自适应升降式老人起坐防摔助力椅的设计与开发 *

燕卫亮

(陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院， 陕西 西安 710300)

0 引 言

目前我国正处在世界上规模最大，同时也是增长速度最快的人口老龄化进程中。2019年底，我国60岁及以上的老年人口2.54亿，占总人口的18.1%，其中65岁及以上老年人口1.76亿，占总人口的12.6%[1]。

老年人骨密度下降，骨骼变脆，关节软骨组织变薄，滑液分泌减少[2]，肌肉萎缩，身体的灵活性及力量都大大减弱，起、坐过程中腿部及手臂力量不足[3]，很容易出现“起坐失败”的现象，严重的可能会造成跌倒摔伤，为老年人的生活带来许多不便。尤其是对于数量越来越大的独居老人，因身体机能的衰退，甚至会在行走、起坐中出现一系列安全问题。因此，有必要开发一款合适的助老装置来有效帮助老人。

针对这一需求，市场推出了各种款式的助力手杖、拐杖[4]，有效解决了老人的行走助力问题。随着机器人技术的发展，目前不少研究机构正在进行助力行走机器人的研发，以期进一步改善老人行走安全问题[5]。然而，对于老年人起坐助力问题，目前尚未有成熟可靠的解决方案和相关产品。

针对这一现状，基于人机工程学原理，通过对老年人起坐过程助力方式、姿势变化、人机距离的观察，分析起坐过程的人体受力特点，发现老年人在空间内活动时产生的各种需求，在此基础上设计一款自适应升降式老人起坐防摔助力椅，从而提高老年人的起身便捷性和安全性。

1 工作原理与整体结构

自适应升降式老人起坐防摔助力椅是针对独居老人由于身体机能老化难以独立坐下以及久坐后难以独自站立而设计的全新起坐助力产品。通过座椅面及扶手的协同升降，助力独居老人坐下和站立。

自适应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、靠背等几部分组成，如图1所示。由5个脚轮组成的行走部分可方便的实现座椅位置的移动；由升降气杆和高度调节杆组成底座升降部分可自适应灵活调节座椅面高度，满足不同身高者的需求；由电动推杆、“几字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面等组成的座椅及扶手俯仰升降部分可联动实现座椅面和扶手的俯仰升降，并根据使用者需求自适应调节俯仰高度，助力老人起坐；符合人机工程学的靠背为老人提供舒适的倚靠体验。

图1 自适应升降式老人起坐防摔助力椅结构1.椅背 2.联动升降扶手 3.支撑框架 4.记忆椅面 5.电动推杆 6.升降缸 7.行走部分

2 模块化部件设计

2.1 座椅及扶手联动俯仰升降结构

如图2，由电动推杆、“几字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面、支架等组成的座椅及扶手俯仰升降部分可联动实现座椅面和扶手的俯仰升降，并根据使用者需求自适应调节俯仰高度，助力老人起坐。其中，“几字型”扶手支架为关键承载零件，同时承受老人臀部的压力和手部的支撑力，因此，对其结构的刚度有较高的要求。

2.2 行走部分结构

由五星脚及脚轮组成的行走部分实现座椅位置的移动功能，可在老人不站立的情况下实现旋转和位移。

2.3 底座升降结构

由升降气杆、托架和高度调节杆组成底座升降部分可自适应灵活调节座椅面高度，满足不同身高者的需求。

2.4 支撑框架结构

采用欧标铝型材作为自适应升降式老人起坐防摔助力椅的主体支撑框架，如图3，以标准联接件对各铝型材构件进行联接，尽可能减小整体重量并减小加工制造成本。

3 理论设计计算及人机工程学设计

自适应升降式老人起坐防摔助力椅所受载荷较小(单个人的重量)，而设计中所采用的的铝型材、钢制联接件、木质加厚座椅面、钢制升降气杆、钢制托架、钢制高度调节杆、钢制五星脚等结构的承载能力远远大于单个人的重量。因此，各零件尺寸确定主要依据空间位置及人机工程学确定，且无需校核。此外，通过大量实验测得，底座升降高度、座椅及扶手俯仰升降高度的调节范围均在150°左右。由此，可以确定自适应升降式老人起坐防摔助力椅的关键技术参数，如表1所列。进而确定各构件的尺寸。

图2 座椅及扶手联动俯 图3 支撑框架结构仰升降部分

表1 关键技术参数

通过人机工程学参数精密计算[6]和分析验证，如图4，让使用者重心落在臀部的骨骼上；升降高度调节适合中老年需求；座椅面宽度适中，靠背有较好的回弹性能。

图4 人机工程学设计

4 力学分析及样机验证

该助力椅的座椅和扶手的联动升降主要依靠关键支撑零件——几字型支架，在助力升降过程中，该零件为整个结构受力最大的部分，但考虑结构轻便和成本低，该零件采用5 mm钣金折弯和加强筋结构，因此，需要对其刚度进行验证，如果变形量过大，将增大转动副的摩擦力，使机构运动卡死。

通过Workbench软件有限元分析，该零件在设计最大负载200 kg时，如图5，最大的变形出现在对称面，最大变形量为0.049 mm。因此，该零件符合刚度要求，不会对机构造成影响。

为了验证助力椅的结构合理性和体验舒适性，在考虑成本和维修方便性的要求下，制造样机进行测试，如图5。通过实际测试验证，该助力椅相比于市面已有座椅面垂直起降类助力产品，座椅面及扶手的联动俯仰升降的创新设计，达到一组动力源实现座椅面俯仰升降和扶手升降联动的效果，更加符合老人起坐时的助力需求；椅面高度可自适应调节，满足不同身高者的需求，能够达到更好的助力效果。助力椅样机如图6所示。

图5 几字型支架有限元分析 图6 助力椅样机

5 结 语

社会老龄化是我国的发展趋势，急需开发针对独居老年人的助力装置。而目前市场上还没有大规模生产的老年助力的机器，对老年助力椅的研究也不成熟，因此开发和研究新型老年人助力机械前景广阔。本作品通过电动推杆、“几字型”扶手支架、扶手、俯仰座椅面等组成的座椅及扶手俯仰升降机构的创新设计，达到一组动力源实现座椅面俯仰升降和扶手升降联动的效果，能够达到满意的协同起坐助力效果，具有广阔的应用市场。而且该助力椅座椅面和扶手的联动机构也可应用于需要升降的医疗座椅及医疗床以及康复机械中，具有广阔的前景。