雷中貴，傅珈豫，周 闖，王志雄,2*

?

老年人輔助站立椅運動安全性研究

雷中貴1，傅珈豫3，周 闖1，王志雄1,2*

（1. 上海理工大學 醫(yī)療器械與食品工程學院，上海 200093；2. 上海健康醫(yī)學院，上海 201318； 3. 源珈力醫(yī)療器材國際貿易（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社會所關心的。而起立是老年人日常生活不可或缺的運動，想完成這一運動對老年人來說又是相當困難的。因此市場上從輔助站立角度設計的輔助站立座椅便應運而生。對市場上大多產品進行考量發(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，過慢的輔助速度對老年人的膝關節(jié)有較大的損傷，而過快的輔助速度又會導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驗重心速度的變化來實現(xiàn)。

輔助站立；重心速度；跌倒閾值；vicon系統(tǒng)

0 引言

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

目前市場上有許多輔助站立相關的產品，主要以座椅、沙發(fā)、護理機器人等為主，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)體積較大且訓練方式單一。澳大利亞康復研究所及日本大阪大學康復研究所所設計的輔助站立座椅輔助速度單一不可調速[5]，不能保證老年人起立的安全性。合肥工業(yè)大學等人研究的肩部支撐輔助站立座椅運動理論復雜[6-8]，上述代表產品存在諸多的缺點。目前，關于老年人輔助站立座椅的安全性及舒適性研究很少。

本研究所測動重心曲線也與斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學所提供的正常人進行起立運動的髖關節(jié)運動軌跡進行了對比分析[9]，相關性很強。由于髖關節(jié)處于人體內部，對其測量的軌跡近似估計，并不十分準確。同時臀部及髖關節(jié)的相關動力學數(shù)據(jù)不好測量。此外，沿著重心方向進行輔助速度的施加提高座椅的工作效率的同時人體也會感覺較舒適。因此本文采用測量人體重心的方法來設計康復輔助座椅的運動參數(shù)。

本研究通過vicon步態(tài)捕捉系統(tǒng)對人體起立運動過程人體重心的速度進行采集，得出起立運動過程中X軸及Z軸方向上的重心速度變化，通過對速度曲線進行分析，得出起立過程人體起立運動各個過程的快慢。又因為過慢的輔助速度會增加老年人膝關節(jié)的負荷，造成損傷，過快的輔助速度會導致老年人前傾跌倒。因此本研究對起立結束階段進行了跌倒速度閾值實驗，從而得出輔助完成階段的安全速度閾值[10-11]。

由于本實驗使用vicon系統(tǒng)，該系統(tǒng)對實驗者要求比較高，需要對人體進行多關節(jié)測量，且跌倒實驗對老年人來說是及其危險的，故本研究的實驗對象均為年輕人，最后通過老年人相對年輕人平衡力及肌力下降程度來進行合理的規(guī)劃。

1 實驗平臺的搭建

Vicon步態(tài)捕捉系統(tǒng)的高速高精度運動捕捉功能能夠實現(xiàn)對人體標記的反光球進行動態(tài)捕捉，將捕捉的空間三維坐標進行運算分析，并通過生物力學分析軟件 Bodybuilder 建立人體全身運動及半身運動模型，運算并繪制出人體運動過程的動力學結果，實驗平臺如圖1所示。

全身運動模型的優(yōu)點是全面了解受試者各環(huán)節(jié)運動情況，并能通過模型推算出人體重心運動。其缺點是要貼的標志點太多，容易遺漏或者發(fā)生掉點。而半身模型其優(yōu)點是標志點少，僅限骨盆和下肢，貼點時間減少，不容易遺漏。其缺點只能測試受試者下肢運動情況，不能推算出人體重心運動。因本實驗目的測量起立運動過程中人體的重心運動速度，故采用全身模型，貼點示意圖如圖2。

圖1 Vicon系統(tǒng)搭建

圖2 全身貼點示意圖

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

2 設計實驗

2.1 實驗對象

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計的。老人及相關殘疾患者可以自由參加本實驗，但本實驗過程存在一定危險性，如vicon步態(tài)捕捉準備實驗要脫衣服貼標簽對老人要求比較高以及前傾跌倒實驗，所涉及相關實驗的實驗對象有老年人及患者，老年及患者程度不好把握等。故本實驗中所選對象為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 實驗方案

實驗一：本文中利用vicon系統(tǒng)分別對5名受試者進行了起立運動實驗及前傾跌倒實驗，其中起立運動實驗是在45 cm高的座椅上進行的，本文采集了5名受試者起立運動過程的人體重心軌跡的變化曲線，通過對重心軌跡求一階導數(shù)得到人體重心軌跡的速度曲線，目的用來指導輔助座椅的輔助速度，如圖3所示。

實驗二：同時也使用vicon系統(tǒng)對人體前傾是否跌倒實驗進行了運動采集，影響前傾跌倒的因素有對重心輔助力的大小、偏離豎直方向的位移、及速度等。而在前傾跌倒實驗中，位移、推力的大小及作用時間不容易控制，而速度是由輔助變力做功產生的，因此選擇速度作為判斷人克服前傾動能的平衡能力的指標。設計該實驗的目的在于找尋前傾跌倒的相關影響因素的閾值，確保老人在輔助站立完成后不至于前傾跌倒，造成傷害，即進行了安全性分析設計。

圖3 起立運動實驗

3 實驗結果分析與規(guī)劃

3.1 安全速度的測定

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能，使其恢復了原來的平衡狀態(tài)速度為0，表明在該外力做功情況下所產生的最大動能并沒有讓人跌倒，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 實驗者a前傾跌倒實驗中跌倒情況

隨后又對其余4名受試者進行相同的實驗得出的結果如表1，由表中數(shù)據(jù)我們很容易看出未跌倒的有26組實驗數(shù)據(jù)其中有25組是低于200 mm/s的速度，只有一組是達到該數(shù)據(jù)200.2 mm/s未跌倒。其余14組實驗數(shù)據(jù)對應的是跌倒的情況，其速度均超過200 mm/s，此外在實驗數(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其重心速度為200 mm/s時為其安全速度閾值。理論上我們在設計輔助速度低于 200 mm/s時對人站立時是安全的。而本文為考慮其安全性將輔助速度值設計為所有未跌倒速度的均值為安全速度平均值140.3 mm/s，同時也計算了危險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

老年人及患者相對年輕人肌力下降程度及平衡性減弱程度進行一定比例的延長完成起立運動的時間，同時按比例減小安全速度閾值的方案對所采集的數(shù)據(jù)進行重新規(guī)劃[12]。一般發(fā)現(xiàn)50-70歲間其肌力相對30歲時大約減少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等人對年輕人及老年人進行平衡能力測試評估，測試的指標為人體前進一步能夠恢復正常站立狀態(tài)軀干所轉過的最大角度值年輕人角度為32.5°，老年人為23.9°。Madigan和Lloyd等人所測男性前進一步年輕人軀干最大轉角為29.9°老年男性為20.5°，Wojcik等人研究發(fā)現(xiàn)年輕女性前進一步軀干最大轉角為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%，恢復平衡能力下降研究結果分別26.5%、31.5%、47.2%。輔助站立座椅主要輔助對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?；顒拥哪芰s減少48.1%。那么我們能夠認為老年人及患者相對于年輕人只有51.9%的執(zhí)行能力，那么時間應規(guī)劃為年輕人的1.93倍。安全速度規(guī)劃結果為老年人及患者的安全速度、閾值速度、危險速度分別為：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，起立運動按照時間節(jié)點可以細分為以下三個時間段T0~T1、T1~T2、T2~T3，其分別為身體前傾、起身（臀部完全離開座椅）、恢復直立三個運動狀態(tài)。本節(jié)重點研究起身離座過程及恢復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階段恢復身體直立狀態(tài)速度在0 mm/s上下波動。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恢復直立階段其速度迅速減小至0 mm/s。

輔助座椅輔助速度設計時，可按照X/Z軸的數(shù)據(jù)進行輔助，在到達第三階段時水平軸方向上速度減至安全速度閾值72.8 mm/s時可按照安全速度閾值輔助至結束，過慢的輔助速度會傷及老年人膝關節(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 結論

市場上及研發(fā)產品基于老年人運動狀態(tài)的研究較少，主要偏向于功能的實現(xiàn)以及外觀的設計。而本文基于人體重心運動數(shù)據(jù)的研究，對重心運動速度參數(shù)進行分析，將整個起立過程細分為三個階段，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品。同時本研究通過起立及跌倒實驗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節(jié)及肌肉損傷且不會由于速度過快而發(fā)生前傾跌倒，給老年人們一個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. 可穿戴設備數(shù)據(jù)挖掘及可視化技術的研究[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的運動綜合理論及其在輔助康復機構中的應用[D]. 合肥工業(yè)大學, 2016.

[7] 陳曦斌, 焦明海, 劉昊汧, 等. 移動機器人養(yǎng)老服務路徑規(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. 老人意外跌倒遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 軟件, 2018, 39(3): 209-217.

[9] 馬志飛. 輔助起立康復機器人控制系統(tǒng)的仿真與實驗研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學, 2011.

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

[11] 徐杰, 李光清. 預防性維護應用于醫(yī)療設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, 張會兵, 等. 安全多執(zhí)行機制的無干擾性研究[J]. 軟件, 2015, 36(6): 83-87.

[13] 王建光. 老年人輔助站立座椅設計研究[D]. 浙江大學, 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，上海理工大學碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)學工程醫(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，上海理工大學碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)學工程醫(yī)療器械方向。

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

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