适老化辅助站立装置

朱 荻 孙 健 杨 阳 栾志恒

（徐州工程学院机电工程学院，江苏 徐州 221018）

0 引言

随着我国新生儿的出生率逐年下降，人口老龄化趋势将持续增强。据统计，截至2022 年，我国60 岁及以上的老人数量高达2.5 亿，占全国总人口的20%左右。随着年龄的增加，多种老年化疾病也接踵而来，老人的生命安全如何得到基本保障成为中国现阶段要正视和处理的问题。老人在家久坐后行走，或如厕时间过长而导致起身后存在双腿无力、难以站立的问题，这些现象对老人而言是非常危险的。因此，研究和设计出辅助老人站立的坐具显得十分重要［1］。适老化坐具作为一种辅助站立的设备，其方便性和安全性在辅助老年人群的日常生活中具有独特的优势。因此，设计出一款可辅助老年人群安全起身及日常就座的适老化座椅，对摆脱目前困境、减轻医护压力、提高对老年人的服务水平、促进社会和谐具有十分重要的意义。

1 国内外辅助站立装置的研究现状

1.1 国内研究现状

目前，国内对辅助站立装置技术的试验研究基本停留在辅助站立扶手、固定方式不变的辅助站立座椅。市场上所提及的老年人专用坐具，还只是从产品的材质来进行外观设计，未从老年人的视觉审美来考虑所推荐的产品。针对功能设计的产品只在医疗系统中常见，并不能融入老年人的日常生活中。

1.1.1 辅助站立座椅。为了解决适老化辅助站立装置在运动站立和坐具运动过程中不能得到准确的运用时间等问题，孙技伟等［2］提出一种基于变胞结构原理的老年自助椅，并结合平面连杆机构的基本构造及理念，引入变胞机构原理的设计模式。这一设计原则特别适合我国老年人的生活起居，其工作原理如下。首先，老年自助椅的重心逐步升高，在达到某一高度后，座椅开始逐渐翻转，使老人的整个臀部从水平状态变为垂直运动。同时，当整个座椅逐渐翻转时，靠背也以类似于平行运动的方式进行旋转，但有另外一个很小的垂直旋转的角度。为了求解以上三个垂直运动的时间序列，使用具有控制功能的变形元件来集成三个装置。该辅助装置用于模拟人体自然变化站立姿势过程中出现的一系列动态变化均符合关节的运动变化规律［3］，可帮助老年人较轻松地从自然坐姿转变为站姿，实现辅助老年人正确站立姿态的功能［4］。

吴松等［5］成功研发出一种多功能辅助式站立式座椅，具有辅助站立和平侧躺的功能，可实现不同姿势的转换。升降减速装置减速器的工作原理如下。当减速器旋转和手柄停止摇动时，旋转轴便随之自动旋转，然后由位于减速器主轴中部的伞齿轮来带动减速丝杠自动上升。丝杠垂直上升，来推动座垫水平上升，从而实现垂直升降等功能。这款多功能辅助式站立升降座椅采用纯铝的机械机构，拆装方便，舒适性好。然而，该设备不能在一定区域范围内实现自由移动，在很大程度上限制该设备的有效使用范围。

1.2 国外研究现状

美国凯斯西储大学设计开发出一种人体垂直自动升降式辅助站立支撑机构，其工作原理是通过使用前后两个空气弹簧装置作为一种辅助的站立助力装置，通过控制空气弹簧装置的自动伸缩，从而为用户站立提供垂直向上的上升力，帮助用户实现正确站立。但这种助力装置的人体运动轨迹变化太强，不符合现代人体运动自然垂直起立的运动规律，且动作轨迹较为单一，无法真正适应现代复杂多变的站立支撑环境，且该设备对使用者上肢力量锻炼的要求较高。老年人因身体机能退化，导致无法严格满足该设备的日常使用要求，强行使用只会导致中老年人的身体器官受到一定损害，严重时甚至会危及人体健康。通过市场调研后发现，该产品的市场范围较小。

日本高知空谷大学开发出的站立辅助康复训练系统是一种完全基于人体下肢动力学数据分析系统的辅助型站立支撑训练康复系统，其可使用双绳来控制人体张力度和运动轨迹，其具体的工作原理如下。先利用用户身体上的运动传感器来实时获取用户的正确站立姿势、重心位置以及其他异常运动状态。在双绳系统运行时，前绳直接控制人体的运动轨迹，后绳可控制辅助张力的幅度大小，两条绳能以一个预定的速度同时运行。当患者自身的腿部力量基本足够负荷时，后绳的张力幅度约为于零。同时，当使用者自身的背部力量出现不足时，背绳可提供腿部辅助支撑力量，使用户患者的腿部能以一个较为平稳的速度起身。康复训练绳系统通过使用双绳系统能有效控制使用者的起立动作速度和辅助动作力量，能有效解决使用者因自身动作力量不足而导致的无法连续起立的问题，以及无法控制辅助运动力量大小，解决了使用者因运动力量不足而无法快速起立的问题，大大提高了老年人正常生活的可能。

除此之外，斯洛文尼亚卢布尔雅那大学开发制造的液压跷跷板式辅助站立机器人也是国外辅助式站立机器人研究领域的代表。该设备由全液压机驱动，具有前后两个可平移的自由度和一个可旋转的自由度。其在保持座垫水平的同时，还能使人站起来，从而确保人在站立时的舒适性。该辅助机器人的传动装置具有重量轻、结构合理、设计紧凑、运行与工作各过程载荷均匀一致且动作稳定的优点，缺点是其仍被只用于下肢残疾人日常康复训练中的下肢站立康复训练及运动康复训练。该辅助机器人的适用范围太小，不能同时满足不同老年人的保健通用的需求。此外，该类产品的研发制造成本较高，不利于市场推广。

综上所述，国外辅助立式装置采用先进的理论和技术进行研究，并采用机电一体化使产品更加现代化，但由于成本等原因，其并没有得到广泛应用，但其研究方法和技术仍然值得借鉴。

2 适老化座椅辅助站立功能

适老化坐具辅助站立是基于电机驱动、液压驱动等，从而开发出的功能。辅助站立技术的关键是对人体由坐姿转换成站姿关节角度变化的支持。由于该功能针对的人群比较特殊，其设计必须要高度贴合老年人群及弱能人群。所以，在设计方面要采用安全性高、灵活性高的辅助站立技术。

人体的坐立转换动作［4］是人体完成站立的关键，如图1所示。由图1可知，人体坐立转换的动作可分为三步。第一步为准备，此时人体的上身前倾，重心前移。第二步为起立，上身绕髋关节转动，大腿绕膝关节转动，使臀部离开座板。第三步完成站立动作。人体坐立行转换能否成功的关键是人体坐立转换动作的第二步，在这个转换过程中，人体的髋关节部和膝关节均旋转一定角度，尤其是膝关节。

图1 人体坐立转换

适老化座椅辅助站立是通过电动推杆或液压推杆来带动关节转动，从而使人体完成坐姿到站姿的转换。其主要特征是要符合老年人的生活习惯，从而使老人能轻易达到站立的状态。一般的适老化座椅多在外观上下功夫，如椅子的颜色、用料、扶手等。目前，市面上的养老家具数量稀少，大多数的养老家具的设计流于表面［6］，没有充分考虑老年人的需求，特别是生理状况（如骨骼、关节等问题）。有的设计过于功能化，甚至做得很像医疗器械，与生活格格不入［7］，导致其很难得到老年人群的青睐。

根据人们从座位上站起来的动作来看，三个动作被整合在一起，即重心的上升、臀部从水平向垂直的变化、背部角度的小范围变化。因此，有必要设计三种不同的设备，从而实现相关功能。同时，考虑到这三个运动有时间先后的顺序。因此，利用其在不同工作阶段中的变胞机构特性来实现对运动时间的顺序动态控制。首先，适老化座椅的重心会升高，在达到某一高度后，座椅开始向下翻转，使整个臀部逐渐从相对水平的方向变为几乎垂直的方向。其次，当整个座椅上下翻转时，靠背的位置也同样会随着座椅整体向上移动，这类似于平行移动，但角度较小。为了同时求解上述三个物体运动的时间序列，使用具有时间控制变换功能的变形控制元件来同时集成上述三个变形装置。这种有顺序的站立运动更符合正常人体在行走站立活动中的骨骼位置变化，使人能更自然地完成从坐逐渐转变为站，实现辅助正常人完成站立锻炼的双重功能，还可使人站在椅子上。变构胞原理［8］是通过特定的方法来改变机构的空间拓扑与结构，实现对整个机构的自由度参数的改变。将该原理应用在适老化座椅的连杆连接部分，从而实现座位的翻转。有了变胞机构，座椅的升降、座位的翻转、靠背角度的调整、运动过程的控制等都能得到合理的解释。通过改变每一个有效连接的连杆数量，可进一步改进连杆机构系统中的具有各种基本拓扑性质的结构，最终实现该杆机构中的连杆在三个以上不同的结构阶段过程中的功能。充分利用平面连杆机构座椅的设计及其构造机理研究新方法，系统清晰地介绍了适老化座椅的结构原理及其理论设计模型。适老化座椅简图如图2所示。

图2 适老化座椅简图

也有学者通过对坐立转换的生物力学进行研究分析，通过对身体各部位的参数进行分析，简化起立阶段的力学模型，演算出人体坐立转换过程中小腿、大腿、躯干、颈部、头部的重心坐标方程，推导出人体起立阶段的腿部肌肉群合力F与人体身高H、大腿及以上部位部位重力G与人体各部位和水平方向夹角角度的关系式。起立阶段初始时刻，所需的最大下肢肌肉群合力Fmax=2 146.9 N。此后，膝关节的角度逐渐增大，F逐渐减小，在角度增至约101°时，F迅速减小，这说明起立初期所需的力较大。当膝关节角度增加到一定值后，阻力臂明显减小，起立较为轻松。

郭佳伟等［9］设计的液压辅助站立支撑装置是以液压支撑座垫为主要框架，通过各种标准的匹配程序（重合、平行、垂直、切线、同轴线、锁定、距离和角度）进行匹配，依次将销轴、推杆、连杆、气缸体、滑块和支承座垫等组装紧固在一起。每个滑杆均通过固定铰链进行连接，导向滑块能在固定滑槽孔中自由移动。底座主要用于支撑和固定整个辅助站立支撑机构。电动推杆系统将输出的推力直接传递给每个推杆，最后再通过推动每个推杆上的连杆或驱动座垫，从而使其以设定好的角速度向前上升至20°。适老化座椅辅助站立装置能满足老年人辅助产品的便携性和清洁度要求，无须他人协助，即可完成相关操作。电动推杆机可作为该装置的动力源，其稳定性较好，这是三类产品结构中的共同特点。为了尽量避免老年人在实际使用时，因冷机热操作而产生严重影响，在产品结构设计与制作过程中，应充分应用符合人机工程学基本原理、与现代人体色彩科学密切相关的知识，给老年人的生活提供足够的精神健康及人文关怀，从而提高其生活质量。在确保客户使用到舒适便捷的服务和健康安全的产品的基础上，尽可能使用技术简单且稳定可靠的国际组织或机构的产品技术方案和技术服务方案，从而能及时有效地惠及到更多地区的老年人。

3 适老化座椅保护功能

目前，市场上已陆续出现多种与辅助老人站立及相关器械配套的新产品，主要包括座椅、沙发、护理设备及轮椅机器人等。如反重力平衡辅助和站立训练系统，其配套产品的穿戴程序较为复杂，不适合中国老年人群体的长期使用。该轮椅辅助系统的体积普遍较大，训练的技术方法也较为单一。澳大利亚康复研究所和日本大阪大学康复研究所设计的辅助站立座椅的速度无法进行调整，不能保证老年人站立的安全性。合肥理工大学等共同研究开发生产设计的适合老年人肩部支撑的辅助式站立支撑座椅，因其人体运动与医学理论较为复杂，代表产品或多或少都存在着一些技术问题。目前，我国对老年人在使用轮椅辅助站立时面临的安全性问题及舒适性问题的相关研究较少。

在适老化坐具的形态设计时，应避免抽象、理性等年轻人更容易接受的造型。对老年人而言，简单的几何造型、有秩序和稳重的结构，以及圆润柔和的形体更能让其接受。此外，还能减少不必要的意外，在心理上给予老年人以柔和安全的感觉。注意使用垂直线条，应避免座椅的造型出现僵直、呆板、生硬等情况。在设计时，对面的把控要尽量采用一些对称呼应的手法。在形体的处理上，要营造出一种均衡感，不能出现视觉上的不稳定，确保设计出的坐椅具有良好的稳定性和视觉效果，从而给老年人营造出一种视觉上的安全感。此外，细节问题也不能忽略，要对座椅的各个面棱角、倒角进行处理。

老年人的脊柱因生理退化，比年轻人的脊柱更容易感到疲惫，比年轻人的更脆弱，要注意事项的也更多。在设计坐具时，涉及腰部靠背的设计，从人体工程学角度来分析，符合人体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缓解久坐的疲劳感，以及不正当坐姿对腰部脊柱的二次伤害［8］。除此之外，还要考虑腰靠的材质及弹性，如果选择的材质不恰当，其弹性达不到舒适度的要求，会导致使用者的不适感增大，无法达到缓解疲劳感的效果。老年人的腿之所以会随着年龄的增大而变得肿大，是因为长了骨刺。由于内侧膝关节软骨的磨损，骨关节没有缝隙，所以两个骨头间缺少膜，导致老人的腿变得肿大。所以，在设计时可考虑运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，来减轻膝关节的压力，从而使老年人能更轻松地起立。

适老化座椅还应在老年人起身后对其起到保护的作用，由于肌肉的衰退，老年人的握力下降［10］，应选择便于掌握的扶手，助推的座面能帮助老年人最大限度借助向上的推力，从而减轻膝盖的负担，达到起立的目的，从而跳过蓄力、发力的阶段。扶手的设计可参考人体工学椅，能轻松调节其高度，从而让不同高度的老人都能找到适合其的助力点。

4 结语

变形胞结构虽然简单，但仍具有很高的微观机构学理论价值，并且其在适老化坐具的研究中仍有相当重要的物理应用分析价值。特别是，对其多功能阶段结构和多阶拓扑结构特性的研究。从生物力学角度对老年人坐立转换行为进行分析，以及对辅助站立的过程进行探究［11］。无论是用电机驱动或液压驱动来托举臀部。经试验证实，老年人辅助式站立装置能有效辅助老人进行站立，对提高老年人的生活水平、自理能力水平以及家庭生活质量，都具有极为重要的意义。