智能助老起坐椅的設計與實現

李云飛 楊賀剛 商俊輝 楊晰予 高涵豫

摘要：“智能助老起坐椅”適用于腿腳不便的人群，尤其是因年邁體衰、關節受損、慢性疾病、偏癱中風引起的站立、坐下、行走康復鍛煉困難的老年人，能夠幫助他們輕松站起與坐下，同時能夠調節座椅行走的速度輔助老人行走以及康復訓練，從而提高老年人的生活自理能力，增強了老年人群體的幸福感。該產品具有的“起立”“坐下”“躺下”“移動”等功能，能夠極大方便老年人的日常生活。該裝置價格便宜，可廣泛應用到每個家庭，具有良好的市場前景。

關鍵詞：起坐椅;起立;坐下;躺下;移動;康復鍛煉

目前中國人口已經進入老年型，老年人口高齡化趨勢日益明顯，60歲及以上高齡老人正以每年5%的速度增加，預計到2040年將增加到4.1億人，而65歲及以上老年人口占總人口的比例將超過20%，可以預見，21世紀前期將是中國人口老齡化發展最快的時期。

針對智能輪椅的研究已有相當長的時間，但是基本上多為殘疾人設計，而老年人群體屬于自然的生理退化，尚未構成殘疾，更不是患者，而且智能輪椅價格昂貴，并沒有被廣大用戶消費群體接受。而且同時研究發現在長時間使用輪椅過程中，有身體疲勞、腰疼等不適的現象的出現，而且長時間坐在輪椅上可能會使老年人下肢肌肉力量衰退的情況更為嚴重，最后使老年人僅剩的運動技能荒廢[1]，嚴重影響了老年人的身心健康，給家庭和社會帶來了巨大的負擔。

一、智能助老坐椅總體結構設計

（一）功能設計

本座椅機器人的主要功能包括：自動升降椅座可任意調節使用高度，智能輔助起立，智能輔助坐下，座椅站立模式、移動模式、座椅模式、平躺模式四種形態的隨意切換，以及座椅站立模式下智能調節移動速度輔助使用者進行康復鍛煉[2]。

（二）輪椅總體結構

該機械主要有三大主要結構組成，分別是椅背結構、底座結構、腿部結構。

椅背結構與底座結構之間通過桿件與軸承配合鏈接，通過伸縮桿調節角度;腿部結構和底座結構亦是如此。

（三）座椅連桿滑塊抬升機構

我們的產品支撐板上部與上底板鉸接，中部與連桿鉸接，下部通過光桿2連接于滑軌2上，連桿通過光桿與滑軌相配合步進電機通過聯軸器與絲桿相連，滑塊與絲桿相連接。步進電機啟動，絲桿帶動滑塊做平移運動，滑塊帶動連桿旋轉，連桿帶動支撐板旋轉，上底板抬起。（如圖2所示）

二、智能助老起坐椅各部分工作原理

本產品的獨特之處在研發過程中考慮了老年人目前的因腿部力量不足而無法正常行走甚至不能行走的情況，充滿人道主義精神，進行對于這類群體的輔助，以及幫助行動不便或者生活中存在安全隱患的老人群體，解決老人起坐、躺倒起身等困難，甚至可以有效使老人脫離意外受傷帶來的痛苦，從而使年老者可以安心舒適的享受晚年生活[3]。根據實現功能的不同，該產品工作時可分為四種模式，分別是助老行走模式、助老站立模式、助老座椅模式和助老躺椅模式。

（一）座椅輔助站立模式

全自動助老起坐座椅在完成助老站立（如圖3）動作時分為兩個過程，第一過程是老人以坐姿坐在椅子上時椅子是折疊狀態，此時當老人通過控制器按鈕（圖3：1-控制器）發出起立指令進入第二個過程。腿部擋板（圖3：2-腿部擋板）后側的電機（圖4：1-電機）帶動絲杠（圖4：2-絲桿）旋轉收縮，拉動平放在腳底下的腳托（圖4：5-腳托）旋轉至座椅腿部擋板后側豎直存放好。椅背（如圖3：6-椅背所示）、椅座（如圖3：8-椅座所示）、腿部擋板同時運動，此時椅背后側伸縮桿收縮，帶動椅背運動，使椅背逐漸與椅座在同一平面。同時椅座后側電機帶動絲杠轉動拉伸，推動椅座獨特的四連桿折疊機構進行空間錯位運動向上展開，將椅座推至垂直高度最終椅背、椅座、腿部擋板處于同一豎直平面處，此時座椅完成直立運動。整個過程的速度適中，并且椅背、椅座、腿托三者同時配合運動，此時人體整個是靠在椅子上面，為保證安全性老人可以系好安全帶，確保老人在三者運動的過程中可以緊緊貼合座椅。

（二）座椅輔助移動模式

座椅在助老站立模式下，按下控制器（圖3：1-控制器）按鈕，腿部檔板后側的電機（圖4：1-電機）帶動絲杠（圖4：2-絲桿）旋轉收縮，拉動平放在腳底下的腳托（圖4：3-腿部擋板）旋轉至座椅腿部擋板后側豎直存放好（腳托結構圖如圖4所示）。此時后輪大扭矩直流電機開始轉動使座椅向前移動（座椅將裝有速度控制器用以調節后輪的行進速度），雙手抓牢座椅扶手（圖3：5-扶手）便可以在輔助座椅的推動下向前行進，輔助老人進行行走鍛煉和以及后期的康健，相當于一個具有全方位防護功能的拐杖。

（三）座椅輔助坐下模式

座椅在完成坐下動作時分為兩個過程，第一過程是老人站在腳托上，倚著座椅，通過控制器按鈕發出坐下指令。此時進入第二個過程，電機和推桿開始工作，首先在椅座后側步進電機帶動下椅座后側絲杠旋轉收縮，拉動轉椅座獨特的四連桿折疊機構進行空間錯位運動，將椅座平鋪放下。在椅座運動的同時椅背后側的伸縮桿進行拉伸，腿部擋板后側的絲杠拉伸帶動腳托運動至一定角度后水平放置，即讓腳平可放在腳托上。在椅座平緩放置水平時，椅背與椅座逐漸接近垂直，三者配合最終完成坐下動作。

在老人以坐姿使用本產品時，可以通過相應按鈕分別調節椅背、腿部擋板的角度以及椅座升降機構的高度（三大部分的自由度較高），找到最適合老人身體舒適度的座椅狀態。

座椅模式下連接前后輪子和椅子的連接臂可以轉動，進而調節各部分結構的高度和角度，人坐在椅子上，變成符合人體工程學的座椅狀態。與此同時，可以減少神經血管對于老年群體人腦的壓迫，提高人的生活質量，增強老年人晚年生活的幸福感?？梢赃M行事先調整姿態，然后保存，使用者僅僅需要按下按鈕就可以達到事先調整好的狀態，操作簡易，方便老人的使用。

三、結論

本產品“老有所椅”智能助老座椅達到了設計者的初衷，通過將座椅升降結構、座椅連桿滑塊抬升機構、伸縮桿等機構相結合，實現座椅的智能起坐、輔助行走、任意自動切換座椅模式、站立模式、躺椅模式等功能，極大提高了使用舒適度，具有智能化程度高、易于操作、安全性能好等優點，較好地解決了目前市場的智能座椅存在的無法自動輔助老人坐下、無法支撐人體獨自起立的問題，同時考慮了人體自身的舒適度需要、人性設計，改變人體改變形態、提高了智能機械自動化程度，響應目前的政策號召，以及順應目前自動化的發展趨勢，對于老人身體的康復與鍛煉大有裨益。

參考文獻：

[1]王興宇.基于產品設計中人機工程學的研究綜述[J].現代裝飾（理論），2013（01）：110.

[2]吳曉慧.多功能輪椅的結構設計與研究解析[J].科技與創新，2016（17）：106.

[3]孫斌賓.低齡老年人智能座椅設計研究[J].藝術品鑒，2018（23）：303-304.