一种多功能助行椅设计研究*

姚晟琪， 兰叶深， 毛佳杰， 余林月， 徐文俊

（衢州职业技术学院机电工程学院，浙江 衢州 324000）

进入21 世纪以来，随着现代生活水平和医疗技术的高速发展，60 岁以上老年人的数量在不断增加[1]，老龄化的问题日益严峻， 当前中国已成为世界上老年人口最多的国家[2]。 相关调查发现，由于老年人身体机能的衰退，使老年人在站立、行走过程中存在肢体活动受限、重心不稳以及协调能力下降等问题，给老年人起身、行走锻炼以及出行等日常生活带来了诸多不便，容易摔倒和受伤[3]。 针对上述问题， 助行椅作为一种帮助老年人支撑平衡和辅助行走的助老器具[4]，能让老年人无需他人帮助的情况下实现自由行走和出行，提高老年人的生活质量。 然而，目前我国市场上老年人助行椅仍存在功能单一、使用不便、缺乏人机尺寸合理设计等问题[5]。 为满足老年人的实际生活需求，提升助行椅的实际应用性，本文以老年人形体特征为基础设计了一种多功能助行椅， 对助行椅进行合理的人机尺寸设计与功能完善，设计助行椅的辅助起身、行走锻炼以及电动代步出行功能， 大大提升老年人活动的独立性，减轻家人的负担。

1 助行椅结构与主要功能

多功能助行椅主要由前轮转向机构、锂电池、摇杆、坐垫翻转机构、辅助起身机构及控制箱等组成，如图1 所示。 为解决老年人起身站立困难的问题，在多功能座椅两侧设计辅助起身站立机构， 利用电动推杆推动扶手实现高度和倾斜角度的变化，从而带动老年人起身，老年人几乎不用自己用力便可起身，使用方便；坐垫翻转机构通过改变助行椅坐垫位置变换， 实现老年人辅助行走过程中“行”和“坐”自由切换功能，此功能可以帮助老年人较长时间行走成为可能性， 以满足老年人行走过程中休息缓解疲劳的需要； 为了克服传统电动轮椅结构复杂笨重的特点， 基于老年人形体特征和铝合金型材设计助行椅的具体尺寸[6]，如表1 所示，通过无刷电机后轮驱动，并设计电动推杆联动结构进行助行椅的转向控制，可实现平地快速行驶、转向、翻越小型障碍物以及爬坡等功能，满足了老年人对助行椅高强度、轻重量和小体积的需求，同时也满足了老年人对助行椅更多应用场合的实际需要。

图1 多功能助行椅的组成

表1 老年人人体尺寸与助行椅部件尺寸

2 主要功能部件的设计与工作原理

2.1 辅助起身机构

为解决老年人起身站立困难的问题，设计了辅助起身站立机构，其工作原理如图2 所示。 扶手右端通过固定安装座与助行椅框架进行固定连接，左端与电动推杆活动连接，工作时，老年人只需将手握住扶手，通过控制电动推杆实现扶手高度和倾斜角度变化， 从而带动老年人起身站立，起身完毕后，控制电动推杆缩回，从0°变化到25°，扶手复位。

图2 辅助起身工作过程

多功能助行椅的质量为30kg，最大载重为90kg，可得G 为1 200N，当辅助起身时，扶手受到T2和电动推杆力F的作用，假设在静止状态下，由力矩平衡可知：

因此，选择额定输出力为1 500N 的电动推杆。

2.2 坐垫翻转机构

考虑到老年人行走每隔30min 左右需要进行适当休息的需求[7]，对助行椅设计了可翻转的坐垫机构，如图3所示，当老年人需要休息时，将坐垫下翻至与地面平行的位置，在帮助老年人进行行走康复锻炼时，将坐垫上翻至椅背处，并采用吸铁石锁定坐垫位置，防止老年人行走过程中因助行椅振动导致坐垫下落，实现老年人“行”和“坐”自由切换功能，为老年人的出行提供了更多的方便。

图3 坐垫翻转示意图

2.3 前轮转向机构

图4 前轮转向机构

前轮转向机构主要由脚踏杆、电动推杆、拉杆、连接板、摆杆、转向拉杆、前轮等组成，如图4 所示。电动推杆一端固定在助行椅上，另一端与拉杆连接，控制电动推杆伸出时，推动拉杆向右运动，从而控制摆杆向右旋转，进而使转向拉杆带动前轮向左旋转，同理，控制电动推杆缩回时，前轮右转。 转向机构通过电动推杆伸出和缩回，来控制摆杆的摆动角度，从而控制前轮摆角大小，实现前轮定量摆动和对称摆动，机构紧凑。

2.4 驱动控制原理

助行椅的驱动控制模块主要实现电动代步功能的平稳行进和后退，采用摇杆进行控制，摇杆的左右两端分别用于控制前轮转向机构的左转与右转，前后两端分别用于控制无刷电机轮毂的前进和后退功能。 如图5 所示，在助行椅的后轮控制中，通过摇杆连接到无刷电机轮驱动控制器中，由摇杆的输出开关信号给调节电机转速的脉宽调制电路，脉宽调制电路产生PWM 波进而控制无刷电机轮毂的转速。 在使用过程中，老年人只需控制摇杆即可以实现前进、后退、转向等动作，助行椅的驱动控制模块操作简便、车速控制平稳，且具有无污染和低噪声的特点。

图5 助行椅的驱动控制原理

3 结论

本文通过研究老年人群体的身体形态特征，以其实际需求为基础设计了助行椅的结构和辅助起身、行走锻炼以及电动代步出行功能，该助行椅可作为老年人下肢机能锻炼，原地零移位实现站、坐、行自由切换的功能，还能帮助老年人起身站立，解决老年人起身困难的问题，也可作为老年人代步出行工具， 大大改善了老年人自身的生活状态，也为今后的助老辅助器具的设计提供一定的依据。