輔助坐立手杖研究與設計

郭家偉，朱 全，肖芊芊，胡曉雷

(馬鞍山學院，安徽 馬鞍山 243100)

現如今，對于行動能力下降或者失能的群體而言，行走問題成為這部分人群進行社交活動的最大障礙。根據國家數據中心統計數據表明[1]：截至2019年底，我國65歲及以上人口達1.7億，其中20%的老年人需要借助手杖、助行器、輪椅等輔助裝置進行日常的行走社交活動。此外根據我國衛生健康事業發展統計公報統計數據表明[2]：2019年底，殘疾人輔助器具供應數達1600萬件，其中輪椅市場供給僅500萬輛，手杖供應量達800萬，究其原因主要是手杖相對于其他輔助行走器具價格低廉，使用方便，因此手杖依然是輔助老年人出行的首選[3]。

眾多高校和科研機構開始針對傳統手杖應用局限進行功能改造[4]。左怡等人[5]設計了一種手杖，該手杖可以實現自由伸縮，并配有自動定位功能。符長友等人[6]設計一款基于物聯網技術的智能手杖，采用振動與電容傳感器來感知其出行情況。范志杰等人[7]結合人工智能前沿技術，在對手杖設計策略研究的基礎上，設計了一款滿足用戶助力、休息、置物需求的智能輔助手杖。LI團隊[8]提出一種新型智能手杖，該手杖采用紅外技術、語音模塊來實現盲人躲避障礙物，并進行了仿真實驗。

上述手杖的設計主要實現了輔助用戶行走的功能，但并未考慮身體機能較弱用戶在連續使用過程中的體能消耗問題。部分用戶在行走一段時間后，需要倚靠手杖停駐休息以使體能得到恢復，而這種體能恢復方式不僅效率較低且存在安全隱患。基于用戶在使用手杖過程中存在的問題，設計了一種輔助坐立手杖，該手杖可以通過機構重組，完成手杖與座椅兩種狀態的切換，輔助用戶行走與就坐，為用戶身體機能的恢復提供有利條件。

1 輔助坐立手杖結構設計

1.1 人體自然坐立模型建立

開發輔助坐立手杖必須要先研究人體在自然狀態下立姿與坐姿尺寸特性[7-8]，因此首先建立了如圖1所示的人體自然坐立模型。對于可及距離類設計而言，尺寸特性主要為立姿側向手握距離(圖中Dh)；對于座面高度類設計，尺寸特性主要為坐姿小腿加足高(圖中Hc)和坐姿臀寬(圖中Wb)。

圖1 人體自然坐立模型

1.2 人體自然立姿與坐姿尺寸特性測量實驗

募集了50位(男性)65～75歲的健康受試者，模擬用戶在輔助器具作用下的機體狀態。規定受試者立姿時自然挺胸直立，坐姿時端坐上身垂直椅面，雙腿與肩部同寬，大腿與小腿垂直，并選取人體鉛垂軸與足底所在平面交點作為平面參考點。采用人體測高儀測量了50名受試者立姿側向手握距離(Dh)、坐姿小腿加足高(Hc)及坐姿臀寬(Wb)，人體自然立姿與坐姿尺寸特性測量實驗結果如表1所示。

表1 尺寸特性測量結果

根據人體測量數據運用準則，凡屬于可及距離類設計和座面高度類設計，常取第5百分位的人體測量數據，以使大部分用戶使用手杖時感覺舒適，因此立姿側向手握距離Dh取788mm，坐姿小腿加足高Hc取405mm；凡屬于座面寬度類設計，常取第90百分位的人體測量數據，因此坐姿臀寬Wb取220mm。將人體自然立姿與坐姿尺寸特性測量實驗結果作為輔助坐立手杖機構尺寸設計的輸入參數。

1.3 輔助坐立手杖工作原理

輔助坐立手杖結構組成如圖2所示，主要由主桿、椅面1、椅面2、上連桿、上活動套、下活動套、下連桿、卡箍、下支桿、拐頭及螺旋扣構成。主桿呈T型結構，主桿、椅面1、上連桿1及上活動套構成一組四連桿機構，主桿、下活動套、下連桿1、下支桿1、卡箍1及拐頭構成一組五連桿機構，以其中一組四連桿機構和五連桿機構為例說明各構件連接方式。椅面1和椅面2以鉸接的形式安裝在主桿上，上活動套可在主桿上滑動，下活動套通過鎖緊螺旋扣與主桿相連。上連桿一端鉸接于椅面，另一端鉸接于上活動套。下連桿一端鉸接于下活動套，另一端固定安裝有卡箍。下支桿一端鉸接于卡箍，另一端通過鉸鏈與拐頭相連。

圖2 輔助坐立手杖結構組成

如圖2(a)所示，當鎖緊螺旋扣后，下活套被鎖緊在主桿上，此時整個裝置呈現手杖狀態，輔助用戶行走。如圖2(b)所示，當松開螺旋扣后，用戶向下推動主桿，此時上活動套相對于主桿向上滑動，與上活動套鉸接的上連桿斜向上推動椅面，直至椅面1與椅面2呈水平狀態；與此同時，下活動套也相對于主桿向上運動，直至與上活動套的下表面接觸；與下活動套鉸接的三組下連桿斜向下展開，直至拐頭與主桿底端接觸，三組下連桿構成空間四面體支撐在地面上；再次鎖緊螺旋扣，此時整個裝置呈現座椅狀態，輔助用戶就坐。

2 輔助坐立手杖功能尺寸設計

手杖與座椅狀態能否完成切換主要取決于輔助坐立手杖機構的運動功能尺寸，因此本節主要對輔助坐立手杖的一組四連桿機構和五連桿機構進行功能尺寸設計計算。

2.1 輔助坐立手杖機構功能尺寸設計

圖3所示為輔助坐立手杖機構由手杖狀態重構為座椅狀態的功能尺寸圖。圖3中將上活動套與下活動套的高度b均設置為20mm，拐頭高度a設置為40mm。根據前文人體自然立姿與坐姿尺寸特性測量實驗結果可知，立姿側向手握距離Dh取788mm，坐姿小腿加足高Hc取405mm，坐姿臀寬Wb取220mm，則椅面1寬度Wh=Wb/2=110mm。

圖3 輔助坐立手杖功能尺寸圖

由圖3中(b)座椅狀態可以計算出主桿高度H：

H=Hc-a=365mm

(1)

由圖3中(a)手杖狀態到(b)座椅狀態運動變換關系可列出等式：

LBC+LAB+L+b/2=LAD

(2)

式(2)中：LBC為上連桿長度，且LAB=Wh=110mm，L為上活動套與下活動套中心距，LAD為主桿高度，則LAD=H=365mm。

由式(2)計算可得：LBC=225mm。

在圖3(b)直角三角形ΔA1B1C1中，運用勾股定理可列出等式：

Wh2+LA1C22=LB1C12

(3)

式(3)中：LB1C1=LBC=225mm。

由式(3)計算可得：LA1C1=196mm。

由圖3(b)座椅狀態可列出等式：

LA1C1+LD1F1+L+a/2=Hc

(4)

由式(4)計算可得：LD1F1=169mm。

在圖3(b)直角三角形ΔD1F1E1中，運用勾股定理可列出等式：

LD1F12+LE1F12=LD1E12

(5)

式(5)中：LD1E1為下連桿長度，LE1F1為下支桿長度。

由圖3(a)手杖狀態可列出等式：

LDE+LEF+a/2+H-10mm=Dh

(6)

式(6)中：LDE=LD1E1，LEF=LE1F1。

聯立式(5)和(6)計算可得：LDE=LD1F1=241mm，LEF=LE1F1=172mm。

由此可以計算出S上活動套行程和S下活動套行程：

(7)

由式(7)計算可得：S上=139mm，S下=139mm。

2.2 輔助坐立手杖運動仿真模型建立

在不影響計算精度的情況下，建立了如圖4所示簡化的輔助坐立手杖運動仿真模型。圖中θ為椅面與主桿之間的夾角，Marker1為上活動套質心點，Marker2為下活動套質心點，Marker3為拐頭與地面接觸點，以T字型主桿兩軸交點為坐標原點，建立如圖4所示的坐標系。根據各個構件之間的約束關系，在Adams View運動學仿真軟件環境內添加各個構件間運動副，編輯質量屬性、添加接觸力及驅動[13-15]。最后進行輔助坐立手杖運動特性仿真實驗。

圖4 運動仿真模型

2.3 輔助坐立手杖運動仿真分析

圖5所示為點Marker3隨椅面轉動θ角的Y向位移變化曲線。由位移變化曲線分析可知，當θ=90°時(表明為座椅狀態)，點Marker3與坐標原點鉛錘方向距離為405.0mm，仿真結果與人體自然坐姿小腿加足高一致，符合座椅高度類設計要求；當θ=0°時(表明為手杖狀態)，此時點Marker3與坐標原點鉛錘方向距離為788.0mm，仿真結果與人體自然立姿側向手握距離一致，符合可及距離類設計要求。由此表明該輔助坐立手杖的設計符合人機運動協同性。

圖5 Marker3Y向位移曲線

圖6所示為輔助坐立手杖由座椅狀態轉換為手杖狀態過程中，上活動套點Marker1和下活動套點Marker2隨椅面轉動θ角的行程變化曲線。由上活動套Marker1點行程變化曲線分析可知，當θ=90°時，上活動套點Marker1與坐標原點鉛錘方向距離為698.0mm；當θ=0°時，上活動套點Marker1與坐標原點鉛錘方向距離為837.0mm；計算可得上活動套行程為139.0mm；由下活動套點Marker2行程變化曲線分析可知，當θ=90°時，下活動套點Marker2與坐標原點鉛錘方向距離為718.0mm。當θ=0°時，上活動套點Marker2與坐標原點鉛錘方向距離為857.0mm，計算可得下活動套行程為139.0mm。上活動套與下活動套行程仿真結果與理論計算一致，表明輔助坐立手杖符合設計要求。

圖6 活動套行程曲線

3 結論

通過輔助坐立手杖構型設計、結構設計、運動學和動力學的建模與仿真分析，可以得出以下結論。

(1)通過對手杖構型及結構分析，設計了一款新型輔助坐立手杖，并討論了手杖機構重構表現方法，在此基礎上確定了輔助坐立手杖功能尺寸參數，建立了三維模型。

(2)通過對輔助坐立手杖運動學分析可知，在手杖狀態時，主桿高度為788mm，符合人體自然立姿側向手握距離；在座椅狀態時，椅面與地面高度差為405mm，符合人體自然坐姿小腿加足高，表明輔助坐立手杖的結構設計符合人機工程學。

今后還需進行以下研究。

(1)需對輔助坐立手杖結構方面進行優化，使之能夠更契合老年人人體尺寸。

(2)輔助坐立手杖動力學分析有待進一步研究。