陳延輝，羅彧承

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

1 研究背景

在人口老齡化的巨大趨勢(shì)下，中國老年人口正在快速增長，已經(jīng)成為中國在新世紀(jì)人口的一個(gè)特點(diǎn)[1-2]。在老年人使用的產(chǎn)品方面有巨大的使用場(chǎng)景，相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用服務(wù)會(huì)成為一個(gè)重難點(diǎn)。特別是子女不在身邊的老年人獨(dú)居，患病等情景。站立是影響老年人平時(shí)生活活動(dòng)獨(dú)立自由性的關(guān)鍵因素。如果缺乏站立能力，老年人可能會(huì)被困在椅子上，床上或者家中，無法站立和靈活的活動(dòng)。同時(shí)，老年人需要他人更多的照顧，可能增加子女的生活工作壓力，這嚴(yán)重影響了老年人的身心健康，給家庭和社會(huì)造成了巨大負(fù)擔(dān)。

本世紀(jì)出現(xiàn)了很多幫助老人起身下床的設(shè)計(jì)，但是很多都局限于固定在某一個(gè)位置處，僅僅起到替代扶手的作用。它們雖有簡單幫助老人起身的功能，也有很多如占用空間，位置固定，和老人身高適配性不好等缺點(diǎn)。這類產(chǎn)品不能解決老人在任何位置都能夠自行起身的需求。拐杖是很多老人離不開的物品，能夠幫助老人支撐，卻無法做到幫助解決老人久坐后起身困難的問題。根據(jù)以上兩種產(chǎn)品的啟發(fā)，我們有效地將拐杖和扶助老人起身的動(dòng)力裝置結(jié)合在一起，幫助老人能夠自行起身。

研究方法：STS 生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)采取實(shí)時(shí)捕捉人在起坐運(yùn)動(dòng)中的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行老年人與年輕人的對(duì)比，對(duì)比分析兩者的生物力學(xué)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響站立的因素有：

（1）座椅高度。使用高度較大的座椅有助于減少膝蓋扭力，座椅高度的相應(yīng)降低會(huì)增加站立時(shí)消耗的動(dòng)量。Huges 等人研究中發(fā)現(xiàn)，老人從38 cm 高的椅子上站立起來非常困難。

（2）是否使用手臂支撐。研究發(fā)現(xiàn)，站立運(yùn)動(dòng)過程中使用扶手可以更方便地進(jìn)行站立運(yùn)動(dòng)，并有利于降低膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的扭矩。同時(shí)使用扶手也有助于保持身體的穩(wěn)定。

（3）個(gè)人身體原因。站立需要協(xié)調(diào)性、平衡性、足夠的運(yùn)動(dòng)范圍和肌肉力量。隨著年齡的增長，肌肉質(zhì)量和肌力的損失是常見的特征，失去平衡會(huì)導(dǎo)致摔倒。

2 研究分析

老人起坐過程力矩與年輕人起坐過程力矩如圖1、圖2 所示。

圖2 年輕人起坐過程力矩關(guān)系圖

站立運(yùn)動(dòng)過程分四個(gè)階段：第一階段，人在座位上處于靜態(tài)平衡狀態(tài)；第二階段，向前傾，產(chǎn)生向上和向前的力量；第三階段，身體離開椅子，直到臀部和膝蓋高度達(dá)到最大值；第四階段，身體完全直立，處于平衡狀態(tài)。第二和第三階段是極其重要的階段。我們發(fā)現(xiàn)，老年人下肢肌力下降導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)力矩不足是老年人站立困難的主要原因。

本文正是為了解決老年人站立困難的問題，設(shè)計(jì)一款滿足老年人生理和心理需求的輔助起立拐杖。該裝置通過手臂力點(diǎn)的扭矩輸出，間接補(bǔ)償老年人膝關(guān)節(jié)的扭矩，幫助他們更容易站立，同時(shí)減輕膝關(guān)節(jié)在站立過程中的力量需求。

3 設(shè)計(jì)方案

一種新型輔助起立拐杖，包括主體部分、支撐機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)。支撐機(jī)構(gòu)連接在主體中部；折疊機(jī)構(gòu)連接在主體上部；動(dòng)力機(jī)構(gòu)隱藏在主體部分內(nèi)部。

如圖3 所示，1-腳座，2-副支撐桿，3-螺絲，4-支撐連桿，5-下固定環(huán)，6-主支撐桿，7-中固定環(huán)，8-下折疊架，9-細(xì)內(nèi)套筒，10-螺絲，11-粗外套筒，12-粗內(nèi)套筒，13-細(xì)外套筒，14-上折疊架，15-腋下支座，16-上固定環(huán)，17-主體桿，18-把手，19-折疊/伸展按鈕，20-多功能按鈕，21-上升/下降按鈕。

3.1 折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖4 和圖3 所示，折疊機(jī)構(gòu)包括下折疊架8、細(xì)內(nèi)套筒9、螺絲10、粗外套筒11、粗內(nèi)套筒12、細(xì)外套筒13、上折疊架14、腋下支座15，可以自動(dòng)撐開。下折疊架8 和上折疊架14 通過電機(jī)連接，可繞著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，下折疊架8 和上折疊架14 的厚度是主體桿半徑的0.8 倍；下折疊架8 的下端通過螺桿連接中固定環(huán)7，上折疊架14 的上端通過螺桿連接上固定環(huán)16。腋下支座15 焊接在上折疊架14 上部，采用柔軟的橡膠材質(zhì)，寬度是上折疊架14 厚度的2 倍。粗外套筒11 的內(nèi)徑和粗內(nèi)套筒12 的外徑相匹配，與下折疊架8 厚度相等，粗內(nèi)套筒12可以伸縮進(jìn)入粗外套筒11，粗外套筒11 長度是粗內(nèi)套筒12 的2.2 倍，粗外套筒11 兩端焊接在下折疊架8上。細(xì)外套筒13 的內(nèi)徑與細(xì)內(nèi)套筒9 的外徑相匹配，是下折疊架8 厚度的0.8 倍，長度是細(xì)內(nèi)套筒9 的1.2 倍，細(xì)內(nèi)套筒9 可以伸縮進(jìn)入細(xì)外套筒13，細(xì)外套筒13 的上端通過螺栓連接在上固定環(huán)16，細(xì)內(nèi)套筒9 的下端通過螺栓連接在中固定環(huán)7 上。細(xì)外套筒13 和粗外套筒11 都是中空套管，當(dāng)達(dá)到完全中空狀態(tài)可鎖定機(jī)構(gòu)。

圖4 折疊機(jī)構(gòu)keyshot 渲染圖

3.2 支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5 和圖3 所示，支撐機(jī)構(gòu)包括副支撐桿2、螺絲3、支撐連桿4、主支撐桿6，可以自動(dòng)撐開。副支撐桿2、支撐連桿4、主支撐桿6 通過螺絲3 相互連接。支撐連桿4 通過螺桿連接下固定環(huán)5，旋轉(zhuǎn)可以隱藏到副支撐桿2 的內(nèi)部；主支撐桿6 能偏離主體60°，通過螺桿連接在中固定環(huán)7 上；副支撐桿2 可偏離主支撐桿6 進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，可以隱藏到主支撐桿6 的內(nèi)部，底部接觸地面有一部分橡膠材料，可以增加摩擦力。支撐機(jī)構(gòu)采用堅(jiān)硬的鋁合金材料，厚度是主體桿半徑的0.7 倍。

圖5 折疊機(jī)構(gòu)圖

3.3 動(dòng)力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖6 所示，18-把手，22-電機(jī)，23-動(dòng)力傳動(dòng)桿，24-液壓桿。動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括液壓桿24、動(dòng)力傳動(dòng)桿23、電機(jī)22，隱藏在主體桿內(nèi)部。腋下支座15 接收到老人壓力信號(hào)，傳給電機(jī)22，帶動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)桿23 的轉(zhuǎn)動(dòng)和液壓桿24 的上升。整體表現(xiàn)為老人身體的上升，達(dá)到輔助起身的目的。

圖6 電機(jī)位置圖

3.4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)成本，減少傳感器的使用，我們對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求?？刂葡到y(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖7 所示。一體化電機(jī)控制器具有位置、速度和電流控制的功能。利用位置控制，控制電機(jī)的升降。利用速度控制，我們可以優(yōu)化運(yùn)動(dòng)，使電機(jī)的啟動(dòng)過程、運(yùn)行過程和制動(dòng)過程更加穩(wěn)定，減少運(yùn)行過程中的震動(dòng)和沖擊[3-4]，提高舒適性。通過電流控制，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)中力矩的輸出，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過程中電流的安全性，避免障礙物的出現(xiàn)對(duì)設(shè)備造成破壞。

圖7 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)的運(yùn)作過程如下：老人按下操作按鈕進(jìn)行起坐控制，控制器傳輸控制信號(hào)到執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器輸出操縱變量對(duì)電機(jī)升降控制。同時(shí)位置反饋負(fù)反饋回路是本系統(tǒng)的第一個(gè)特點(diǎn)，它是老人起坐過程中的第一層保障。升降機(jī)構(gòu)信號(hào)傳輸安全控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控，如有異常情況，會(huì)進(jìn)行緊急制動(dòng)進(jìn)而控制升降機(jī)構(gòu)電機(jī)停止運(yùn)行。這是本系統(tǒng)的第二個(gè)特點(diǎn)，它是老人起坐過程中的第二層保障。有雙層保障的加持，本系統(tǒng)非常安全的運(yùn)行，是本裝置安全工作的堅(jiān)強(qiáng)技術(shù)支持。

3.5 裝置工作過程

老人就坐在板凳上，很難依靠自己的力量站起來?？梢詫⒈景l(fā)明主體放在兩腿之下，按動(dòng)按鈕自動(dòng)打開支撐機(jī)構(gòu)和折疊機(jī)構(gòu)。兩腋放置于腋下支座15 上，壓力傳感器接收信號(hào)做出偏差傳給控制器，控制器輸出控制信號(hào)傳給電機(jī)，電機(jī)22 做出旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，通過連接桿動(dòng)力傳動(dòng)桿23 聯(lián)動(dòng)液壓桿24。液壓桿24 伸展開，整體表現(xiàn)為帶動(dòng)老人身體鉛直上升，起到輔助起立的作用。

支撐機(jī)構(gòu)最終狀態(tài)參照?qǐng)D3，隱藏在主支撐桿6中的副支撐桿2 圍繞螺絲3 旋轉(zhuǎn)180°達(dá)到鎖定狀態(tài)；隱藏在副支撐桿2 中的支撐連桿4 旋轉(zhuǎn)一定角度，仍然處于可以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，跟隨壓縮桿的伸展實(shí)時(shí)進(jìn)行角度變化。

圖3 拐杖creo 三視圖

折疊機(jī)構(gòu)最終狀態(tài)參照?qǐng)D3。下折疊架8 和上折疊架14 分別圍繞中固定環(huán)7 和上固定環(huán)16 中的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，主體逐漸上升。細(xì)內(nèi)套筒9 從細(xì)外套筒13 中露出來，最終達(dá)到鎖定狀態(tài)。粗內(nèi)套筒12 從粗外套筒11 中露出來，最終達(dá)到鎖定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的裝置在普通拐杖和輔助站立及位移機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，增加了能夠幫助腰腿不便的老人起身的受力點(diǎn)，不使用時(shí)可收縮折疊為拐杖，使用時(shí)可自動(dòng)展開為類似座椅扶手的裝置，使老人手臂能夠有合適的受力點(diǎn)和受力高度。

秉承著人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)方法，努力設(shè)計(jì)符合老人站立時(shí)運(yùn)行軌跡，用實(shí)時(shí)控制的方式代替手動(dòng)的傳統(tǒng)的輔助方式，本裝置可以真正成為老年人的身體功能的外延伸。通過科學(xué)的方法檢驗(yàn)本裝置的科學(xué)性，結(jié)果表明新型自適應(yīng)老人起坐助力拐杖有效地解決了老年人站立的困難，減弱了膝關(guān)節(jié)負(fù)重，使老年人獲得心理上的獨(dú)立感，提高了老年人的生活自理能力及其生活質(zhì)量，為子女減輕了生活和工作的壓力。