基于老年生理的電動拐杖椅設計研究

遲春曉 崔 昊 季 浩 馬夢陽

（東北林業大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱150040）

自上世紀以來，人口老齡化成為全球共同關注重要問題之一，老年人產品也成為業界和學界設計研究焦點。歐美國家進入老齡化社會時間略早，其老年人產品系統也相對完善，種類眾多且不斷有高新技術被引入設計研發中[1]。相對而言，我國老年人產品起步較晚，且存在商品同質化、功能單一或過于繁瑣的問題，不能將產品本身的服務效率發揮到最大。

拐杖是大多數老年人生活必需品，在行走過程中有平衡身體、借力支撐的功能，但在坐下、起身過程中并不能給予主動幫扶作用。基于上述問題，文章提出拐杖椅設計方案，通過對老年生理力學、關節自由度、人形體尺寸的研究分析，科學性將拐杖和椅子兩種功能相結合，滿足老年人對產品功能需求，推進老年產品科學性發展。

1 老年人生理力學分析

人體運動系統主要由肌肉、骨骼、關節構成，其中肌肉作為動力源，骨骼起到杠桿作用，關節則將他們連接起來，共同完成運動流程。人體肌肉力量在10-14 歲時開始迅速增長，在22-25歲達到最大，在50 歲后每年將有1%-2%的肌肉丟失量和1.5%的肌肉力量下降，在65 歲時肌力只有最大值的60%。據相關實驗分析，70 歲人群與30 歲人群相比，骨骼肌減少了4.12kg，四肢肌肉減少了2.96kg[2]，下肢肌肉減少量較上肢而言更為明顯。

肌肉萎縮造成力量減退，骨骼中鈣質流失、骨質疏松使身體變得脆弱，關節磨損和韌帶彈性、韌性下降導致老人整體協調能力失衡，加之感知系統、神經系統功能弱化，老年人整體運動機能處于衰退狀態。腿部肌肉流失導致支撐力量不足，這就使得老人在行走時易重心不穩，不能很好地掌握身體平衡，在完成身體狀態大幅改變的行為活動，如坐下或起身過程中存在很多安全隱患，所以在電動拐杖椅設計中需要考慮老年人生理力學，對產品進行細致的功能規劃。

2 老年人關節自由度分析

人體關節自由度決定人類行為活動范圍，在研究人體下肢運動過程中，主要下肢骨包括下肢帶骨和自由下肢骨，其間通過三個重要關節點，即髖關節、膝關節和踝關節連接。sit-to-stand 生物力學實驗（STS）是專門研究人體坐、起整個過程中身體運動系統下肢功能狀態的力量分析實驗[3]，以人體從坐到站的過程為例，涉及的主要三個關節主要為：髖關節、膝關節、踝關節。

身體從坐姿態變化到站姿態過程中需要經過四個階段，如圖1 所示，描繪了老年人從坐姿到站姿的過程節點圖。第一階段是當老人需要起身時，此時老人處于靜坐狀態，膝關節、髖關節彎曲，身體依然處于放松狀態，整個身體重量依靠椅子支撐；第二階段是準備起身階段，此時身體微微前傾，有向上活動趨勢，椅面對身體的支撐力減小，小腿從踝關節處向前傾斜，重心前移，并以膝關節為發力點，延大腿、小腿向髖關節、踝關節發力；第三階段是半蹲狀態，臀部完全離開座面，主要由大腿在髖關節處的垂直分力提供向上支撐力，此時膝關節受到最大力矩，也是需要拐杖椅提供最大輔助階段；第四階段是完全直立，此時髖關節、膝關節、踝關節處于一條直線上，依靠腿部力量支撐身體，同時身體重心上移，容易出現失衡狀況，需要拐杖幫扶平衡身體。

圖1 老年人從坐姿到站姿過程節點圖

3 老年人形體尺寸分析

形體尺寸在產品設計中起著重要的指導作用，產品尺寸、形態與人體的適配度越高，則其易用性和舒適程度越高。《中國成年人人體尺寸》GB10000-88 中有詳盡的測量數據，但其涵蓋的上限為60 歲男性和55 歲女性，在這年齡之上的人體尺寸數據記載處于空缺狀態。而由于步入老年階段后，骨骼中鈣質流失，脊椎會出現失水、收縮等情況，造成人體尺寸縮減。盡管歐美各國存在對老年人形體數據的相關研究，但并不適用于我國老年人群體。相關數據顯示，60-80 歲老年人身高與其30 歲時相比，男性群體平均下降1.9%，女性群體則高達4%[4]。設X 為成年人26-35 歲群組中任一百分點的尺寸數據，X’是老年人群組中任一百分點的尺寸數據，則：

X’男=98.1%X

X’女=96%X

參考人機工程學中產品尺寸選定標準，老年人拐杖椅設計屬于Ⅰ型產品，是涉及人的健康、安全的一般工業產品。因此設計以老年人人體尺寸數值中男性P95 為尺寸上限，女性P5 為尺寸下限，產品滿足度為90%[5]。通過尺寸換算可以得到拐杖椅設計中形體尺寸數據標準，如表1 所示，并繪制老年人人體尺寸，如圖2 所示。涉及的主要數據有：身高、中指指尖高、手功能高、肘高、最大肩寬、坐高、坐姿肘高、坐深、坐姿膝高、小腿加足高、坐姿臀寬。

表1 中國老年人人體尺寸表

圖2 老年人人體尺寸數據圖

4 電動拐杖椅設計

4.1 功能設計

功能是滿足需求的第一要素，電動拐杖椅最大特點在于具有輔助坐起功能，并且是基于對老年人生理力學、關節自由度、形體尺寸的研究，以及STS 實驗過程分析之后而設計，在體現以人為中心基礎上彰顯了設計的科學性。根據前期研究發現，老年人從坐姿到站姿對外力需求最大發生在第三階段，此時需要更多的外力輔助身體直立，設計以電動推桿作為動力源，將推桿的延長轉化為座面傾斜抬升，座面轉動過程中遠離軸心部分主要為髖關節區域提供向上的外力幫扶，軸心處保護膝關節，以補充老人下肢力量缺失，實現幫扶坐起功能，如圖3 所示。

圖3 輔助老人起身過程示意圖

4.2 結構設計

電動拐杖椅能夠通過折疊結構變化實現兩種主要功能，即作為行走時使用的拐杖和作為休憩時使用的座椅，后者在老人坐、起過程中能夠給予外力幫扶。

當作為座椅使用時，如圖4 所示，支撐桿1、支撐桿2 由軸心旋轉，兩部分末端卡接，產品自中間分開，座面布也隨之展平，座面桿、座高桿、地面桿之間由連接片連接，電推桿、支撐桿3 保證了靜止狀態下的直角支撐，形成一個可休憩的座椅。

圖4 電動拐杖椅（座椅態）

當作為拐杖使用時，如圖5 所示，產品兩側對稱部分合并，握把部分將組合成貼合用戶手掌曲線形態。座面桿與座高桿共同成為拐杖的主體豎直支撐部分。地面桿旋轉270°收納后，支撐桿3 作為拐杖的地面第二支撐輔助點，增加了老年人行走時平衡感。

圖5 電動拐杖椅（拐杖態）

4.3 尺寸設計

拐杖椅設計科學性不僅體現在合理的結構設計上，同時滿足老年人人機工程學，傳統設計依據《中國成年人人體尺寸》GB10000-88，研究發現老年人人體尺寸與成年人之間存在一定差距，因此通過關系轉換后得到拐杖椅各部分尺寸如下：作為拐杖使用時，參考老年人手功能高在623mm-787mm 之間，設定其整體高約為900mm，握把形態貼合人體手掌曲線，總長為150mm；作為座椅使用時，參考老年人小腿加足高尺寸區間為331mm-439mm，同時考慮到衣物鞋履功能修正量，設定座高桿長為400mm，由于老年人坐深在387mm-484mm 之間，設定座面桿長為400mm；參考坐姿臀寬299mm-344mm 區間范圍，將支撐桿1、支撐桿2 的長度定為205mm，主體桿均采用20mm×20mm 鋁合金方管，提升產品的著地穩固性。

結束語

文章以老年人產品設計為切入點，以老年生理為設計依據，以電動拐杖椅為設計載體，通過對老年人生理力學、關節自由度、形體尺寸分析，指導電動拐杖椅功能、結構、尺寸科學性設計。經過創新設計的拐杖椅既可以提供老年人行走時平衡支撐，又可在其需要休憩時搭建座椅，并且提供外力幫扶以彌補老年人在坐、起過程中下肢力量不足。產品在功能、結構和設計方法上進行創新，為后續老年人產品設計提供參考依據，具有實際設計研究意義和市場推廣價值。