摘 要: 針對老年人在如廁時由于膝關節老化而難以站立的問題，設計了一種基于虛擬樣機技術的自動化助老起升 裝置。首先基于機械原理完成核心機構和裝置的設計，然后利用 CＲE O完成三維模型的建立，再在多體動力學 ADAMS 軟件中建立該虛擬樣機的運動學模型，通過測量指定點的位移、速度、加速度等運動學參數的變化曲線完成仿真 分析，最后在實驗室制造出物理樣機進行實際驗證，該研究結果為后續批量生產提供理論研究依據。 

關鍵詞: 虛擬樣機; ADAMS; 四連桿機構; 運動學仿真

0 引 言 伴隨著社會的不斷進步和發展，人口老齡化的問 題也在不斷加劇，并逐漸成為當今社會的主要問題之 一。經調查，我國每年約有 4 000 萬老人會因地滑摔 倒，其中發生在衛生間里的摔倒事故占 50%，而摔倒 的主要原因是如廁后突然起身導致脆弱的膝蓋無法 承受身體的重量而摔倒，摔倒問題嚴重影響了老年人 及其家人的身心健康與生活質量［1］。國內外已經有 一些學者開始研究相關的產品，市場上已經有一些對 應的產品，但是這些產品還存在實用性不強、結構冗 余、制造成本較貴等問題。雷中貴等采用 Vicon 系統 對老年人從坐姿狀態到站立狀態進行采樣分析，獲取 了能使老年人順利起身站立的安全速度，但未提及采 用的具體的自動化輔助站立裝置［2］。董緒斌等研究 了老年人坐、臥姿態，通過 ANSYS 有限元技術完成了 助老床椅一體化的機械系統設計，此設計雖然可以滿 足基本功能，但是未對機械結構進行優化設計，設計 成本還有降低的可能性［3］。王淑坤等利用 CATIA 軟 件和 ADAMS 軟件對一種助老智能輪椅進行了運動 分析，并通過 ANSYS 軟件對關鍵零部件進行了靜力 學分析，以探究其最大受力和應變，但未體現出整體 結構的疲勞壽命分析，缺少直接投入生產和使用的依 據［4］。芮進通過 ANSYS 軟件設計了一種多功能輪椅 結構，并對其進行了靜力學分析和拓撲優化設計，但 未體現出裝置在受力狀態下的最大變形，整個裝置的 剛度有待進一步探究［5］。 針對上述情況，筆者擬基于人體工學與機械原理 設計一款自動化機械起升裝置，其核心部件是利用電 動推桿帶動四連桿機構實現人體的起升; 通過在 ADAMS 軟件中對虛擬樣機進行運動學仿真，得出該裝 置的運動參數符合人體工程學，從而為助老機械的研 發提供一定的參考和借鑒。

 1 助老起升裝置三維模型的建立 

1．1 設計要求 根據起升裝置的使用條件和基本的設計要求，在保 證老年人的安全性條件下，確定基本的設計要求如下。

（1) 考慮到一般老年人的體重，最大起升人體重 量為 100 kg，起升板的安全速度不大于 72．8 mm /s，工 作狀態結構的最大變形不超過 0．3 mm，以保證整體 的結構強度和剛度［6］。 

( 2) 依據人體工學確定基本框架尺寸，并設定合 適的起升工作角度。 

( 3) 在保證設計標準的情況下嚴格控制成本，整 體框架采用鋁合金型材 6063－T5，連桿機構采用 45 鋼材料，厚度 5 mm，起升板厚度為 7 mm。 

( 4) 裝置在收縮狀態時，起升板處于水平面，且 板的前端可以由鋁合金框架提供支撐。 

( 5) 基于機械原理確定核心連桿機構，如圖 1 所 示; 當 DF 驅動連桿機構完成起升動作且起升板與水 平面夾角 θ 為 16°時，可保證老年人站起時的平衡。

1．2 建立三維模型 

利用圖解法確定各桿件長度，完成核心機構的尺 寸設計。根據裝置的使用環境及人體標準工位尺寸， 確定該裝置的其他構件尺寸及主體框架結構，在 CＲOE3．0 中，根據實際模型尺寸進行 1 ∶ 1 建模，其三 維實體模型如圖 2 所示。

2 ADAMS 虛擬樣機的運動學仿真分析 

利用多體動力軟件 ADAMS 對裝置進行運動學 及動力學仿真分析。 

2．1 模型導入 首先在 CＲOE 中對建立好的裝配模型進行簡化， 在保證模擬真實工況的前提下，省去螺栓、角件等零 件，后續用布爾操作來代替［7］。然后將簡化后的模 型另存為 ADAMS 軟件可識別的．x_t 文件，并導入到 ADAMS2018，完成基本的單位設置。 

此模型中的材料種類較多，見表 1。主體框架為 鋅鋁合金 6063－T5，起升板和連桿材料為普通 45 鋼。

由于三維模型結構較為復雜，需對 28 個零件模 型進行布爾操作，以便優化結構組成，如將主體鋁合 金框架合為一組，其余對稱零件分別合為一組，一共 分為 6 組零件。 

2．2 連接設置 

由于此產品需進行運動分析，故設置完模型后需 進行運動副連接設置，根據 ADAMS 軟件運動庫內 容，裝配體主要由旋轉副、移動副、固定副組成，具體 類型及相關構件信息見表 2。

2．3 施加載荷與驅動 

起升板在靜止狀態下額定載荷為 1 000 N，但是 在運動過程中，根據受力分析，其額定載荷為一個時 間函數，即 F = 1 000 cos( 8t) ，其中 t 為運動時間。由 于推桿的行程為 40 mm，額定速度為 10 mm /s，在電 動推桿中施加類型為 translational 的驅動［8］，其位移 函數為 Function = 10* time，圖像如圖 3 所示。 

2．4 仿真設置 

最后進入 Simulation 模塊，根據模型的實際運動 情況對仿真時長及步數進行設置，進而得到相關運動 參數曲線，自此完成 ADAMS 環境下模型的設置，如 圖 4 所示。

2．5 仿真分析結果 

進入 Simulation 模塊進行仿真，時間為 4 s，步數 為 100，進行交互式仿真，設定豎直方向為 X 向，水平 方向為 Z 向，取起升板后緣( 起升側) 中心點 MAＲKEＲ_59 為觀測點，從而在后處理模塊 PostProcessor 中 獲得起升板在豎直方向( X 向) 和水平方向( Y 向) 的 位移、速度和加速度曲線［9］，如圖 5～7 所示。

由圖得: 在 0～ 4 s 的運動時間段，起升板在變化 載荷的作用下，在豎直方向的速度由 40 mm /s 降為 22．5 mm /s，在水平方向的速度由 2．5 mm /s 降為 0。 起升板在豎直方向的加速度由 15 mm /s 2 降 為 2．5 mm /s 2 ，在水平方向的加速度由 2 mm /s 2 降為 0。 其最大速度和加速度均在閾值允許范圍之內，這表明 該虛擬樣機的核心連桿機構設計合理，運動參數能滿 足安全性的要求［10］。 

仿真無誤后，設計人員按照 1 ∶ 1 比例在實驗室內完成物理樣機的裝配制造，如圖 8 所示。在實驗中 對該樣機的起升角度、起升速度、起升加速度、承受重 量、基本功能進行測試，雖然起升角度、起升速度與設 計參數存在不超過 0．35%的誤差，但考慮到裝配及測 量存在誤差，且物理樣機在實際環境中也能正常工 作，因此反映出通過 ADAMS 軟件進行運動學分析是 準確且可靠的。

3 結 語 

文章基于 CＲOE 軟件完成助老如廁輔助機械裝 置的三維設計，然后在 ADAMS 軟件中模擬真實工 況，對虛擬樣機進行運動學仿真，得出關鍵部位的位 移、速度和加速度變化曲線，從而驗證了該裝置的運 動可行性，此研究為同類助老機械裝置的數字化設計 提供一定參考和借鑒。

參考文獻: 

［1］ 李翠查． 昆明市養老機構老年人跌倒相關因素及運動干預研究 ［D］．昆明: 云南師范大學，2021．

［2］ 雷中貴，傅珈豫，周闖，等．老年人輔助站立椅運動安全性研究 ［J］．軟件，2018，39( 10) : 121－125． 

［3］ 董緒斌，劉曉飛，周小龍，等．多功能床椅一體化助老機器人機械 系統設計與實現［J］． 北 華 大 學 學 報( 自 然 科 學 版) ，2022，23 ( 1) : 126－132． 

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［5］ 芮 進．具有平移功能的變形輪椅結構設計［D］．蘇州: 蘇州大 學，2019． 

［6］ 張 彥．基于 ADAMS 的下肢康復訓練坐姿調節的仿真分析［J］． 合肥工業大學學報( 自然科學版) ，2019，42( 12) : 1615－1619． 

［7］ 牛清娜，楊立潔，尹冬晨．基于 ADAMS 的液壓支架四連桿機構優 化設計［J］．煤礦機械，2017( 3) : 156－157． 

［8］ 劉 靜，林 沖，郭世財．基于 ADAMS 和 ANSYS 的機械臂剛柔 耦合運動學分析［J］．機床與液壓，2020，48( 17) : 25－28． 

［9］ 劉明亮，朱海清，李 超．基于 ADAMS 的安全閥自動上料機械 手運動學研究［J］．輕工機械，2020，38( 6) : 19－23． 

［10］ 任 昭．基于 ADAMS 的三軸數控運動平臺仿真分析［J］．機床 與液壓，2016，44( 8) : 17－20．

文章來源：機械研究與應用