陳凱文 高琴斌 秦 文 徐锳子 周志勇/上海電機(jī)學(xué)院

基于人機(jī)工程學(xué)的老年人助力座椅設(shè)計(jì)

陳凱文 高琴斌 秦 文 徐锳子 周志勇/上海電機(jī)學(xué)院

社會(huì)老齡化是我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)，急需開(kāi)發(fā)針對(duì)老年人的助力裝置。而且目前市場(chǎng)上還沒(méi)有大規(guī)模生產(chǎn)的老年助力的機(jī)器，各界對(duì)老年助力椅的研究也不成熟，因此開(kāi)發(fā)和研究新型老年人助力機(jī)器很重要。本文針對(duì)因下肢骨關(guān)節(jié)炎而導(dǎo)致行走站立困難的患者，提出了并聯(lián)氣動(dòng)助力和杠桿力的疊加力為動(dòng)力椅的設(shè)計(jì)構(gòu)想，并開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了適用于腿關(guān)節(jié)患病情況的助力椅試驗(yàn)樣。試驗(yàn)樣機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和杠桿力能為患者提供足夠的支撐力。試驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)思想的合理性和減輕起身壓力且助力的有效性。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)；氣動(dòng)減重；支撐力；身體平衡，人機(jī)工程

因腿部的機(jī)能衰退而引起的行走困難現(xiàn)象是現(xiàn)在的老年人常見(jiàn)疾病，這種疾病嚴(yán)重影響了老年人的生活質(zhì)量。依據(jù)2000年第五次人口普遍調(diào)查的結(jié)果顯示65歲及以上人口占總?cè)丝诘谋戎貫?.7％，并且每年平均增長(zhǎng)的速度達(dá)到3.28％，到2020年中國(guó)老年人口會(huì)達(dá)到2.5億。在老年人坐下、站立困難的患者當(dāng)中，經(jīng)?？梢?jiàn)的是因?yàn)橄轮顷P(guān)節(jié)炎等疼痛。借助外部支撐來(lái)減輕腿關(guān)節(jié)所受的重荷，是幫助老年人直立或行走的有效的方式。減重站立或步行可以通過(guò)拐杖、助力器等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)有效助力。但是手動(dòng)器械的助力使用依靠手臂力量。一旦手臂力量過(guò)小，減重助力效果的發(fā)揮將會(huì)很有限，也容易使手臂等部位產(chǎn)生疲勞感。

此外，使用手動(dòng)器械幫助站立時(shí)，手臂因?yàn)楸徽加昧?，影響了其他工作的進(jìn)行，也會(huì)給生活帶來(lái)很多麻煩。所以有腿關(guān)節(jié)病的老年人患者運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的很少，這種惡習(xí)使腿部的鍛煉缺乏，容易導(dǎo)致腿部的血液循環(huán)不通暢。很多醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)于這些骨關(guān)節(jié)炎老年人患者，最可靠的方法是就像在水中進(jìn)行站立那樣，腿部關(guān)節(jié)在很小的負(fù)荷下增高運(yùn)動(dòng)頻率。這樣的訓(xùn)練既可以產(chǎn)生有效的物理康復(fù)作用。但是這種訓(xùn)練方式只能專(zhuān)門(mén)到有水池的局限地方展開(kāi)，是不切實(shí)際的。日常生活中，幫助老人助力方面一直沒(méi)有找到解決方法。面對(duì)如此急切的社會(huì)需要，國(guó)內(nèi)外對(duì)減重的助力椅研究成果還不是很成熟，當(dāng)今市場(chǎng)上也缺少有效幫助老年人解決問(wèn)題的大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，所以開(kāi)展新型的老年人助力椅研究已經(jīng)迫在眉睫。

一、國(guó)內(nèi)助力機(jī)器的研究

國(guó)內(nèi)對(duì)于助力器的研究起步比較國(guó)外晚的多，大部分研究都集中注意力于雙足行走類(lèi)機(jī)器人的學(xué)術(shù)研究，當(dāng)今中國(guó)對(duì)于下肢關(guān)節(jié)炎患者或老年人開(kāi)發(fā)行走助力的產(chǎn)品研究相當(dāng)于沒(méi)有，傳統(tǒng)助力方式的手杖、拐杖還是目前市場(chǎng)上的主力軍。六關(guān)節(jié)平面運(yùn)動(dòng)型雙足步行器 “先行者”是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)仿人機(jī)器人，緊接著各單位都開(kāi)展了老年人助力機(jī)器人的研究，并取得了相當(dāng)可觀(guān)的成果。另外，漢庫(kù)科技企業(yè)成功推出一款雙足行走機(jī)器人，稱(chēng)是目前中國(guó)最先進(jìn)的雙足行走機(jī)器人。上海大學(xué)研制的下肢康復(fù)機(jī)器人可以起到平衡緩沖作用使得忠者在訓(xùn)練時(shí)相對(duì)于跑步機(jī)而固定，還保證了人在行走時(shí)上、下振動(dòng)的自由度不被限制。然而針對(duì)站立助力系統(tǒng)的器械還十分少見(jiàn)。

二、技術(shù)支持

在人機(jī)工程學(xué)原理的指導(dǎo)下,針對(duì)老年人從椅子上起身不方便的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)老年人倚靠行為、變化姿勢(shì)、人際距離、生活習(xí)慣等的觀(guān)察、分析與研究,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有座椅在形態(tài)、功能、色彩、材質(zhì)、可移動(dòng)性等問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)老年人在空間內(nèi)活動(dòng)時(shí)對(duì)座椅產(chǎn)生的各種需求,并以此為指導(dǎo),從形態(tài)、功能、尺寸、材料、色彩、空間布局及分布數(shù)量等方面提出設(shè)計(jì)要求。

座高對(duì)于老年人助力椅的助力效果很重要，一般取人體腓骨頭的高度（約人體總高的1/4）或略小于小腿高度1cm左右。據(jù)我國(guó)的人體高度一般取座高為43～45cm，座面深一般取45cm左右，另外座面可略向后斜6°左右，座靠背分肩靠和腰靠?jī)刹糠?，肩靠高度達(dá)肩胛骨下角，腰靠的高度要適合脊柱彎曲和腰曲的高度，兩個(gè)靠背連在一起，其高度一般為50cm左右，座與靠背的夾角一般為100～110度，這樣人坐上去以后，靠背和座面與人體背部，臀部，大腿形成的曲線(xiàn)相吻合，使老年人有舒適感。

基于此我們?cè)O(shè)計(jì)出如下所示助力椅，其結(jié)構(gòu)如下：如（圖2）所示，模塊（1）是氣缸輔助站立模塊，由支撐板、軸承、氣缸、升降桿組成；模塊（2）是杠桿傳動(dòng)輔助站立模塊，由踏板、杠桿、軸承、開(kāi)關(guān)連桿、滑槽、滑桿（可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)的桿件）組成；模塊（3）是整體人機(jī)工程設(shè)計(jì)模塊；基座（4）；座板（5）。

圖1

圖2

模塊（1）采用的是氣缸傳動(dòng)，其細(xì)節(jié)如（圖3）所示，支撐板（12）可以繞基座（15）上軸承（16）旋轉(zhuǎn)，支撐板（12）承擔(dān)的是支撐氣缸（13），當(dāng)使用者開(kāi)啟氣缸（13）的開(kāi)關(guān)連桿（14），氣缸（13）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的抬升力使得座板（18）繞鉸鏈（17）旋轉(zhuǎn)。

圖3

模塊（2）采用的是杠桿原理傳動(dòng)，其細(xì)節(jié)如（圖4）所示，連桿（7）（10）會(huì)繞著連桿（6）旋轉(zhuǎn)，連桿上部滑桿（8）可以在滑槽（9）內(nèi)滑動(dòng)并繞滑槽（9）轉(zhuǎn)動(dòng)，滑槽（9）與座板（18）相連，座板繞鉸鏈（17）旋轉(zhuǎn)，當(dāng)使用者腳給踏板（11）一個(gè)向下的力，滑桿（8）給座板滑槽一個(gè)向上的力，促使座板（18）繞鉸鏈(17)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4

座板與基座如（圖5）所示，基座（15）上有多個(gè)軸承安裝孔（16），可以安裝軸承，讓連桿與支撐板繞其轉(zhuǎn)動(dòng)；座板（18）可以繞鉸鏈（17）旋轉(zhuǎn)。

圖5

本課題從設(shè)計(jì)的角度研究老齡化問(wèn)題,并希望能通過(guò)設(shè)計(jì)的手段為改善我國(guó)老年人的生活狀態(tài)、提高他們的生活質(zhì)量盡上一份綿薄之力。本項(xiàng)目的主要目的就是提出一個(gè)真正符合人機(jī)工程學(xué)指標(biāo)的老年人助力座椅機(jī)械模型，提高老年人的坐姿質(zhì)量及起身便捷性。

首先，發(fā)掘可運(yùn)用到座椅設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)方法和理論；其次，分析人體大腿骨骼的特點(diǎn)及老年人的心理特征；再次，進(jìn)行人體坐姿腿部的運(yùn)動(dòng)分析及助力形式分析；然后，根據(jù)前面研究成果建立參數(shù)化人體腿部模型，確定坐姿設(shè)計(jì)所需達(dá)到的人機(jī)工程學(xué)指標(biāo)及助力形式；最后，根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行坐姿人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有座椅的人機(jī)工程學(xué)性能的分析，以及自然狀態(tài)下人坐姿活動(dòng)狀況的分析，結(jié)合已經(jīng)確定的老年人人機(jī)工程學(xué)指標(biāo)，提出基于人機(jī)工程學(xué)的老年人助力座椅的設(shè)計(jì)方案。并驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)情況符合人機(jī)工程學(xué)。

三、總結(jié)

本課題從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看待和研究老齡化問(wèn)題,并希望能通過(guò)設(shè)計(jì)的方法和手段為改善我國(guó)老年人的生活狀態(tài)、為提高他們的生活質(zhì)量盡上一份綿薄之力。

本項(xiàng)目的主要目的就是提出一個(gè)真正符合人機(jī)工程學(xué)指標(biāo)的老年人助力座椅機(jī)械模型，提高老年人的坐姿質(zhì)量及起身便捷性。

[1]王成玥,陳峰.人機(jī)工程學(xué)在座椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.美術(shù)大觀(guān),2011（1）.

[2]廖紅.老年人的心理特點(diǎn)及自我調(diào)適.基層醫(yī)學(xué)論壇,2009（13）.

[3]韓亞麗,王興松.行走助力機(jī)器人研究綜述.機(jī)床與液壓,2008(2).

[4]黎善坤.如何為老人選座椅.老友,2006（09）.

陳凱文∶（1994—），男，寧夏人，學(xué)士，上海電機(jī)學(xué)院學(xué)生，主要研究人機(jī)工程學(xué)。

高琴斌∶（1994—）男，河南人，學(xué)士，上海電機(jī)學(xué)院學(xué)生。

秦文∶（1993—），女，天津人，學(xué)士，上海電機(jī)學(xué)院學(xué)生。

徐锳子∶（1993-），女，上海人，學(xué)士，上海電機(jī)學(xué)院學(xué)生。

上海大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（A1-5701-14-006-08-77 A1-5701-15-012-01-090）。