基于坐立轉換的老人輔助站立裝置的研究與設計

彭見輝， 李佳玉， 黎小巨，譚雨晴，高淇彬，陳俊杰

（東莞理工學院城市學院，廣東東莞 523419）

0 引言

據統計，21世紀初我國60歲以上老人高達2.5億，占我國總人口的20%[1]，隨著我國新生兒出生率的逐步降低，人口老齡化趨勢將進一步加劇。隨著年紀增大、疾病侵襲，老人體力和行動能力變弱，易出現安全隱患，老人正常生活已成為我國必須面對和解決的社會問題。老人在家久坐或如廁時間過長后，起身會存在雙腿發麻無力、難以站立的問題，此時極易產生危險。因此研究和設計輔助老人站立的裝置顯得尤為重要。

李杰[2]針對老年人無法自主起立問題，對康復機器人輔助起立的運動軌跡進行了研究；胡文剛等[3]對人體坐立轉換時的力學問題進行了研究；F. Abbas[4]研究了被動重力平衡輔助站立裝置；孫技偉等[5]結合平面連桿機構設計了基于變胞機構的老年自助椅；劉坤[6]以變桿長原理設計了輔助如廁的機械結構；雷中貴等[7]以Vicon對輔助站立中的舒適性、安全性進行了分析。

以上研究均未能將人體坐立轉換運動規律與輔助老人功能椅的設計結合。本文從生物力學的角度出發，對人體坐立轉換姿勢進行分析，設計了一種老人輔助站立椅，經實驗證實，可有效輔助老人站立。

1 坐立轉換的生物力學分析

1.1 坐立轉換動作分析

坐立轉換動作是人體完成站立的關鍵，人體關節進行坐立轉換動作時較復雜，難以進行研究，假設坐立轉換時手臂置于軀干兩側，視為軀干一部分，因人體結構特殊的對稱性，故可從生物力學角度，將人體坐立轉換過程中單側各關節簡化為平面開式運動鏈模型，如圖1所示。

圖1 人體坐立轉換動作簡化模型

研究表明，人體坐立轉換動作分為3步：第1步為準備，如圖1（a）～圖1（b）所示，此時人體上身前傾，重心前移；第2步為起立，如圖1（b）～圖1（c）所示，上身繞髖關節轉動，大腿繞膝關節轉動，使臀部脫離座板；第3步完成站立動作，如圖1（c）～圖1（d）所示。

1.2 坐立轉換的生物力學分析

圖2 起立階段簡化力學模型

以起立時踝關節中心為坐標原點，推導人體坐立轉換過程中小腿、大腿、軀干、頸部、頭部的重心坐標方程，具體如下：

小腿重心a的坐標方程：

式中：X、Y為大腿及以上部位合重心橫、縱坐標；xi、yi分別為小腿、大腿、軀干及以上部位重心坐標；pi/p為人體各部位的相對質量。

假設成年男性身高為H，質量為m，參照馬廣韜[9]等研究的人體各部位長度與身高數據，潘和泉[10]歸納的人體各部位相對質量及重心位置如表1所示。

表1 人體各部位參數

因人體起立時主要是大腿及以上部位繞膝關節轉動，故將式（3）～式（6）代入式（7）中，求出大腿及以上部位合重心橫坐標方程式（8），并據s2=l1cos θ1-X求出阻力臂s2方程式（9）：

1.3 生物力學模型分析

以一名H=175 cm、m=70 kg的男性為例，據表1知大腿及以上部位重力G1約占人體總重力的85.7%；根據Arnold等[11]基于MRI的人體肌肉骨骼模型分析得出，人體下肢肌肉群合力F對膝關節的動力臂s1≈5 cm；以Nuzik等[12]將人體起立階段各關節與水平方向夾角θi代入式（10）進行計算，結果如圖3所示。

圖3 下肢肌肉群合力、關節角度起立過程變化曲線

由圖3可知，起立階段初始時刻，所需要下肢肌肉群合力最大Fmax≈2146.9 N，此后隨著膝關節角度θ2逐漸增大，F逐漸減小，在θ2增至約101°時，F迅速減小，說明起立初期需要的力較大，當膝關節θ2增至一定值后，阻力臂s2減小明顯，起立較輕松。

結合式（10）對圖3分析可知，膝關節θ2、髖關節θ3對起立初期Fmax影響較大。假設起立時雙腳位置不變，則θ2由座板離地高度決定，若座椅過低，θ2減小，大腿及以上部位重心后移，阻力臂s2增大，由式（10）可知，F增大，起立困難；若座椅過高，雖能增大θ2，減小阻力臂，但人體雙腳懸空，大腿因受上身重力擠壓，易發麻無力。故椅子座板離地面的最佳高度=小腿長＋足高。

起立初期身體前傾，軀干與水平方向夾角θ3減小，大腿及以上部位重心前移，阻力臂s2減小，由式（10）可知F減小，利于起立。由圖3可知，θ2減小至約86°時，起立較容易，故起立初期應注意上身前傾。

2 下肢坐立轉換裝置的設計

2.1 輔助站立椅框架的設計

為使老人使用輔助站立椅移動方便，在椅子4條腿的下部安裝帶剎車的萬向腳輪。市面上家用抽水馬桶的長、寬、高分別為380、335、410 mm，根據椅子座板離地面的最佳高度=小腿長＋足高，結合我國成年人主要尺寸[13]，確定輔助站立椅框架的長、寬、高分別為415、445、460 mm。

2.2 托舉機構的設計與分析

由1.3 節分析可知，人體起立初期困難，主要是因為膝關節角度過小、下肢肌肉群合力不足。設計托舉機構實現對臀部及大腿的托舉，輔助人體逐漸增大膝關節角度至101°，其結構如圖4所示，座板通過轉動副與框架鉸接，電動推桿兩端分別通過轉動副與座板、椅子腿部鉸接，隨著電動推桿的伸出與回縮，座板可0°～80°轉動，彌補下肢肌肉群合力不足的問題，達到輔助人體起立過程的作用。

圖4 托舉機構

2.3 輔助站立機構的設計與分析

針對老人起立過程可能因雙腿發麻等情況出現的站立不穩問題，設計輔助站立機構，對稱安裝于椅子左右兩側，該機構以椅子框架為機架，是由4個剛性構件用轉動副組成的平行四邊形機構，包括2個長桿、1個扶手、4個轉動鉸鏈。電動推桿通過轉動副分別與長桿、框架鉸接，在電動推桿驅動下，兩長桿可實現25°～90°轉動，其機構簡圖如圖5所示。

圖5 輔助站立機構

電動推桿完全收縮時，兩長桿與框架成25°角。電動推桿伸出時，兩長桿開始轉動，隨著角度的增大，椅子扶手在保持水平的同時呈斜向上的助推運動，基本與人體起立時軌跡一致，確保老人起立過程中，雙臂始終有支撐，起到輔助站立的作用，兩長桿轉動90°時，椅子扶手距離地面高度約為1 m，滿足老人完全站立的需求。

2.4 便捷如廁機構的設計與分析

為解決老人坐在輔助站立椅上如廁的問題，設計了便捷如廁機構，以實現座板中部翻轉板的打開與閉合，如圖6所示。便捷如廁機構安裝在座板的前下部，以手柄10驅動支撐桿9作為原動件，同時以支撐桿9作為輸出，實現座板中部翻轉板打開與閉合。便捷如廁機構共有6個構件，包括5個活動構件、6個轉動副、1個移動副，自由度F=3n-（2Pl＋Ph）=3×5-2×7=1，滿足使用要求。

圖6 便捷如廁機構

3 坐立轉換的實驗與分析

3.1 實驗方案

為驗證該輔助站立椅的使用效果，以一名身高為165 cm、體重為55 kg的女性為受試者，分別在輔助站立椅兩個扶手、雙腳位置、座板各放置1 個壓力傳感器，實驗時要求受試者雙腿自然分開與肩同寬，模擬久坐后起身，如圖7所示。實驗分兩組進行：第一組不使用輔助站立功能進行站立，要求受試者雙臂貼近軀干，自然站立；第二組使用輔助站立功能進行輔助站立，要求受試者雙臂始終放在椅子扶手上。

圖7 實驗過程

兩組實驗過程如下：0～1 s為準備階段，受試者按規定要求靜止坐在設備上；1～5 s為起立階段，此過程受試者緩慢起立；5～6 s為完全站立階段。兩組實驗分別采集4個壓力傳感器的實驗數據，每組實驗連續進行5次，前2次為訓練，后3次進行記錄，每組間隔時間為5 min。

3.2 實驗結果及分析

為分析方便，將左右扶手壓力求和。經對比，每組實驗3次記錄的各傳感器數據基本相同，選取其中一次數據進行分析，結果如圖8～圖10所示。

圖8 座板壓力

圖9 雙腳壓力

圖10 左右扶手壓力

第一組不使用輔助站立功能起立，0～1 s內座板、雙腳位置壓力和約等于受試者重力539 N，1～2 s內隨著受試者起立，座板壓力迅速降為0，雙腳位置壓力隨之增大至539 N，其后一直保持不變，扶手處無壓力。

第二組使用輔助站立功能起立，0～1 s內座板、雙腳位置、扶手處壓力之和約等于539 N。1～5 s內隨著受試者起立，座板壓力在1～3 s內緩慢下降至75 N左右，其后基本保持不變，說明座板在受試者整個起立階段起到了明顯的支撐作用，尤其是起立初期。雙腳位置壓力在1～3 s緩慢增大至407 N左右，其后保持不變，明顯小于第一組實驗的539 N。扶手處壓力在0～1 s保持在15 N左右，1～2 s內迅速增大至79 N左右，其后2～4 s基本保持不變，隨著受試者起立的完成，扶手處壓力降至15 N左右，說明扶手在起立過程中有明顯的輔助支撐作用。

4 結語

針對老人獨自在家久坐及如廁后起身困難的問題，從生物力學角度對老人坐立轉換行為進行分析，建立了老人坐立轉換的生物力學模型，并根據老人起身行為特征，設計了一種基于生物力學的老人輔助站立椅，包括框架、輔助站立機構、托舉機構、便捷如廁機構。以兩對電動推桿為動力，分別驅動輔助站立機構進行伸展支撐雙臂、托舉機構進行托舉臀部。經實驗證實：該輔助站立椅可有效輔助老人站立，對提高老人生活自理能力及生活質量具有重要意義。