老年人助起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

侯亞辰

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活條件優(yōu)化，醫(yī)療水平不斷提高，人口老齡化也逐漸成為一個(gè)不容忽視的社會(huì)問題。2017 年，全球范圍內(nèi)60 歲以上的人口已經(jīng)達(dá)到總?cè)丝诘?3%，約為9.62 億人。據(jù)推算，2050 年，60 歲以上人口的數(shù)量將增長(zhǎng)為兩倍之多，2100 年此數(shù)量將增長(zhǎng)至少3 倍，60歲以上人口數(shù)量將超過年輕群體的增長(zhǎng)速度。當(dāng)人步入老年期以后，身體的各項(xiàng)機(jī)能都會(huì)有所下降，特別是老年人下肢的肌肉力量的減弱，增大了老人由坐到站立過程的困難。如果老年人患有關(guān)節(jié)類疾病，更會(huì)嚴(yán)重影響他們的日常活動(dòng)，加重他們?cè)谄鹱^程中的負(fù)擔(dān)。另外，老年人患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，很多老年人面臨偏癱等下肢功能性運(yùn)動(dòng)障礙的問題，還有很多老年人雖擁有行走能力但卻因起坐困難而無法正常生活。起坐問題已嚴(yán)重影響老年人的日常生活及心理健康。如果有外部機(jī)構(gòu)可以提供有效的輔助支撐，便可以大大減輕關(guān)節(jié)的壓力，不但可以幫助老年人正常起坐，還可以降低老年人起身時(shí)因不平衡而引起的摔倒的風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究現(xiàn)狀

近年來，國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)都著力于研究擁有助起功能的座椅，目前，市面上的助起座椅主要可分為電動(dòng)助起座椅和普通助起座椅兩大類。電動(dòng)助起座椅在推桿的作用下輔助老人由坐姿到站姿的過程，還可以減輕老人坐下的負(fù)擔(dān)，但此種座椅價(jià)格往往比較昂貴，而且存在許多缺點(diǎn)。目前，已有的電動(dòng)助起機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，且不易于折疊，擺放在家中較為笨重。普通助起座椅是通過彈簧提供動(dòng)力，開關(guān)打開后彈簧就會(huì)給人一個(gè)向上的推力，當(dāng)人壓在上面坐下的同時(shí)，座椅會(huì)進(jìn)行復(fù)位，從而輔助老人的站起和坐下。普通助起座椅價(jià)格較低、控制簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)較小，但相對(duì)于電動(dòng)助起座椅穩(wěn)定性較差。

除以上問題，目前市面上出售的助起座椅還存在許多不足。市面上的助起座椅幾乎都沒有考慮過椅背部分的結(jié)構(gòu)。座椅升起幫助老人起身時(shí)，如果椅背與坐墊的角度不變，將阻礙老人站起時(shí)身體的直立，老人的身體不平衡，極易發(fā)生摔倒現(xiàn)象，但如果合理設(shè)計(jì)角度的變化，椅背部分不但不會(huì)影響老人起身，還會(huì)提供給老人一個(gè)有效的輔助支撐力，幫助老人起身更加容易。此外，市面上的助起座椅大多數(shù)只是簡(jiǎn)單的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有考慮到人起身時(shí)身體前移這一因素，不符合人體工程學(xué)原理，使用者會(huì)出現(xiàn)站起困難、重心不穩(wěn)等現(xiàn)象。而且國(guó)內(nèi)外研究的助起功能往往應(yīng)用在智能輪椅上，多用于殘疾人的站立訓(xùn)練，價(jià)格昂貴，無法在大眾范圍內(nèi)普及。有研究顯示，對(duì)于沒有下肢殘疾的老年人來說，長(zhǎng)時(shí)間使用輪椅不僅會(huì)出現(xiàn)身體疲勞、腰疼等不適現(xiàn)象，甚至可能導(dǎo)致老年人下肢肌肉力量衰退更嚴(yán)重，因此，設(shè)計(jì)一款新型老年人助起設(shè)備具有重要研究?jī)r(jià)值。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 機(jī)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)

助起設(shè)備的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。其中L21=30mm，L22=15mm，L31=5mm，L32=25mm，S4=45mm，L5=14mm， L61=15mm，L62=45m，共同組成助起機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)由6 個(gè)連桿和2 個(gè)滑塊組成了8 個(gè)旋轉(zhuǎn)副、2 個(gè)移動(dòng)副、和2 個(gè)螺旋副，原動(dòng)件為滑塊A，由一個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)自由度為F=3×7-2×10=1。L7、L8、L1與機(jī)架L0組成剪式升降機(jī)構(gòu)，用于微調(diào)助起機(jī)構(gòu)與地面的初始高度，以適應(yīng)不同身高的人群。其中，L7、L8與L9之間為螺旋副連接，且兩個(gè)螺旋副旋向相反，L7、L8與L1為滑動(dòng)副連接，當(dāng)L1為原動(dòng)件時(shí)，由于螺旋結(jié)構(gòu)的自鎖性，機(jī)構(gòu)自鎖，自由度為0。

圖1 機(jī)構(gòu)示意圖

機(jī)構(gòu)坐深是指坐墊表面最前端到椅背與坐墊末端相交線之間的距離，坐深的設(shè)計(jì)影響腰部的放松和臀部的支撐。如果坐深的設(shè)計(jì)不合適，腰部與椅背不易貼合，久坐會(huì)產(chǎn)生腰部疲勞。

圖2 為國(guó)標(biāo)“中國(guó)成人人體尺寸數(shù)據(jù)B10000-1992”中的人體坐姿圖。

圖2 人體坐姿圖

根據(jù)GB5703-85《人體測(cè)量方法》中的研究，人在28～30 歲時(shí)身高達(dá)到最大值，35 ～40 歲逐漸出現(xiàn)衰減趨勢(shì)。根據(jù)老年人身高的降低率，楊楠在《老年多功能電動(dòng)輪椅的人性化設(shè)計(jì)研究》中近似推算出的中國(guó)老年人身體部分測(cè)量尺寸如表1。

表1 中國(guó)老年人（60 歲以上）身體測(cè)量部分尺寸（單位：mm）

基于以上數(shù)據(jù)分析，助起機(jī)構(gòu)坐深尺寸選取為420mm。選取機(jī)構(gòu)在初始狀態(tài)下L2與L3之間的夾角為142°，此時(shí)，F(xiàn) 點(diǎn)距AB 所在平面的水平距離為185mm。因不同個(gè)體的小腿加足高長(zhǎng)度不一，為更好地適應(yīng)不同個(gè)體，L7、L8、L0與L1組成的剪式升降機(jī)構(gòu)，可微調(diào)助起機(jī)構(gòu)的距離地面的初始高度，其初始高度H=H2-185mm，其中，H2為小腿加足高，不同用戶可根據(jù)個(gè)體身高差異，轉(zhuǎn)動(dòng)L0調(diào)節(jié)座椅初始高度。

2.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算

對(duì)上部助起機(jī)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，當(dāng)下部剪式升降機(jī)構(gòu)固定時(shí)，L1可以視為固定于機(jī)架上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化得到圖3。

圖3 助起機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖3 所示，用解析法計(jì)算助起機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置：

改寫成直角坐標(biāo)的形式：

繼續(xù)將上式對(duì)時(shí)間t 求導(dǎo)得加速度矩陣：

可以得到速度矩陣（6）、（7）和加速度矩陣（8）、（9）

3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

按照機(jī)構(gòu)的尺寸信息建立出各個(gè)構(gòu)件，并在各個(gè)構(gòu)件之間定義如圖1 所示的連接關(guān)系，在Adams 里建立了二維仿真模型。給原動(dòng)件輸入一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，便可對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)分析，從而檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程如圖4 所示。

圖4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程

利用模型可輸出各個(gè)部件的位移、速度、加速度及力的變化情況曲線，從而可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的優(yōu)化和驗(yàn)證。設(shè)原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)速度恒定，當(dāng)機(jī)構(gòu)在時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，得到C 點(diǎn)在X 和Y 方向的位移及坐墊S4與水平軸的夾角隨原動(dòng)件A 位移的變化曲線，如圖5 所示。

圖5 C 點(diǎn)位移及S4 與水平軸的夾角變化曲線

根據(jù)葉明在實(shí)驗(yàn)中得到的人在站起過程中，上身軀干和小腿與豎直方向的夾角變化，結(jié)合人體小腿長(zhǎng)度的平均值，可以計(jì)算得到人在站起過程中膝蓋位移的取值范圍。根據(jù)檢驗(yàn)，此機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中膝蓋位移大小的變化在范圍內(nèi)，靠背運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律與人體坐起時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律較為擬合，符合人體工程學(xué)原理。機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，坐墊S4與水平軸的夾角變化斜率基本保持不變，由此可知，輔助設(shè)備的仰角變化過程平穩(wěn)，無快速加速和減速等過程，輔助坐起時(shí)沖擊小，老人在使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生不適感，符合設(shè)計(jì)所預(yù)期的效果。

4 結(jié)語

助起機(jī)構(gòu)可降低老人坐起時(shí)關(guān)節(jié)壓力，減小摔倒風(fēng)險(xiǎn)，提高老人生活自理能力。本設(shè)計(jì)通過多連桿滑塊機(jī)構(gòu)組合，以一個(gè)電動(dòng)推桿作為原動(dòng)件，實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的輔助坐起。通過軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，直觀地了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)信息，便于進(jìn)行分析和優(yōu)化，并從平穩(wěn)性和人體工程學(xué)兩方面進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。助起機(jī)構(gòu)符合人體工程學(xué)原理，平穩(wěn)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，符合老年人生理和心理需求。本文已經(jīng)初步完成原理分析與仿真，但是，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和舒適性的提高有待在加工實(shí)物后進(jìn)行改善。就目前老年人和護(hù)理等市場(chǎng)需求而言，該設(shè)計(jì)具有很大意義與前景。