基于坐立轉換運動軌跡的如廁輔助裝置設計

李遠利，涂細凱,，胡世超，李肖

1.湖北工業大學工業設計學院，湖北武漢市 430068；2.湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢市 430068

坐立轉換是生活中必不可少的動作，健康成年人每天約有(60±20)次坐立轉換運動，是站立行走的必要前提[1-2]。該動作是從一個穩定的姿勢轉換到另一個穩定的姿勢，轉換過程中，需要身體各部位協調，維持身體重心平穩[3]。人口老齡化、腦卒中和脊椎損傷等導致下肢功能障礙患者急劇增加，此類人的肌肉力量只有青年的80%左右[4-7]，導致他們的坐立轉換難以順利完成，所用時間明顯延長[8-10]；提供一定輔助可減少坐立轉換困難。與人工輔助相比，輔助設備可提供更安全、穩定的輔助，減輕護理人員身體負荷[11-12]。

影響坐立轉換的舒適性和平衡安全性因素較多，如壓力、體質量、坐姿、運動軌跡和身體運動速度等[13-16]。劉坤等[17]通過變桿長和變桿位的線性聯動設計，輔助人體從坐到站；陳筱[18]通過感性需求分析獲取用戶設計要素，對坐便器進行整體造型設計；Chang 等[19]基于坐立轉換運動開發自適應的坐立轉換輔助設備；Lee 等[20]通過分析腿部對地面反作用，研究馬桶座圈高度和角度的變化。上述研究滿足了一定功能設計，但還存在一些不足：應用性弱、結構復雜、使用不便[21]；缺乏舒適性與平衡安全性的深入研究；偏向感性設計，產品的可靠性有待驗證；功能單一，整體性能欠佳。

如廁輔助裝置是坐立轉換輔助設備的具體應用之一，如舒適性和平衡安全性不高，會對人體造成危害；如運動軌跡不符合人體自然坐立規律、人體與馬桶座圈之間的接觸壓力過大，都會對使用者產生不良影響。提高如廁輔助裝置舒適性和平衡安全性問題是未來的研究熱點。本研究采用慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)Xsens DOT 姿態傳感器，采集健康人坐立轉換過程中髖關節運動軌跡，采用線性擬合法確定髖關節升降與軀干旋轉的變化關系，獲取人體坐立轉換過程中的最優運動軌跡，并與現有研究的運動軌跡進行有限元仿真壓力比較，優化坐立運動軌跡設計，為如廁輔助產品設計提供參考。

1 坐立轉換運動軌跡

1.1 研究對象

本研究的如廁輔助裝置針對下肢肌力弱化的老年人設計。但由于選擇老年人進行試驗存在一定危險，故選擇健康受試者進行試驗。

2020 年10 月至11 月，在湖北工業大學工業設計學院和機械工程學院招募健康志愿者12例，其中男性7 例，女性5 例；平均年齡26.2 歲，平均身高174.5 cm，平均體質量65.3 kg。

納入標準：①無認知障礙；②無任何影響身體坐立障礙的疾病史；③測試前24 h內未劇烈運動。

所有受試者均了解試驗過程與目的，簽署知情同意書。本研究已經湖北工業大學工業設計學院倫理審查。

1.2 試驗假設

簡化運動模型，所有坐立轉換試驗均在矢狀面內完成，忽略其他平面內的運動；受試者肩、頭挺直，手臂自然放在大腿上保持不動，避免手臂擺動的影響；受試者穿合適的衣服，避免身體和衣服的互動對試驗數據的影響。

所有受試者雙腳固定在同一位置，保持平行，與肩同寬。以腳后跟為原點建立Y-Z 平面坐標系，其中Y 軸表示矢狀面的豎直運動，Z 表示在矢狀面的水平運動。見圖1。

圖1 坐立轉換試驗的起始姿勢

1.3 方法

采用Xsens DOT 姿態傳感器采集髖、膝關節數據。

首先建立人體模型，包含髖關節、大腿、小腿及腳；選用標準50百分位人體數據，將腿長、膝高和髖高調整為與實際大小一致。受試者髖關節股骨大轉子和大腿重心處用綁帶垂直固定Xsens DOT傳感器。

符合人體工程學的馬桶高度為430 mm，故用無扶手且高度為430 mm 的座椅進行坐立轉換試驗數據采集，固定凳腳。運動速度過慢會損害膝關節，運動速度過快會增加跌倒風險[22]，故本研究采用3種速度：慢勻速坐站、中勻速坐站和快勻速坐站，以確保人體坐立轉換的舒適和平穩安全。

受試者接收到“起立”口令時開始坐立運動，每種速度進行5 次坐立轉換，所有動作連貫完成。在坐立轉換過程中不允許出現扭頭、身體傾斜、停止等不正常動作，每次的試驗環境不變。采集坐立轉換最佳動作下的數據。

根據運動特征，可將坐立轉換分為4 個階段。階段1 為初始狀態，身體處于自然坐姿，軀干與座面垂直，身體正直；階段2 為準備狀態，身體前傾，使重心向前接近膝關節，從而產生向上及向前的動力，主要由膝關節以上的軀干部分完成；階段3為起立狀態，身體前傾至合適位置時，下肢發力，膝以上環節繞膝關節轉動，使髖關節離開座面；階段4 為穩定站立狀態，軀干基本直立，站立穩定且平衡。其中，階段2和階段3是坐立轉換的重要階段。

1.4 坐立轉換運動軌跡

人體在自然站立時，可在低肌肉激活強度下維持身體穩定性[23]。獲取自然狀態下坐立轉換的實時運動位置、角度數據，采用Origin 2019軟件統計膝關節平均角度(θ1)、髖關節屈曲平均角度(θ2)隨時間變化的曲線(圖2)，其 中，θ1?(0 91.3°)，θ2?(0 83.9°)。李晉等[24]采用高清定焦相機單幀測量的結果，膝關節角度變化最大值為86.5°，髖關節角度變化的最大值為92.6°，與本研究結果相似。

圖2 三種速度下髖、膝關節角度變化

采用最小二乘法[25]對受試者相同時間內，股骨大轉子在矢狀面上的位置平均數進行擬合，最終得到慢勻速、中勻速和快勻速狀態下髖關節大轉子從站到坐、從坐到站完整周期的運動軌跡(圖3)。

圖3 三種狀態下股骨大轉子的運動軌跡

2 有限元壓力仿真試驗

2.1 運動軌跡比較

分別將本研究采集的坐立轉換運動軌跡數據與李晉等[24]采集的運動軌跡數據，進行不同傾角馬桶座圈有限元仿真分析。

初始坐姿高度430 mm，本研究運動軌跡的升降高度差為350 mm，李晉等[24]運動軌跡的升降高度差為275 mm。當輔助裝置的座圈沿運動軌跡到達最高位置時，座圈旋轉40°，是保證人體與如廁裝置分離的最佳角度[17]。如廁輔助裝置在升降過程中，座圈轉動角度隨高度變化而變化。通過線性擬合法獲得升降高度差與旋轉角度的關系：

其中，式(1)采用本研究軌跡，式(2)采用李晉等[24]研究的軌跡。h為升降高度差，θ為升降時馬桶座圈的轉動角度。

采用線性插值法分別以0°、10°、20°、30°、40°傾角對輔助裝置座圈的升降過程進行靜力學分析。采用腳底壓力傳感器間接測量臀部在坐立轉換過程中的載荷：腳底壓力傳感器置于地面，測試者坐在430 mm 高的椅子上，雙手自然擺放，雙腳踩在壓力傳感器上，依據h與θ的數值關系調整高度與傾斜角度，每組數據采集時間6 s；在誤差允許范圍內，計算升降過程中臀部與馬桶座圈的接觸載荷。見表1。

2.2 有限元分析設置

由于本研究模擬的僅是髖肌后群、大腿肌后群與馬桶座圈的接觸，故將人體模型各部位進行合理簡化[26]。根據標準人體數據重構人體三維模型，并基于人體運動學坐姿進行調整，最終該模型尺寸和真實人體大致吻合。

對兩組坐立轉換運動軌跡的0°、10°、20°、30°、40°傾角姿態進行靜力學仿真時，為在保證結果可靠性的前提下盡可能減小計算量，僅選取髖關節、大腿、小腿和足與馬桶座圈[26]裝配進行靜力學分析。首先設置馬桶座圈與人體的材料參數[26-27]，臀部與馬桶座圈的接觸類型設置為摩擦，摩擦系數0.3；各傾角高度分別按表1 傾角度數對應的高度1 和高度2 數據，對坐姿狀態進行調整，載荷數值也根據表1 的載荷1和載荷2 進行設置。圖4 為0°傾角狀態下的設置。由于網格質量是影響仿真精度和穩定性的重要因素[28]，故整體網格大小為10 mm，在臀部與馬桶座圈接觸部分采用5 mm網格進一步細化。

圖4 靜力學分析設置

表1 兩組運動軌跡的傾角與高度、足部與臀部的載荷數值

2.3 仿真結果

壓力分布云圖顯示，在相同傾角坐姿狀態時，兩種運動軌跡下的馬桶座圈壓力分布趨勢基本相同，最大壓力都位于髖肌后群臀大肌突出部位。壓力的分布和大小影響舒適性[29-32]，壓力越大，疲勞感越大，舒適性越低；反之則會提升舒適性。在0°、10°、20°、30°、40°坐姿時，基于本研究運動軌跡的最大壓力均小于李晉等[24]研究的運動軌跡，提示本研究采用的坐立轉換運動軌跡更舒適(圖5)。

圖5 兩種軌跡各傾角平均壓強比較

2.4 平衡性分析

Hof 等[33]將站立平衡分為靜態平衡和動態平衡，并得出滿足兩種平衡情況的條件。測量受試者的身高、體質量、胸圍、腰圍、臀圍、大腿和小腿長7 項數據，取平均值，采用回歸分析法得到質心到踝關節的距離，將人體簡化為3 旋轉自由度的桿組結構(圖6)，其中l1,l2,l3分別為小腿長、大腿長、質心到髖關節的距離。

圖6 人體簡化模型圖

在MATLAB 中進行坐立轉換運動仿真，得到質心在空間中的運動軌跡以及在水平面的投影。測量受試者壓力中心范圍：前后5～37 cm，左右-9.3～8.6 cm。質心運動軌跡在水平面內的投影完全在壓力中心范圍內(圖7)。

圖7 質心運動軌跡與壓力中心范圍的位置關系

需要注意的是，本研究涉及的坐立轉換平衡問題與Hof 等[33]研究的站立平衡存在差異。由于老年人在借助裝置進行輔助坐立轉換時，站立階段速度幾乎為零(可通過控制系統完成)[34]，故老年人完成坐立轉換后的平衡問題可作為靜態平衡處理。雙足與地面的接觸作用力區域定義為壓力中心范圍[33]，在靜態平衡情況下，質心的垂直投影一定落在壓力中心范圍內。MATLAB仿真結果近似符合靜態平衡，按此坐立運動軌跡設計輔助裝置是可行的。

3 如廁輔助裝置總體設計

3.1 結構設計

輔助坐立產品大多僅以膝蓋為支點，減輕上肢軀干對下肢的負荷，以達到功能目的[35]。但坐立轉換過程中最關鍵的環節，要依靠小腿和大腿肌力實現，且支撐力主要源于大腿。由于老年人肌肉功能下降，如廁坐立過程困難。對此，參照圖3 運動軌跡參數設計一種如廁輔助裝置，結構如圖8。

圖8 如廁輔助裝置示意圖

裝置兩側對稱安裝兩個電動推桿，當推桿處于初始位置時，馬桶座圈為水平位置；設計可調節的靠背和扶手，以保證用戶的平衡安全性和舒適性；創新馬桶座圈造型，增加與人體的接觸面積，以降低對肌肉的壓迫，這是很多如廁裝置研究所欠缺的[17-18]。連桿組件可以實現間歇回轉運動，避免傳動結構過于復雜。

原理見圖9。OA為電動推桿，AH為馬桶座圈，CD表示下轉動連桿，BE為上轉動連桿，BC為升降連桿，DE為支架，且AH⊥BC。P(x,y)為如廁時臀部與座圈的接觸點。電動推桿的傾角為δ0，長度為l0(變桿長)，對應的下連桿、升降連桿、上連桿的狀態角分別 為δ1,δ2,δ3，長度分別為l1,l2,l3，座圈的升角為δ4(δ4=θ),δ4?[0 40]°。按照標準人體數據庫，上下連桿與支架鉸接點之間的距離l4=120 mm；δ4=0°時,AH=l；考慮個體差異，l?[570 660]mm；設AP/AH=k，根據實測值，k?[0.54 0.72]。則該時刻有

圖9 連桿組件的設計

其中l0的極限長度為1200 mm，δ4的范圍決定了δ0?[59.4 67.3]°,δ2?[50 90]°，yD,yE按照人體自然坐姿時小腿長度和經驗取值；為滿足如廁輔助裝置設計的舒適性和適用性，取l=620 mm,k=0.65；當δ4取值確定時，δ0和l0可隨之確定，進而算得xP；將xP與試驗測得的運動軌跡曲線進行對比確定yP；再以l2作為設計變量，用迭代法設計l1,l3。最終得到輔助裝置的主要零部件尺寸如表2。產品效果見圖10。

圖10 如廁輔助裝置效果圖

表2 如廁輔助裝置主要零部件尺寸

3.2 滿意度測試

另邀請年齡20～60 歲的健康人20 例體驗如廁輔助裝置。采用Likert 5 級法進行滿意度評估，非常不滿意為1，不滿意為2，不確定為3，滿意為4，非常滿意為5。

采用本裝置進行坐立轉換時，軌跡接近人體自然運動規律(圖11)，可自然順暢完成坐立轉換動作；體驗者無前傾趨勢；裝置整體簡捷，其中座圈、手臂托和把手舒適度良好。各項滿意度平均分：易站4.30分，安全4.05 分，協調4.25 分，簡捷3.75 分，舒適4.20分，平穩4.00分，美觀3.05分，專業3.35分。

圖11 如廁輔助裝置升降運動軌跡

4 小結

本文基于坐立轉換試驗，獲得最優運動軌跡，據此設計如廁輔助裝置。本研究獲得的坐立轉換運動軌跡更舒適、合理，利于用戶輔助坐立轉換。對如廁輔助裝置進行參數化結構設計和驗證，產品滿意度符合預期，當馬桶座圈傾角為40°時，人體剛好位于初始坐姿裝置的前上方，坐立過程完全符合人機工學。

本研究由于試驗設備的局限性，暫時不能分析膝、髖和大腿處在坐立轉換過程中的載荷變化，有待今后進一步研究。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。