自適應升降式老人起坐防摔助力椅的設計與開發 *

燕衛亮

(陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院， 陜西 西安 710300)

0 引 言

目前我國正處在世界上規模最大，同時也是增長速度最快的人口老齡化進程中。2019年底，我國60歲及以上的老年人口2.54億，占總人口的18.1%，其中65歲及以上老年人口1.76億，占總人口的12.6%[1]。

老年人骨密度下降，骨骼變脆，關節軟骨組織變薄，滑液分泌減少[2]，肌肉萎縮，身體的靈活性及力量都大大減弱，起、坐過程中腿部及手臂力量不足[3]，很容易出現“起坐失敗”的現象，嚴重的可能會造成跌倒摔傷，為老年人的生活帶來許多不便。尤其是對于數量越來越大的獨居老人，因身體機能的衰退，甚至會在行走、起坐中出現一系列安全問題。因此，有必要開發一款合適的助老裝置來有效幫助老人。

針對這一需求，市場推出了各種款式的助力手杖、拐杖[4]，有效解決了老人的行走助力問題。隨著機器人技術的發展，目前不少研究機構正在進行助力行走機器人的研發，以期進一步改善老人行走安全問題[5]。然而，對于老年人起坐助力問題，目前尚未有成熟可靠的解決方案和相關產品。

針對這一現狀，基于人機工程學原理，通過對老年人起坐過程助力方式、姿勢變化、人機距離的觀察，分析起坐過程的人體受力特點，發現老年人在空間內活動時產生的各種需求，在此基礎上設計一款自適應升降式老人起坐防摔助力椅，從而提高老年人的起身便捷性和安全性。

1 工作原理與整體結構

自適應升降式老人起坐防摔助力椅是針對獨居老人由于身體機能老化難以獨立坐下以及久坐后難以獨自站立而設計的全新起坐助力產品。通過座椅面及扶手的協同升降，助力獨居老人坐下和站立。

自適應升降式老人起坐防摔助力椅主要由行走部分、底座升降部分、座椅及扶手俯仰升降部分、靠背等幾部分組成，如圖1所示。由5個腳輪組成的行走部分可方便的實現座椅位置的移動；由升降氣桿和高度調節桿組成底座升降部分可自適應靈活調節座椅面高度，滿足不同身高者的需求；由電動推桿、“幾字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面等組成的座椅及扶手俯仰升降部分可聯動實現座椅面和扶手的俯仰升降，并根據使用者需求自適應調節俯仰高度，助力老人起坐；符合人機工程學的靠背為老人提供舒適的倚靠體驗。

圖1 自適應升降式老人起坐防摔助力椅結構1.椅背 2.聯動升降扶手 3.支撐框架 4.記憶椅面 5.電動推桿 6.升降缸 7.行走部分

2 模塊化部件設計

2.1 座椅及扶手聯動俯仰升降結構

如圖2，由電動推桿、“幾字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面、支架等組成的座椅及扶手俯仰升降部分可聯動實現座椅面和扶手的俯仰升降，并根據使用者需求自適應調節俯仰高度，助力老人起坐。其中，“幾字型”扶手支架為關鍵承載零件，同時承受老人臀部的壓力和手部的支撐力，因此，對其結構的剛度有較高的要求。

2.2 行走部分結構

由五星腳及腳輪組成的行走部分實現座椅位置的移動功能，可在老人不站立的情況下實現旋轉和位移。

2.3 底座升降結構

由升降氣桿、托架和高度調節桿組成底座升降部分可自適應靈活調節座椅面高度，滿足不同身高者的需求。

2.4 支撐框架結構

采用歐標鋁型材作為自適應升降式老人起坐防摔助力椅的主體支撐框架，如圖3，以標準聯接件對各鋁型材構件進行聯接，盡可能減小整體重量并減小加工制造成本。

3 理論設計計算及人機工程學設計

自適應升降式老人起坐防摔助力椅所受載荷較小(單個人的重量)，而設計中所采用的的鋁型材、鋼制聯接件、木質加厚座椅面、鋼制升降氣桿、鋼制托架、鋼制高度調節桿、鋼制五星腳等結構的承載能力遠遠大于單個人的重量。因此，各零件尺寸確定主要依據空間位置及人機工程學確定，且無需校核。此外，通過大量實驗測得，底座升降高度、座椅及扶手俯仰升降高度的調節范圍均在150°左右。由此，可以確定自適應升降式老人起坐防摔助力椅的關鍵技術參數，如表1所列。進而確定各構件的尺寸。

圖2 座椅及扶手聯動俯 圖3 支撐框架結構仰升降部分

表1 關鍵技術參數

通過人機工程學參數精密計算[6]和分析驗證，如圖4，讓使用者重心落在臀部的骨骼上；升降高度調節適合中老年需求；座椅面寬度適中，靠背有較好的回彈性能。

圖4 人機工程學設計

4 力學分析及樣機驗證

該助力椅的座椅和扶手的聯動升降主要依靠關鍵支撐零件——幾字型支架，在助力升降過程中，該零件為整個結構受力最大的部分，但考慮結構輕便和成本低，該零件采用5 mm鈑金折彎和加強筋結構，因此，需要對其剛度進行驗證，如果變形量過大，將增大轉動副的摩擦力，使機構運動卡死。

通過Workbench軟件有限元分析，該零件在設計最大負載200 kg時，如圖5，最大的變形出現在對稱面，最大變形量為0.049 mm。因此，該零件符合剛度要求，不會對機構造成影響。

為了驗證助力椅的結構合理性和體驗舒適性，在考慮成本和維修方便性的要求下，制造樣機進行測試，如圖5。通過實際測試驗證，該助力椅相比于市面已有座椅面垂直起降類助力產品，座椅面及扶手的聯動俯仰升降的創新設計，達到一組動力源實現座椅面俯仰升降和扶手升降聯動的效果，更加符合老人起坐時的助力需求；椅面高度可自適應調節，滿足不同身高者的需求，能夠達到更好的助力效果。助力椅樣機如圖6所示。

圖5 幾字型支架有限元分析 圖6 助力椅樣機

5 結 語

社會老齡化是我國的發展趨勢，急需開發針對獨居老年人的助力裝置。而目前市場上還沒有大規模生產的老年助力的機器，對老年助力椅的研究也不成熟，因此開發和研究新型老年人助力機械前景廣闊。本作品通過電動推桿、“幾字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面等組成的座椅及扶手俯仰升降機構的創新設計，達到一組動力源實現座椅面俯仰升降和扶手升降聯動的效果，能夠達到滿意的協同起坐助力效果，具有廣闊的應用市場。而且該助力椅座椅面和扶手的聯動機構也可應用于需要升降的醫療座椅及醫療床以及康復機械中，具有廣闊的前景。