【文章內(nèi)容簡介】 ，便于穿戴，使用方便，動力源使用空氣壓力源等。 設(shè)計最初的想法是將這個機械做成小車型，類似與工廠用的叉車，將病人放在搬運臂上，再利用動力裝置，提起病人，借助車輪就可以搬運病人了。小車型的助力機械具有很多優(yōu)點，比如：使用起來方便，結(jié)構(gòu)簡單，搬運過程中的阻力會很小，搬運過程流暢等。往屆的學(xué)長們設(shè)計的也是車型的，這在一定程度上也影響著我的本次設(shè)計計劃。但是，車型的結(jié)構(gòu)也有其致命的缺點，比如：在搬運過程中，護理人員與病人之間有著機械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致護理人員不能與病人接觸，這樣的話，如果在搬運過程中，病人失去平衡等，護理人員鞭長莫及，不能及時的做出處理動作在安全方面和病人的心里方面都有許多問題；另外，車型的機構(gòu)在搬運過程中很方便，但是在搬運的時候由于滾輪的存在，會導(dǎo)致再轉(zhuǎn)身的時候不能夠很方便，很快捷的轉(zhuǎn)身；而且，車型的機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上比較大，在進(jìn)出家里的房門的時候，多有不便，護理人員在操作的時候也不能夠得心應(yīng)手。在這個方案中，最主要的問題就是提出的第一個缺點，不能和病人有足夠的接觸和交流，限制了這種結(jié)構(gòu)的發(fā)展。為了克服以上缺點，達(dá)到護理人員與病人之間的契合，使護理人員在護理時候能夠隨心的操作機構(gòu)，動作較靈活，我們致力于設(shè)計一個能夠完美解決這些問題的機械。 接著，受到了工程機械中平衡吊的啟發(fā)，我想到了是不是可以設(shè)計一個類似與平衡吊類似的機械，這樣，護理人員可以騰出雙手即時的護理與搬運病人，能夠?qū)崿F(xiàn)搬運與護理的任務(wù)。但是這樣的機械也有其致命的缺點，使用限制很大，只能夠在平衡吊安置位置使用，這樣的話就不能夠完成將病人換病房等需要大范圍移動的任務(wù)，而且，這樣也會使病人感覺到不適，好像自己想機器一樣被來回擺弄。 至此，否定了前面的些許方案，我們開始尋找新的方案。接觸了仿生學(xué)后，覺得是不是可以使用仿生學(xué)做一個可以穿戴在人身上的助力機械，這一想法得到了老師的贊同，并且給了我許多相關(guān)的材料，于是，我開始研究這種機械的結(jié)構(gòu)，怎樣設(shè)計才能使這個機械更適合人體的穿戴呢。最初，依然是想做個與人體相似的機構(gòu)，把基本的骨架畫了出來，之后在各個機構(gòu)之間增加原動件，經(jīng)過層層篩選與組合，最終定下了如下的方案。 設(shè)計方案[1]如下圖： 整體裝置由上肢單元、腰部單元和下肢單元組成。使用演示如圖： 本方案以腰部單元為固定單元，腰部框架與人體腰部固定，胸部與靠背固定，腿部與腿部單元固定，腳踏在踏板上。該方案所用的五個氣缸都是分別驅(qū)動，使用時，腰部單元的氣缸放松，人體彎腰；腿部單元氣缸放松可以曲腿；手部單元氣缸伸出手臂伸直；抱起病人之后，腿部單元氣缸發(fā)力，可以站起；腰部單元氣缸發(fā)力，可以直腰；手部單元氣缸收縮，可以把病人抱緊。手臂的彎曲與伸直活動范圍約0300mm，腰部單元的彎曲活動范圍是045度，下肢單元氣缸行程200mm，導(dǎo)軌的滑動范圍300mm，可以完成下蹲動作，綜合各個運動于一身，可以完成下蹲彎腰伸展手臂抱取病人的動作，站起直腰收縮手臂抱緊病人動作。整體作用范圍垂直方向約在50mm180mm之間，能夠完成抱起并且放下病人的任務(wù)。[2]三單元設(shè)計上肢方案對比選擇與組成手部單元在設(shè)計初，提出了許多方案，從中選了兩種作對比說明。[3]如圖： 方案：1 方案：2 方案一所表達(dá)的機構(gòu)上肢部分由靠背、氣缸、手部桿組組成。使用兩個氣缸完成所需動作，機構(gòu)動作軌跡確定，方案較簡單，通過氣缸作用平行四邊形機構(gòu)，從而達(dá)到改變手臂方位和角度的目的，完成上肢運動。兩個氣缸在靠背的兩側(cè)固定。此方案在設(shè)計初，是希望氣缸能夠在連接氣缸座兩個桿之間，這樣有兩個好處，第一，氣缸工作動力會比現(xiàn)在的大，因為現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)會使氣缸在工作時是小面積方向作用力；第二個好處就是可以節(jié)省空間，氣缸座不需要延伸到腰部。但是在實際設(shè)計時，發(fā)現(xiàn)如果想實現(xiàn)要求的行程位置，氣缸放在兩桿之間會導(dǎo)致手臂機構(gòu)不能完成固定行程，從而影響到了機構(gòu)的應(yīng)用性，也考慮錯開氣缸的位置，但是這樣就會導(dǎo)致產(chǎn)生扭矩，對于滑動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成了影響，所以，最終決定將氣缸擺在如上圖的位置。 方案二所表達(dá)的機構(gòu)上肢部分由靠背、氣缸、手部桿組組成。這個機構(gòu)由于自由度比較大，需要的氣缸數(shù)量較多，在大臂和靠背之間，大臂和小臂之間都需要氣缸支持，所以需要四個氣缸，這樣，在空間上，手臂下面的空間安排兩個氣缸是很緊張的，而且，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不科學(xué)，可靠性不高。但是，用于驅(qū)動的氣缸可以換成動力氣囊，來完成手部單元的驅(qū)動，有相關(guān)文獻(xiàn)講述氣囊驅(qū)動的例子，但是由于沒有找到更多的相關(guān)資料，沒有研究的資料，沒有在此方案多下功夫。 綜合各方面因素，選擇方案一為手部單元的結(jié)構(gòu)，人體將小臂放在該機構(gòu)的小臂處，大臂和四邊形機構(gòu)固定，胸部和靠背固定，這樣，就可以使上肢部位發(fā)揮作用。 方案一所示機構(gòu)主要由靠背架和支架組成的靠背部、氣缸座和滑塊導(dǎo)軌組成的氣缸部和由鉸座和手臂桿組組成的手臂部三部分組成?？勘巢坑蒻isumi鋁型材中30mm*60mm鋁合金型材和支架組裝成。型材之間使用快速鏈接滑塊連接，使用支架固定。可以將人體軀干部分固定在靠背部分，從而借助腰部單元的氣缸實現(xiàn)提供動力的目的。樣式如下圖[8]： 氣缸部由misumi[4]直線導(dǎo)軌中滑塊加寬加長型微預(yù)壓型導(dǎo)軌、氣缸座和帶導(dǎo)桿型氣缸組成。導(dǎo)桿可以帶動滑塊運動。，氣缸用M3的螺栓固定在氣缸座上，滑塊和氣缸推桿連接起來。如下圖： 手臂部由三個桿和一個小臂組成。具體設(shè)計如下圖：桿1為了使各桿之間沒有運動干涉，使用了平行四邊形機構(gòu)，并且其中桿1的設(shè)計使用了叉狀，避開了各桿重心不在同一表面導(dǎo)致有扭矩存在的尷尬，長桿的長度與人體大臂的長度一致，小臂部分為了讓個使用者能夠舒服，特意設(shè)計了一個符合人體結(jié)構(gòu)的外部設(shè)備。桿之間使用直徑為6的平頭鉸連接。兩個手臂可以分別動作，分別動作的好處：1）可以調(diào)整被抱起老年人的姿勢。使被護理人員能感到最大程度的舒適度。2）可以使護理人員直接面對被護理的老年人，直接與老年人相接觸，減少老年人對器械的恐懼感。增強安全感，由于有了護理人員的參與，使得老年人在心理上又一個更安全的感覺。3）增強人性化設(shè)計，由于加入了人員的直接參與，使得器械的一些不足，比如：不能自己調(diào)節(jié)，不能根據(jù)老人的直接感官反應(yīng)改變出適當(dāng)?shù)膭幼?，來做出調(diào)節(jié)反應(yīng)。這樣使得護理人員在使用護理助力機器的同時，又不降低護理的品質(zhì)，達(dá)到和人護理一樣的護理效果。 上肢的運動機理，氣缸導(dǎo)桿帶動滑塊滑動，轉(zhuǎn)化成桿1的空間運動，進(jìn)而借助于平行四邊形機構(gòu)轉(zhuǎn)化成手臂桿組的聯(lián)合伸縮運動，實現(xiàn)抱緊病人的目的。腰部單元結(jié)構(gòu)對比選擇與組成 在設(shè)計腰部單元時候，提出了兩種方案。 第一種方案是將腰部支架固定，將上肢單元與腰部單元用鉸連接后，使用氣缸驅(qū)動，腰部單元是固定在人身體上的，所以上肢單元通過氣缸作用，得到力，從而實現(xiàn)腰部單元與上肢單元的角度變化完成彎腰的動作。 第二種方案是將上肢單元與下肢單元連接，實現(xiàn)跨關(guān)節(jié)的連接，通過氣缸作用，實現(xiàn)腿部和上肢單元之間的角度變化。 以上兩種方案對比來看，第一種方案優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，沒有跨關(guān)節(jié)，動作曲線單一，相對穩(wěn)定，缺點是活動范圍相對較小，腰部單元的氣缸作用的力可能需要大一些；方案二優(yōu)點是活動范圍大，腰部單元的氣缸的作用力可以小很多，缺點是在行走過程中，在上肢單元與腿部單元之間會有小范圍的干涉。綜合以上因素，選擇方案一來實現(xiàn)腰部單元。 腰部單元由misumi中型材拼接成的腰部框架、固定型鉸和腰部氣缸固定裝置組成，之間用M4內(nèi)六角固定螺絲連接。腰部單元示意圖如下： 氣缸連接在上圖右端的固定型鉸上，與上肢單元的靠背的下端連接，組成腰部供力機構(gòu)。具體組裝見下圖：下肢單元 由于在完成護理動作的時候，有時候會需要進(jìn)行曲腿動作，這樣在下肢單元設(shè)計最初定的方案也是仿造人體骨骼來進(jìn)行仿生，在大腿與小腿之間增加氣缸做助力氣缸，這樣的優(yōu)點在于人體穿戴起來會比較舒服，因為與人體結(jié)構(gòu)相似，發(fā)力等都會比較合適，但是由于這樣的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致行走不便，在行走過程中，對氣缸的排氣與進(jìn)氣的功率要求比較高，并且在行走過程中人體腿部對腿部氣缸的依賴并沒有想象中的那么大，所以接受了老師的意見，將腿部單元的結(jié)構(gòu)改成了直線導(dǎo)軌型，在導(dǎo)軌之間安置氣缸以作動力驅(qū)動，這樣的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，機構(gòu)在動作的時候不需要彎曲，這樣對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就有了保證，而且在人體彎曲腿的時候，可以根據(jù)設(shè)計的自鎖機構(gòu)來實現(xiàn)腿部直線結(jié)構(gòu)的長度變化，完成曲腿前進(jìn)的動作，在需要發(fā)力時，氣缸動作便可以直接驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)如下圖：下肢單元[6]由球鉸、接頭、內(nèi)外導(dǎo)軌滑塊、氣缸、連接件、自鎖裝置、方軸、套筒和踏板組成。下肢單元通過上部的球鉸與腰部單元連接，內(nèi)外導(dǎo)軌用于抬腿或者氣缸伸縮調(diào)整位置用，也用于承受重量。氣缸的連接通過直徑6的平頭鉸連接。自鎖裝置的設(shè)計與應(yīng)用設(shè)計自鎖機構(gòu)的工作原理自鎖的實質(zhì)是作用在構(gòu)建上的驅(qū)動力的有效分力總是小于由所引起的同方向上的最大摩擦力。判定有四方面：（1）對于移動副，當(dāng)驅(qū)動力作用在移動副的摩擦角之內(nèi)時，將發(fā)生自鎖；對于轉(zhuǎn)動幅，當(dāng)驅(qū)動力為單一力，并作用在摩擦圓之內(nèi)時，將發(fā)生自鎖；對于螺旋副，當(dāng)螺紋導(dǎo)程角 將發(fā)生自鎖。（2）若計算所得到的機械的生產(chǎn)阻力，在驅(qū)動力任意增大時均足夠大，則該機械發(fā)生自鎖。因為這說明當(dāng)驅(qū)動力任意增大時，機械都不能運動，要生產(chǎn)阻力反向變?yōu)轵?qū)動力才能促使機械運動。（3）當(dāng)驅(qū)動力任意增大時機械的效率小于等于0，則機械發(fā)生自鎖。（4）若作用在構(gòu)件上的有效驅(qū)動力始終小于或等于其所引起的同方向的最大摩擦力，則機械發(fā)生自鎖。由以上原理則知，本設(shè)計中所用到的自鎖機構(gòu)產(chǎn)生自鎖的原理如（2）。在F拉力的作用下，方軸與銷軸之間有摩擦力f產(chǎn)生，并且在彈性鋼絲的作用下，帶動鏈板有被張開的趨勢，即在方軸和銷軸結(jié)合的地方將會壓緊 ,產(chǎn)生更大的壓力Ｆ和摩擦力f，在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)增大，f也增大，但是始終Ff，則此時，機構(gòu)發(fā)生自鎖。 滑動自鎖機構(gòu)原理圖自鎖機構(gòu)的校核計算本設(shè)計中的自鎖機構(gòu)，方軸的材料為40C