老年人助起機構設計研究

侯亞辰

（北京林業大學工學院，北京 100083）

隨著世界經濟的發展，人民生活條件優化，醫療水平不斷提高，人口老齡化也逐漸成為一個不容忽視的社會問題。2017 年，全球范圍內60 歲以上的人口已經達到總人口的13%，約為9.62 億人。據推算，2050 年，60 歲以上人口的數量將增長為兩倍之多，2100 年此數量將增長至少3 倍，60歲以上人口數量將超過年輕群體的增長速度。當人步入老年期以后，身體的各項機能都會有所下降，特別是老年人下肢的肌肉力量的減弱，增大了老人由坐到站立過程的困難。如果老年人患有關節類疾病，更會嚴重影響他們的日常活動，加重他們在起坐過程中的負擔。另外，老年人患有神經系統疾病的風險大大增加，很多老年人面臨偏癱等下肢功能性運動障礙的問題，還有很多老年人雖擁有行走能力但卻因起坐困難而無法正常生活。起坐問題已嚴重影響老年人的日常生活及心理健康。如果有外部機構可以提供有效的輔助支撐，便可以大大減輕關節的壓力，不但可以幫助老年人正常起坐，還可以降低老年人起身時因不平衡而引起的摔倒的風險。

1 研究現狀

近年來，國內外許多企業都著力于研究擁有助起功能的座椅，目前，市面上的助起座椅主要可分為電動助起座椅和普通助起座椅兩大類。電動助起座椅在推桿的作用下輔助老人由坐姿到站姿的過程，還可以減輕老人坐下的負擔，但此種座椅價格往往比較昂貴，而且存在許多缺點。目前，已有的電動助起機構結構往往比較復雜，且不易于折疊，擺放在家中較為笨重。普通助起座椅是通過彈簧提供動力，開關打開后彈簧就會給人一個向上的推力，當人壓在上面坐下的同時，座椅會進行復位，從而輔助老人的站起和坐下。普通助起座椅價格較低、控制簡單、結構較小，但相對于電動助起座椅穩定性較差。

除以上問題，目前市面上出售的助起座椅還存在許多不足。市面上的助起座椅幾乎都沒有考慮過椅背部分的結構。座椅升起幫助老人起身時，如果椅背與坐墊的角度不變，將阻礙老人站起時身體的直立，老人的身體不平衡，極易發生摔倒現象，但如果合理設計角度的變化，椅背部分不但不會影響老人起身，還會提供給老人一個有效的輔助支撐力，幫助老人起身更加容易。此外，市面上的助起座椅大多數只是簡單的定軸轉動，沒有考慮到人起身時身體前移這一因素，不符合人體工程學原理，使用者會出現站起困難、重心不穩等現象。而且國內外研究的助起功能往往應用在智能輪椅上，多用于殘疾人的站立訓練，價格昂貴，無法在大眾范圍內普及。有研究顯示，對于沒有下肢殘疾的老年人來說，長時間使用輪椅不僅會出現身體疲勞、腰疼等不適現象，甚至可能導致老年人下肢肌肉力量衰退更嚴重，因此，設計一款新型老年人助起設備具有重要研究價值。

2 機構設計與分析

2.1 機構與尺寸設計

助起設備的機構簡圖如圖1 所示。其中L21=30mm，L22=15mm，L31=5mm，L32=25mm，S4=45mm，L5=14mm， L61=15mm，L62=45m，共同組成助起機構，此機構由6 個連桿和2 個滑塊組成了8 個旋轉副、2 個移動副、和2 個螺旋副，原動件為滑塊A，由一個直線電機驅動，機構自由度為F=3×7-2×10=1。L7、L8、L1與機架L0組成剪式升降機構，用于微調助起機構與地面的初始高度，以適應不同身高的人群。其中，L7、L8與L9之間為螺旋副連接，且兩個螺旋副旋向相反，L7、L8與L1為滑動副連接，當L1為原動件時，由于螺旋結構的自鎖性，機構自鎖，自由度為0。

圖1 機構示意圖

機構坐深是指坐墊表面最前端到椅背與坐墊末端相交線之間的距離，坐深的設計影響腰部的放松和臀部的支撐。如果坐深的設計不合適，腰部與椅背不易貼合，久坐會產生腰部疲勞。

圖2 為國標“中國成人人體尺寸數據B10000-1992”中的人體坐姿圖。

圖2 人體坐姿圖

根據GB5703-85《人體測量方法》中的研究，人在28～30 歲時身高達到最大值，35 ～40 歲逐漸出現衰減趨勢。根據老年人身高的降低率，楊楠在《老年多功能電動輪椅的人性化設計研究》中近似推算出的中國老年人身體部分測量尺寸如表1。

表1 中國老年人（60 歲以上）身體測量部分尺寸（單位：mm）

基于以上數據分析，助起機構坐深尺寸選取為420mm。選取機構在初始狀態下L2與L3之間的夾角為142°，此時，F 點距AB 所在平面的水平距離為185mm。因不同個體的小腿加足高長度不一，為更好地適應不同個體，L7、L8、L0與L1組成的剪式升降機構，可微調助起機構的距離地面的初始高度，其初始高度H=H2-185mm，其中，H2為小腿加足高，不同用戶可根據個體身高差異，轉動L0調節座椅初始高度。

2.2 機構的運動計算

對上部助起機構單獨進行運動學分析，當下部剪式升降機構固定時，L1可以視為固定于機架上，對結構進行簡化得到圖3。

圖3 助起機構簡圖

如圖3 所示，用解析法計算助起機構的運動位置：

改寫成直角坐標的形式：

繼續將上式對時間t 求導得加速度矩陣：

可以得到速度矩陣（6）、（7）和加速度矩陣（8）、（9）

3 機構的運動仿真

按照機構的尺寸信息建立出各個構件，并在各個構件之間定義如圖1 所示的連接關系，在Adams 里建立了二維仿真模型。給原動件輸入一定的運動規律，便可對模型進行運動學或動力學分析，從而檢驗機構設計的合理性。機構運動過程如圖4 所示。

圖4 機構運動過程

利用模型可輸出各個部件的位移、速度、加速度及力的變化情況曲線，從而可對機構進行必要的優化和驗證。設原動件運動速度恒定，當機構在時間范圍內運行時，得到C 點在X 和Y 方向的位移及坐墊S4與水平軸的夾角隨原動件A 位移的變化曲線，如圖5 所示。

圖5 C 點位移及S4 與水平軸的夾角變化曲線

根據葉明在實驗中得到的人在站起過程中，上身軀干和小腿與豎直方向的夾角變化，結合人體小腿長度的平均值，可以計算得到人在站起過程中膝蓋位移的取值范圍。根據檢驗，此機構運行過程中膝蓋位移大小的變化在范圍內，靠背運動變化規律與人體坐起時運動規律較為擬合，符合人體工程學原理。機構運行過程中，坐墊S4與水平軸的夾角變化斜率基本保持不變，由此可知，輔助設備的仰角變化過程平穩，無快速加速和減速等過程，輔助坐起時沖擊小，老人在使用時不會產生不適感，符合設計所預期的效果。

4 結語

助起機構可降低老人坐起時關節壓力，減小摔倒風險，提高老人生活自理能力。本設計通過多連桿滑塊機構組合，以一個電動推桿作為原動件，實現對老人的輔助坐起。通過軟件對機構進行仿真分析，直觀地了解機構的運動信息，便于進行分析和優化，并從平穩性和人體工程學兩方面進行驗證與評價。助起機構符合人體工程學原理，平穩性好，結構簡單，使用方便，符合老年人生理和心理需求。本文已經初步完成原理分析與仿真，但是，結構穩定性和舒適性的提高有待在加工實物后進行改善。就目前老年人和護理等市場需求而言，該設計具有很大意義與前景。