辅助坐立手杖研究与设计

郭家伟，朱 全，肖芊芊，胡晓雷

(马鞍山学院，安徽 马鞍山 243100)

现如今，对于行动能力下降或者失能的群体而言，行走问题成为这部分人群进行社交活动的最大障碍。根据国家数据中心统计数据表明[1]：截至2019年底，我国65岁及以上人口达1.7亿，其中20%的老年人需要借助手杖、助行器、轮椅等辅助装置进行日常的行走社交活动。此外根据我国卫生健康事业发展统计公报统计数据表明[2]：2019年底，残疾人辅助器具供应数达1600万件，其中轮椅市场供给仅500万辆，手杖供应量达800万，究其原因主要是手杖相对于其他辅助行走器具价格低廉，使用方便，因此手杖依然是辅助老年人出行的首选[3]。

众多高校和科研机构开始针对传统手杖应用局限进行功能改造[4]。左怡等人[5]设计了一种手杖，该手杖可以实现自由伸缩，并配有自动定位功能。符长友等人[6]设计一款基于物联网技术的智能手杖，采用振动与电容传感器来感知其出行情况。范志杰等人[7]结合人工智能前沿技术，在对手杖设计策略研究的基础上，设计了一款满足用户助力、休息、置物需求的智能辅助手杖。LI团队[8]提出一种新型智能手杖，该手杖采用红外技术、语音模块来实现盲人躲避障碍物，并进行了仿真实验。

上述手杖的设计主要实现了辅助用户行走的功能，但并未考虑身体机能较弱用户在连续使用过程中的体能消耗问题。部分用户在行走一段时间后，需要倚靠手杖停驻休息以使体能得到恢复，而这种体能恢复方式不仅效率较低且存在安全隐患。基于用户在使用手杖过程中存在的问题，设计了一种辅助坐立手杖，该手杖可以通过机构重组，完成手杖与座椅两种状态的切换，辅助用户行走与就坐，为用户身体机能的恢复提供有利条件。

1 辅助坐立手杖结构设计

1.1 人体自然坐立模型建立

开发辅助坐立手杖必须要先研究人体在自然状态下立姿与坐姿尺寸特性[7-8]，因此首先建立了如图1所示的人体自然坐立模型。对于可及距离类设计而言，尺寸特性主要为立姿侧向手握距离(图中Dh)；对于座面高度类设计，尺寸特性主要为坐姿小腿加足高(图中Hc)和坐姿臀宽(图中Wb)。

图1 人体自然坐立模型

1.2 人体自然立姿与坐姿尺寸特性测量实验

募集了50位(男性)65～75岁的健康受试者，模拟用户在辅助器具作用下的机体状态。规定受试者立姿时自然挺胸直立，坐姿时端坐上身垂直椅面，双腿与肩部同宽，大腿与小腿垂直，并选取人体铅垂轴与足底所在平面交点作为平面参考点。采用人体测高仪测量了50名受试者立姿侧向手握距离(Dh)、坐姿小腿加足高(Hc)及坐姿臀宽(Wb)，人体自然立姿与坐姿尺寸特性测量实验结果如表1所示。

表1 尺寸特性测量结果

根据人体测量数据运用准则，凡属于可及距离类设计和座面高度类设计，常取第5百分位的人体测量数据，以使大部分用户使用手杖时感觉舒适，因此立姿侧向手握距离Dh取788mm，坐姿小腿加足高Hc取405mm；凡属于座面宽度类设计，常取第90百分位的人体测量数据，因此坐姿臀宽Wb取220mm。将人体自然立姿与坐姿尺寸特性测量实验结果作为辅助坐立手杖机构尺寸设计的输入参数。

1.3 辅助坐立手杖工作原理

辅助坐立手杖结构组成如图2所示，主要由主杆、椅面1、椅面2、上连杆、上活动套、下活动套、下连杆、卡箍、下支杆、拐头及螺旋扣构成。主杆呈T型结构，主杆、椅面1、上连杆1及上活动套构成一组四连杆机构，主杆、下活动套、下连杆1、下支杆1、卡箍1及拐头构成一组五连杆机构，以其中一组四连杆机构和五连杆机构为例说明各构件连接方式。椅面1和椅面2以铰接的形式安装在主杆上，上活动套可在主杆上滑动，下活动套通过锁紧螺旋扣与主杆相连。上连杆一端铰接于椅面，另一端铰接于上活动套。下连杆一端铰接于下活动套，另一端固定安装有卡箍。下支杆一端铰接于卡箍，另一端通过铰链与拐头相连。

图2 辅助坐立手杖结构组成

如图2(a)所示，当锁紧螺旋扣后，下活套被锁紧在主杆上，此时整个装置呈现手杖状态，辅助用户行走。如图2(b)所示，当松开螺旋扣后，用户向下推动主杆，此时上活动套相对于主杆向上滑动，与上活动套铰接的上连杆斜向上推动椅面，直至椅面1与椅面2呈水平状态；与此同时，下活动套也相对于主杆向上运动，直至与上活动套的下表面接触；与下活动套铰接的三组下连杆斜向下展开，直至拐头与主杆底端接触，三组下连杆构成空间四面体支撑在地面上；再次锁紧螺旋扣，此时整个装置呈现座椅状态，辅助用户就坐。

2 辅助坐立手杖功能尺寸设计

手杖与座椅状态能否完成切换主要取决于辅助坐立手杖机构的运动功能尺寸，因此本节主要对辅助坐立手杖的一组四连杆机构和五连杆机构进行功能尺寸设计计算。

2.1 辅助坐立手杖机构功能尺寸设计

图3所示为辅助坐立手杖机构由手杖状态重构为座椅状态的功能尺寸图。图3中将上活动套与下活动套的高度b均设置为20mm，拐头高度a设置为40mm。根据前文人体自然立姿与坐姿尺寸特性测量实验结果可知，立姿侧向手握距离Dh取788mm，坐姿小腿加足高Hc取405mm，坐姿臀宽Wb取220mm，则椅面1宽度Wh=Wb/2=110mm。

图3 辅助坐立手杖功能尺寸图

由图3中(b)座椅状态可以计算出主杆高度H：

H=Hc-a=365mm

(1)

由图3中(a)手杖状态到(b)座椅状态运动变换关系可列出等式：

LBC+LAB+L+b/2=LAD

(2)

式(2)中：LBC为上连杆长度，且LAB=Wh=110mm，L为上活动套与下活动套中心距，LAD为主杆高度，则LAD=H=365mm。

由式(2)计算可得：LBC=225mm。

在图3(b)直角三角形ΔA1B1C1中，运用勾股定理可列出等式：

Wh2+LA1C22=LB1C12

(3)

式(3)中：LB1C1=LBC=225mm。

由式(3)计算可得：LA1C1=196mm。

由图3(b)座椅状态可列出等式：

LA1C1+LD1F1+L+a/2=Hc

(4)

由式(4)计算可得：LD1F1=169mm。

在图3(b)直角三角形ΔD1F1E1中，运用勾股定理可列出等式：

LD1F12+LE1F12=LD1E12

(5)

式(5)中：LD1E1为下连杆长度，LE1F1为下支杆长度。

由图3(a)手杖状态可列出等式：

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

(6)

式(6)中：LDE=LD1E1，LEF=LE1F1。

联立式(5)和(6)计算可得：LDE=LD1F1=241mm，LEF=LE1F1=172mm。

由此可以计算出S上活动套行程和S下活动套行程：

(7)

由式(7)计算可得：S上=139mm，S下=139mm。

2.2 辅助坐立手杖运动仿真模型建立

在不影响计算精度的情况下，建立了如图4所示简化的辅助坐立手杖运动仿真模型。图中θ为椅面与主杆之间的夹角，Marker1为上活动套质心点，Marker2为下活动套质心点，Marker3为拐头与地面接触点，以T字型主杆两轴交点为坐标原点，建立如图4所示的坐标系。根据各个构件之间的约束关系，在Adams View运动学仿真软件环境内添加各个构件间运动副，编辑质量属性、添加接触力及驱动[13-15]。最后进行辅助坐立手杖运动特性仿真实验。

图4 运动仿真模型

2.3 辅助坐立手杖运动仿真分析

图5所示为点Marker3随椅面转动θ角的Y向位移变化曲线。由位移变化曲线分析可知，当θ=90°时(表明为座椅状态)，点Marker3与坐标原点铅锤方向距离为405.0mm，仿真结果与人体自然坐姿小腿加足高一致，符合座椅高度类设计要求；当θ=0°时(表明为手杖状态)，此时点Marker3与坐标原点铅锤方向距离为788.0mm，仿真结果与人体自然立姿侧向手握距离一致，符合可及距离类设计要求。由此表明该辅助坐立手杖的设计符合人机运动协同性。

图5 Marker3Y向位移曲线

图6所示为辅助坐立手杖由座椅状态转换为手杖状态过程中，上活动套点Marker1和下活动套点Marker2随椅面转动θ角的行程变化曲线。由上活动套Marker1点行程变化曲线分析可知，当θ=90°时，上活动套点Marker1与坐标原点铅锤方向距离为698.0mm；当θ=0°时，上活动套点Marker1与坐标原点铅锤方向距离为837.0mm；计算可得上活动套行程为139.0mm；由下活动套点Marker2行程变化曲线分析可知，当θ=90°时，下活动套点Marker2与坐标原点铅锤方向距离为718.0mm。当θ=0°时，上活动套点Marker2与坐标原点铅锤方向距离为857.0mm，计算可得下活动套行程为139.0mm。上活动套与下活动套行程仿真结果与理论计算一致，表明辅助坐立手杖符合设计要求。

图6 活动套行程曲线

3 结论

通过辅助坐立手杖构型设计、结构设计、运动学和动力学的建模与仿真分析，可以得出以下结论。

(1)通过对手杖构型及结构分析，设计了一款新型辅助坐立手杖，并讨论了手杖机构重构表现方法，在此基础上确定了辅助坐立手杖功能尺寸参数，建立了三维模型。

(2)通过对辅助坐立手杖运动学分析可知，在手杖状态时，主杆高度为788mm，符合人体自然立姿侧向手握距离；在座椅状态时，椅面与地面高度差为405mm，符合人体自然坐姿小腿加足高，表明辅助坐立手杖的结构设计符合人机工程学。

今后还需进行以下研究。

(1)需对辅助坐立手杖结构方面进行优化，使之能够更契合老年人人体尺寸。

(2)辅助坐立手杖动力学分析有待进一步研究。