王立新，張雪雁

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

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基于軌跡的助行輪椅鍛煉裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

王立新，張雪雁

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

助行輪椅；鍛煉機(jī)構(gòu)；Creo/Parametric；優(yōu)化設(shè)計(jì)

癱瘓病人或老年人的四肢因長(zhǎng)期保持固定的姿勢(shì)或行動(dòng)緩慢，不能得到適當(dāng)鍛煉，容易造成肌肉萎縮壞死等問題。為解決這個(gè)問題本文設(shè)計(jì)了一部具有可調(diào)節(jié)下肢運(yùn)動(dòng)軌跡的鍛煉裝置的助行器，鍛煉裝置采用雙曲柄搖桿六桿機(jī)構(gòu)，通過調(diào)整踏板的位置，以此調(diào)整實(shí)現(xiàn)適合人體下肢的運(yùn)動(dòng)軌跡，使腿部沿著預(yù)期的軌跡運(yùn)動(dòng)，模擬行走時(shí)的步態(tài)，鍛煉人體的下肢以防止肌肉萎縮，利于康復(fù)。通過Creo/Parametric優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)鍛煉機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得適合不同人群的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)尺寸。

0 前言

隨著社會(huì)老齡化日趨嚴(yán)重，助行器成了老年人的主要代步工具，并成為許多殘障人士多年的伴侶。下肢長(zhǎng)時(shí)間無法運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致肌肉壞死。國(guó)外市場(chǎng)上常見的下肢康復(fù)器械主要有主動(dòng)型和被動(dòng)型2種。德國(guó)的主被動(dòng)下肢康復(fù)器CAMOPED，是以健康的腿帶動(dòng)壞腿進(jìn)行訓(xùn)練的器械，采用新型材料，重量輕。瑞士聯(lián)邦大學(xué)研制的下肢康復(fù)器LOKOMAT，結(jié)合懸吊裝置輔助病人站立，用平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行身體的平衡，只允許患者上下運(yùn)動(dòng)，具有很好的康復(fù)效果。北京寶達(dá)華下肢康復(fù)器械，可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)下肢恢復(fù)，也可以利用殘余下肢力量進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練，并可以與輪椅進(jìn)行有效對(duì)接。但這些器械價(jià)格昂貴，體型較龐大，不適合個(gè)體家居需求，為此，設(shè)計(jì)了一部被動(dòng)型下肢康復(fù)鍛煉用的助行器[1,2]，可在行走中實(shí)現(xiàn)鍛煉的目的。

1 助行器結(jié)構(gòu)及工作原理

目前市場(chǎng)上的助行輪椅都為輕便美觀的輪式結(jié)構(gòu)，考慮到患者長(zhǎng)期處于輪椅上保持一個(gè)坐姿，腿部肌肉關(guān)節(jié)無法得到鍛煉，設(shè)計(jì)了一款輪式助行和鍛煉功能可分離進(jìn)行的助行輪椅。該輪椅工作原理如圖1所示。由支撐結(jié)構(gòu)、助行結(jié)構(gòu)、鍛煉裝置組成。三輪行走結(jié)構(gòu)，前部萬向小輪有支撐前部機(jī)架、保持平衡、自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行方向的作用，同時(shí)增加一個(gè)鍛煉機(jī)構(gòu)主動(dòng)小輪，以傳遞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行腿部關(guān)節(jié)和肌肉的鍛煉。代步時(shí)，萬向輪著地，鍛煉機(jī)構(gòu)小輪懸空。需要鍛煉腿部時(shí)，調(diào)整萬向輪卡子，將小輪上調(diào)90°，鍛煉機(jī)構(gòu)的小輪著地，可進(jìn)行腿部練習(xí)。后部大輪為驅(qū)動(dòng)輪，可充當(dāng)輪椅使用。鍛煉裝置采用雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，踏板位于連桿上，踏板可折疊，鍛煉時(shí)打開，休息時(shí)折疊上使用固定踏板助行。

圖1 腿部鍛煉助行輪椅工作原理圖

機(jī)構(gòu)中連接輪子的支架可旋轉(zhuǎn)角度，改變四桿機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置，同時(shí)踏板位置可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同步長(zhǎng)的人群。踏板采用彈性塑料制造，與支承桿間用銷釘連接，以適應(yīng)人足部關(guān)節(jié)的動(dòng)作情況。設(shè)乘坐者手動(dòng)剎車和推行者后剎車兩種剎車裝置，安全便利。

2 按給定的運(yùn)動(dòng)軌跡精確點(diǎn)位置設(shè)計(jì)鍛煉機(jī)構(gòu)

下肢鍛煉裝置的鍛煉軌跡必須符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)基本規(guī)律，提供人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)的類似軌跡。各部件通過協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患者模擬人的正常步態(tài)進(jìn)行鍛煉，從而逐漸恢復(fù)或提升患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能。

按人體行走運(yùn)動(dòng)規(guī)律，助行器鍛煉裝置的步態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)使其能夠根據(jù)連桿的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)近似統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)下人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 剛體平面運(yùn)動(dòng)關(guān)系

(1)

(2)

簡(jiǎn)寫為：

Bj=D1jB1(j=2,3······,n)

(3)

本設(shè)計(jì)中選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右足部的鍛煉功能，其中固定鉸鏈A點(diǎn)坐標(biāo)已知，待求點(diǎn)B、C坐標(biāo)相對(duì)給定點(diǎn)M點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)滿足上述公式，則有：

同時(shí)剛體上的B點(diǎn)C點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置滿足定桿長(zhǎng)約束方程：

(6)

(7)

當(dāng)給定連桿上M點(diǎn)的5個(gè)精確坐標(biāo)值，可根據(jù)上述方程可以求解出10個(gè)變量，即3個(gè)鉸點(diǎn)的坐標(biāo)和4個(gè)相對(duì)第一個(gè)位置的轉(zhuǎn)角α1j(j=2,3,4,5)。

本設(shè)計(jì)在執(zhí)行過程中遇到由于cosα1j、sinα1j等變量較多，α1j的初值難以合理給定，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的結(jié)果出現(xiàn)“錯(cuò)序不連續(xù)”的問題。故此，首先采用圖解法按軌跡上精確的五點(diǎn)位置與曲柄轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，取定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)變量。圖解法求解過程及結(jié)果如圖3所示，其中人體合適的踝關(guān)節(jié)預(yù)期的步態(tài)軌跡為近似的橢圓形，如圖3所示。

圖3 圖解法求解四桿機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)尺寸

計(jì)算得各桿長(zhǎng)度分別為：AB=63，BC=147，CD=191，AD=212，連桿上參考點(diǎn)的參數(shù)：BM=180，δ=3°。

3 基于軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]

由于圖解法的設(shè)計(jì)誤差較大，且無法完全或非常近似的獲得所有軌跡上的點(diǎn)，只能精確實(shí)現(xiàn)幾個(gè)點(diǎn)的位置，故借助Creo/Parametric的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)鍛煉機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定偏置曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為：

以連桿上點(diǎn)M的坐標(biāo)與預(yù)期軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)偏差最小為尋優(yōu)目標(biāo)，按均方根誤差建立目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件：曲柄存在的條件、四桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角限定條件，定桿長(zhǎng)度條件，曲柄應(yīng)為最短桿，設(shè)定機(jī)架為最長(zhǎng)桿。綜合上述，約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

3.2 基于三維軟件Creo/Parametric的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 運(yùn)動(dòng)分析建模

創(chuàng)建裝配新文件，并單擊"創(chuàng)建裝配體"命令，建立曲柄搖桿機(jī)構(gòu)"骨架模型"，選擇"運(yùn)動(dòng)"類型。在"草繪"命令下，"草繪1"特征中繪制雙曲柄搖桿六桿機(jī)構(gòu)，標(biāo)注各桿長(zhǎng)度及角度值，退出草繪器。如圖4所示。再單擊"創(chuàng)建"命令，分別創(chuàng)建曲柄，連桿，搖桿和機(jī)架，選擇創(chuàng)建骨架"主體"類型，同時(shí)創(chuàng)建各鉸點(diǎn)處的"連接"。建立裝配體模型下的"參數(shù)"，并創(chuàng)建"關(guān)系"，在"草繪1曲線"特征下，建立各桿之間的參數(shù)關(guān)系，如圖5所示。

圖4 骨架模型及參數(shù)定義 圖5 參數(shù)設(shè)置及建立關(guān)系

在"應(yīng)用程序"模塊→"機(jī)構(gòu)"中，進(jìn)行機(jī)構(gòu)骨架模型的運(yùn)動(dòng)分析，檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)連接是否合理。獲得機(jī)構(gòu)上踏板位置隨時(shí)間變化曲線及軌跡，如圖6所示。創(chuàng)建M點(diǎn)軌跡X、Y坐標(biāo)2個(gè)參量。

圖6 踏板位置隨時(shí)間變化曲線 圖7 踏板軌跡

創(chuàng)建分析特征 單擊“分析”模塊中的“分析”按鈕，創(chuàng)建一個(gè)“運(yùn)動(dòng)分析”特征ANALYSIS1，創(chuàng)建曲柄原動(dòng)為10rad/s的“伺服電機(jī)”，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。創(chuàng)建“關(guān)系”分析特征ANALYSIS2，按如下幾何關(guān)系建立曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角計(jì)算公式：

設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，建立5個(gè)約束的表達(dá)式。如圖8所示。

圖8 參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)及約束關(guān)系表達(dá)式的設(shè)定

3.2.2 優(yōu)化/可行性設(shè)計(jì)

"可行性"分析 進(jìn)行各參數(shù)敏感度分析設(shè)置，并計(jì)算。以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)步高為25 mm，步長(zhǎng)為120 mm的160～170 cm的軌跡為例，對(duì)機(jī)構(gòu)踏板的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬分析，所有參數(shù)的設(shè)置和運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。

圖9 敏感度分析設(shè)置及敏感度圖

各分析線圖表明，分析的6個(gè)參數(shù)中，連桿長(zhǎng)度和M點(diǎn)位置對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響最大，機(jī)架長(zhǎng)度，初始位置角度對(duì)目標(biāo)函數(shù)幾乎沒有影響，綜合分析設(shè)定連桿長(zhǎng)，M點(diǎn)位置及機(jī)架位置角作為參變量，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)話框及設(shè)置如圖10所示。

圖10 優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)話框

計(jì)算的優(yōu)化目標(biāo)收斂圖和優(yōu)化后的參數(shù)如圖11所示。

圖11 目標(biāo)函數(shù)收斂圖及優(yōu)化參數(shù)表

取定優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，則運(yùn)動(dòng)線圖和M點(diǎn)軌跡如圖12所示。對(duì)比分析表明，軌跡更接近預(yù)期的軌跡。

圖12 優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)線圖和軌跡線圖

按上述優(yōu)化參數(shù)創(chuàng)建的助行輪椅三維模型如圖13所示。

圖13 助行輪椅三維模型

4 結(jié)論

(1)利用Creo/Parametric軟件設(shè)計(jì)完成了一款多功能助行器，該助行器尺寸可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)代步和腿部肌肉鍛煉等功能。

(2)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，獲得可適用于不同身高人群的尺寸解，采用機(jī)架位置角度可調(diào)和踏板位置可調(diào)的雙曲柄搖桿六桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輔助不同身高腿長(zhǎng)的乘坐者的下肢鍛煉功能。該助行器適用人群廣泛，成本低，可適應(yīng)市場(chǎng)的需求。該種設(shè)計(jì)方法在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中值得推廣。

[1] 吳高水,朱河潔,孫付賽.空間造型的下肢康復(fù)設(shè)計(jì)[J].2008,01-0126-02.

[2] 張秀峰,張曉玉.一種輕便普通輪椅的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009,24(12)：9-11.

[3] 張春林,趙自強(qiáng),機(jī)械原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012.12.

[4] 韓炬,馮華,黃家文.基于Creo/Parametric的包裝機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].包裝工程2013,34(1):65-68.

Optimization Design of Training Function of Walking Aid based on Trajectory

WANG Li-xin,ZHANG Xue-yan

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

walking aid; training device; Creo/Parametric; optimization design

Paralytic or old people are often troubled by muscle atrophy necrosis since their limbs often have to keep a pose for a long-term,and can't have proper exercise.The paper designs a walker with a adjustable leg movement training device.The exercise device uses double crank rocker six bar mechanism,can gain human different trajectory of lower limb,by adjusting the position of the pedal,and exercises the lower limbs in order to prevent muscle atrophy,it's favorable to recover.The suitable movement sizes of the double crank rocker six bar mechanism are gains for different groups,through the Creo/Parametric optimization design of exercise mechanism optimization design module.

2095-2716(2017)03-0066-08

2016-11-27

2017-04-18

河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310081022)。

TH781

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