用双手对膝关节处的杆件施加向下的主动推力,借助髋关节与膝关节残存力量的辅助,使轮椅抬起、自动收拢并与人一起达到站立状态。站立时,人体的部分自重由站立状态的轮椅支(小腿约束在前架上,大腿约束在上架上,双手握住左右的行走用手把),通过上肢与上架、前架的配合,实现行走或再借助楼梯扶手的协助实现上下楼梯。
由于坐态轮椅的结构关于人体左右对称,所以仅取人体右侧的结构作为分析对象。在图1中,在人体重力G的作用下,右侧前后轮子上的支反力FR1、FR2使钢丝绳OE处于拉力状态,拉力状态下的钢丝绳OE可视为“刚性杆”,当取右侧前架CE为“机架”时,刚性杆OB1、B1C、CE与拉力钢丝绳EO组成双摇杆机构,此时该机构的相对自由度F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1。该自由度为轮椅的几何重构创造了条件,但是它同样无法确保坐态轮椅的形态惟一,为此,设置拉力钢丝绳A1C,以便阻止杆B1C相对于B1点作逆时针转动(虽然链条具有此约束功能,但是不期望链条处于过大的拉力状态);又设置拉力钢丝绳B1D,以便阻止杆B1C相对于C点作顺时针转动,这样,沿钢丝绳A1C、B1D伸长方向的相对自由度F=3n-2PL-PH=3×5-2×8-0=-1,因而,坐态轮椅的形态得以确定。钢丝绳B1D的D端为挂钩连接,当从坐态向直立形态变换时,先松开D端的挂钩再作形态变换;当从直立形态变换到坐态后,再挂上D端的挂钩。在从坐态变换到直立形态的过程中,如图2所示,因轮椅重力的作用而使A1、C之间的长度逐渐缩短,钢丝绳A1C对变位过程不起约束作用;O、C之间的长度逐渐缩短,链条对变位过程也不起约束作用;O点的轨迹落在以E为圆心、OE为半径的圆弧内,钢丝绳OE对变位过程同样不起约束,这也正是使用钢丝绳OE而不使用杆件OE的原因之一。使用钢丝绳OE而不使用刚性杆OE的另一个原因是,钢丝绳OE对行走或上下楼不起约束,若使用刚性杆,则双摇杆机构将妨碍行走或上下楼动作的实现。
2 拉力钢丝绳式双摇杆机构的设计
由于可直立行走的助步轮椅在行走时,转动副E、C分别对应人体的踝关节与膝关节,转动副B对应人体的髋关节,所以在刚性杆OB1、B1C、CE与钢丝绳EO组成的双摇杆机构中,B1C必须与对应人体的大腿长度接近、CE与对应人体的小腿长度接近,为此,取高度为1650mm的人群为设计对象[11],令B1C=L1=382mm、CE=L2= 408mm。取前轮的外径d1=140mm,以便踝关节与前轮的轴线接近在同一高度上;取后轮的外径d2=250mm,以便减少行驶阻力。在图1中,取CE关于垂线的夹角β=10°,首先是使前轮上的支反力FR1关于C点的力矩使钢丝绳OE总是处于拉力状态,其次是为坐态时膝关节处于比较舒适的100°角;取上架在坐态时B1点高于C点,B1C与水平线的夹角γ=5°,由于座位顶面被设计成水平的,所以座位的后部将比前部能创造出更高的包容空间。为了防止坐态时因后仰而产生后翻倒事故,取曲杆OB1的水平投影长度OB1x=0.45L1=0.45×382=172mm,在图1所示的坐标系中,曲杆OB1的垂直投影高度OB1y=0.5d1+L2cosβ+L1sinγ-0.5d2=0.5×140+408cos10°+382sin5°-0.5×250=380mm,为此,OB1的长度为
OE的水平投影长度OEx=OB1x+L1cosγ+L2sinβ=172+382cos5°+408sin10°=623mm、垂直投影高度OEy=(d1-d2)/2,为此,拉力钢丝绳OE=a的长度为
后架为整体结构,由左、右后架与后靠背环组成,取后靠背环的高度h1=0.8L1=0.8×382=305mm,向后伸展的长度b1=0.248L1=0.248×382=95mm。
3 单向约束钢丝绳式的设计
在图1中,取OA1的水平投影长度OA1x=0.9(OB1x)=0.9×172=155mm、垂直投影高度OA1y=0.4(OB1y)=0.4×380=152mm,C点的x坐标OCx=OB1x+L1cosγ=172+382cos5°=552mm、y坐标OCy=OB1y-L1sinγ=380-382sin5°=347mm,为此,单向约束钢丝绳A1C的长度为
取CD=0.65L2=0.65×408=265mm,为此,单向约束钢丝绳B1D的长度为
4 链传动的设计
在图1中,链传动的中心距aL=OC为
取链传动的传动比i=1.25,小链轮的齿数z1=24,大链轮的齿数z2=30,型号为06B的滚子链,节距p=9.525mm,小链轮的分度圆直径dL1=p/sin(180/z1)=9.525/sin(180/24)=72.974mm,大链轮的分度圆直径dL2=p/sin(180/z2)= 9.525/sin(180/30)=91.124mm,链节数Lp为
链节数设计为偶数,无需过渡节,方便安装。
5 上下楼梯的步态参数计算
在图2所示的上楼与图3所示的下楼中,取楼梯的参数L、h分别为L=275mm,h=170mm;步态参数计算假定左右髋关节的连线与前进方向垂直,取人体与轮椅的合重心G至髋关节B4的距离b2=125mm。
在上肢与楼梯护栏的共同辅助下,取左脚已迈上了一个楼梯,如图2所示,以正常人上下楼的步态为参照,取右前架(右小腿)直立、右上架(右大腿)向后倾斜γRS=10°,b3=OB1x,此时,左脚的步态受到钢丝绳OE长度a的约束,若O4、EL两点达到极限长度a,则几何极限约束为
令左前架(左小腿)的向后倾斜为βLS、左上架(左大腿)的向后倾斜为γLS,则上楼左脚落梯的几何方程分别为
消去式(3)、式(4)中的γLS,令k1、k2、k3分别为
于是,得关于βLS的三角方程及其解分别为
将以上参数代入式(1)得α=22°,代入式(2)得513<579,表明钢丝绳OE未达到直线状态,从而为迈出更大的步距留有余地;由式(4)、式(5),得βLS=1.735°、γLS=57.898°,由图2得左、右大腿之间的夹θS=γLSγRS=47.898°。由于重力G通过双踝关节作用于楼梯上,G关于ER的水平距离为b2-L1sinγRS=125-382sin10°=58.66mm,G落在ER、EL之间,为稳态上楼。
当下楼时,如图3所示,取左前架(左小腿)直立、左上架(左大腿)向后倾斜γLX=15°,此时,右前架(右小腿)的向后倾斜βRX、右上架(右消去式(8)、式(9)中的γRX,令n1、n2、n3分别为
大腿)的向后倾斜γRX的方程分别为
消去式(8)、式(9)中的γRX,令n1、n2、n3分别为
于是,得关于βRX的三角方程及其解分别为
由式(6)、式(7)得
将以上参数代入式(9)、式(10),得βRX=51.657°、γRX=22.125°,由图3得左、右大腿之间的夹角θX=γRX-γLX= 7.125°。G关于ER的水平距离为L2sinβRX-L1sinγRX+b2= 408sin51.657°- 382sin22.125°+125=301.127mm,它大于L,为此,为非稳态下楼,需要手抓住楼梯的斜栏以防跌倒(正常人下楼时,前脚的着力点在脚的前端,若取踝关节至脚前端的距离j=180mm,如图3所示,则301.127
6 结论
利用钢丝绳在拉力状态下等价于刚性构件、在压力状态下失去力约束的特性,设计出了形态可重构的可直立行走的助步轮椅,依靠人体上肢功能完好的力量,可作为轮椅在路面上行进,依靠人体上肢完好的力量与楼梯扶手的协助,可实现上下楼梯的动作。解决了轮椅状态的机构与传动的设计以及上下楼梯的步态参数计算,为助残工具的研发提供了理论基础。
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本文作者：王洪欣 杜树军 杨 旭
收稿日期:20090808
基金项目:江苏省大学生科研训练计划项目资助(11-01502)
作者简介:王洪欣(1958- ),男,江苏新沂人,博士,教授
