基于老年人站立分析的輔助站立機構優化設計研究

雷銘達 徐漢斌

摘要：為設計出更適合老年人的助老站立裝置。本文以助老站立裝置中的輔助站立機構的設計為切入點，針對現有助老站立設備的不足，在深入分析老年人站立特征的基礎上，參考人機工程學的人體尺寸，搭建了幫助老年人起身的輔助站立機構的三維模型，接著，根據老年人站立中的需求運用ADAMS軟件對機構進行優化設計。改善了機構的傳力效果，改進了坐板速度過快的不足。運用ADAMS進行參數化優化設計后的輔助站立機構能提供更為人性化的服務，該訪法可為助老站立產品的創新及設計提供參考。

關鍵詞：老年人?輔助站立機構?ADAMS?優化設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）08-0102-04

引言

隨著社會發展和人類平均壽命的增長，我國老齡化程度不斷加深。根據國家統計局發布的數據顯示，2019年末，全國人口中65周歲及以上人口占總人口的12.6%61。老年人的健康成為社會日益關注的焦點問題，由于老年人身體機能隨年齡的增長而下降，老年人日常起身愈發困難。在此社會背景下，助老站立設備的需求逐年增加，然而，如今市場上的助老站立設備在人性化方面存在欠缺，許多產品在輔助老年人站立時無法全面顧及到老年人站立時的需要，遠遠不能滿足老年人使用需要，要想設計出適合老年人的助老站立設備，需要對老年人在站立過程中的需求進行深度分析，其中，輔助站立機構作為助老站立設備中的重要部件，在設計過程中根據老年人站立需求對機構進行優化設計成為其在設計過程中的一項重要工作。本文針對輔助站立機構進行優化設計，在人體站立特征分析的基礎上，搭建輔助站立機構的三維模型，在老年人站立需求分析的基礎上，運用ADAMS對機構的傳力效果和運行速度進行了優化設計。

一、簡述優化設計與輔助站立機構

（一）優化設計概述

本次設計通過使用ADAMS軟件進行仿真分析和參數化優化設計，采用“設計需求研究-三維模型建立-虛擬樣機仿真-參數化優化設計”的設計流程。首先分析人體站立特征與老年人站立時的特殊需求。接著，根據設計思路和人體站立特征搭建三維模型。之后將搭建好的模型導入到ADAMS軟件中進行動力學仿真發現機構中存在的問題。最后，根據老年人站立時的特殊需求，有目的地對機構進行優化設計。

（二）優化設計在輔助站立機構設計中的應用

輔助站立機構是助老站立設備中的重要組成部分，其功能是在老年人站立的過程中提供輔助，減輕老年人站立時的負擔，避免發生意外。由于老年人身體機能下降，無法提供較大的力以及難以承受較大的沖擊，因此，輔助站立機構需要有較好的傳力特性。此外，輔助站立機構還需要滿足老年在站立時的各種需求。使用ADAMS軟件不僅能夠進行機構的動力學仿真，還能進行優化設計，通過優化設計一方面要改善機構的傳力特性，讓老年人可輕松使用，另一方面，要改變機構中零件的運動特性，防止其對老年人造成損傷。

二、老年人站立特征與需求分析研究

（一）人體站立時的基本特征

人體站立時的基本特征是指正常人在站立過程中普遍展現的特征，包括站立過程、足底壓力的變化等方面。站立過程可分為3個階段，第1階段：髖關節活動，上身前傾，重心向前;第2階段：臀部與座位分離，膝關節活動，腿部肌肉收縮，重心向上向前;第3階段：身體在各關節協調配合下運動，重心到達最高點，并實現站穩[4]。老年人下肢力量，尤其是膝蓋力量的減弱，是影響其不能有效站立的主因[5]，因此老年人需要利用輔助站立機構幫助其完成站立過程，在實際運行的過程中，輔助站立機構運動與老年人站立過程相似會使老年人站立時更為舒適，膝關節負重更小。

在站立過程中人體足底壓力的變化呈現出一定的規律。臀部尚未離開座椅時，足底壓力的大小在200N附近，當臀部與座位分離后，足底壓力在短時間內迅速升高并超過人體自身重力，在身體站穩前，足底壓力一直在重力附近波動4。使用輔助裝置完成站立的主要作用就是減輕下肢的負擔，使足底壓力在起立過程中緩慢增長，從而較好地保護下肢關節。

（二）老年人站立時的需求

老年人在衰老過程中，其肌肉力量會持續性下降，因此對老年在站立所需時間、站立過程中的速度等方面存在的特殊需求進行了如下的分析。在設計時還需要參考人機工程學中的人體數據，一方面使機構更符合老年人的身體特征，另一方面在進行仿真分析時更符合實際情況。

1.站立所需時間需求：助老站立設備主要針對的是站立困難和無法自主站立的老人，因此將深度老齡肌力下降最大49%[1]作為參考比例，進而得出深度老年人相對于年輕人只有51.9%的行動能力，因此，老年站立所需時間為年輕人的1.93倍，年輕人站立時需要花費的時間大致是2秒[5]，老年人站立時需要花費的時間理論上應為3.96秒，考慮到使用助老站立設備會減緩站立過程，因此在設計過程中將老年人站立時所需要的時間設為5秒。

2.站立時的速度需求：起身時速度過快會導致老年人前傾摔倒，速度過慢會增加老年人膝蓋的負重，一般情況下，老年人站立時身體重心的安全速度、閾值速度和危險速度為72.8mm/s，103.8mm/s，125.2mm/s[1]。

3.設計時參考的人體數據：助老站立裝置屬于l型產品并涉及人健康和安全，因此需要兩個人體尺寸百分位數作為參考尺寸的上下限6。由于出現站立困難的老年人平均年齡大于人體尺寸數據中的最大年齡，對應的人體尺寸會發生變化，因此在設計時選用人體數據中最大年齡且數值范圍較大的人體尺寸作為參考，所以在機構設計時將男性第99百分位尺寸和女性第1百分位尺寸作為參考尺寸的上下限。在進行動力學仿真時，為滿足絕大多數老年人需求，人體總重量設定為滿足第95百分位老年人群體所需要的75kg[10]，按照人機工程學中的計算標準，上肢軀干及身體其他部位重量為體重的69.4%，上肢軀干重量設定為52.05kg[5]。

三、輔助站立機構設計及仿真分析

（一）設計思路

機構需要根據老年人站立特征與需求改變從動件的運動軌跡，因此，將輔助站立機構設計成可以通過改變構件尺寸就可以改變從動件運動的連桿機構?？紤]到需要添加老年人根據自身情況調整坐板運動軌跡的功能，因此設計一個與扶手相連的滑動部件，在老年人站立過程中不斷下壓扶手可以使其向下滑動叨。此部件起到的作用一方面是充分利用老年人上肢力量和站立過程中軀干部分的重力幫助其完成站立過程并且調整坐板處的運動軌跡，另一方面是幫助老年人更快地調整重心，使其更快地調整好平衡，降低造成跌倒等事故的可能性。考慮到老年人站立時從臀部給予支撐對老人而言會更加舒適，因此采用了從臀部給老，人以支撐的輔助方式。此外，由于老年人上肢力量不足并且在站立初期老年人重心較低，無法使滑塊運動，因此需要使用推桿提供額外的力輔助老年人站立。

輔助站立機構具體的工作流程分為三個階段，第1階段，老年人重心向上向前，此時幫助老年人站立的主要動力來源于推桿的力，老年人對把手的力只起一定的控制作用;第2階段，老年人站立的同時使得其上身的重力不斷加在把手上，為老年人向前向上運動提供額外輔助;第3階段，老年人繼續運動至完成站立，在這一階段，坐板只提供很小的推動力。

在機構設計時，需要根據功能參考人體數據[6]。老年人站立后扶手恰好位于其手功能位置，因此需要參考的人體參數有手功能高。扶手需要設計在老年人可以握住的地方，因此需要參考上臂長和前臂長等人體尺寸，輔助站立機構整體設計在老年人前方幫助其完成站立過程，因此需要參考臀膝距。表1為設計機構所需的身體尺寸。

（二）三維模型的建立

根據人體站立特征以及設計思路的指導，結合現有的助老站立設備，確定了具體的設計方案，使用SOLIDWORKS軟件建立三維模型，三維模型圖如圖1所示，輔助站立機構由六個桿件、一個推桿以及滑動部件組成。水平連桿最左端通過軸與坐板相連，滑動部件包含左右兩個光軸滑塊、扶手以及其他連接件。

（三）仿真分析

為探究設計完成的機構的工作性能，將模型導入ADAMS進行動力學仿真分析，包含以下步驟：

1.簡化模型，輔助站立機構的主體由連桿組成，在實際運行時滑動部件在老年人對扶手力的作用下向下運動，因此將滑動部件簡化為可滑動的滑塊，將模型中使用的固定座和光軸刪除，將推桿替換成可相對平移運動的桿件的組合，將坐板近似看作連桿一端的點。

2.導入模型，添加驅動，在鉸接處添加轉動副，在推桿和滑塊處添加平動副。

3.添加驅動，添加力。根據上述老年人站立分析可知，在坐板和滑塊處各施加一個隨時間變化的力可近似替代老年人對坐板的壓力和老年人雙手對于扶手的作用力，設置兩處力的情況如圖組2所示，此外，參考現有推桿數據，設置推桿替代部分對水平桿件的推力為1200N，其自身相對滑動速度為10mm/s。

考慮到老年人站立時的特殊需求，對與坐板相連接的點的速度進行測量并通過仿真繪制其速度隨時間變化的曲線，如圖3所示，通過曲線圖可以看出，連接點的最大速度達到225mm/s，遠超老年人站立時的危險速度，在實際運行時會造成老年人跌倒。此外，在仿真過程中還發現，施加在扶手上的力較小時并不能使滑塊滑動，雖然老年人起身過程中上身的部分重力會施加在扶手上，但不同老人在體重、身體尺寸等方面存在較大差距，因此，需要通過優化設計使扶手上的力在更小時便可使用。

四、優化設計

優化設計一方面是要改善傳力特性，讓老年人施加較小的力就可推動滑塊;另一方面，要通過優化設計降低H點的速度，避免速度過快將老年人摔倒，對機構進行優化設計要經歷的流程如圖4所示。

輔助站立機構中各鉸接點的位置為其主要參數，本次分析中將各鉸接點的橫、縱坐標作為設計變量，設計變量的名稱按順序從DV_1排列至DV_9，完成后的參數化模型如圖5所示。在H點和G點分別添加老年人對坐板的力與施加在滑塊上的力，兩處力的大小如圖組3所示。

（一）改善傳力特性的優化設計

因為G點處的力和H點處的力為固定的隨時間變化的函數，因此，將測量目標設置為F點的橫坐標，通過優化設計要使F點的橫坐標在更短的時間內開始變化。

設計研究主要研究單個設計變量在特定范圍內取不同值時虛擬樣機性能的變化口。在功能分析的基礎上參考人體數據確定各設計變量初始值與取值范圍，之后將所有設計變量的絕對變化范圍設定為士1，并進行設計研究，得到的結果如表2所示。

從表中可以看出，設計變量DV__7和DV__8在初始值處敏感度的絕對值相對較大，即POINTF_X和POINTF__Y的位置變化對虛擬樣機的影響相對較大，因此將DV__7和DV__8設為主要設計變量，在之后的設計中只考慮主要設計變量對虛擬樣機的影響。

試驗設計主要研究多個設計變量組合變化時虛擬樣機性能的變化。選取兩個主要設計變量進行試驗分析，圖6為試驗設計結果，兩個設計變量在每次實驗中的取值用表3表示。

根據試驗設計結果可知，設計變量DV_7和DV__8取值越大曲線在2.5秒后變化越大，因為力隨時間固定變化，因此更小的力就可使滑塊開始運動，從曲線可以看出設計變量DV_7設置為349mm和DV_8設置為120mm時曲線變化最為劇烈。

（二）改善H點處最大速度的優化設計

本次優化設計將H點處速度的最大值設定為目標函數，并通過設計研究找出對目標函數影響較大的主要設計變量，設計研究結果如表4所示。根據表格可知，主要設計變量為DV_2和DV_4。

選取兩個設計變量組合進行試驗分析，圖7為試驗設計結果，將目標函數的試驗設計分析數據結果用表5來表示。

根據試驗設計結果和試驗設計分析數據結果可知，當設計變量DV_2取值在14～56，DV__4取值在237.33～280.67，H點的速度小于老年人站立時重心的閾值速度，初步滿足老年，人站立時在速度方面的需求，并縮小優化設計時主要設計變量的取值范圍。

根據上述分析，在進行優化設計時，修改主要設計變量DV__2和DV_4的取值范圍分別為14～56和237.33～280。此外，還需要創建約束來限制目標對象的數值范圍，從而滿足樣機性能及要求21。本文中我們為了滿足老齡站立的需求對H點速度的最大值創建了約束函數，通過優化設計得到優化后的H點的速度曲線如圖8所示，優化結果如表6所示。

結論

輔助站立機構作為助老站立設備重要組成部分，是輔助老年人站立的主要功能件。隨著助老站立設備需求的不斷增長，作為核心部件的輔助站立機構的人性化設計越來越重要。本文根據人體站立特征，使用SOLIDWORKS搭建了一種輔助站立機構的三維模型，之后在老年人站立特殊需求的指導下，將其導入至ADAMS進行動力學仿真后發現裝置在傳力效果和坐板移動速度等方面需要被優化。運用ADAMS優化設計的過程中，在模型參數化后選取各鉸接點的橫、縱坐標作為設計變量，坐板移動速度的最大值和F點的橫坐標作為目標函數，經過設計研究、試驗設計、優化設計，最終確定了合適的參數，為輔助站立機構的設計提供了相關參考。

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