自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅的設(shè)計(jì)與開發(fā) *

燕衛(wèi)亮

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710300)

0 引 言

目前我國正處在世界上規(guī)模最大，同時(shí)也是增長速度最快的人口老齡化進(jìn)程中。2019年底，我國60歲及以上的老年人口2.54億，占總?cè)丝诘?8.1%，其中65歲及以上老年人口1.76億，占總?cè)丝诘?2.6%[1]。

老年人骨密度下降，骨骼變脆，關(guān)節(jié)軟骨組織變薄，滑液分泌減少[2]，肌肉萎縮，身體的靈活性及力量都大大減弱，起、坐過程中腿部及手臂力量不足[3]，很容易出現(xiàn)“起坐失敗”的現(xiàn)象，嚴(yán)重的可能會(huì)造成跌倒摔傷，為老年人的生活帶來許多不便。尤其是對(duì)于數(shù)量越來越大的獨(dú)居老人，因身體機(jī)能的衰退，甚至?xí)谛凶摺⑵鹱谐霈F(xiàn)一系列安全問題。因此，有必要開發(fā)一款合適的助老裝置來有效幫助老人。

針對(duì)這一需求，市場(chǎng)推出了各種款式的助力手杖、拐杖[4]，有效解決了老人的行走助力問題。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，目前不少研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行助力行走機(jī)器人的研發(fā)，以期進(jìn)一步改善老人行走安全問題[5]。然而，對(duì)于老年人起坐助力問題，目前尚未有成熟可靠的解決方案和相關(guān)產(chǎn)品。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，基于人機(jī)工程學(xué)原理，通過對(duì)老年人起坐過程助力方式、姿勢(shì)變化、人機(jī)距離的觀察，分析起坐過程的人體受力特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)老年人在空間內(nèi)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的各種需求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅，從而提高老年人的起身便捷性和安全性。

1 工作原理與整體結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅是針對(duì)獨(dú)居老人由于身體機(jī)能老化難以獨(dú)立坐下以及久坐后難以獨(dú)自站立而設(shè)計(jì)的全新起坐助力產(chǎn)品。通過座椅面及扶手的協(xié)同升降，助力獨(dú)居老人坐下和站立。

自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅主要由行走部分、底座升降部分、座椅及扶手俯仰升降部分、靠背等幾部分組成，如圖1所示。由5個(gè)腳輪組成的行走部分可方便的實(shí)現(xiàn)座椅位置的移動(dòng)；由升降氣桿和高度調(diào)節(jié)桿組成底座升降部分可自適應(yīng)靈活調(diào)節(jié)座椅面高度，滿足不同身高者的需求；由電動(dòng)推桿、“幾字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面等組成的座椅及扶手俯仰升降部分可聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)座椅面和扶手的俯仰升降，并根據(jù)使用者需求自適應(yīng)調(diào)節(jié)俯仰高度，助力老人起坐；符合人機(jī)工程學(xué)的靠背為老人提供舒適的倚靠體驗(yàn)。

圖1 自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅結(jié)構(gòu)1.椅背 2.聯(lián)動(dòng)升降扶手 3.支撐框架 4.記憶椅面 5.電動(dòng)推桿 6.升降缸 7.行走部分

2 模塊化部件設(shè)計(jì)

2.1 座椅及扶手聯(lián)動(dòng)俯仰升降結(jié)構(gòu)

如圖2，由電動(dòng)推桿、“幾字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面、支架等組成的座椅及扶手俯仰升降部分可聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)座椅面和扶手的俯仰升降，并根據(jù)使用者需求自適應(yīng)調(diào)節(jié)俯仰高度，助力老人起坐。其中，“幾字型”扶手支架為關(guān)鍵承載零件，同時(shí)承受老人臀部的壓力和手部的支撐力，因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)的剛度有較高的要求。

2.2 行走部分結(jié)構(gòu)

由五星腳及腳輪組成的行走部分實(shí)現(xiàn)座椅位置的移動(dòng)功能，可在老人不站立的情況下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和位移。

2.3 底座升降結(jié)構(gòu)

由升降氣桿、托架和高度調(diào)節(jié)桿組成底座升降部分可自適應(yīng)靈活調(diào)節(jié)座椅面高度，滿足不同身高者的需求。

2.4 支撐框架結(jié)構(gòu)

采用歐標(biāo)鋁型材作為自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅的主體支撐框架，如圖3，以標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件對(duì)各鋁型材構(gòu)件進(jìn)行聯(lián)接，盡可能減小整體重量并減小加工制造成本。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算及人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅所受載荷較小(單個(gè)人的重量)，而設(shè)計(jì)中所采用的的鋁型材、鋼制聯(lián)接件、木質(zhì)加厚座椅面、鋼制升降氣桿、鋼制托架、鋼制高度調(diào)節(jié)桿、鋼制五星腳等結(jié)構(gòu)的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)人的重量。因此，各零件尺寸確定主要依據(jù)空間位置及人機(jī)工程學(xué)確定，且無需校核。此外，通過大量實(shí)驗(yàn)測(cè)得，底座升降高度、座椅及扶手俯仰升降高度的調(diào)節(jié)范圍均在150°左右。由此，可以確定自適應(yīng)升降式老人起坐防摔助力椅的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如表1所列。進(jìn)而確定各構(gòu)件的尺寸。

圖2 座椅及扶手聯(lián)動(dòng)俯 圖3 支撐框架結(jié)構(gòu)仰升降部分

表1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

通過人機(jī)工程學(xué)參數(shù)精密計(jì)算[6]和分析驗(yàn)證，如圖4，讓使用者重心落在臀部的骨骼上；升降高度調(diào)節(jié)適合中老年需求；座椅面寬度適中，靠背有較好的回彈性能。

圖4 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

4 力學(xué)分析及樣機(jī)驗(yàn)證

該助力椅的座椅和扶手的聯(lián)動(dòng)升降主要依靠關(guān)鍵支撐零件——幾字型支架，在助力升降過程中，該零件為整個(gè)結(jié)構(gòu)受力最大的部分，但考慮結(jié)構(gòu)輕便和成本低，該零件采用5 mm鈑金折彎和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，因此，需要對(duì)其剛度進(jìn)行驗(yàn)證，如果變形量過大，將增大轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦力，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)卡死。

通過Workbench軟件有限元分析，該零件在設(shè)計(jì)最大負(fù)載200 kg時(shí)，如圖5，最大的變形出現(xiàn)在對(duì)稱面，最大變形量為0.049 mm。因此，該零件符合剛度要求，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)造成影響。

為了驗(yàn)證助力椅的結(jié)構(gòu)合理性和體驗(yàn)舒適性，在考慮成本和維修方便性的要求下，制造樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，如圖5。通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該助力椅相比于市面已有座椅面垂直起降類助力產(chǎn)品，座椅面及扶手的聯(lián)動(dòng)俯仰升降的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，達(dá)到一組動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)座椅面俯仰升降和扶手升降聯(lián)動(dòng)的效果，更加符合老人起坐時(shí)的助力需求；椅面高度可自適應(yīng)調(diào)節(jié)，滿足不同身高者的需求，能夠達(dá)到更好的助力效果。助力椅樣機(jī)如圖6所示。

圖5 幾字型支架有限元分析 圖6 助力椅樣機(jī)

5 結(jié) 語

社會(huì)老齡化是我國的發(fā)展趨勢(shì)，急需開發(fā)針對(duì)獨(dú)居老年人的助力裝置。而目前市場(chǎng)上還沒有大規(guī)模生產(chǎn)的老年助力的機(jī)器，對(duì)老年助力椅的研究也不成熟，因此開發(fā)和研究新型老年人助力機(jī)械前景廣闊。本作品通過電動(dòng)推桿、“幾字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面等組成的座椅及扶手俯仰升降機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，達(dá)到一組動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)座椅面俯仰升降和扶手升降聯(lián)動(dòng)的效果，能夠達(dá)到滿意的協(xié)同起坐助力效果，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。而且該助力椅座椅面和扶手的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)也可應(yīng)用于需要升降的醫(yī)療座椅及醫(yī)療床以及康復(fù)機(jī)械中，具有廣闊的前景。