老人如厕助力扶手设计

倪福生 王森

摘要：本设计涉及一种厕所的助力扶手，该助力扶手由平台机构和电机驱动机构组成。其中，平台机构是由电机驱动的剪叉式升降台和扶手组成，剪叉式升降台的支撑杆和扶手均采用铸铝件铸造而成，用以减轻整体的重量。电机驱动系统由伺服电机带动滚珠丝杆，从而带动升降台的升降。为了保证丝杠运行时的安全行程，在整个平台上安装有光电开关，从而达到控制升降高度的目的。

关键词：助力扶手;升降机构;剪叉式;结构设计

1 设计要求和参数

设计要求和参数如下：

（1）平台机构选用双铰链剪叉式升降机构，电动驱动;

（2）升降高度300mm-1000mm;

（3）负载重量：40kg-100kg;

（4）升降速度：25mm/s;

平台机构选用剪叉式升降扶手。剪叉式升降机构根据驱动方式的不同，可以分为液压驱动剪叉式升降机构和电机驱动剪叉式升降机构。

2 电机驱动剪叉式升降机构

电机驱动剪叉式升降机构是通过电机控制丝杠等机构，将电机的直线运动转换成升降台的垂直运动，从而来带动升降台的升降。其结构示意图如图2.1所示。

本次设计的助力扶手应用于居民生活中，考虑到使用环境要求，如使用液压驱动，需要安装液压泵站，对空间包括面积要求较高，故本次设计采用电机驱动剪叉式升降机构。

电机驱动组件是由电机带动滚珠丝杠转动，从而带动两端的支撑杆在滑轨上移动。电动驱动的设计主要是电机的选型计算、滚珠丝杠和滑轨的选型。

3 滚珠丝杠的选型

滚珠丝杠的行程为支撑杆从最低位置运动到最高位置时横向的位置，即，取滚珠丝杠的有效行程為250mm。

（1）确定滚珠丝杠副的导程

根据电机额定转速和X向最大速度，计算丝杠导程。X向运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V，电机最高转速为4500rpm。因为伺服电机可以通过调整输出脉冲的频率来调节速度，故不需要链接减速机。电机与滚珠丝杆直连，传动比为1。X向最大运动速度25mm/s，即1500mm/min。则丝杠导程为

实际取，可满足速度要求。

（2）滚珠丝杠副的载荷及转速计算

滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为0.02，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为0.02。则导轨静摩擦力：

（7）导程精度的选择

根据X向运动的定位精度要求达到0.005mm/1000mm，则任意300mm。长度的导程精度为0.0015mm。

（8）确定滚珠丝杠副规格代号

按照丝杠Ph、d2m、Cam选择内循环双螺母式滚珠丝杆，型号为FYND6310-4，精度等级2级。丝杆基本导程Ph=10mm，丝杠底Xd2m=57mm>14.42mm，外径Xd=62mm，公称直径Xd0=63mm，额定动载荷Ca =48740N >Cam，额定静载荷Cao=156912N。

4 电机选择

根据工作场所的要求，考虑成本等因素，电机选择伺服电机驱动，伺服电机选取松下NASA4系列MDMA152P1V型大惯量电机，其功率：1.5KW，额定转矩：7.15 N.m，电机惯量JM：0.00123 Kg.m2。

X向运动工件及工作台质量估计最大值约100Kg。

（5）加速度产生的负荷扭矩：

根据设计要求可知：X向工作台运动速度为v=25mm/s，对应电机转速=150rpm，最大加速度为a=40mm/s2，则工作台速度从0升至25mm/s所需时间：

（6）电机总扭矩：

所选择电机额定扭矩为7.15N.m，大于计算电机总扭矩3倍以上。所选择电机扭矩符合要求

（作者单位：临沂大学）