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基于变胞机构原理的老年自助车研究与设计 摘要 近年来，随着我国社会人口老龄化趋势逐渐加快，老年人的数量和所占 比例迅速增加。而老年人随着年龄的增长，身体机能逐渐退化，体力衰减， 特别是下肢行动能力不足，只能在很短的距离内缓慢行走，最后甚至连日常 的起立动作都比较吃力，这给社会养老机构和自己的家庭都带来了沉重的负 担。针对这一现象，需要为老年人这个庞大的弱势群体研发一种能帮助他们 起立并短途代步的交通工具。这种工具，不但可以满足老年人日常生活及参 与社会活动的需要，并且具有一定的市场潜力。 本课题基于变胞机构原理，充分运用变胞机构在运动过程中构态变换以 及自动组合等特性，使其在多个不同的工作阶段，呈现出不同机构类型和运 动性能，重点实现辅助老年人起立的功能。通过综合设计老年自助车的结构， 将变胞机构和车体结构结合起来，最终设计出了一款基于变胞机构原理的老 年自助车，实现了既能帮助老年人起立，又能短途代步的功能。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析问题现状，明确需求，建立老年自助车整车的设计方案。根 据老年人起立和步行运动中存在的问题，拟出课题的设计目标，并作出可行 性分析；明确自助车的功能需求，将设计目标的重点放在实现辅助老年人起 立的功能，并对辅助起立运动进行功能分解；结合自助车短途代步的使用需 求，以及分解后的辅助起立功能，对应各个分解功能设计相应的机械装置实 现方案，并整合得出整车的设计方案。 ( 2 ) 基于变胞机构原理，对老年自助车的座椅进行原理设计、拓扑图 分析、以及自由度分析。根据人体起立的运动过程，以及分解后的功能需求， 分别设计升降装置、座位翻转装置、靠背调整装置、具有延时控制功能的变 胞构件，并对自助椅工作过程中的各个阶段进行拓扑图分析和自由度分析。 ( 3 ) 按照自助车的驾驶要求，对自助车的车体部分进行设计。综合座 椅的尺寸，人体驾驶和活动的空间，设计车架载面的基本结构和尺寸；依照 自助车的行驶距离和速度要求，设计车体的轮系结构和传动方式；根据行驶 和转向需求，设计自助车的转向机构；为实现单独使用座椅的目标，设计座 椅和车架载面的可拆卸连接结构。 ( 4 ) 建立自助车整车的三维模型，并进行运动仿真，验证主要运动部 件的运动轨迹图谱。根据自助椅的建模和仿真结果，分析自助椅辅助起立过 程的运动轨迹；设计自助车机械传动系统的三维模型，并进行运动仿真，得 出其运动轨迹图谱；根据自助车车体各个部件的结构方案，建立各部件的三 维模型，进行模拟装配和拆卸过程，最终得出整车的三维模型。 关键词：变胞机构，自助车，构态变换，自由度，拓扑图 n r e s e a r c ha n dd e s i g no fs e l f h e l p v e h i c l ef o rt h eo l d o n t h ep r i n c i p l e s o fm e t a m o r p h i cm e c h a n i s m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h et r e n do fc h i n a s p o p u l a t i o na g i n gi s a c c e l e r a t e d ，t h en u m b e ra n dp r o p o r t i o no fo l d e rp e r s o ni si n c r e a s i n g r a p i d l y a st h eo l da g ei sg r o w i n g ，t h e i rb o d yf u n c t i o n sd e t e r i o r a t e g r a d u a l l y , p h y s i c a ls t r e n g t hd e g r a d e s i np a r t i c u l a r , s o m eo l dp e o p l e s l e g sh a v en oe n o u g hp o w e r , 也e yj u s to n l yw a l ks l o w l yi nas h o r td i s t a n c e ， a n de v e nc a n n o ts t a n du pb yt h e m s e l v e sa tl a s t t h i sg i v e sah e a v yb u r d e n t ot h e i rf a m i l i e sa n dt h es o c i a l n u r s i n gh o m e i nr e s p o n s e t ot h i s p h e n o m e n o n ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt od e v e l o pat o o lt oh e l po l dp e o p l et o s t a n du pa n dw a l k i tc a l lm e e tt h e i rn e e d si nd a i l yl i f e ，a n dd e v e l o pa b r o a dm a r k e tp o t e n t i a l t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm e t a m o r p h i cm e c h a n i s m ， m a k e sf u l lu s et h ef e a t u r e so fi t sc h a n g i n gs t r u c t u r es t a t e ，a td i f f e r e n t s t a g e si nw o r k ，c o m p l e t e sd i f f e r e n tm o t i o np r o c e s s i m p o r t a n t l y , m a k e si t p o s s i b l et oh e l pt h eo l dt o s t a n du p f i n a l l y , b yd e s i g n i n gak i n do f s e l f - h e l pv e h i c l eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm e t a m o r p h i cm e c h a n i s m ，i t a c h i e v e st h ef u n c t i o no fh e l p i n go l dt os t a n du pa n di n s t e a do fw a l k i n g t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g ( 1 ) a n a l y z e st h ep r o b l e m ss i t u a t i o n ，m a k et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s c e r t a i n ，a n de s t a b l i s h e st h ed e s i g ns c h e m eo fs e l f - h e l pv e h i c l e a c c o r d i n g t ot h ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h em o v e m e n to fo l dp e o p l et os t a n da n dw a l k ， p r e p a r e sad e s i g ng o a lo ft h es u b je c t , a n dm a k e saf e a s i b i l i t yr e s e a r c h ； d e t e r m i n e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fs e l f - h e l pv e h i c l e ，m a k e st h e f o c u so na u x i l i a r ye l d e r l ys t a n d i n g ，d e c o m p o s et h ep r o c e s so fs e l f - h e l p s t a n d i n gu p ；c o m b i n e dt h es h o r t d i s t a n c ew a l k i n gn e e d so ft h es e l f - h e l p v e h i c l e ，a n dc o r r e s p o n d st oe a c hd e c o m p o s i t i o nf u n c t i o n ，o b t a i n st h e o v e r a l lp r o g r a mo ft h es e l f - h e l pv e h i c l e n 1 ( 2 ) o nt h ep r i n c i p l eo fm e t a m o r p h i cm e c h a n i s m ，d e s i g n st h e s t r u c t u r eo fs e l f - h e l pc h a i r , a n a l y z e st h ec h a i r st o p o l o g ya n df r e e d o m a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fs t a n d i n gb yt h eb o d y , a n dt h ed e c o m p o s i t i o n c o u r s eo ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，d e s i g n sl i t t i n gd e v i c e s ，t h es e a t sf l i p d e v i c e ，b a c k r e s ta d ju s t m e n td e v i c ea n dm e t a m o r p h i cc o m p o n e n tw i t h t i m ed e l a yc o n t r o lf u n c t i o n a tl a s t , a n a l y z e st o p o l o g ya n df r e e d o mo ft h e s e l f - h e l pc h a i r 。 f fw o r k s e l t - h e l pc h a i rmv a r i o u ss t a g e so tw o r k ( 3 ) i na c c o r d a n c ew i t ht h ed r i v i n gr e q u i r e m e n t so ft h es e l f - h e l p v e h i c l e ，d e s i g n st h ep r o g r a m so fs e l f - h e l pv e h i c l e i n t e g r a t e ss e a ts i z e ， t h ed r i v i n ga n da c t i v i t i e ss p a c eo fh u m a n ，d e s i g n st h es t r u c t u r ea n ds i z e o ft h e f r a m e ；i na c c o r d a n c ew i t ht h e d r i v e nd i s t a n c ea n d s p e e d r e q u i r e m e n t so fs e l f - h e l pv e h i c l e ，d e s i g n st h ew h e e ls t r u c t u r ea n d t r a n s m i s s i o nm o d e ；a c c o r d i n gt ot h ed e m a n df o rt r a v e la n dc h a n g e d i r e c t i o n ，d e s i g n ss t e e r i n gm e c h a n i s m ；i no r d e rt oa c h i e v et h eg o a lo f u s i n g t h ec h a i ra l o n e ，d e s i g n sr e m o v a b l ec o n n e c t i o nc o m p o n e n t ( 4 ) e s t a b l i s h e s3 dm o d e lo fs e l f - h e l pv e h i c l e ，m a k e st h em o t i o n s i m u l a t i o n ，v e r if i e st h et r a je c t o r ym a po fm a i nc o m p o n e n t s a c c o r d i n gt o t h e3 dm o d e la n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n a l y z e st h et r a j e c t o r i e so fh e l p s t a n d i n gu pp r o c e s s ；d e s i g n st h e3 dm o d e lo ft h em e c h a n i c a ld r i v i n g s y s t e m ，m a d em o t i o ns i m u l a t i o n ，o b t a i n st r a je c t o r ym a p ；a c c o r d i n gt ot h e p r o g r a mo fs e l f - h e l pv e h i c l e ss t r u c t u r e ，e s t a b l i s h e s3 dm o d e lo fm a i n c o m p o n e n t si ns e l f - h e l pv e h i c l e ，s i m u l a t e st h ep r o c e s so fa s s e m b l ya n d d i s a s s e m b l y f i n a l l y , o b t a i n st h e3 dm o d e lo f t h es e l f - h e l pv e h i c l e k e y w o r d s ：m e t a m o r p h i cm e c h a n i s m ，s e l f - h e l pv e h i c l e ，c o n s t i t u t i v e s t a t et r a n s f o r m ，d e g r e e so ff r e e d o m ，t o p o l o g yd i a g r a m i v 基于变胞机构原理的老年自助车研究与设计 1 绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 i 我国人口年龄结构的发展趋势 根据2 0 1 0 年第六次全国人口普查主要数据公报( 第1 号) 显示，我国人口 的年龄构成为：大陆3 1 个省、自治区、直辖市和现役军人的人口中，6 0 岁及以 上人口为1 7 7 6 4 8 7 0 5 人，占1 3 2 6 ，其中6 5 岁及以上人口为1 1 8 8 3 1 7 0 9 人，占 8 8 7 ，同2 0 0 0 年第五次全国人口普查相比，6 0 岁及以上人口的比重上升2 9 3 个百分点，6 5 岁及以上人口的比重上升1 9 1 个百分点l l l 。联合国关于老龄化社会 的定义，是一个地区6 0 岁以上老人达到总人口的1 0 ，或者6 5 岁以上老人占总 人口的7 ，即该地区视为进入老龄化社会，超过1 4 a p 为老龄社会。按照此定 义，我国已经毫无争议地进入了老龄化社会。 老年人随着年龄的增长，身体机能逐渐退化，体力衰减，特别是下肢行动能 力不足，只能在很短的距离内缓慢行走。部分体质较差的老人，甚至连完成日常 的起立动作都比较吃力，因为缺乏站立的能力，最终只能被困在椅子上。老年人 无法从座位起立，将需要他人的照顾，严重的影响了老年人的身心健康，同时对 家庭和社会也造成了巨大的负担。因此，老年人辅助产品的设计和服务问题将成 为老龄人口日常生活的重点和难点，特别是迅速增长的“空巢”、高龄和带病老年 人的服务需求。 1 1 2 变胞机构的产生和发展 变胞机构是在1 9 9 8 年由英国伦敦大学的戴建生和r e e sj o n e s 在亚特兰大召 开的a s m e 第2 5 届机构学双年会上首次提出的1 2 】。所谓变胞机构，是指如果某种 机构在它连续运行的过程中，其有效杆件数目变化，或运动副类型和几何关系变 化，从而引起机构的拓扑变化，并导致机构自由度变化的机构；并且，在机构连 续运行的过程中，至少有一次自由度变化，并且在自由度变化之后，该机构仍能 保持运行状态，这样的机构称为变胞机构1 3 1 。 变胞机构最早起源于1 9 5 2 年，由c a n d y 和r o ll e t t 对花样叠纸的研究i 】，其 研究方法是将折痕看做铰链，将纸盒的各个面看做连接的杆件，便将纸盒抽象成 了最简单的可折叠机构。戴建生和r e e sj o n e s 对折叠纸盒和自动操作多指手【5 】 做了进一步的研究，发现这一类机构不但可以折叠和伸缩，还能在运动过程中改 变有效杆件数目，从而改变机构的拓扑图和自由度。于是在1 9 9 8 年，戴建生和 r e e sj o n e s 在亚特兰大召开的a s m e 第2 5 届机构学双年会上首次提出了变胞机 构的概念1 2 1 ，从此变胞机构逐渐成为国际机构学届的研究热点。 陕西科技大学硕士学位论文 经过各国学者十余年来对变胞机构研究的不断深入，变胞机构的定义和研究 方法趋于完善，并且有一些具有实际应用价值的变胞机构被开发出来，例如：航 空领域的基于变胞原理的探测车1 6 ) ，机器人领域的变胞多指灵巧手川，制造业中 的变胞快速夹紧装置i 。l 。 变胞机构是一个相对比较新的研究课题，通常来讲一个课题实际开发应用的 产品总是滞后于理论成果，对于变胞机构能在市场上广泛应用的成熟产品更是少 之又少，因此，变胞机构的实际应用和产品开发具有很大的发展空间和市场潜力。 1 2 课题研究的意义 1 2 1 老年人群体生活方式的改善 人口老龄化是近十年来出现的一个世界性的问题，随着我国社会人口老龄化 速度的加快，也给我国带来了一系列的社会问题。 ( 1 ) 首先是社会负担加重，养老护老的医疗保健和生活服务的需求突出。 老年人体质弱，发病率高、生活不能自理的比重高，特别是下肢行动能力较弱的 人士，因为自身行动能力的衰退，将需要专人长时间贴身照顾。随着老年人口数 量和所占比例的进一步增大，医疗保健护理系统首当其冲地迎接了挑战。预计不 久的将来，医务人员约有一半的时间用于老年人的医疗、护理、康复及照顾上。 ( 2 ) 随着我国社会家庭结构的变化，家庭养老功能减弱。随着青年人口比 例的递减，“4 - 2 - i 家庭模式的大量出现，子女对老人的抚养任务日益加重； 子女成年后，由于学习、工作、结婚等原因而离家，导致“空巢 家庭大量增加， 由于缺乏子女的贴身照顾，许多老人的生活、保健都出现了极大的困难。 ( 3 ) 社会老年人口保障体系尚未完全建立起来，社会养老机构资源少、设 备差，投入少，收费高，总体布局结构不合理，特别是城乡发展很不平衡，一些 养老机构倾向营利，社区服务差，服务人员专业水平较低，行业系统也缺少有效 的监管。 针对以上老年人所面临的社会问题，本课题为解决老年人因生理障碍在日常 生活和社会交往中导致的不便，设计了一种可以帮助老年人轻松起立和短途代步 的老年自助车。该自助车除了可作为短途代步的交通工具以外，还装备了具有变 胞机构特性的自助椅，自助椅既能作为驾驶车辆时的座椅，也可以拆卸下来单独 使用，不管是在车辆行驶过程中，还是单独使用座椅时，均能实现坐姿与站姿的 相互转化，能辅助老年人舒适地改变身体姿态来解决久坐带来的困倦，并帮助下 肢站立功能较弱的人士轻松完成起立动作。 该课题的实现，对老年人群体生活方式的改善很有意义： ( 1 ) 该自助车不但可以使老年人无需他人协助便能够实现轻松起立的动 作，并且能够使其短途自由移动，扩大老年人日常生活的活动范围，提高老年人 2 基于变胞机构原理的老年自助车研究与设计 _ - - - _ - - _ i _ _ _ _ _ _ _ - - - l _ _ _ _ _ _ _ i _ l _ - - - - - i l _ _ _ _ 一i i i 的生活质量。 ( 2 ) 对于空巢家庭和家庭的老人，不但解决了自己生理上自由移动 的障碍，还大大减少了子女对其的日常护理任务，令其子女能够更加专心的工作。 ( 3 ) 对于体质差、下肢行动能力严重不足的老人，自助椅能帮助他们轻松 地由坐姿转化为站姿，实现他们重新“站起来”的梦想，重塑生活的信心和勇气， 并且可促进其身体功能的康复。 ( 4 ) 对于医疗保健单位和社区养老机构来说，让更多的老年人使用自助车， 能够很大程度地减轻护理人员的工作强度，节省护理费用，提高养老保健服务水 平。 变胞机构应用形式的创新 自从变胞机构被提出以来，其相关产品和应用形式开发一直是厄待解决的关 键问题。任何理论的提出都是来源于生活实际，最终也要服务于生活，推进社会 生活水平进一步向前发展，变胞机构理论也不例外。 本课题所研究的基于变胞机构原理的老年自助车，创新性地把变胞机构的应 用形式进一步拓展到家居生活的老年人辅助用品中。在我国社会人口快速迈入老 龄化的趋势中，将具有更庞大的市场，服务于广大的下肢行动能力日渐减弱的老 年人，解决他们日常生活中因生理障碍带来的不便，扩大日常生活的活动范围， 改善其生活品质，减轻其子女和医护人员的负担，这将产生巨大的应用价值和十 分积极的社会意义。 国内外研究现状和发展趋势 基于变胞机构的特性，目前使用最多的还是在航天航空领域，利用其构态变 化和重组的特性，已经开发出来并投入使用的产品有：空间站基础骨架、太阳能 帆板、可展开式天线、空间机械手臂1 9 】，以及球面变胞机构在变结构腿轮式探测 车的车身设计中的应用等。近年来，变胞机构在制造业和机器人领域也有所应 用，例如：用于汽车轮毅模具修理过程中的一种变胞快速夹紧装置1 1 1 ，用于印刷 机递纸过程的变胞装置，以及由球面五杆机构构成的新型多指变胞手等u - t ，】。 在日常家居生活用品中，能够见到的比较成熟的变胞机构及其相关应用产品可谓 是少之又少。 目前，在国内外尚没有专门辅助老年人起立并能在户外短途代步的工具，现 有的相关产品主要分为以下两个类型： ( 1 ) 轮椅，主要为下肢残障人士设计，按照驱动形式一般又可分为手动和 电动两种类型：手动轮椅，依靠双手传动，效率低下、活动范围有限，无法长距 离行驶，不适合体质虚弱的老年人使用；电动轮椅，靠电机传动，效率较高，可 以实现较远距离的移动。不管是手动的还是电动的轮椅，在舒适性方面还存在很 陕两科技大学硕士学位论文 多问题，据老年轮椅用户普遍反映，乘坐稍长时间就有身体疲劳、腰疼、腿部麻 木等不舒适现象出现【1 4 l ，而这两类轮椅目前都没有改变身体姿态和辅助老年人起 立的功能。 ( 2 ) 电动车，主要为身体健康的中青年人士设计，可在户外中等速度远距 离行驶，是目前比较流行的代步工具，按照车轮数目可分为两轮电动车和三轮电 动车两种类型：两轮电动车，是传统脚踏两轮自行车的改进版，放弃了传统自行 车依靠人的双腿驱动车体运行的方式，采用蓄电池和电机驱动，不但解放了人的 双腿，而且使自行车的运行速度大幅提高，可以较长距离行驶。同时，因为在车 体上加入了蓄电池和电机，以及为了适应中高速行驶，在车身机构上也加大了尺 寸，使得车体的自身重量大幅增加，这也给使用者带来了一些不便之处，例如： 手动倒车和推行时更加费力，车辆转弯和刹车时的惯性力增大，两轮的车辆易倒 伏，且在车辆意外倒伏时不易扶起等。这些问题，对于身体健壮的人来说是可以 依靠身体力量自行解决，但对于身体机能退化、四肢力量不足的老年人来说却是 非常困难的；三轮电动车，是传统脚踏三轮货车的改进版，也是放弃了传统三轮 货车依靠人的双腿驱动车体运行的方式，采用蓄电池和电机驱动，使三轮货车的 运行速度提高，载货量增大，可以较长距离行驶。但是，这种车型本来就是为载 货而设计和改进的，根本不适合老年人代步使用，更加没有能改变身体姿态和辅 助老年人起立的特定功能。 以上相关产品经比较后发现，电动轮椅相对更适合老年人使用，但在舒适性 方面有明显的不足，需要对老年人使用的轮椅作进一步的改进目前。国外对电动 轮椅的研究已相对比较成熟，他们已开发出各种各样的适合不同用户群体的电动 轮椅，并逐渐向智能化的方向发展。国外较为集中的高性能电动轮椅生产厂家集 中在美国、德国、英国、瑞典和日本，但是进口电动的轮椅价格不菲1 1 5 l 。然而， 国内对电动轮椅的研究技术依然远远落后于国外，研究尚且处于起步阶段。特别 是，传统手动轮椅和电动轮椅主要是为下肢残疾人士开发设计的，缺少能满足老 年人生理需求和心理需求的功能，如：辅助站立，座椅多角度调整，中低速户外 代步行驶，轻便可拆卸等。因此，研究高性能低成本的老年自助车，填补国内市 场技术空白和推动国际老年自助车的研究都具有重要的现实意义。 1 4 论文研究内容及结构安排 本课题的研究内容是设计一种基于变胞机构原理的老年自助车，研究重点为 自助椅和和车体的机构设计，以及自助椅和车体的运动仿真。详细的研究内容和 结构安排如下： ( 1 ) 论文结构的第一部分是绪论，是整篇论文的第一章，其主要的研究内 容为：1 1 探究本课题的研究背景，包含我国社会人口年龄结构的变化和快速进 4 基于变胞机构原理的老年自助车研究与设计 入老龄化社会的趋势，变胞机构的产生与发展；1 2 探究本课题的研究意义，一 方面可以改善老年人的生活品质，减轻社会和家庭的养老任务量，另一方面可以 创新变胞机构的应用形式，将其拓展应用到家居生活产品中来，使变胞机构发挥 更大的实际应用价值；1 3 探究老年自助车相关产品的国内外研究现状和发展趋 势，其相关产品主要是轮椅和电动车两大类，但均不具备改变身体姿态，辅助老 年人起立，以及室外短途代步相结合的功能；1 4 论文研究内容和结构安排，共 六章，第一章是绪论，第二章是整车的方案设计，第三章是自助椅的机构设计， 第四章是车体的机构设计，第五章是整车的运动仿真，第六章是结论与展望；1 5 论文的研究难点和解决方案，研究难点在于如何运用机械结构来实现座椅的角度 调整和辅助起立的功能，拟采取的解决方案是将起立动作进行分解，按照分解后 的动作确立各项功能，再进行分别设计，最后将各个部分利用变胞结构进行串联 和整合。 ( 2 ) 论文结构的第二部分是自助车整车设计方案的建立，是整篇论文的第 二章，其主要的研究内容为：2 1 根据老年人起立和步行运动中存在的问题，拟 出设计目标，作出课题的可行性研究。探究发现，老年人起立困难，步行速度慢， 不能远距离行走的根本原因是身体机能退化，腿部力量衰弱。可以设计出具有辅 助起立功能的座椅来帮助老年人完成起立动作，并设计出车体来安装自助椅，运 载老年人实现室外中等距离代步的功能。2 2 对设计目标进行需求分析，研究并 分解各部分的功能要求。设计目标的重点在于满足辅助老年人起立的功能需求， 按照起立动作的过程，可以分为三个部分，重心升高，臀部由水平变竖直，以及 背部角度的小范围调整。2 3 综合各个功能的要求，作出老年自助车的整体设计 方案。依据起立动作的三个分解过程，可以设计出三个机械装置来实现对应的三 个分解功能，分别是升降装置、座位翻转装置和背部角度调整装置。三个装置通 过变胞构件来串联整合，便可实现基于变胞机构原理的自助椅设计。考虑到两轮 车辆在低速行驶中的易倒伏性，自助车的车体结构采用三轮结构，前轮用电机驱 动，车身上装备可拆卸的自助椅，由此确定整车的设计方案。 ( 3 ) 论文结构的第三部分是基于变胞机构原理的自助椅设计，是整篇论文 的第三章，也是本课题的核心与重点，其主要的研究内容为：3 1 升降装置的机 构原理设计与分析。对应起立动作的人体重心升高过程，所设计的升降装置可实 现帮助人体重心升高的功能，并为上层的翻转装置和背部调整装置提供工作平 台；3 2 座位翻转装置的机构原理设计与分析。对应起立动作的人体臀部由水平 变竖直过程，所设计的座位翻转装置可实现帮助人体的臀部自动有水平方向变为 竖直方向，并构成背部角度调整装置的一部分；3 3 背部角度调整装置的机构原 理设计与分析。对应起立动作的人体背部角度的小范围调整过程，近似吻合人体 5 陕西科技大学硕士学位论文 -ill l - i - _ _ - - - l - l - _ _ - l i _ l l l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - l _ - _ _ _ i - _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ - - - i _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ l _ l l l - l _ _ l 一 起立过程中背部的角度变化：3 4 变胞构件的原理设计与控制过程分析。设计特 殊的变胞构件来作为升降装置与座位翻转装置的连接部分，是为了延迟动力的传 输时间，使座位翻转装置和靠背调整装置的开始运行时间之后，以符合人体起立 动作的运动过程。3 5 自助椅各工作阶段的拓扑图及自由度分析。自助椅是基于 变胞机构原理来设计的，变胞机构最典型的特点就是，在各个工作阶段，其机构 的拓扑特性和自由度会发生变化，因此需要对自助椅各个工作阶段的拓扑图和自 由度进行分析。 ( 4 ) 论文结构的第四部分是自助车的车体设计，是整篇论文的第四章，其 主要的研究内容为：4 1 自助车的车架设计。对应座椅的尺寸及重力承载要求， 对自助车的车架结构及载面进行设计；4 2 车体轮系设计。为满足车辆低速行驶 的设计要求，以及安全性因素，对车轮尺寸和安装位置进行设计；4 3 车体转向 机构的设计。为满足车辆行驶过程中自由转向的功能需求，对车辆转向机构进行 设计；4 4 可拆卸连接结构设计。为实现座椅的可拆卸和座椅单独使用的功能， 对车体可拆卸连接部分的结构进行设计。 ( 5 ) 论文结构的第五部分是自助车整车的运动仿真，是整篇论文的第五章， 其主要的研究内容为：5 1 自助椅的运动仿真。对自助椅进行三维模型设计，并 对其运动过程中的参数进行计算和分析，验证运动轨迹曲线；5 2 自助车车体的 运动仿真。对自助车车体机构进行三维模型设计，虚拟装配并验证其转向功能， 计算和分析其转向角度范围，验证其最小转弯半径和转弯时的运动轨迹曲线；5 3 其它关键零部件的三维结构设计。对可拆卸连接部分、座椅电机安装底座、螺旋 推进轴及其导轨、蓄电池安装位置进行三维模型设计。 ( 6 ) 论文结构的第六部分是对本课题的结论与展望，是整篇论文的第六章， 其主要内容为：对课题研究成果进行总结，验证自助车所实现的功能与设计目标 的匹配程度；对所设计的自助车原始的虚拟样机进行评估，分析其存在的优点和 缺陷，指出其发展和改进的方向。 1 5 论文的研究难点和拟采取的解决方案 课题的研究难点在于如何运用机械结构来实现座椅的角度调整和辅助起立 的功能。人体起立是一个复杂的运动过程，其中包含了重心升高，臀部由水平变 竖直，以及背部角度的小范围调整三个运动，并且这三个运动在时间上有一定的 先后次序关系。首先，是人体重心的升高，当重心升高到一定高度之后，臀部由 水平方向逐渐变为竖直方向，在此同时，背部先向前小角度倾斜，然后又恢复到 竖直状态。用纯机械的结构来实现这样一个复杂的运动，并且还要满足运动时间 上的先后次序关系，是整个课题最大的难点。 拟采取的解决方案是将起立动作进行分解，按照分解后的动作分别设计能实 6 基于变胞机构原理的老年自助车研究与设计 现各项功能的机械装置，最后将各个部分利用变胞构件进行串联和整合，实现自 助椅的整体设计方案。按照分解后的起立动作的三个运动过程，分别设计了升降 装置、翻转装置，及其背部角度调整装置。升降装置对应起立动作的人体重心升 高过程，可实现帮助人体重心升高的功能，并为上层的翻转装置和背部调整装置 提供工作平台；座位翻转装置对应起立动作的人体臀部由水平方向变为竖直方向 的过程，通过座位面的翻转可实现帮助人体的臀部自动有水平方向变为竖直方向 的功能，并构成背部角度调整装置的一部分；背部角度调整装置对应起立动作的 人体背部角度的小范围调整过程，先是小角度的向前倾斜，然后又恢复到竖直状 态，近似吻合人体起立过程中背部的角度变化。为解决这三个动作时间上的先后 关系，特别设计了具有延迟控制功能的变胞构件，利用变胞机构可应用在多个不 同工作阶段，并且在各个工作阶段的转化过程中，总是以改变机构的拓扑结构( 由 此改变机构的自由度) 呈现出不同机构类型，来实现不同阶段的运动性能【1 6 】。所 以，本课题使用变胞构件对升降装置和座位翻转装置进行串联，使其在动力传递 过程中，起到一个延迟开始运动的时间的作用，由此便解决了重心升高和座位面 翻转这两个动作时间上的先后次序关系。最终，通过起立动作的分解，三个机械 装置的分别设计，变胞构件的串联与整合，顺利实现了三个分解运动的动作和对 应的功能，以及时间上的先后次序关系，本课题最大的难点得以圆满解决。 7 基于变胞机构原理的老年自助车研究与设计 2 自助车整车方案的研究与设计 “以人为本”是工业设计的出发点，工业设计不仅是对产品的设计，其本质 是对人类生活方式的设计【，7 】，通过所设计的产品，实现其某种特定的功能，来解 决人类生活中的各类障碍和不足，满足人类生活的特定需要，达到推动人类生活 水平不断提高的目的。本课题所研究的自助车是专为老年人设计的一款生活辅助 用品，是为减轻目前普遍存在的“空巢”和“4 2 1 ”家庭的养老和护老任务量， 以及改善老年人的生活品质为根本目的。面对老年人普遍存在的身体机能退化， 体力衰减，因腿部力量逐渐减弱而导致的起立难、步行难等等生理障碍，自助车 的整体设计方案应从老年人的实际生活状态出发，紧密结合老年人的生理需求， 使自助车能够实现帮助老年人轻松舒适地起立，并乘载老年人在户外中短途自由 移动的功能。同时，为了能使自助车发挥更大的使用价值，考虑加入座椅和车体 的可拆卸分离式设计方案，自助椅可拆卸下来在室内单独使用，使老年人在自己 家里也能舒舒服服坐下，轻轻松松起立，给他们的生活带来更多的轻松和方便。 2 1 设计目标和可行性研究 老年人所面临的普遍问题是，随着年龄的增长，身体机能逐渐退化，体力衰 减，腿部力量慢慢减弱，对于那些腿部力量严重不足的人士，最后连日常生活中 最简单的起立动作也完成的比较吃力，在户外短途步行时，行走速度慢，走不了 多远就会出现气喘、腰腿酸痛等症状。以上所陈述的老年人的生理障碍，给老年 人的日常生活和社会交往带来了极大的不便，特别是一些下肢行动能力严重不足 的人士，甚至可能被长久地困在椅子上，而由此又会带来诸多问题，比如：长时 间地保持坐姿，对身体特别是下肢血液循环不利，容易造成腿部麻木，腰膝酸软 等症状；经常长时间地保持坐姿，还有可能诱发痔疮等疾病；需要子女或医护人 员长时间贴身照顾，增加了养老和护老的工作量。 2 1 1 老年自助车的设计目标 根据以上陈述的老年人所面临的各种生理障碍，以及由此带来的生活不便， 结合老年人的生活实际和生理需求，本课题的设计目标确立如下： ( 1 ) 自助车的设计方案，应重点解决腿部力量严重不足的老年人士起立困 难的问题，帮助他们轻松自如地完成起立动作，实现他们轻松“站起来”的梦想。 ( 2 )自助车的设计方案，应解决老年人因体力不足而带来的行路难、步行 速度慢的问题，自助车应实现户外中低速行驶、中短途代步的功能，帮助老年人 扩大日常生活和社会交往的活动范围。 ( 3 ) 自助车的设计方案，应加入座椅和车体的可拆卸分离式设计方案，使 9 陕西科技大学硕士学位论文 自助椅可拆卸下来在室内单独使用，满足老年人在室内使用自助椅辅助起立的需 求，同时使自助车发挥更大的使用价值。 2 1 2 老年自助车的可行性研究 根据以上确立的设计目标，本论文对自助车设计方案的可行性进行了研究和 分析，其主要内容如下： ( 1 ) 对于如何实现辅助老年人起立的功能，可设计一种具有此功能的座椅。 虽然，目前市场上并没有完全满足此功能的产品，但有一些类似的相关产品，例 如：美国的“i b o t 3 0 0 0 独立机动系统 i l s 】具有防滑越障行驶和座位高度自由升 降的功能，但其售价十分昂贵，高达2 9 万美元，也不具备辅助人起立的功能； 中国的周建新于2 0 0 0 年申请了一种旋转升降椅的发明专利 1 9 1 ，该发明使用旋转 螺杆的方法达到了调节座位高度的功能，也不具有辅助人起立的功能；德国奥 托博克保健m 两合公司于2 0 0 6 年申请了一项可直起式轮椅的发明专利1 2 0 l ，该发 明能实现使人由坐姿到站姿各阶段的座位角度和高度的调整功能，但不能连贯地 完成辅助人体起立的动作过程。因此，设计一款能辅助老年人完成起立动作的座 椅，是有一定技术基础的f 2 l 2 4 1 ，利用变胞机构可以折叠和伸缩的特性，在座椅运 动过程中改变机构的拓扑结构，来实现不同阶段的运动性能，整个座椅就可以实 现辅助老年人完成起立动作的功能。 ( 2 ) 对于如何实现帮助老年人户外中短途代步的功能，可设计一种电动车， 其设计难度比自助椅要低，且现有的类似产品已比较成熟。考虑到老年人使用时 的安全性以及抗倒伏性，拟将车体设计成三轮式结构。为方便老年人使用，车身 重量应尽量轻便，转弯及驾驶时操控灵活，车体尺寸应尽量小巧，比现有的载货 三轮电动车要小很多。车辆的承载面尺寸，以满足安装自助椅为主，同时预留驾 驶人员的活动空间。 ( 3 ) 整车设计方案中，可加入座椅和车体的可拆卸连接结构。在车体的承 载面上，对应座椅底座的安装位置，可设计一定的可拆卸连接结构，例如：螺栓 连接，这种连接方式比较简单，可承载比较大的拉力和剪切力，安全性较高，但 它也存在一定的弊端，如拆卸不方便，需要专用的工具才能完成；插入式自锁机 构，这种结构比前者复杂，但是安装和拆卸过程比较方便，无需专用工具，由机 械开关就可控制安装和拆卸过程。不管采用哪一种可拆卸连接结构，座椅和车体 的可拆卸连接方案都是可以实现的。 2 2 功能需求分析和动作分解 2 2 1 自助车的功能需求 自助车的功能需求，主要包含两个部分：一个是辅助起立功能，另一个是代 1 0 基了：变胞机构原理的老年自助车研究与设计 步助行功能。本课题设计目标的重点在于实现辅助老年人起立的功能，因此，首 先要对人体起立过程进行分析。人体依靠自身力量自然起立的过程如下图2 1 所 示，首先是背部前倾，将身体重心前移到两脚的竖直正上方，再利用腿部力量将 身体向上撑起，便可完成起立动作。 坐姿吟愁薹吟立姿 图2 - 1 人体自然起立的动作示意图 f i 9 2 - ls c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh u m a n sn a t u r a ls t a n du pa c t i o n 然而，自助椅在辅助人体起立的过程中，有其必须满足的条件，那就是：人 体重心应该在座位支撑面以内( 竖直正上方) ，最好在座位的中心位置上。只有人 体的重力落在座位面上的时候，座位面才能对人体产生支持力和摩擦力，并以此 为动力推动人体运动，帮助人体完成起立动作。 2 2 2 辅助起立动作的分解 然而，通过自助椅辅助人体起立和人体自然起立又是不同的，其辅助起立的 动作过程如下图2 2 所示。按照辅助起立的动作过程，该过程可以分为三个阶段， 重心升高，臀部抬起并逐渐由水平方向变为竖直方向，以及背部在小角度的范围 内先前倾然后又恢复到竖直方向。并且这三个分解动作在时间上有一定的先后次 序关系，首先是人体重心的升高，当重心升高到一定高度之后，臀部由水平方向 逐渐变为竖直方向，在此同时，背部先向前小角度倾斜，然后又恢复到竖直状态。 也就是说，第一个分解动作是最先开始的，到一定高度后，第二个和第三个分解 动作同时开始运行，到起立动作完成后，三个动作同时结束。 陕西科技大学硕士学位论文 坐姿吟重心升高呤喜嚣薷立姿 图2 - 2 辅助人体起立的动作示意图 f i 9 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea i d e dh u m a ns t a n du pa c t i o n 通过对起立动作的分解，以及确定各分解动作时间上的先后次序，设计目标 的基本功能需求已确立，如下所述： ( 1 ) 对应人体起立过程中需将人体重心升高的需求，自助椅的机械结构中 应设计一种升降装置，能实现在竖直方向上做平稳的升降运动的功能。此升降装 置还应满足一定的力学特性，所传递的动力应足以支撑人体的体重和自助椅的自 重，能够安全平稳地运行。 ( 2 ) 对应人体起立过程中需将人体臀部抬起的需求，自助椅的机械结构中 应设计一种座位翻转装置，能实现使人体的臀部由水平方向变为竖直方向的功 能。此座位翻转装置的安装位置应设计在升降装置的上方，并且在开始运动的时 间上要滞后于升降装置。 ( 3 ) 对应人体起立过程中需将人体背部前倾然后逐渐恢复竖直状态的需 求，自助椅的机械结构中应设计一种背部角度调整装置，能实现配合人体在起立 过程中背部运动的功能。此种背部角度调整装置在开始运动的时间上要与座位翻 转装置同步，故其安装位置也应设计在升降