輔助坐立手杖研究與設(shè)計(jì)

郭家偉，朱 全，肖芊芊，胡曉雷

(馬鞍山學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

現(xiàn)如今，對(duì)于行動(dòng)能力下降或者失能的群體而言，行走問(wèn)題成為這部分人群進(jìn)行社交活動(dòng)的最大障礙。根據(jù)國(guó)家數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[1]：截至2019年底，我國(guó)65歲及以上人口達(dá)1.7億，其中20%的老年人需要借助手杖、助行器、輪椅等輔助裝置進(jìn)行日常的行走社交活動(dòng)。此外根據(jù)我國(guó)衛(wèi)生健康事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[2]：2019年底，殘疾人輔助器具供應(yīng)數(shù)達(dá)1600萬(wàn)件，其中輪椅市場(chǎng)供給僅500萬(wàn)輛，手杖供應(yīng)量達(dá)800萬(wàn)，究其原因主要是手杖相對(duì)于其他輔助行走器具價(jià)格低廉，使用方便，因此手杖依然是輔助老年人出行的首選[3]。

眾多高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始針對(duì)傳統(tǒng)手杖應(yīng)用局限進(jìn)行功能改造[4]。左怡等人[5]設(shè)計(jì)了一種手杖，該手杖可以實(shí)現(xiàn)自由伸縮，并配有自動(dòng)定位功能。符長(zhǎng)友等人[6]設(shè)計(jì)一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能手杖，采用振動(dòng)與電容傳感器來(lái)感知其出行情況。范志杰等人[7]結(jié)合人工智能前沿技術(shù)，在對(duì)手杖設(shè)計(jì)策略研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款滿足用戶助力、休息、置物需求的智能輔助手杖。LI團(tuán)隊(duì)[8]提出一種新型智能手杖，該手杖采用紅外技術(shù)、語(yǔ)音模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)盲人躲避障礙物，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

上述手杖的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了輔助用戶行走的功能，但并未考慮身體機(jī)能較弱用戶在連續(xù)使用過(guò)程中的體能消耗問(wèn)題。部分用戶在行走一段時(shí)間后，需要倚靠手杖停駐休息以使體能得到恢復(fù)，而這種體能恢復(fù)方式不僅效率較低且存在安全隱患?；谟脩粼谑褂檬终冗^(guò)程中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種輔助坐立手杖，該手杖可以通過(guò)機(jī)構(gòu)重組，完成手杖與座椅兩種狀態(tài)的切換，輔助用戶行走與就坐，為用戶身體機(jī)能的恢復(fù)提供有利條件。

1 輔助坐立手杖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 人體自然坐立模型建立

開(kāi)發(fā)輔助坐立手杖必須要先研究人體在自然狀態(tài)下立姿與坐姿尺寸特性[7-8]，因此首先建立了如圖1所示的人體自然坐立模型。對(duì)于可及距離類設(shè)計(jì)而言，尺寸特性主要為立姿側(cè)向手握距離(圖中Dh)；對(duì)于座面高度類設(shè)計(jì)，尺寸特性主要為坐姿小腿加足高(圖中Hc)和坐姿臀寬(圖中Wb)。

圖1 人體自然坐立模型

1.2 人體自然立姿與坐姿尺寸特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

募集了50位(男性)65～75歲的健康受試者，模擬用戶在輔助器具作用下的機(jī)體狀態(tài)。規(guī)定受試者立姿時(shí)自然挺胸直立，坐姿時(shí)端坐上身垂直椅面，雙腿與肩部同寬，大腿與小腿垂直，并選取人體鉛垂軸與足底所在平面交點(diǎn)作為平面參考點(diǎn)。采用人體測(cè)高儀測(cè)量了50名受試者立姿側(cè)向手握距離(Dh)、坐姿小腿加足高(Hc)及坐姿臀寬(Wb)，人體自然立姿與坐姿尺寸特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 尺寸特性測(cè)量結(jié)果

根據(jù)人體測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)用準(zhǔn)則，凡屬于可及距離類設(shè)計(jì)和座面高度類設(shè)計(jì)，常取第5百分位的人體測(cè)量數(shù)據(jù)，以使大部分用戶使用手杖時(shí)感覺(jué)舒適，因此立姿側(cè)向手握距離Dh取788mm，坐姿小腿加足高Hc取405mm；凡屬于座面寬度類設(shè)計(jì)，常取第90百分位的人體測(cè)量數(shù)據(jù)，因此坐姿臀寬Wb取220mm。將人體自然立姿與坐姿尺寸特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為輔助坐立手杖機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。

1.3 輔助坐立手杖工作原理

輔助坐立手杖結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，主要由主桿、椅面1、椅面2、上連桿、上活動(dòng)套、下活動(dòng)套、下連桿、卡箍、下支桿、拐頭及螺旋扣構(gòu)成。主桿呈T型結(jié)構(gòu)，主桿、椅面1、上連桿1及上活動(dòng)套構(gòu)成一組四連桿機(jī)構(gòu)，主桿、下活動(dòng)套、下連桿1、下支桿1、卡箍1及拐頭構(gòu)成一組五連桿機(jī)構(gòu)，以其中一組四連桿機(jī)構(gòu)和五連桿機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明各構(gòu)件連接方式。椅面1和椅面2以鉸接的形式安裝在主桿上，上活動(dòng)套可在主桿上滑動(dòng)，下活動(dòng)套通過(guò)鎖緊螺旋扣與主桿相連。上連桿一端鉸接于椅面，另一端鉸接于上活動(dòng)套。下連桿一端鉸接于下活動(dòng)套，另一端固定安裝有卡箍。下支桿一端鉸接于卡箍，另一端通過(guò)鉸鏈與拐頭相連。

圖2 輔助坐立手杖結(jié)構(gòu)組成

如圖2(a)所示，當(dāng)鎖緊螺旋扣后，下活套被鎖緊在主桿上，此時(shí)整個(gè)裝置呈現(xiàn)手杖狀態(tài)，輔助用戶行走。如圖2(b)所示，當(dāng)松開(kāi)螺旋扣后，用戶向下推動(dòng)主桿，此時(shí)上活動(dòng)套相對(duì)于主桿向上滑動(dòng)，與上活動(dòng)套鉸接的上連桿斜向上推動(dòng)椅面，直至椅面1與椅面2呈水平狀態(tài)；與此同時(shí)，下活動(dòng)套也相對(duì)于主桿向上運(yùn)動(dòng)，直至與上活動(dòng)套的下表面接觸；與下活動(dòng)套鉸接的三組下連桿斜向下展開(kāi)，直至拐頭與主桿底端接觸，三組下連桿構(gòu)成空間四面體支撐在地面上；再次鎖緊螺旋扣，此時(shí)整個(gè)裝置呈現(xiàn)座椅狀態(tài)，輔助用戶就坐。

2 輔助坐立手杖功能尺寸設(shè)計(jì)

手杖與座椅狀態(tài)能否完成切換主要取決于輔助坐立手杖機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能尺寸，因此本節(jié)主要對(duì)輔助坐立手杖的一組四連桿機(jī)構(gòu)和五連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.1 輔助坐立手杖機(jī)構(gòu)功能尺寸設(shè)計(jì)

圖3所示為輔助坐立手杖機(jī)構(gòu)由手杖狀態(tài)重構(gòu)為座椅狀態(tài)的功能尺寸圖。圖3中將上活動(dòng)套與下活動(dòng)套的高度b均設(shè)置為20mm，拐頭高度a設(shè)置為40mm。根據(jù)前文人體自然立姿與坐姿尺寸特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，立姿側(cè)向手握距離Dh取788mm，坐姿小腿加足高Hc取405mm，坐姿臀寬Wb取220mm，則椅面1寬度Wh=Wb/2=110mm。

圖3 輔助坐立手杖功能尺寸圖

由圖3中(b)座椅狀態(tài)可以計(jì)算出主桿高度H：

H=Hc-a=365mm

(1)

由圖3中(a)手杖狀態(tài)到(b)座椅狀態(tài)運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系可列出等式：

LBC+LAB+L+b/2=LAD

(2)

式(2)中：LBC為上連桿長(zhǎng)度，且LAB=Wh=110mm，L為上活動(dòng)套與下活動(dòng)套中心距，LAD為主桿高度，則LAD=H=365mm。

由式(2)計(jì)算可得：LBC=225mm。

在圖3(b)直角三角形ΔA1B1C1中，運(yùn)用勾股定理可列出等式：

Wh2+LA1C22=LB1C12

(3)

式(3)中：LB1C1=LBC=225mm。

由式(3)計(jì)算可得：LA1C1=196mm。

由圖3(b)座椅狀態(tài)可列出等式：

LA1C1+LD1F1+L+a/2=Hc

(4)

由式(4)計(jì)算可得：LD1F1=169mm。

在圖3(b)直角三角形ΔD1F1E1中，運(yùn)用勾股定理可列出等式：

LD1F12+LE1F12=LD1E12

(5)

式(5)中：LD1E1為下連桿長(zhǎng)度，LE1F1為下支桿長(zhǎng)度。

由圖3(a)手杖狀態(tài)可列出等式：

LDE+LEF+a/2+H-10mm=Dh

(6)

式(6)中：LDE=LD1E1，LEF=LE1F1。

聯(lián)立式(5)和(6)計(jì)算可得：LDE=LD1F1=241mm，LEF=LE1F1=172mm。

由此可以計(jì)算出S上活動(dòng)套行程和S下活動(dòng)套行程：

(7)

由式(7)計(jì)算可得：S上=139mm，S下=139mm。

2.2 輔助坐立手杖運(yùn)動(dòng)仿真模型建立

在不影響計(jì)算精度的情況下，建立了如圖4所示簡(jiǎn)化的輔助坐立手杖運(yùn)動(dòng)仿真模型。圖中θ為椅面與主桿之間的夾角，Marker1為上活動(dòng)套質(zhì)心點(diǎn)，Marker2為下活動(dòng)套質(zhì)心點(diǎn)，Marker3為拐頭與地面接觸點(diǎn)，以T字型主桿兩軸交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖4所示的坐標(biāo)系。根據(jù)各個(gè)構(gòu)件之間的約束關(guān)系，在Adams View運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件環(huán)境內(nèi)添加各個(gè)構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副，編輯質(zhì)量屬性、添加接觸力及驅(qū)動(dòng)[13-15]。最后進(jìn)行輔助坐立手杖運(yùn)動(dòng)特性仿真實(shí)驗(yàn)。

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真模型

2.3 輔助坐立手杖運(yùn)動(dòng)仿真分析

圖5所示為點(diǎn)Marker3隨椅面轉(zhuǎn)動(dòng)θ角的Y向位移變化曲線。由位移變化曲線分析可知，當(dāng)θ=90°時(shí)(表明為座椅狀態(tài))，點(diǎn)Marker3與坐標(biāo)原點(diǎn)鉛錘方向距離為405.0mm，仿真結(jié)果與人體自然坐姿小腿加足高一致，符合座椅高度類設(shè)計(jì)要求；當(dāng)θ=0°時(shí)(表明為手杖狀態(tài))，此時(shí)點(diǎn)Marker3與坐標(biāo)原點(diǎn)鉛錘方向距離為788.0mm，仿真結(jié)果與人體自然立姿側(cè)向手握距離一致，符合可及距離類設(shè)計(jì)要求。由此表明該輔助坐立手杖的設(shè)計(jì)符合人機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)同性。

圖5 Marker3Y向位移曲線

圖6所示為輔助坐立手杖由座椅狀態(tài)轉(zhuǎn)換為手杖狀態(tài)過(guò)程中，上活動(dòng)套點(diǎn)Marker1和下活動(dòng)套點(diǎn)Marker2隨椅面轉(zhuǎn)動(dòng)θ角的行程變化曲線。由上活動(dòng)套Marker1點(diǎn)行程變化曲線分析可知，當(dāng)θ=90°時(shí)，上活動(dòng)套點(diǎn)Marker1與坐標(biāo)原點(diǎn)鉛錘方向距離為698.0mm；當(dāng)θ=0°時(shí)，上活動(dòng)套點(diǎn)Marker1與坐標(biāo)原點(diǎn)鉛錘方向距離為837.0mm；計(jì)算可得上活動(dòng)套行程為139.0mm；由下活動(dòng)套點(diǎn)Marker2行程變化曲線分析可知，當(dāng)θ=90°時(shí)，下活動(dòng)套點(diǎn)Marker2與坐標(biāo)原點(diǎn)鉛錘方向距離為718.0mm。當(dāng)θ=0°時(shí)，上活動(dòng)套點(diǎn)Marker2與坐標(biāo)原點(diǎn)鉛錘方向距離為857.0mm，計(jì)算可得下活動(dòng)套行程為139.0mm。上活動(dòng)套與下活動(dòng)套行程仿真結(jié)果與理論計(jì)算一致，表明輔助坐立手杖符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 活動(dòng)套行程曲線

3 結(jié)論

通過(guò)輔助坐立手杖構(gòu)型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的建模與仿真分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)對(duì)手杖構(gòu)型及結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)了一款新型輔助坐立手杖，并討論了手杖機(jī)構(gòu)重構(gòu)表現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上確定了輔助坐立手杖功能尺寸參數(shù)，建立了三維模型。

(2)通過(guò)對(duì)輔助坐立手杖運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，在手杖狀態(tài)時(shí)，主桿高度為788mm，符合人體自然立姿側(cè)向手握距離；在座椅狀態(tài)時(shí)，椅面與地面高度差為405mm，符合人體自然坐姿小腿加足高，表明輔助坐立手杖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)。

今后還需進(jìn)行以下研究。

(1)需對(duì)輔助坐立手杖結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化，使之能夠更契合老年人人體尺寸。

(2)輔助坐立手杖動(dòng)力學(xué)分析有待進(jìn)一步研究。