基于平面多杆机构的多姿态转换装置设计与验证*

李发强，唐乐为，陈明志，赵登彪，金秋谈

(湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

近五年，中国人口老龄化程度逐年加剧,为改善老年人日常生活品质，已设计了多种助老机械[1-3]。对于老年人，躺姿、坐姿和站姿转换被认为是一项最基本日常活动。郭杰等总结了国内外辅助老年人站立机械装置的研究现状，并分析了现有辅助站立机构特点[4]。目前，主要有两类机构实现坐-站姿转换，即外骨骼和可重构轮椅。穿戴式外骨骼控制直流电动机驱动髋、膝和踝关节运动，实现姿态转换[5]；可重构轮椅被用于辅助坐-站姿的转换动作，可重构轮椅由Watt六杆机构和曲柄滑块机构组成。文献[6]对可重构轮椅只进行了运动仿真，没有进行实验验证。

连杆机构能实现多种特定运动，具有成本低、易于制造的优点[7]。本文在分析了躺-坐-站姿转换动作的基本要求后，设计了一种基于平面多杆机构的躺-坐-站姿转换助老装置，并加工制作了缩比实验模型，完成了运动功能测试。

1 躺-坐-站姿转换基本要求

躺-坐-站姿转换机构设计的目的是使用平面多杆机构实现躺-坐-站姿转换。支撑人体组成部件如图1所示，包括连接靠背、座板、腿支托和脚支托4个主要部件，支撑人体实现躺-坐-站姿转换动作。

图1 支撑人体组成部件

考虑用户舒适度，规定以下三个基本设计要求：

(1) 通过四个组件相对运动，支持三种姿态转换。

(2) 腿支托和靠背同时移动，并始终保持平行。

(3) 脚支托保持水平，扶手与座板平行。

2 机构设计

假设四个组件分别通过铰链连接，并规定为刚性连杆，忽略满足不同人体要求的调整结构设计。因此，最简单的机械设计是用原动件单独控制每个部件，但该设计方案存在两个缺点：①通过4个原动件运动实现人体姿势转换，需要采用复杂的控制策略，否则容易产生运动干涉；②随着原动件个数增加，制作成本将成倍增加。

2.1 躺-坐姿转换

为满足设计要求，基础机构由一个四杆机构A1A3A3A4和两个平行四边形机构B1B2B3A4和C1C2C3A4组成，如图2所示。腿支托运动角度θ∈[0°，90°]，两个边界角度值分别对应躺姿和坐姿。靠背(B1B2)、扶手(B2B3)、座板(B1C3)和腿支托(A4C1)构成平行四边形，使得扶手(靠背)始终平行于座盘(腿支托)。此外，座板、腿支托和脚支托(C1C2)同样构成了平行四边形，座板和脚支托保持平行。虽然该机构只用一个原动件完成躺-坐姿转换，但无法实现站姿。

2.2 躺-坐-站姿转换

为满足躺-坐-站姿转换要求，设计一种新的平面多杆机构，如图3所示。比较图2，新机构使用两个原动件丝杆螺母1和丝杆螺母2控制组件实现躺-坐-站姿转换。座板能移动到垂直方向，实现站姿转换。另外，座板和脚支托不再受平行四边形约束，脚支托适合站姿变换，避免滑落或倒下。

图2 躺-坐姿转换机构简图

图3 躺-坐-站姿转换平面多杆机构简图

根据平面自由度公式，自由度F由下式计算：

F=3n-2Pl-Ph.

(1)

其中：n为自由链接的数量，n=14；Pl为低副数目,Pl=20;Ph为高副数目,Ph=0。将相关参数代入式(1)，计算得到F=2。丝杆螺母1和2为原动件，自由度数等于原动件数，因此该平面多杆机构运动由两个原动件完全确定。

原动件驱动顺序如表1所示，在每个姿态转换时，只有一个原动件工作，有利于控制程序编写，并降低了对系统通信速度要求。

表1 躺-坐-站姿转换对应驱动执行顺序

机构设计使用相似三角形特点，靠背和脚支托运动如图4所示。△ABC～△CEG、△DEF～△FJH、在躺-坐姿转换过程中，靠背(AB)始终与腿支托(EG)平行。因此，当腿支托绕E点旋转时，靠背绕点B旋转。由于点D和E固定在同一高度平面，脚支托(JH)始终与地面保持平行。参照四杆机构分类，△ABC是由滑块、导杆和连杆组成的摆动导杆机构，△DEF是由摇块、导杆和曲柄组成的曲柄摇块机构。

在坐-站姿转换中，固定△DEF和△FJH，将腿支托(EG)固定在框架上。座板(CE)由丝杆螺母1支撑，绕E点向前移动直到垂直。靠背和座板运动如图5所示，坐-站姿转换的基本四杆机构包括曲柄、摇块和连杆，组成曲柄摇块机构。

图4 靠背和脚支托运动 图5 靠背和座板运动

扶手设计成平行四边形结构，扶手始终与座板平行。整体机构运动简图如图6所示。

图6 整体机构运动简图

3 实验

为了验证机构运动过程，制作躺-坐-站姿转换机构缩尺模型，如图7所示。作为辅助老年人自动助力床的一部分，该机构的躺、坐和站三种姿势如图7和图8所示，实现了预定的姿态转换动作。

图7 躺-坐-站姿转换机构缩尺验证模型

图8 躺-坐-站姿转换装置的躺和站姿势

4 结论

本文设计了一种辅助老年人完成躺-坐-站姿转换动作的平面多连杆机械装置。该装置采用了一种仅需两个原动件的平面多连杆机构。在躺-坐姿和坐-站姿转换过程中，仅控制相应的一个原动件运动，另一个原动件保持固定状态。该平面多杆机构由多个四杆机构组合构成，比如曲柄摇块机构和摆动导杆机构，并通过采用相似三角形和平行四边形几何特点满足了三种位姿转换运动要求。最后搭建了多姿态转换机构缩尺模型，并验证了多姿态转换机构设计的有效性。