雷中貴，傅珈豫，周 闖，王志雄,2*

?

老年人輔助站立椅運(yùn)動(dòng)安全性研究

雷中貴1，傅珈豫3，周 闖1，王志雄1,2*

（1. 上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海健康醫(yī)學(xué)院，上海 201318； 3. 源珈力醫(yī)療器材國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司，上海 200131）

隨著老齡化程度的日益加劇，老年人能夠維持正常生活的能力是整個(gè)社會(huì)所關(guān)心的。而起立是老年人日常生活不可或缺的運(yùn)動(dòng)，想完成這一運(yùn)動(dòng)對(duì)老年人來說又是相當(dāng)困難的。因此市場(chǎng)上從輔助站立角度設(shè)計(jì)的輔助站立座椅便應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)市場(chǎng)上大多產(chǎn)品進(jìn)行考量發(fā)現(xiàn)在輔助站立過程中老年人的舒適性及安全性并不能得到很好的保障，過慢的輔助速度對(duì)老年人的膝關(guān)節(jié)有較大的損傷，而過快的輔助速度又會(huì)導(dǎo)致老年人在輔助完成階段前傾跌倒。為使老年人能夠安全舒適的起立，本研究通過vicon步態(tài)采集系統(tǒng)采集人體在起立過程中人體重心的速度變化情況以及人體前傾跌倒速度閾值實(shí)驗(yàn)重心速度的變化來實(shí)現(xiàn)。

輔助站立；重心速度；跌倒閾值；vicon系統(tǒng)

0 引言

起立運(yùn)動(dòng)是正常生活的必須動(dòng)作，人們每天需要進(jìn)行大量的起立運(yùn)動(dòng)，正常人平均每天需要進(jìn)行60+22次[1-2]，普通社區(qū)的老年人比康復(fù)醫(yī)院里的老年人有著更多的起立運(yùn)動(dòng)。而老年人由于骨質(zhì)疏松，肌力下降等因素導(dǎo)致他們很難完成自主起立運(yùn)動(dòng)，那么輔助站立設(shè)備就顯得格外重要。

目前市場(chǎng)上有許多輔助站立相關(guān)的產(chǎn)品，主要以座椅、沙發(fā)、護(hù)理機(jī)器人等為主，如反重力平衡輔助站立系統(tǒng)[3-4]，其穿戴程序繁瑣，不適合正常老年人的使用，系統(tǒng)體積較大且訓(xùn)練方式單一。澳大利亞康復(fù)研究所及日本大阪大學(xué)康復(fù)研究所所設(shè)計(jì)的輔助站立座椅輔助速度單一不可調(diào)速[5]，不能保證老年人起立的安全性。合肥工業(yè)大學(xué)等人研究的肩部支撐輔助站立座椅運(yùn)動(dòng)理論復(fù)雜[6-8]，上述代表產(chǎn)品存在諸多的缺點(diǎn)。目前，關(guān)于老年人輔助站立座椅的安全性及舒適性研究很少。

本研究所測(cè)動(dòng)重心曲線也與斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學(xué)所提供的正常人進(jìn)行起立運(yùn)動(dòng)的髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了對(duì)比分析[9]，相關(guān)性很強(qiáng)。由于髖關(guān)節(jié)處于人體內(nèi)部，對(duì)其測(cè)量的軌跡近似估計(jì)，并不十分準(zhǔn)確。同時(shí)臀部及髖關(guān)節(jié)的相關(guān)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)不好測(cè)量。此外，沿著重心方向進(jìn)行輔助速度的施加提高座椅的工作效率的同時(shí)人體也會(huì)感覺較舒適。因此本文采用測(cè)量人體重心的方法來設(shè)計(jì)康復(fù)輔助座椅的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

本研究通過vicon步態(tài)捕捉系統(tǒng)對(duì)人體起立運(yùn)動(dòng)過程人體重心的速度進(jìn)行采集，得出起立運(yùn)動(dòng)過程中X軸及Z軸方向上的重心速度變化，通過對(duì)速度曲線進(jìn)行分析，得出起立過程人體起立運(yùn)動(dòng)各個(gè)過程的快慢。又因?yàn)檫^慢的輔助速度會(huì)增加老年人膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷，造成損傷，過快的輔助速度會(huì)導(dǎo)致老年人前傾跌倒。因此本研究對(duì)起立結(jié)束階段進(jìn)行了跌倒速度閾值實(shí)驗(yàn)，從而得出輔助完成階段的安全速度閾值[10-11]。

由于本實(shí)驗(yàn)使用vicon系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)者要求比較高，需要對(duì)人體進(jìn)行多關(guān)節(jié)測(cè)量，且跌倒實(shí)驗(yàn)對(duì)老年人來說是及其危險(xiǎn)的，故本研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象均為年輕人，最后通過老年人相對(duì)年輕人平衡力及肌力下降程度來進(jìn)行合理的規(guī)劃。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

Vicon步態(tài)捕捉系統(tǒng)的高速高精度運(yùn)動(dòng)捕捉功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體標(biāo)記的反光球進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，將捕捉的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算分析，并通過生物力學(xué)分析軟件 Bodybuilder 建立人體全身運(yùn)動(dòng)及半身運(yùn)動(dòng)模型，運(yùn)算并繪制出人體運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

全身運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)點(diǎn)是全面了解受試者各環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況，并能通過模型推算出人體重心運(yùn)動(dòng)。其缺點(diǎn)是要貼的標(biāo)志點(diǎn)太多，容易遺漏或者發(fā)生掉點(diǎn)。而半身模型其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)志點(diǎn)少，僅限骨盆和下肢，貼點(diǎn)時(shí)間減少，不容易遺漏。其缺點(diǎn)只能測(cè)試受試者下肢運(yùn)動(dòng)情況，不能推算出人體重心運(yùn)動(dòng)。因本實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量起立運(yùn)動(dòng)過程中人體的重心運(yùn)動(dòng)速度，故采用全身模型，貼點(diǎn)示意圖如圖2。

圖1 Vicon系統(tǒng)搭建

圖2 全身貼點(diǎn)示意圖

一共39個(gè)點(diǎn)，頭部4個(gè)點(diǎn)，軀干5個(gè)點(diǎn)，左右上肢14個(gè)點(diǎn)，骨盆4個(gè)點(diǎn)，左右下肢12個(gè)點(diǎn)，在標(biāo)記點(diǎn)之前需要先測(cè)量受試者身體的尺寸，這些尺寸數(shù)值是構(gòu)建骨架模型必不可少的。

2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

大多數(shù)輔助站立座椅最初是為老年人或特定疾病患者設(shè)計(jì)的。老人及相關(guān)殘疾患者可以自由參加本實(shí)驗(yàn)，但本實(shí)驗(yàn)過程存在一定危險(xiǎn)性，如vicon步態(tài)捕捉準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)要脫衣服貼標(biāo)簽對(duì)老人要求比較高以及前傾跌倒實(shí)驗(yàn)，所涉及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象有老年人及患者，老年及患者程度不好把握等。故本實(shí)驗(yàn)中所選對(duì)象為5名年輕受試者。年齡在26±2歲，身高170±8厘米，體重60±10千克。無下肢疾病患者。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)一：本文中利用vicon系統(tǒng)分別對(duì)5名受試者進(jìn)行了起立運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)及前傾跌倒實(shí)驗(yàn)，其中起立運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)是在45 cm高的座椅上進(jìn)行的，本文采集了5名受試者起立運(yùn)動(dòng)過程的人體重心軌跡的變化曲線，通過對(duì)重心軌跡求一階導(dǎo)數(shù)得到人體重心軌跡的速度曲線，目的用來指導(dǎo)輔助座椅的輔助速度，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)二：同時(shí)也使用vicon系統(tǒng)對(duì)人體前傾是否跌倒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)采集，影響前傾跌倒的因素有對(duì)重心輔助力的大小、偏離豎直方向的位移、及速度等。而在前傾跌倒實(shí)驗(yàn)中，位移、推力的大小及作用時(shí)間不容易控制，而速度是由輔助變力做功產(chǎn)生的，因此選擇速度作為判斷人克服前傾動(dòng)能的平衡能力的指標(biāo)。設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的目的在于找尋前傾跌倒的相關(guān)影響因素的閾值，確保老人在輔助站立完成后不至于前傾跌倒，造成傷害，即進(jìn)行了安全性分析設(shè)計(jì)。

圖3 起立運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與規(guī)劃

3.1 安全速度的測(cè)定

由圖4能夠看出系列1、2、4、5、6、8、9曲線由初速度為0，在外力作用下速度發(fā)生改變但最終在自身平衡能力的作用下克服了前傾的動(dòng)能，使其恢復(fù)了原來的平衡狀態(tài)速度為0，表明在該外力做功情況下所產(chǎn)生的最大動(dòng)能并沒有讓人跌倒，即為人體能夠克服前傾的安全速度，我們分別觀察該組系列曲線中速度峰值均在200 mm/s以下。而系列3、7曲線顯示在外力作用下其速度峰值均超過 200 mm/s，雖然并沒有超過很多但都跌倒了，大致可以猜想200 mm/s可能是其跌倒速度閾值。

圖4 實(shí)驗(yàn)者a前傾跌倒實(shí)驗(yàn)中跌倒情況

隨后又對(duì)其余4名受試者進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果如表1，由表中數(shù)據(jù)我們很容易看出未跌倒的有26組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)其中有25組是低于200 mm/s的速度，只有一組是達(dá)到該數(shù)據(jù)200.2 mm/s未跌倒。其余14組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的是跌倒的情況，其速度均超過200 mm/s，此外在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中200.2 mm/s速度出現(xiàn)兩次其中一次跌倒一次未跌倒，我們很容易得出人體在站立時(shí)其重心速度為200 mm/s時(shí)為其安全速度閾值。理論上我們?cè)谠O(shè)計(jì)輔助速度低于 200 mm/s時(shí)對(duì)人站立時(shí)是安全的。而本文為考慮其安全性將輔助速度值設(shè)計(jì)為所有未跌倒速度的均值為安全速度平均值140.3 mm/s，同時(shí)也計(jì)算了危險(xiǎn)輔助速度均值即跌倒速度平均值241.2 mm/s。

3.2 安全速度的重新規(guī)劃

老年人及患者相對(duì)年輕人肌力下降程度及平衡性減弱程度進(jìn)行一定比例的延長(zhǎng)完成起立運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，同時(shí)按比例減小安全速度閾值的方案對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新規(guī)劃[12]。一般發(fā)現(xiàn)50-70歲間其肌力相對(duì)30歲時(shí)大約減少30%，且在年過70以后其肌力減退情形更顯著，尤其是背伸肌及下肢近段肌力明顯減弱，膝關(guān)節(jié)控制能力也明顯減退，而年過70以后每10年則再減少30%[13]。Thelen等人對(duì)年輕人及老年人進(jìn)行平衡能力測(cè)試評(píng)估，測(cè)試的指標(biāo)為人體前進(jìn)一步能夠恢復(fù)正常站立狀態(tài)軀干所轉(zhuǎn)過的最大角度值年輕人角度為32.5°，老年人為23.9°。Madigan和Lloyd等人所測(cè)男性前進(jìn)一步年輕人軀干最大轉(zhuǎn)角為29.9°老年男性為20.5°，Wojcik等人研究發(fā)現(xiàn)年輕女性前進(jìn)一步軀干最大轉(zhuǎn)角為30.7°，老年女性為16.2°[14]。由數(shù)據(jù)可以看出年輕人到輕度老齡肌力下降約為30%，深度老齡下降約為49%，恢復(fù)平衡能力下降研究結(jié)果分別26.5%、31.5%、47.2%。輔助站立座椅主要輔助對(duì)象為難以自主站立的老年人及患者使用。故我們考慮將肌力下降最大49%及恢復(fù)平衡能力下降最大47.2%作為重新規(guī)劃參考比例。我們得出從年輕人到深度老年人其身體執(zhí)行日?；顒?dòng)的能力約減少48.1%。那么我們能夠認(rèn)為老年人及患者相對(duì)于年輕人只有51.9%的執(zhí)行能力，那么時(shí)間應(yīng)規(guī)劃為年輕人的1.93倍。安全速度規(guī)劃結(jié)果為老年人及患者的安全速度、閾值速度、危險(xiǎn)速度分別為：72.8 mm/s、103.8 mm/s、125.2 mm/s。

表1 人體COM前傾速度

Tab.1 Human body COM forward velocity

3.3 人體重心速度曲線特征分析

由圖5所示為起立過程人體重心X軸及Z軸速度曲線，起立運(yùn)動(dòng)按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)可以細(xì)分為以下三個(gè)時(shí)間段T0~T1、T1~T2、T2~T3，其分別為身體前傾、起身（臀部完全離開座椅）、恢復(fù)直立三個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本節(jié)重點(diǎn)研究起身離座過程及恢復(fù)直立過程輔助速度的施加。由圖中曲線知在T1~T2過程中各軸速度均快速增加，此階段腿部肌肉需要克服來自人體重力的作用，整個(gè)起身臀部離開座椅階段基本在1 s左右完成。X軸速度在T0~T1階段內(nèi)由0增加到230 mm/s，T1~T2階段速度隨之又減小至-70 mm/s，T2~T3階段恢復(fù)身體直立狀態(tài)速度在0 mm/s上下波動(dòng)。Z軸在T0~T1階段其速度由0 mm/s增加至-150 mm/s，在T1~T2階段其速度先減小后反向增加450 mm/s，在T2~T3恢復(fù)直立階段其速度迅速減小至0 mm/s。

輔助座椅輔助速度設(shè)計(jì)時(shí)，可按照X/Z軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助，在到達(dá)第三階段時(shí)水平軸方向上速度減至安全速度閾值72.8 mm/s時(shí)可按照安全速度閾值輔助至結(jié)束，過慢的輔助速度會(huì)傷及老年人膝關(guān)節(jié)及肌肉[3]，Z軸輔助速度不變即可。

圖5 人體重心X/Z軸的速度變化

4 結(jié)論

市場(chǎng)上及研發(fā)產(chǎn)品基于老年人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究較少，主要偏向于功能的實(shí)現(xiàn)以及外觀的設(shè)計(jì)。而本文基于人體重心運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的研究，對(duì)重心運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)進(jìn)行分析，將整個(gè)起立過程細(xì)分為三個(gè)階段，并逐一解析，我們通過數(shù)據(jù)可以看出起立過程的速度變化并不是恒定不變的，這就區(qū)別于大多現(xiàn)有的恒速輔助站立產(chǎn)品。同時(shí)本研究通過起立及跌倒實(shí)驗(yàn)找出較快速并且安全的輔助速度，這樣就保證了老年人不至于輔助速度過慢而傷害膝關(guān)節(jié)及肌肉損傷且不會(huì)由于速度過快而發(fā)生前傾跌倒，給老年人們一個(gè)即舒適又安全的輔助感受。

[1] P.M. Dall, A. Kerr, Frequency of the sit to stand task: an observational study of free-living adults, Appl. Ergonom. 2010, 41(1): 58–61.

[2] 李竺袁, 李廷元. 無人智能產(chǎn)品的日常監(jiān)管與融入生活[J]. 軟件, 2018, 39(1): 83-86.

[3] Chettibi T, Haddad M, Lehtihet H E, et al. Suboptimal Trajectory Generation for Industrial Robots using Trapezoidal Velocity Profiles[C]//Ieee/rsj International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2007: 729-735.

[4] 李晉宏, 戴海濤. 可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)挖掘及可視化技術(shù)的研究[J].軟件, 2015, 36(12): 69-7.

[5] Wang T, Jeong H, Watanabe M, et al. Fault classification with discriminant analysis during sit-to-stand movement assisted by a nursing care robot[J]. Mechanical Systems & Signal Processing, 2017.

[6] 朱立紅. 基于Kinematic-Mapping的運(yùn)動(dòng)綜合理論及其在輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[D]. 合肥工業(yè)大學(xué), 2016.

[7] 陳曦斌, 焦明海, 劉昊汧, 等. 移動(dòng)機(jī)器人養(yǎng)老服務(wù)路徑規(guī)劃的粒子群算法研究[J]. 軟件, 2018, 39(6): 135-138.

[8] 馬程, 魏怡卓, 曹瑜, 等. 老人意外跌倒遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件, 2018, 39(3): 209-217.

[9] 馬志飛. 輔助起立康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[10] 張琪. 大數(shù)據(jù)背景下軟件測(cè)試的挑戰(zhàn)與展望[J]. 軟件, 2018, 39(6): 181-183.

[11] 徐杰, 李光清. 預(yù)防性維護(hù)應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備管理中的意義與措施探討[J]. 軟件, 2018, 39(4): 107-108.

[12] 馬文輝, 郭云川, 張會(huì)兵, 等. 安全多執(zhí)行機(jī)制的無干擾性研究[J]. 軟件, 2015, 36(6): 83-87.

[13] 王建光. 老年人輔助站立座椅設(shè)計(jì)研究[D]. 浙江大學(xué), 2008.

[14] Nyan M N, Tay F E H, Murugasu E. A wearable system for pre-impact fall detection[J]. Journal of Biomechanics, 2008, 41(16): 3475-3481.

Study on the Safety of the Elderly Standing Chair

LEI Zhong-gui1, FU Jia-yu3, ZHOU Chuang1, WANG Zhi-xiong1,2*

(1. Department of Medical Devices and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai University of Medicine & Health Sciences, Shanghai 201318, China; 3. Yuan Jiali Medical Equipment International Trade (Shanghai) Co. LTD, Shanghai 200131, China)

With the increasing ageing, the ability of the elderly to maintain a normal life is of concern to the whole society. Standing up is an indispensable sport for the elderly in their daily lives. It is quite difficult for the elderly to complete this exercise. Therefore, the auxiliary standing seat designed from the auxiliary standing angle on the market came into being. Considering most products on the market, it is found that the comfort and safety of the elderly in the auxiliary standing process can not be well protected. The slow auxiliary speed has a greater damage to the knees of the elderly, and too fast. The assisted speed in turn causes the elderly to fall before the assisted completion phase. In order to enable the elderly to stand up safely and comfortably, this study uses the Vicon gait acquisition system to collect changes in the speed of the human body during the stand-up process and the change in the center of gravity of the human body's forward-falling speed threshold.

Auxiliary standing; Center of gravity; Fall threshold; Vicon system

TP31

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.10.024

雷中貴，上海理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程醫(yī)療器械方向；傅珈豫，源珈力醫(yī)療器材(上海)有限公司工程師，研究方向：醫(yī)療器械方向；周闖，上海理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程醫(yī)療器械方向。

王志雄，上海理工大學(xué)副教授，上海健康醫(yī)學(xué)院副教授，日本國(guó)立大阪大學(xué)副教授，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)療方向。

雷中貴，傅珈豫，周闖，等. 老年人輔助站立椅運(yùn)動(dòng)安全性研究[J]. 軟件，2018，39（10）：121-125