雷銘達(dá) 徐漢斌

摘要：為設(shè)計(jì)出更適合老年人的助老站立裝置。本文以助老站立裝置中的輔助站立機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有助老站立設(shè)備的不足，在深入分析老年人站立特征的基礎(chǔ)上，參考人機(jī)工程學(xué)的人體尺寸，搭建了幫助老年人起身的輔助站立機(jī)構(gòu)的三維模型，接著，根據(jù)老年人站立中的需求運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。改善了機(jī)構(gòu)的傳力效果，改進(jìn)了坐板速度過快的不足。運(yùn)用ADAMS進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)后的輔助站立機(jī)構(gòu)能提供更為人性化的服務(wù)，該訪法可為助老站立產(chǎn)品的創(chuàng)新及設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：老年人?輔助站立機(jī)構(gòu)?ADAMS?優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2020）08-0102-04

引言

隨著社會(huì)發(fā)展和人類平均壽命的增長(zhǎng)，我國(guó)老齡化程度不斷加深。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2019年末，全國(guó)人口中65周歲及以上人口占總?cè)丝诘?2.6%61。老年人的健康成為社會(huì)日益關(guān)注的焦點(diǎn)問題，由于老年人身體機(jī)能隨年齡的增長(zhǎng)而下降，老年人日常起身愈發(fā)困難。在此社會(huì)背景下，助老站立設(shè)備的需求逐年增加，然而，如今市場(chǎng)上的助老站立設(shè)備在人性化方面存在欠缺，許多產(chǎn)品在輔助老年人站立時(shí)無法全面顧及到老年人站立時(shí)的需要，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足老年人使用需要，要想設(shè)計(jì)出適合老年人的助老站立設(shè)備，需要對(duì)老年人在站立過程中的需求進(jìn)行深度分析，其中，輔助站立機(jī)構(gòu)作為助老站立設(shè)備中的重要部件，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)老年人站立需求對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為其在設(shè)計(jì)過程中的一項(xiàng)重要工作。本文針對(duì)輔助站立機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在人體站立特征分析的基礎(chǔ)上，搭建輔助站立機(jī)構(gòu)的三維模型，在老年人站立需求分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)的傳力效果和運(yùn)行速度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、簡(jiǎn)述優(yōu)化設(shè)計(jì)與輔助站立機(jī)構(gòu)

（一）優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

本次設(shè)計(jì)通過使用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析和參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用“設(shè)計(jì)需求研究-三維模型建立-虛擬樣機(jī)仿真-參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)流程。首先分析人體站立特征與老年人站立時(shí)的特殊需求。接著，根據(jù)設(shè)計(jì)思路和人體站立特征搭建三維模型。之后將搭建好的模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中存在的問題。最后，根據(jù)老年人站立時(shí)的特殊需求，有目的地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（二）優(yōu)化設(shè)計(jì)在輔助站立機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

輔助站立機(jī)構(gòu)是助老站立設(shè)備中的重要組成部分，其功能是在老年人站立的過程中提供輔助，減輕老年人站立時(shí)的負(fù)擔(dān)，避免發(fā)生意外。由于老年人身體機(jī)能下降，無法提供較大的力以及難以承受較大的沖擊，因此，輔助站立機(jī)構(gòu)需要有較好的傳力特性。此外，輔助站立機(jī)構(gòu)還需要滿足老年在站立時(shí)的各種需求。使用ADAMS軟件不僅能夠進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真，還能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面要改善機(jī)構(gòu)的傳力特性，讓老年人可輕松使用，另一方面，要改變機(jī)構(gòu)中零件的運(yùn)動(dòng)特性，防止其對(duì)老年人造成損傷。

二、老年人站立特征與需求分析研究

（一）人體站立時(shí)的基本特征

人體站立時(shí)的基本特征是指正常人在站立過程中普遍展現(xiàn)的特征，包括站立過程、足底壓力的變化等方面。站立過程可分為3個(gè)階段，第1階段：髖關(guān)節(jié)活動(dòng)，上身前傾，重心向前;第2階段：臀部與座位分離，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)，腿部肌肉收縮，重心向上向前;第3階段：身體在各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合下運(yùn)動(dòng)，重心到達(dá)最高點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)站穩(wěn)[4]。老年人下肢力量，尤其是膝蓋力量的減弱，是影響其不能有效站立的主因[5]，因此老年人需要利用輔助站立機(jī)構(gòu)幫助其完成站立過程，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，輔助站立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與老年人站立過程相似會(huì)使老年人站立時(shí)更為舒適，膝關(guān)節(jié)負(fù)重更小。

在站立過程中人體足底壓力的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。臀部尚未離開座椅時(shí)，足底壓力的大小在200N附近，當(dāng)臀部與座位分離后，足底壓力在短時(shí)間內(nèi)迅速升高并超過人體自身重力，在身體站穩(wěn)前，足底壓力一直在重力附近波動(dòng)4。使用輔助裝置完成站立的主要作用就是減輕下肢的負(fù)擔(dān)，使足底壓力在起立過程中緩慢增長(zhǎng)，從而較好地保護(hù)下肢關(guān)節(jié)。

（二）老年人站立時(shí)的需求

老年人在衰老過程中，其肌肉力量會(huì)持續(xù)性下降，因此對(duì)老年在站立所需時(shí)間、站立過程中的速度等方面存在的特殊需求進(jìn)行了如下的分析。在設(shè)計(jì)時(shí)還需要參考人機(jī)工程學(xué)中的人體數(shù)據(jù)，一方面使機(jī)構(gòu)更符合老年人的身體特征，另一方面在進(jìn)行仿真分析時(shí)更符合實(shí)際情況。

1.站立所需時(shí)間需求：助老站立設(shè)備主要針對(duì)的是站立困難和無法自主站立的老人，因此將深度老齡肌力下降最大49%[1]作為參考比例，進(jìn)而得出深度老年人相對(duì)于年輕人只有51.9%的行動(dòng)能力，因此，老年站立所需時(shí)間為年輕人的1.93倍，年輕人站立時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間大致是2秒[5]，老年人站立時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間理論上應(yīng)為3.96秒，考慮到使用助老站立設(shè)備會(huì)減緩站立過程，因此在設(shè)計(jì)過程中將老年人站立時(shí)所需要的時(shí)間設(shè)為5秒。

2.站立時(shí)的速度需求：起身時(shí)速度過快會(huì)導(dǎo)致老年人前傾摔倒，速度過慢會(huì)增加老年人膝蓋的負(fù)重，一般情況下，老年人站立時(shí)身體重心的安全速度、閾值速度和危險(xiǎn)速度為72.8mm/s，103.8mm/s，125.2mm/s[1]。

3.設(shè)計(jì)時(shí)參考的人體數(shù)據(jù)：助老站立裝置屬于l型產(chǎn)品并涉及人健康和安全，因此需要兩個(gè)人體尺寸百分位數(shù)作為參考尺寸的上下限6。由于出現(xiàn)站立困難的老年人平均年齡大于人體尺寸數(shù)據(jù)中的最大年齡，對(duì)應(yīng)的人體尺寸會(huì)發(fā)生變化，因此在設(shè)計(jì)時(shí)選用人體數(shù)據(jù)中最大年齡且數(shù)值范圍較大的人體尺寸作為參考，所以在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將男性第99百分位尺寸和女性第1百分位尺寸作為參考尺寸的上下限。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，為滿足絕大多數(shù)老年人需求，人體總重量設(shè)定為滿足第95百分位老年人群體所需要的75kg[10]，按照人機(jī)工程學(xué)中的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，上肢軀干及身體其他部位重量為體重的69.4%，上肢軀干重量設(shè)定為52.05kg[5]。

三、輔助站立機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

（一）設(shè)計(jì)思路

機(jī)構(gòu)需要根據(jù)老年人站立特征與需求改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，將輔助站立機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以通過改變構(gòu)件尺寸就可以改變從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)?？紤]到需要添加老年人根據(jù)自身情況調(diào)整坐板運(yùn)動(dòng)軌跡的功能，因此設(shè)計(jì)一個(gè)與扶手相連的滑動(dòng)部件，在老年人站立過程中不斷下壓扶手可以使其向下滑動(dòng)叨。此部件起到的作用一方面是充分利用老年人上肢力量和站立過程中軀干部分的重力幫助其完成站立過程并且調(diào)整坐板處的運(yùn)動(dòng)軌跡，另一方面是幫助老年人更快地調(diào)整重心，使其更快地調(diào)整好平衡，降低造成跌倒等事故的可能性。考慮到老年人站立時(shí)從臀部給予支撐對(duì)老人而言會(huì)更加舒適，因此采用了從臀部給老，人以支撐的輔助方式。此外，由于老年人上肢力量不足并且在站立初期老年人重心較低，無法使滑塊運(yùn)動(dòng)，因此需要使用推桿提供額外的力輔助老年人站立。

輔助站立機(jī)構(gòu)具體的工作流程分為三個(gè)階段，第1階段，老年人重心向上向前，此時(shí)幫助老年人站立的主要?jiǎng)恿碓从谕茥U的力，老年人對(duì)把手的力只起一定的控制作用;第2階段，老年人站立的同時(shí)使得其上身的重力不斷加在把手上，為老年人向前向上運(yùn)動(dòng)提供額外輔助;第3階段，老年人繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至完成站立，在這一階段，坐板只提供很小的推動(dòng)力。

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)功能參考人體數(shù)據(jù)[6]。老年人站立后扶手恰好位于其手功能位置，因此需要參考的人體參數(shù)有手功能高。扶手需要設(shè)計(jì)在老年人可以握住的地方，因此需要參考上臂長(zhǎng)和前臂長(zhǎng)等人體尺寸，輔助站立機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)在老年人前方幫助其完成站立過程，因此需要參考臀膝距。表1為設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)所需的身體尺寸。

（二）三維模型的建立

根據(jù)人體站立特征以及設(shè)計(jì)思路的指導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)有的助老站立設(shè)備，確定了具體的設(shè)計(jì)方案，使用SOLIDWORKS軟件建立三維模型，三維模型圖如圖1所示，輔助站立機(jī)構(gòu)由六個(gè)桿件、一個(gè)推桿以及滑動(dòng)部件組成。水平連桿最左端通過軸與坐板相連，滑動(dòng)部件包含左右兩個(gè)光軸滑塊、扶手以及其他連接件。

（三）仿真分析

為探究設(shè)計(jì)完成的機(jī)構(gòu)的工作性能，將模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，包含以下步驟：

1.簡(jiǎn)化模型，輔助站立機(jī)構(gòu)的主體由連桿組成，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)滑動(dòng)部件在老年人對(duì)扶手力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，因此將滑動(dòng)部件簡(jiǎn)化為可滑動(dòng)的滑塊，將模型中使用的固定座和光軸刪除，將推桿替換成可相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)的桿件的組合，將坐板近似看作連桿一端的點(diǎn)。

2.導(dǎo)入模型，添加驅(qū)動(dòng)，在鉸接處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，在推桿和滑塊處添加平動(dòng)副。

3.添加驅(qū)動(dòng)，添加力。根據(jù)上述老年人站立分析可知，在坐板和滑塊處各施加一個(gè)隨時(shí)間變化的力可近似替代老年人對(duì)坐板的壓力和老年人雙手對(duì)于扶手的作用力，設(shè)置兩處力的情況如圖組2所示，此外，參考現(xiàn)有推桿數(shù)據(jù)，設(shè)置推桿替代部分對(duì)水平桿件的推力為1200N，其自身相對(duì)滑動(dòng)速度為10mm/s。

考慮到老年人站立時(shí)的特殊需求，對(duì)與坐板相連接的點(diǎn)的速度進(jìn)行測(cè)量并通過仿真繪制其速度隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示，通過曲線圖可以看出，連接點(diǎn)的最大速度達(dá)到225mm/s，遠(yuǎn)超老年人站立時(shí)的危險(xiǎn)速度，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)造成老年人跌倒。此外，在仿真過程中還發(fā)現(xiàn)，施加在扶手上的力較小時(shí)并不能使滑塊滑動(dòng)，雖然老年人起身過程中上身的部分重力會(huì)施加在扶手上，但不同老人在體重、身體尺寸等方面存在較大差距，因此，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使扶手上的力在更小時(shí)便可使用。

四、優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面是要改善傳力特性，讓老年人施加較小的力就可推動(dòng)滑塊;另一方面，要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)降低H點(diǎn)的速度，避免速度過快將老年人摔倒，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)要經(jīng)歷的流程如圖4所示。

輔助站立機(jī)構(gòu)中各鉸接點(diǎn)的位置為其主要參數(shù)，本次分析中將各鉸接點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量的名稱按順序從DV_1排列至DV_9，完成后的參數(shù)化模型如圖5所示。在H點(diǎn)和G點(diǎn)分別添加老年人對(duì)坐板的力與施加在滑塊上的力，兩處力的大小如圖組3所示。

（一）改善傳力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)镚點(diǎn)處的力和H點(diǎn)處的力為固定的隨時(shí)間變化的函數(shù)，因此，將測(cè)量目標(biāo)設(shè)置為F點(diǎn)的橫坐標(biāo)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)要使F點(diǎn)的橫坐標(biāo)在更短的時(shí)間內(nèi)開始變化。

設(shè)計(jì)研究主要研究單個(gè)設(shè)計(jì)變量在特定范圍內(nèi)取不同值時(shí)虛擬樣機(jī)性能的變化口。在功能分析的基礎(chǔ)上參考人體數(shù)據(jù)確定各設(shè)計(jì)變量初始值與取值范圍，之后將所有設(shè)計(jì)變量的絕對(duì)變化范圍設(shè)定為士1，并進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得到的結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出，設(shè)計(jì)變量DV__7和DV__8在初始值處敏感度的絕對(duì)值相對(duì)較大，即POINTF_X和POINTF__Y的位置變化對(duì)虛擬樣機(jī)的影響相對(duì)較大，因此將DV__7和DV__8設(shè)為主要設(shè)計(jì)變量，在之后的設(shè)計(jì)中只考慮主要設(shè)計(jì)變量對(duì)虛擬樣機(jī)的影響。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要研究多個(gè)設(shè)計(jì)變量組合變化時(shí)虛擬樣機(jī)性能的變化。選取兩個(gè)主要設(shè)計(jì)變量進(jìn)行試驗(yàn)分析，圖6為試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，兩個(gè)設(shè)計(jì)變量在每次實(shí)驗(yàn)中的取值用表3表示。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)變量DV_7和DV__8取值越大曲線在2.5秒后變化越大，因?yàn)榱﹄S時(shí)間固定變化，因此更小的力就可使滑塊開始運(yùn)動(dòng)，從曲線可以看出設(shè)計(jì)變量DV_7設(shè)置為349mm和DV_8設(shè)置為120mm時(shí)曲線變化最為劇烈。

（二）改善H點(diǎn)處最大速度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)將H點(diǎn)處速度的最大值設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，并通過設(shè)計(jì)研究找出對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較大的主要設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)研究結(jié)果如表4所示。根據(jù)表格可知，主要設(shè)計(jì)變量為DV_2和DV_4。

選取兩個(gè)設(shè)計(jì)變量組合進(jìn)行試驗(yàn)分析，圖7為試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，將目標(biāo)函數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果用表5來表示。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果和試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)設(shè)計(jì)變量DV_2取值在14～56，DV__4取值在237.33～280.67，H點(diǎn)的速度小于老年人站立時(shí)重心的閾值速度，初步滿足老年，人站立時(shí)在速度方面的需求，并縮小優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)主要設(shè)計(jì)變量的取值范圍。

根據(jù)上述分析，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，修改主要設(shè)計(jì)變量DV__2和DV_4的取值范圍分別為14～56和237.33～280。此外，還需要?jiǎng)?chuàng)建約束來限制目標(biāo)對(duì)象的數(shù)值范圍，從而滿足樣機(jī)性能及要求21。本文中我們?yōu)榱藵M足老齡站立的需求對(duì)H點(diǎn)速度的最大值創(chuàng)建了約束函數(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到優(yōu)化后的H點(diǎn)的速度曲線如圖8所示，優(yōu)化結(jié)果如表6所示。

結(jié)論

輔助站立機(jī)構(gòu)作為助老站立設(shè)備重要組成部分，是輔助老年人站立的主要功能件。隨著助老站立設(shè)備需求的不斷增長(zhǎng)，作為核心部件的輔助站立機(jī)構(gòu)的人性化設(shè)計(jì)越來越重要。本文根據(jù)人體站立特征，使用SOLIDWORKS搭建了一種輔助站立機(jī)構(gòu)的三維模型，之后在老年人站立特殊需求的指導(dǎo)下，將其導(dǎo)入至ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真后發(fā)現(xiàn)裝置在傳力效果和坐板移動(dòng)速度等方面需要被優(yōu)化。運(yùn)用ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，在模型參數(shù)化后選取各鉸接點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，坐板移動(dòng)速度的最大值和F點(diǎn)的橫坐標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了合適的參數(shù)，為輔助站立機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)參考。

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