基于轨迹的助行轮椅锻炼装置优化设计

王立新，张雪雁

(华北理工大学 机械工程学院,河北 唐山 063210)



基于轨迹的助行轮椅锻炼装置优化设计

王立新，张雪雁

(华北理工大学 机械工程学院,河北 唐山 063210)

助行轮椅；锻炼机构；Creo/Parametric；优化设计

瘫痪病人或老年人的四肢因长期保持固定的姿势或行动缓慢，不能得到适当锻炼，容易造成肌肉萎缩坏死等问题。为解决这个问题本文设计了一部具有可调节下肢运动轨迹的锻炼装置的助行器，锻炼装置采用双曲柄摇杆六杆机构，通过调整踏板的位置，以此调整实现适合人体下肢的运动轨迹，使腿部沿着预期的轨迹运动，模拟行走时的步态，锻炼人体的下肢以防止肌肉萎缩，利于康复。通过Creo/Parametric优化设计模块对锻炼机构进行优化设计，获得适合不同人群的最优运动尺寸。

0 前言

随着社会老龄化日趋严重，助行器成了老年人的主要代步工具，并成为许多残障人士多年的伴侣。下肢长时间无法运动，会导致肌肉坏死。国外市场上常见的下肢康复器械主要有主动型和被动型2种。德国的主被动下肢康复器CAMOPED，是以健康的腿带动坏腿进行训练的器械，采用新型材料，重量轻。瑞士联邦大学研制的下肢康复器LOKOMAT，结合悬吊装置辅助病人站立，用平行四边形机构进行身体的平衡，只允许患者上下运动，具有很好的康复效果。北京宝达华下肢康复器械，可以实现被动下肢恢复，也可以利用残余下肢力量进行主动训练，并可以与轮椅进行有效对接。但这些器械价格昂贵，体型较庞大，不适合个体家居需求，为此，设计了一部被动型下肢康复锻炼用的助行器[1,2]，可在行走中实现锻炼的目的。

1 助行器结构及工作原理

目前市场上的助行轮椅都为轻便美观的轮式结构，考虑到患者长期处于轮椅上保持一个坐姿，腿部肌肉关节无法得到锻炼，设计了一款轮式助行和锻炼功能可分离进行的助行轮椅。该轮椅工作原理如图1所示。由支撑结构、助行结构、锻炼装置组成。三轮行走结构，前部万向小轮有支撑前部机架、保持平衡、自动调节运行方向的作用，同时增加一个锻炼机构主动小轮，以传递运动进行腿部关节和肌肉的锻炼。代步时，万向轮着地，锻炼机构小轮悬空。需要锻炼腿部时，调整万向轮卡子，将小轮上调90°，锻炼机构的小轮着地，可进行腿部练习。后部大轮为驱动轮，可充当轮椅使用。锻炼装置采用双曲柄摇杆机构，踏板位于连杆上，踏板可折叠，锻炼时打开，休息时折叠上使用固定踏板助行。

图1 腿部锻炼助行轮椅工作原理图

机构中连接轮子的支架可旋转角度，改变四杆机构的相对位置，同时踏板位置可以调节，以适应不同步长的人群。踏板采用弹性塑料制造，与支承杆间用销钉连接，以适应人足部关节的动作情况。设乘坐者手动刹车和推行者后刹车两种刹车装置，安全便利。

2 按给定的运动轨迹精确点位置设计锻炼机构

下肢锻炼装置的锻炼轨迹必须符合人体运动学基本规律，提供人体步态运动的类似轨迹。各部件通过协调运动带动患者模拟人的正常步态进行锻炼，从而逐渐恢复或提升患者的下肢运动功能。

按人体行走运动规律，助行器锻炼装置的步态执行机构设计为双曲柄摇杆机构使其能够根据连杆的复杂运动规律实现近似统计数据下人体踝关节的运动轨迹。

图2 刚体平面运动关系

(1)

(2)

简写为：

Bj=D1jB1(j=2,3······,n)

(3)

本设计中选择曲柄摇杆机构实现左右足部的锻炼功能，其中固定铰链A点坐标已知，待求点B、C坐标相对给定点M点的轨迹坐标满足上述公式，则有：

同时刚体上的B点C点对转动中心的位置满足定杆长约束方程：

(6)

(7)

当给定连杆上M点的5个精确坐标值，可根据上述方程可以求解出10个变量，即3个铰点的坐标和4个相对第一个位置的转角α1j(j=2,3,4,5)。

本设计在执行过程中遇到由于cosα1j、sinα1j等变量较多，α1j的初值难以合理给定，导致设计的结果出现“错序不连续”的问题。故此，首先采用图解法按轨迹上精确的五点位置与曲柄转角相对应关系进行设计，取定曲柄摇杆机构的各项变量。图解法求解过程及结果如图3所示，其中人体合适的踝关节预期的步态轨迹为近似的椭圆形，如图3所示。

图3 图解法求解四杆机构各运动尺寸

计算得各杆长度分别为：AB=63，BC=147，CD=191，AD=212，连杆上参考点的参数：BM=180，δ=3°。

3 基于轨迹的优化设计[4]

由于图解法的设计误差较大，且无法完全或非常近似的获得所有轨迹上的点，只能精确实现几个点的位置，故借助Creo/Parametric的优化设计模块对锻炼机构进行优化设计。

3.1 优化设计的目标函数和约束条件

根据结构要求确定偏置曲柄摇杆机构的优化设计变量为：

以连杆上点M的坐标与预期轨迹点的坐标偏差最小为寻优目标，按均方根误差建立目标函数为：

约束条件：曲柄存在的条件、四杆机构最小传动角限定条件，定杆长度条件，曲柄应为最短杆，设定机架为最长杆。综合上述，约束条件的数学表达式为：

(2)

3.2 基于三维软件Creo/Parametric的优化设计

3.2.1 运动分析建模

创建装配新文件，并单击"创建装配体"命令，建立曲柄摇杆机构"骨架模型"，选择"运动"类型。在"草绘"命令下，"草绘1"特征中绘制双曲柄摇杆六杆机构，标注各杆长度及角度值，退出草绘器。如图4所示。再单击"创建"命令，分别创建曲柄，连杆，摇杆和机架，选择创建骨架"主体"类型，同时创建各铰点处的"连接"。建立装配体模型下的"参数"，并创建"关系"，在"草绘1曲线"特征下，建立各杆之间的参数关系，如图5所示。

图4 骨架模型及参数定义 图5 参数设置及建立关系

在"应用程序"模块→"机构"中，进行机构骨架模型的运动分析，检查机构运动连接是否合理。获得机构上踏板位置随时间变化曲线及轨迹，如图6所示。创建M点轨迹X、Y坐标2个参量。

图6 踏板位置随时间变化曲线 图7 踏板轨迹

创建分析特征 单击“分析”模块中的“分析”按钮，创建一个“运动分析”特征ANALYSIS1，创建曲柄原动为10rad/s的“伺服电机”，对机构进行运动分析。创建“关系”分析特征ANALYSIS2，按如下几何关系建立曲柄摇杆机构最小传动角计算公式：

设置相应的参数，建立5个约束的表达式。如图8所示。

图8 参数和目标函数及约束关系表达式的设定

3.2.2 优化/可行性设计

"可行性"分析 进行各参数敏感度分析设置，并计算。以统计数据步高为25 mm，步长为120 mm的160～170 cm的轨迹为例，对机构踏板的运动轨迹进行模拟分析，所有参数的设置和运行结果如图9所示。

图9 敏感度分析设置及敏感度图

各分析线图表明，分析的6个参数中，连杆长度和M点位置对目标函数的影响最大，机架长度，初始位置角度对目标函数几乎没有影响，综合分析设定连杆长，M点位置及机架位置角作为参变量，对机构进行优化设计，优化设计对话框及设置如图10所示。

图10 优化设计对话框

计算的优化目标收敛图和优化后的参数如图11所示。

图11 目标函数收敛图及优化参数表

取定优化后的设计参数，并对机构进行运动分析，则运动线图和M点轨迹如图12所示。对比分析表明，轨迹更接近预期的轨迹。

图12 优化后的运动线图和轨迹线图

按上述优化参数创建的助行轮椅三维模型如图13所示。

图13 助行轮椅三维模型

4 结论

(1)利用Creo/Parametric软件设计完成了一款多功能助行器，该助行器尺寸可调，可实现代步和腿部肌肉锻炼等功能。

(2)采用优化设计方法对机构进行尺寸设计，获得可适用于不同身高人群的尺寸解，采用机架位置角度可调和踏板位置可调的双曲柄摇杆六杆机构，实现辅助不同身高腿长的乘坐者的下肢锻炼功能。该助行器适用人群广泛，成本低，可适应市场的需求。该种设计方法在实际产品设计中值得推广。

[1] 吴高水,朱河洁,孙付赛.空间造型的下肢康复设计[J].2008,01-0126-02.

[2] 张秀峰,张晓玉.一种轻便普通轮椅的设计[J].中国医疗设备,2009,24(12)：9-11.

[3] 张春林,赵自强,机械原理[M].机械工业出版社,2012.12.

[4] 韩炬,冯华,黄家文.基于Creo/Parametric的包装机曲柄滑块机构的优化设计[J].包装工程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

河北省大学生创新创业训练计划项目(201310081022)。

TH781

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