輔助站立坐便器設計與試驗

郭家偉，趙 民，王 佐，王小甜

（1.馬鞍山學院大阪醫工學院，安徽 馬鞍山 243100；2.沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

通過設計必要的輔助站立裝置來幫助用戶保持一定的生活獨立性，已經成為醫療市場一大熱點區域。文獻[3-4]對捕獲坐姿到站立（STS）運動方法進行了調查，同時對市場可用的輔助設備進行了分析討論，提出了可用于輔助站立實驗的傳感技術。

文獻[5]開發出一種幫助老年患者站立的設備，該機構可以使重心沿著適當軌跡移動，不會對用戶腿部關節造成壓力，但該機構僅限于康復訓練中，并未投入日常使用。文獻[6-8]利用所建模型對康復機器人輔助站立過程中的人體運動軌跡進行了測試，為輔助站立裝置的設計提供了重要參考數據。

文獻[9]在基于下肢康復機器人開發的基礎上開發了一種可實現移動功能的移位機，并提出相關控制算法，不僅可以幫助老年人站立，同時還可以實現身位移動，但結構和控制算法較復雜。上述輔助站立設備的研究還均未涉及到座便器領域，特別是醫用坐便器，大多數醫院還在使用傳統的坐便器，老齡人及行動不便患者在如廁場合的站立通常需要借助護理人員攙扶，這無疑增加了護理成本，同時也嚴重介入了生存隱私。因此，設計一款具有輔助站立功能的坐便器，對于減輕護理人員工作及保持用戶生活獨立性具有重要的現實意義。

在對人體自然站立運動機制研究的基礎上，設計了一款基于菱形機構的輔助站立坐便器。具體研究工作如下：

（1）采集人體自然站立關節運動軌跡數據；

（2）對輔助站立坐便器的關鍵結構-菱形傳動機構進行分析計算；

（3）選定動力部件并設計輔助站立機構功能尺寸；

（4）搭建原型裝置，完成輔助站立性能評價實驗。

2 人體自然站立運動軌跡數據采集

人體自然站立運動模型，如圖1所示。根據文獻［10-11］研究可知，人體自然站立運動可以劃分為兩個階段：

圖1 自然站立運動模型Fig.1 The Movement Model of Natural Standing

第一階段，膝關節由0°轉動至60°，此階段站立動作可以分解為上肢前傾（肩關節移動）、臀部抬升（髖關節移動與轉動）及下肢直立（膝關節轉動）三個動作；

第二階段，膝關節由60°轉動至90°，此階段各關節輸出力矩最大，無需外部助力即可完成站立動作。因此輔助站立裝置的設計更為關注的是人體自然站立第一階段中肩關節位移s1、髖關節位移s2及髖關節角α隨時間t變化關系。接下來通過實驗采集人體自然站立運動過程中三個參數值。

2.1 人體自然站立運動軌跡數據采集實驗

募集50例（25名男性和25名女性）（40～70）歲的健康受試者，為模擬用戶在輔助器具作用下的機體狀態，規定受試者坐在離地50cm的靠背座椅上，該座椅高度為標準馬桶高度，上身垂直椅面，雙腿與肩部同寬，大腿與小腿垂直，并選取一側椅面與靠背的連接處作為平面參考點，如圖2所示。

圖2 自然站立運動軌跡數據采集實驗Fig.2 Data Collection and Trajectory Experiments on Natural Standing Movements

2.2 數據采集實驗數據處理與結果分析

對所有受試者在矢狀面上膝關節轉動到60°前肩關節位移s1、髖關節位移s2及髖關節角α隨時間t的變化值進行統計處理，取采集數據的統計平均值作為實驗結果。人體自然站立關節運動軌跡結果，如圖3所示。

圖3 自然站立關節運動軌跡Fig.3 The Joints Movement Trajectory of Natural Standing

從圖3運動軌跡分析可知，完成第一階段站立動作所需的平均時間約為3s，在此階段內肩關節沿著一條弧線前傾，且肩關節位移為46cm；髖關節沿著曲線向前和向上運動，且髖關節位移為22cm；髖關節順時針轉動了45°。為使輔助站立坐便器盡可能地還原自然站立運動狀態，其輔助軌跡應滿足三個原則：（1）肩關節位移幅值S1=46cm；（2）髖關節位移幅值S2=22cm；（3）規定順時針為正，髖關節角α=45°。

3 輔助站立坐便器設計

輔助站立坐便器結構，如圖4所示。

圖4 輔助站立坐便器Fig.4 The Toilet with Auxiliary Standing

該結構是基于一種菱形傳動機構的輔助起立裝置。該裝置主要包括四個部分：氣彈簧、支撐組件、移動底座及菱形機構。菱形機構、氣彈簧與靠背通過鉸鏈點D連接，連桿與靠背通過鉸鏈點B連接，手柄用于控制氣彈簧啟動和關閉，靠背在氣彈簧及菱形傳動機構的推動下可以被動的改變姿態。

3.1 菱形傳動機構設計

為了使用戶以最舒適、最自然的姿勢站立，在輔助站立過程中需要完成三個任務：肩關節位移S1=46cm，髖關節位移S2=22cm，髖關節角α=45°。

完成輔助站立任務的關鍵在于確定菱形傳動機構[12]的尺寸，因此接下來對菱形機構的尺寸進行分析計算。菱形傳動機構，如圖5所示。

圖5 菱形傳動機構Fig.5 Rhombic Driving Mechanism

各連桿長度及鉸鏈點位置計算如下：靠背Lb等于受試者軀干長度的統計平均值60cm，D點可近似認為是肩關節位置，B點可近似認為是髖關節位置，則圖中S1=46cm，S1=22cm，令連桿LCF=LEF=LED=LCE=l且LEF∕∕LCD，LED∕∕LFC，LAG=LBG=a，靠背轉角θ?[0°，90°]。

根據自然站立運動關系可推導出：

由式（2）可計算出：a=LAG=LGB=15.6cm，LGF=LAF-LAG=44.4cm。

由式（3）可計算出：

在ΔFDB中，由余弦定理可列出：

由式（4）計算可得：

在ΔAFD中，由余弦定理分別可列出：

由式（5）計算可得：∠FDA=46°。

因為LEF∕∕LCD，故∠FDA=β=46°。

在ΔFED中，由余弦定理分別可列出：

由式（6）計算可得：l=33.1cm

3.2 關節理論軌跡評估

為了評估菱形機構能否還原人體自然站立狀態，必須計算靠背的運動軌跡，選取靠背上B點（近似認為髖關節）和D點（近似認為肩關節）作為評估依據，設連桿GB轉動中心G點為坐標原點，即G(xg，yg)=(0，0)，則B點和D點的運動方程可由勾股定理可得：

其中，θ范圍為（0～90）°，γ=180° -(3 60°-α-β-90°)=55.6°，γ變化范圍為（90～55.6）°。

由式（7）和式（8），并結合MATLAB 軟件可推導出髖關節B點和肩關節D點的運動軌跡，關節理論運動軌跡，如圖6所示。

圖6 關節理論運動軌跡Fig.6 The Theoretical Movement Trajectory of Joints

靠背上B點從初始姿態到最終姿態的位移約為21.9cm，最終姿態與水平線夾角為45°，菱形機構的運動軌跡可以還原人體自然站立運動狀態。

3.3 輔助站立機構功能尺寸

考慮到輔助站立過程的舒適性及安全性，選取氣彈簧作為輔助站立坐便器的動力部件，并將其安裝在靠背兩側，輔助站立坐便器功能尺寸，如圖7所示。

圖7 功能尺寸圖Fig.7 The Trajectory of Joints Movements

氣彈簧選型參數主要為行程S和伸展力F[13-14]。根據B點初始和最終位置，可計算出氣彈簧的行程約為22cm，考慮到商業成本，最終選用KQL475*225*22*750N型可鎖式氣彈簧，該型號氣彈簧形程為22.5cm，總長度47.5cm，伸展力為750N。

3.4 輔助站立性能評價

運用ADAMS 動力學軟件對輔助性能進行評價[15]。選取靠背上B點作為觀測點，以B點角加速度變化作為仿真目標，評價輔助站立過程中的該裝置的運動穩定性。首先根據功能尺寸建立了輔助站立坐便器三維模型，如圖4所示。其次三維模型導入ADAMS動力學軟件，并添加約束、驅動及作用力，設置材料屬性，最后建立角加速度測量。B點角加速度測量曲線，如圖8所示。

圖8 角加速度測量曲線Fig.8 The Measurement Curve of Angular Acceleration

從角加速度變化曲線可知，在整個輔助站立階段角加速度趨于0，運動比較平穩，并不存在明顯的角加速度波動，特別適合輔助老年用戶站立。但在起始位置存在角加速度突變，目標位置存在一定角加速度突增，造成這種角加速度突變的主要原因是氣彈簧在啟動瞬間啟動力較大，但其后整個行程中伸展力幾乎不發生變化。

4 輔助站立實驗

為了驗證輔助站立坐便器的輔助性能，搭建了1:1輔助站立坐便器原型裝置，并進行了輔助站立評價實驗，輔助站立實驗，如圖9所示。

圖9 輔助站立實驗Fig.9 The Experiment of Auxiliary Standing

選取了5名健康的受試者按照前述實驗要求端坐在輔助站立坐便器上，并選取連桿的轉動中心作為坐標原點。受試者先進行自然站立實驗，然后穿戴運動捕捉系統，并在其與之配套的Axis Neuron 軟件中標定坐標原點，在原型裝置的輔助下再進行站立實驗，分別采集前后兩次實驗受試者肩關節位移、髖關節位移及髖關節角隨時間變化值。每名受試者完成五次站立實驗，取采集數據的統計平均值作為最終實驗結果。

其中一位受試者有輔助站立與自然站立狀態下膝關節角隨時間變化曲線，如圖10所示。

圖10 膝關節角度Fig.10 The Angle of Knee Joint

由對比曲線分析可知，整個站立階段所需時長約為4s，其中在輔助人體站立到膝關節角為60°時所用的時間約為3s，與人體自然站立到膝關節角為60°時所用的時間基本一致。

該受試者在輔助站立與自然站立狀態下髖關節及肩關節運動軌跡對比曲線，如圖11所示。

圖11 髖關節與肩關節運動軌跡Fig.11 The Movement Trajectory of Hip and Shoulder Joints

從圖11（a）髖關節運動軌跡對比曲線分析可知：輔助站立狀態下，人體髖關節X向位移值為15.6cm，Y向位移值為15.6cm，位移幅值為22cm，與理論計算髖關節位移幅值22cm一致；自然站立狀態下，人體髖關節X向位移值為18cm，Y向位移值為16cm，位移幅值為24cm，略高于輔助站立結果，但在允許范圍內。

從圖11（b）肩關節運動軌跡對比曲線分析可知：人體肩關節X向位移值為43cm，Y向位移值為10cm，位移幅值為44cm，與理論計算肩關節位移幅值46cm基本一致；自然站立狀態下，人體肩關節X向位移值為43cm，Y向位移值為11cm，位移幅值為44cm，與輔助站立結果一致。從圖11關節運動軌跡對比結果可知，輔助站立坐便器可以還原人體自然站立狀態。

5 結論

在對人體自然站立運動過程分析的基礎上，設計了一種基于受電弓形機構的輔助站立坐便器，為了驗證輔助效能，利用搭建的原型裝置進行了輔助站立實驗。經實驗驗證得出以下結論：

（1）輔助裝置輔助人體站立到膝關節角為60°時所用時間接近3s，與人體自然站立到膝關節角為60°時所用時間基本吻合；

（2）輔助站立狀態下，髖關節X向位移值為15.6cm，Y向位移值為15.6cm，位移幅值為22cm，與自然站立狀態下髖關節位移值24cm基本一致；

（3）輔助站立狀態下，肩關節X向位移值為43cm，Y向位移值為10cm，位移幅值為44cm，與自然站立狀態下肩關節位移值44cm一致；

（4）輔助站立坐便器的運動特性符合所提出的設計原則，可以還原人體自然站立狀態。但由于氣彈簧在啟動瞬間存在較大的角加速度突變，今后還應采取相應的措施減小突變值。