智能助老起坐椅的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李云飛 楊賀剛 商俊輝 楊晰予 高涵豫

摘要：“智能助老起坐椅”適用于腿腳不便的人群，尤其是因年邁體衰、關(guān)節(jié)受損、慢性疾病、偏癱中風(fēng)引起的站立、坐下、行走康復(fù)鍛煉困難的老年人，能夠幫助他們輕松站起與坐下，同時(shí)能夠調(diào)節(jié)座椅行走的速度輔助老人行走以及康復(fù)訓(xùn)練，從而提高老年人的生活自理能力，增強(qiáng)了老年人群體的幸福感。該產(chǎn)品具有的“起立”“坐下”“躺下”“移動(dòng)”等功能，能夠極大方便老年人的日常生活。該裝置價(jià)格便宜，可廣泛應(yīng)用到每個(gè)家庭，具有良好的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：起坐椅;起立;坐下;躺下;移動(dòng);康復(fù)鍛煉

目前中國(guó)人口已經(jīng)進(jìn)入老年型，老年人口高齡化趨勢(shì)日益明顯，60歲及以上高齡老人正以每年5%的速度增加，預(yù)計(jì)到2040年將增加到4.1億人，而65歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⒊^(guò)20%，可以預(yù)見(jiàn)，21世紀(jì)前期將是中國(guó)人口老齡化發(fā)展最快的時(shí)期。

針對(duì)智能輪椅的研究已有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但是基本上多為殘疾人設(shè)計(jì)，而老年人群體屬于自然的生理退化，尚未構(gòu)成殘疾，更不是患者，而且智能輪椅價(jià)格昂貴，并沒(méi)有被廣大用戶消費(fèi)群體接受。而且同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間使用輪椅過(guò)程中，有身體疲勞、腰疼等不適的現(xiàn)象的出現(xiàn)，而且長(zhǎng)時(shí)間坐在輪椅上可能會(huì)使老年人下肢肌肉力量衰退的情況更為嚴(yán)重，最后使老年人僅剩的運(yùn)動(dòng)技能荒廢[1]，嚴(yán)重影響了老年人的身心健康，給家庭和社會(huì)帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)。

一、智能助老坐椅總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）功能設(shè)計(jì)

本座椅機(jī)器人的主要功能包括：自動(dòng)升降椅座可任意調(diào)節(jié)使用高度，智能輔助起立，智能輔助坐下，座椅站立模式、移動(dòng)模式、座椅模式、平躺模式四種形態(tài)的隨意切換，以及座椅站立模式下智能調(diào)節(jié)移動(dòng)速度輔助使用者進(jìn)行康復(fù)鍛煉[2]。

（二）輪椅總體結(jié)構(gòu)

該機(jī)械主要有三大主要結(jié)構(gòu)組成，分別是椅背結(jié)構(gòu)、底座結(jié)構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)。

椅背結(jié)構(gòu)與底座結(jié)構(gòu)之間通過(guò)桿件與軸承配合鏈接，通過(guò)伸縮桿調(diào)節(jié)角度;腿部結(jié)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)亦是如此。

（三）座椅連桿滑塊抬升機(jī)構(gòu)

我們的產(chǎn)品支撐板上部與上底板鉸接，中部與連桿鉸接，下部通過(guò)光桿2連接于滑軌2上，連桿通過(guò)光桿與滑軌相配合步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲桿相連，滑塊與絲桿相連接。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，絲桿帶動(dòng)滑塊做平移運(yùn)動(dòng)，滑塊帶動(dòng)連桿旋轉(zhuǎn)，連桿帶動(dòng)支撐板旋轉(zhuǎn)，上底板抬起。（如圖2所示）

二、智能助老起坐椅各部分工作原理

本產(chǎn)品的獨(dú)特之處在研發(fā)過(guò)程中考慮了老年人目前的因腿部力量不足而無(wú)法正常行走甚至不能行走的情況，充滿人道主義精神，進(jìn)行對(duì)于這類(lèi)群體的輔助，以及幫助行動(dòng)不便或者生活中存在安全隱患的老人群體，解決老人起坐、躺倒起身等困難，甚至可以有效使老人脫離意外受傷帶來(lái)的痛苦，從而使年老者可以安心舒適的享受晚年生活[3]。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，該產(chǎn)品工作時(shí)可分為四種模式，分別是助老行走模式、助老站立模式、助老座椅模式和助老躺椅模式。

（一）座椅輔助站立模式

全自動(dòng)助老起坐座椅在完成助老站立（如圖3）動(dòng)作時(shí)分為兩個(gè)過(guò)程，第一過(guò)程是老人以坐姿坐在椅子上時(shí)椅子是折疊狀態(tài)，此時(shí)當(dāng)老人通過(guò)控制器按鈕（圖3：1-控制器）發(fā)出起立指令進(jìn)入第二個(gè)過(guò)程。腿部擋板（圖3：2-腿部擋板）后側(cè)的電機(jī)（圖4：1-電機(jī)）帶動(dòng)絲杠（圖4：2-絲桿）旋轉(zhuǎn)收縮，拉動(dòng)平放在腳底下的腳托（圖4：5-腳托）旋轉(zhuǎn)至座椅腿部擋板后側(cè)豎直存放好。椅背（如圖3：6-椅背所示）、椅座（如圖3：8-椅座所示）、腿部擋板同時(shí)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)椅背后側(cè)伸縮桿收縮，帶動(dòng)椅背運(yùn)動(dòng)，使椅背逐漸與椅座在同一平面。同時(shí)椅座后側(cè)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸，推動(dòng)椅座獨(dú)特的四連桿折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)向上展開(kāi)，將椅座推至垂直高度最終椅背、椅座、腿部擋板處于同一豎直平面處，此時(shí)座椅完成直立運(yùn)動(dòng)。整個(gè)過(guò)程的速度適中，并且椅背、椅座、腿托三者同時(shí)配合運(yùn)動(dòng)，此時(shí)人體整個(gè)是靠在椅子上面，為保證安全性老人可以系好安全帶，確保老人在三者運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中可以緊緊貼合座椅。

（二）座椅輔助移動(dòng)模式

座椅在助老站立模式下，按下控制器（圖3：1-控制器）按鈕，腿部檔板后側(cè)的電機(jī)（圖4：1-電機(jī)）帶動(dòng)絲杠（圖4：2-絲桿）旋轉(zhuǎn)收縮，拉動(dòng)平放在腳底下的腳托（圖4：3-腿部擋板）旋轉(zhuǎn)至座椅腿部擋板后側(cè)豎直存放好（腳托結(jié)構(gòu)圖如圖4所示）。此時(shí)后輪大扭矩直流電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)使座椅向前移動(dòng)（座椅將裝有速度控制器用以調(diào)節(jié)后輪的行進(jìn)速度），雙手抓牢座椅扶手（圖3：5-扶手）便可以在輔助座椅的推動(dòng)下向前行進(jìn)，輔助老人進(jìn)行行走鍛煉和以及后期的康健，相當(dāng)于一個(gè)具有全方位防護(hù)功能的拐杖。

（三）座椅輔助坐下模式

座椅在完成坐下動(dòng)作時(shí)分為兩個(gè)過(guò)程，第一過(guò)程是老人站在腳托上，倚著座椅，通過(guò)控制器按鈕發(fā)出坐下指令。此時(shí)進(jìn)入第二個(gè)過(guò)程，電機(jī)和推桿開(kāi)始工作，首先在椅座后側(cè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下椅座后側(cè)絲杠旋轉(zhuǎn)收縮，拉動(dòng)轉(zhuǎn)椅座獨(dú)特的四連桿折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，將椅座平鋪放下。在椅座運(yùn)動(dòng)的同時(shí)椅背后側(cè)的伸縮桿進(jìn)行拉伸，腿部擋板后側(cè)的絲杠拉伸帶動(dòng)腳托運(yùn)動(dòng)至一定角度后水平放置，即讓腳平可放在腳托上。在椅座平緩放置水平時(shí)，椅背與椅座逐漸接近垂直，三者配合最終完成坐下動(dòng)作。

在老人以坐姿使用本產(chǎn)品時(shí)，可以通過(guò)相應(yīng)按鈕分別調(diào)節(jié)椅背、腿部擋板的角度以及椅座升降機(jī)構(gòu)的高度（三大部分的自由度較高），找到最適合老人身體舒適度的座椅狀態(tài)。

座椅模式下連接前后輪子和椅子的連接臂可以轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)各部分結(jié)構(gòu)的高度和角度，人坐在椅子上，變成符合人體工程學(xué)的座椅狀態(tài)。與此同時(shí)，可以減少神經(jīng)血管對(duì)于老年群體人腦的壓迫，提高人的生活質(zhì)量，增強(qiáng)老年人晚年生活的幸福感?？梢赃M(jìn)行事先調(diào)整姿態(tài)，然后保存，使用者僅僅需要按下按鈕就可以達(dá)到事先調(diào)整好的狀態(tài)，操作簡(jiǎn)易，方便老人的使用。

三、結(jié)論

本產(chǎn)品“老有所椅”智能助老座椅達(dá)到了設(shè)計(jì)者的初衷，通過(guò)將座椅升降結(jié)構(gòu)、座椅連桿滑塊抬升機(jī)構(gòu)、伸縮桿等機(jī)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)座椅的智能起坐、輔助行走、任意自動(dòng)切換座椅模式、站立模式、躺椅模式等功能，極大提高了使用舒適度，具有智能化程度高、易于操作、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了目前市場(chǎng)的智能座椅存在的無(wú)法自動(dòng)輔助老人坐下、無(wú)法支撐人體獨(dú)自起立的問(wèn)題，同時(shí)考慮了人體自身的舒適度需要、人性設(shè)計(jì)，改變?nèi)梭w改變形態(tài)、提高了智能機(jī)械自動(dòng)化程度，響應(yīng)目前的政策號(hào)召，以及順應(yīng)目前自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于老人身體的康復(fù)與鍛煉大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王興宇.基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)的研究綜述[J].現(xiàn)代裝飾（理論），2013（01）：110.

[2]吳曉慧.多功能輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究解析[J].科技與創(chuàng)新，2016（17）：106.

[3]孫斌賓.低齡老年人智能座椅設(shè)計(jì)研究[J].藝術(shù)品鑒，2018（23）：303-304.