適老化輔助站立裝置

朱 荻 孫 健 楊 陽 欒志恒

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇 徐州 221018）

0 引言

隨著我國新生兒的出生率逐年下降，人口老齡化趨勢將持續(xù)增強。據(jù)統(tǒng)計，截至2022 年，我國60 歲及以上的老人數(shù)量高達2.5 億，占全國總?cè)丝诘?0%左右。隨著年齡的增加，多種老年化疾病也接踵而來，老人的生命安全如何得到基本保障成為中國現(xiàn)階段要正視和處理的問題。老人在家久坐后行走，或如廁時間過長而導致起身后存在雙腿無力、難以站立的問題，這些現(xiàn)象對老人而言是非常危險的。因此，研究和設(shè)計出輔助老人站立的坐具顯得十分重要［1］。適老化坐具作為一種輔助站立的設(shè)備，其方便性和安全性在輔助老年人群的日常生活中具有獨特的優(yōu)勢。因此，設(shè)計出一款可輔助老年人群安全起身及日常就座的適老化座椅，對擺脫目前困境、減輕醫(yī)護壓力、提高對老年人的服務(wù)水平、促進社會和諧具有十分重要的意義。

1 國內(nèi)外輔助站立裝置的研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對輔助站立裝置技術(shù)的試驗研究基本停留在輔助站立扶手、固定方式不變的輔助站立座椅。市場上所提及的老年人專用坐具，還只是從產(chǎn)品的材質(zhì)來進行外觀設(shè)計，未從老年人的視覺審美來考慮所推薦的產(chǎn)品。針對功能設(shè)計的產(chǎn)品只在醫(yī)療系統(tǒng)中常見，并不能融入老年人的日常生活中。

1.1.1 輔助站立座椅。為了解決適老化輔助站立裝置在運動站立和坐具運動過程中不能得到準確的運用時間等問題，孫技偉等［2］提出一種基于變胞結(jié)構(gòu)原理的老年自助椅，并結(jié)合平面連桿機構(gòu)的基本構(gòu)造及理念，引入變胞機構(gòu)原理的設(shè)計模式。這一設(shè)計原則特別適合我國老年人的生活起居，其工作原理如下。首先，老年自助椅的重心逐步升高，在達到某一高度后，座椅開始逐漸翻轉(zhuǎn)，使老人的整個臀部從水平狀態(tài)變?yōu)榇怪边\動。同時，當整個座椅逐漸翻轉(zhuǎn)時，靠背也以類似于平行運動的方式進行旋轉(zhuǎn)，但有另外一個很小的垂直旋轉(zhuǎn)的角度。為了求解以上三個垂直運動的時間序列，使用具有控制功能的變形元件來集成三個裝置。該輔助裝置用于模擬人體自然變化站立姿勢過程中出現(xiàn)的一系列動態(tài)變化均符合關(guān)節(jié)的運動變化規(guī)律［3］，可幫助老年人較輕松地從自然坐姿轉(zhuǎn)變?yōu)檎咀?，實現(xiàn)輔助老年人正確站立姿態(tài)的功能［4］。

吳松等［5］成功研發(fā)出一種多功能輔助式站立式座椅，具有輔助站立和平側(cè)躺的功能，可實現(xiàn)不同姿勢的轉(zhuǎn)換。升降減速裝置減速器的工作原理如下。當減速器旋轉(zhuǎn)和手柄停止搖動時，旋轉(zhuǎn)軸便隨之自動旋轉(zhuǎn)，然后由位于減速器主軸中部的傘齒輪來帶動減速絲杠自動上升。絲杠垂直上升，來推動座墊水平上升，從而實現(xiàn)垂直升降等功能。這款多功能輔助式站立升降座椅采用純鋁的機械機構(gòu)，拆裝方便，舒適性好。然而，該設(shè)備不能在一定區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)自由移動，在很大程度上限制該設(shè)備的有效使用范圍。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

美國凱斯西儲大學設(shè)計開發(fā)出一種人體垂直自動升降式輔助站立支撐機構(gòu)，其工作原理是通過使用前后兩個空氣彈簧裝置作為一種輔助的站立助力裝置，通過控制空氣彈簧裝置的自動伸縮，從而為用戶站立提供垂直向上的上升力，幫助用戶實現(xiàn)正確站立。但這種助力裝置的人體運動軌跡變化太強，不符合現(xiàn)代人體運動自然垂直起立的運動規(guī)律，且動作軌跡較為單一，無法真正適應現(xiàn)代復雜多變的站立支撐環(huán)境，且該設(shè)備對使用者上肢力量鍛煉的要求較高。老年人因身體機能退化，導致無法嚴格滿足該設(shè)備的日常使用要求，強行使用只會導致中老年人的身體器官受到一定損害，嚴重時甚至會危及人體健康。通過市場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品的市場范圍較小。

日本高知空谷大學開發(fā)出的站立輔助康復訓練系統(tǒng)是一種完全基于人體下肢動力學數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的輔助型站立支撐訓練康復系統(tǒng)，其可使用雙繩來控制人體張力度和運動軌跡，其具體的工作原理如下。先利用用戶身體上的運動傳感器來實時獲取用戶的正確站立姿勢、重心位置以及其他異常運動狀態(tài)。在雙繩系統(tǒng)運行時，前繩直接控制人體的運動軌跡，后繩可控制輔助張力的幅度大小，兩條繩能以一個預定的速度同時運行。當患者自身的腿部力量基本足夠負荷時，后繩的張力幅度約為于零。同時，當使用者自身的背部力量出現(xiàn)不足時，背繩可提供腿部輔助支撐力量，使用戶患者的腿部能以一個較為平穩(wěn)的速度起身?？祻陀柧毨K系統(tǒng)通過使用雙繩系統(tǒng)能有效控制使用者的起立動作速度和輔助動作力量，能有效解決使用者因自身動作力量不足而導致的無法連續(xù)起立的問題，以及無法控制輔助運動力量大小，解決了使用者因運動力量不足而無法快速起立的問題，大大提高了老年人正常生活的可能。

除此之外，斯洛文尼亞盧布爾雅那大學開發(fā)制造的液壓蹺蹺板式輔助站立機器人也是國外輔助式站立機器人研究領(lǐng)域的代表。該設(shè)備由全液壓機驅(qū)動，具有前后兩個可平移的自由度和一個可旋轉(zhuǎn)的自由度。其在保持座墊水平的同時，還能使人站起來，從而確保人在站立時的舒適性。該輔助機器人的傳動裝置具有重量輕、結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計緊湊、運行與工作各過程載荷均勻一致且動作穩(wěn)定的優(yōu)點，缺點是其仍被只用于下肢殘疾人日?？祻陀柧氈械南轮玖⒖祻陀柧毤斑\動康復訓練。該輔助機器人的適用范圍太小，不能同時滿足不同老年人的保健通用的需求。此外，該類產(chǎn)品的研發(fā)制造成本較高，不利于市場推廣。

綜上所述，國外輔助立式裝置采用先進的理論和技術(shù)進行研究，并采用機電一體化使產(chǎn)品更加現(xiàn)代化，但由于成本等原因，其并沒有得到廣泛應用，但其研究方法和技術(shù)仍然值得借鑒。

2 適老化座椅輔助站立功能

適老化坐具輔助站立是基于電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動等，從而開發(fā)出的功能。輔助站立技術(shù)的關(guān)鍵是對人體由坐姿轉(zhuǎn)換成站姿關(guān)節(jié)角度變化的支持。由于該功能針對的人群比較特殊，其設(shè)計必須要高度貼合老年人群及弱能人群。所以，在設(shè)計方面要采用安全性高、靈活性高的輔助站立技術(shù)。

人體的坐立轉(zhuǎn)換動作［4］是人體完成站立的關(guān)鍵，如圖1所示。由圖1可知，人體坐立轉(zhuǎn)換的動作可分為三步。第一步為準備，此時人體的上身前傾，重心前移。第二步為起立，上身繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，大腿繞膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，使臀部離開座板。第三步完成站立動作。人體坐立行轉(zhuǎn)換能否成功的關(guān)鍵是人體坐立轉(zhuǎn)換動作的第二步，在這個轉(zhuǎn)換過程中，人體的髖關(guān)節(jié)部和膝關(guān)節(jié)均旋轉(zhuǎn)一定角度，尤其是膝關(guān)節(jié)。

圖1 人體坐立轉(zhuǎn)換

適老化座椅輔助站立是通過電動推桿或液壓推桿來帶動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，從而使人體完成坐姿到站姿的轉(zhuǎn)換。其主要特征是要符合老年人的生活習慣，從而使老人能輕易達到站立的狀態(tài)。一般的適老化座椅多在外觀上下功夫，如椅子的顏色、用料、扶手等。目前，市面上的養(yǎng)老家具數(shù)量稀少，大多數(shù)的養(yǎng)老家具的設(shè)計流于表面［6］，沒有充分考慮老年人的需求，特別是生理狀況（如骨骼、關(guān)節(jié)等問題）。有的設(shè)計過于功能化，甚至做得很像醫(yī)療器械，與生活格格不入［7］，導致其很難得到老年人群的青睞。

根據(jù)人們從座位上站起來的動作來看，三個動作被整合在一起，即重心的上升、臀部從水平向垂直的變化、背部角度的小范圍變化。因此，有必要設(shè)計三種不同的設(shè)備，從而實現(xiàn)相關(guān)功能。同時，考慮到這三個運動有時間先后的順序。因此，利用其在不同工作階段中的變胞機構(gòu)特性來實現(xiàn)對運動時間的順序動態(tài)控制。首先，適老化座椅的重心會升高，在達到某一高度后，座椅開始向下翻轉(zhuǎn)，使整個臀部逐漸從相對水平的方向變?yōu)閹缀醮怪钡姆较?。其次，當整個座椅上下翻轉(zhuǎn)時，靠背的位置也同樣會隨著座椅整體向上移動，這類似于平行移動，但角度較小。為了同時求解上述三個物體運動的時間序列，使用具有時間控制變換功能的變形控制元件來同時集成上述三個變形裝置。這種有順序的站立運動更符合正常人體在行走站立活動中的骨骼位置變化，使人能更自然地完成從坐逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎荆瑢崿F(xiàn)輔助正常人完成站立鍛煉的雙重功能，還可使人站在椅子上。變構(gòu)胞原理［8］是通過特定的方法來改變機構(gòu)的空間拓撲與結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對整個機構(gòu)的自由度參數(shù)的改變。將該原理應用在適老化座椅的連桿連接部分，從而實現(xiàn)座位的翻轉(zhuǎn)。有了變胞機構(gòu)，座椅的升降、座位的翻轉(zhuǎn)、靠背角度的調(diào)整、運動過程的控制等都能得到合理的解釋。通過改變每一個有效連接的連桿數(shù)量，可進一步改進連桿機構(gòu)系統(tǒng)中的具有各種基本拓撲性質(zhì)的結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)該桿機構(gòu)中的連桿在三個以上不同的結(jié)構(gòu)階段過程中的功能。充分利用平面連桿機構(gòu)座椅的設(shè)計及其構(gòu)造機理研究新方法，系統(tǒng)清晰地介紹了適老化座椅的結(jié)構(gòu)原理及其理論設(shè)計模型。適老化座椅簡圖如圖2所示。

圖2 適老化座椅簡圖

也有學者通過對坐立轉(zhuǎn)換的生物力學進行研究分析，通過對身體各部位的參數(shù)進行分析，簡化起立階段的力學模型，演算出人體坐立轉(zhuǎn)換過程中小腿、大腿、軀干、頸部、頭部的重心坐標方程，推導出人體起立階段的腿部肌肉群合力F與人體身高H、大腿及以上部位部位重力G與人體各部位和水平方向夾角角度的關(guān)系式。起立階段初始時刻，所需的最大下肢肌肉群合力Fmax=2 146.9 N。此后，膝關(guān)節(jié)的角度逐漸增大，F(xiàn)逐漸減小，在角度增至約101°時，F(xiàn)迅速減小，這說明起立初期所需的力較大。當膝關(guān)節(jié)角度增加到一定值后，阻力臂明顯減小，起立較為輕松。

郭佳偉等［9］設(shè)計的液壓輔助站立支撐裝置是以液壓支撐座墊為主要框架，通過各種標準的匹配程序（重合、平行、垂直、切線、同軸線、鎖定、距離和角度）進行匹配，依次將銷軸、推桿、連桿、氣缸體、滑塊和支承座墊等組裝緊固在一起。每個滑桿均通過固定鉸鏈進行連接，導向滑塊能在固定滑槽孔中自由移動。底座主要用于支撐和固定整個輔助站立支撐機構(gòu)。電動推桿系統(tǒng)將輸出的推力直接傳遞給每個推桿，最后再通過推動每個推桿上的連桿或驅(qū)動座墊，從而使其以設(shè)定好的角速度向前上升至20°。適老化座椅輔助站立裝置能滿足老年人輔助產(chǎn)品的便攜性和清潔度要求，無須他人協(xié)助，即可完成相關(guān)操作。電動推桿機可作為該裝置的動力源，其穩(wěn)定性較好，這是三類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的共同特點。為了盡量避免老年人在實際使用時，因冷機熱操作而產(chǎn)生嚴重影響，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作過程中，應充分應用符合人機工程學基本原理、與現(xiàn)代人體色彩科學密切相關(guān)的知識，給老年人的生活提供足夠的精神健康及人文關(guān)懷，從而提高其生活質(zhì)量。在確?？蛻羰褂玫绞孢m便捷的服務(wù)和健康安全的產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，盡可能使用技術(shù)簡單且穩(wěn)定可靠的國際組織或機構(gòu)的產(chǎn)品技術(shù)方案和技術(shù)服務(wù)方案，從而能及時有效地惠及到更多地區(qū)的老年人。

3 適老化座椅保護功能

目前，市場上已陸續(xù)出現(xiàn)多種與輔助老人站立及相關(guān)器械配套的新產(chǎn)品，主要包括座椅、沙發(fā)、護理設(shè)備及輪椅機器人等。如反重力平衡輔助和站立訓練系統(tǒng)，其配套產(chǎn)品的穿戴程序較為復雜，不適合中國老年人群體的長期使用。該輪椅輔助系統(tǒng)的體積普遍較大，訓練的技術(shù)方法也較為單一。澳大利亞康復研究所和日本大阪大學康復研究所設(shè)計的輔助站立座椅的速度無法進行調(diào)整，不能保證老年人站立的安全性。合肥理工大學等共同研究開發(fā)生產(chǎn)設(shè)計的適合老年人肩部支撐的輔助式站立支撐座椅，因其人體運動與醫(yī)學理論較為復雜，代表產(chǎn)品或多或少都存在著一些技術(shù)問題。目前，我國對老年人在使用輪椅輔助站立時面臨的安全性問題及舒適性問題的相關(guān)研究較少。

在適老化坐具的形態(tài)設(shè)計時，應避免抽象、理性等年輕人更容易接受的造型。對老年人而言，簡單的幾何造型、有秩序和穩(wěn)重的結(jié)構(gòu)，以及圓潤柔和的形體更能讓其接受。此外，還能減少不必要的意外，在心理上給予老年人以柔和安全的感覺。注意使用垂直線條，應避免座椅的造型出現(xiàn)僵直、呆板、生硬等情況。在設(shè)計時，對面的把控要盡量采用一些對稱呼應的手法。在形體的處理上，要營造出一種均衡感，不能出現(xiàn)視覺上的不穩(wěn)定，確保設(shè)計出的坐椅具有良好的穩(wěn)定性和視覺效果，從而給老年人營造出一種視覺上的安全感。此外，細節(jié)問題也不能忽略，要對座椅的各個面棱角、倒角進行處理。

老年人的脊柱因生理退化，比年輕人的脊柱更容易感到疲憊，比年輕人的更脆弱，要注意事項的也更多。在設(shè)計坐具時，涉及腰部靠背的設(shè)計，從人體工程學角度來分析，符合人體腰部脊柱的生理弧度是必然的要求，符合腰部脊柱生理弧度的靠背能有效緩解久坐的疲勞感，以及不正當坐姿對腰部脊柱的二次傷害［8］。除此之外，還要考慮腰靠的材質(zhì)及彈性，如果選擇的材質(zhì)不恰當，其彈性達不到舒適度的要求，會導致使用者的不適感增大，無法達到緩解疲勞感的效果。老年人的腿之所以會隨著年齡的增大而變得腫大，是因為長了骨刺。由于內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨的磨損，骨關(guān)節(jié)沒有縫隙，所以兩個骨頭間缺少膜，導致老人的腿變得腫大。所以，在設(shè)計時可考慮運用其他部位的借力和合理的座面高度，以及座椅本身能提供的助力方案，來減輕膝關(guān)節(jié)的壓力，從而使老年人能更輕松地起立。

適老化座椅還應在老年人起身后對其起到保護的作用，由于肌肉的衰退，老年人的握力下降［10］，應選擇便于掌握的扶手，助推的座面能幫助老年人最大限度借助向上的推力，從而減輕膝蓋的負擔，達到起立的目的，從而跳過蓄力、發(fā)力的階段。扶手的設(shè)計可參考人體工學椅，能輕松調(diào)節(jié)其高度，從而讓不同高度的老人都能找到適合其的助力點。

4 結(jié)語

變形胞結(jié)構(gòu)雖然簡單，但仍具有很高的微觀機構(gòu)學理論價值，并且其在適老化坐具的研究中仍有相當重要的物理應用分析價值。特別是，對其多功能階段結(jié)構(gòu)和多階拓撲結(jié)構(gòu)特性的研究。從生物力學角度對老年人坐立轉(zhuǎn)換行為進行分析，以及對輔助站立的過程進行探究［11］。無論是用電機驅(qū)動或液壓驅(qū)動來托舉臀部。經(jīng)試驗證實，老年人輔助式站立裝置能有效輔助老人進行站立，對提高老年人的生活水平、自理能力水平以及家庭生活質(zhì)量，都具有極為重要的意義。