朱 荻 孫 健 楊 陽 欒志恒

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

0 引言

隨著我國新生兒的出生率逐年下降，人口老齡化趨勢(shì)將持續(xù)增強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022 年，我國60 歲及以上的老人數(shù)量高達(dá)2.5 億，占全國總?cè)丝诘?0%左右。隨著年齡的增加，多種老年化疾病也接踵而來，老人的生命安全如何得到基本保障成為中國現(xiàn)階段要正視和處理的問題。老人在家久坐后行走，或如廁時(shí)間過長而導(dǎo)致起身后存在雙腿無力、難以站立的問題，這些現(xiàn)象對(duì)老人而言是非常危險(xiǎn)的。因此，研究和設(shè)計(jì)出輔助老人站立的坐具顯得十分重要［1］。適老化坐具作為一種輔助站立的設(shè)備，其方便性和安全性在輔助老年人群的日常生活中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)出一款可輔助老年人群安全起身及日常就座的適老化座椅，對(duì)擺脫目前困境、減輕醫(yī)護(hù)壓力、提高對(duì)老年人的服務(wù)水平、促進(jìn)社會(huì)和諧具有十分重要的意義。

1 國內(nèi)外輔助站立裝置的研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對(duì)輔助站立裝置技術(shù)的試驗(yàn)研究基本停留在輔助站立扶手、固定方式不變的輔助站立座椅。市場(chǎng)上所提及的老年人專用坐具，還只是從產(chǎn)品的材質(zhì)來進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，未從老年人的視覺審美來考慮所推薦的產(chǎn)品。針對(duì)功能設(shè)計(jì)的產(chǎn)品只在醫(yī)療系統(tǒng)中常見，并不能融入老年人的日常生活中。

1.1.1 輔助站立座椅。為了解決適老化輔助站立裝置在運(yùn)動(dòng)站立和坐具運(yùn)動(dòng)過程中不能得到準(zhǔn)確的運(yùn)用時(shí)間等問題，孫技偉等［2］提出一種基于變胞結(jié)構(gòu)原理的老年自助椅，并結(jié)合平面連桿機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)造及理念，引入變胞機(jī)構(gòu)原理的設(shè)計(jì)模式。這一設(shè)計(jì)原則特別適合我國老年人的生活起居，其工作原理如下。首先，老年自助椅的重心逐步升高，在達(dá)到某一高度后，座椅開始逐漸翻轉(zhuǎn)，使老人的整個(gè)臀部從水平狀態(tài)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)整個(gè)座椅逐漸翻轉(zhuǎn)時(shí)，靠背也以類似于平行運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但有另外一個(gè)很小的垂直旋轉(zhuǎn)的角度。為了求解以上三個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)的時(shí)間序列，使用具有控制功能的變形元件來集成三個(gè)裝置。該輔助裝置用于模擬人體自然變化站立姿勢(shì)過程中出現(xiàn)的一系列動(dòng)態(tài)變化均符合關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律［3］，可幫助老年人較輕松地從自然坐姿轉(zhuǎn)變?yōu)檎咀?，?shí)現(xiàn)輔助老年人正確站立姿態(tài)的功能［4］。

吳松等［5］成功研發(fā)出一種多功能輔助式站立式座椅，具有輔助站立和平側(cè)躺的功能，可實(shí)現(xiàn)不同姿勢(shì)的轉(zhuǎn)換。升降減速裝置減速器的工作原理如下。當(dāng)減速器旋轉(zhuǎn)和手柄停止搖動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸便隨之自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，然后由位于減速器主軸中部的傘齒輪來帶動(dòng)減速絲杠自動(dòng)上升。絲杠垂直上升，來推動(dòng)座墊水平上升，從而實(shí)現(xiàn)垂直升降等功能。這款多功能輔助式站立升降座椅采用純鋁的機(jī)械機(jī)構(gòu)，拆裝方便，舒適性好。然而，該設(shè)備不能在一定區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，在很大程度上限制該設(shè)備的有效使用范圍。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)出一種人體垂直自動(dòng)升降式輔助站立支撐機(jī)構(gòu)，其工作原理是通過使用前后兩個(gè)空氣彈簧裝置作為一種輔助的站立助力裝置，通過控制空氣彈簧裝置的自動(dòng)伸縮，從而為用戶站立提供垂直向上的上升力，幫助用戶實(shí)現(xiàn)正確站立。但這種助力裝置的人體運(yùn)動(dòng)軌跡變化太強(qiáng)，不符合現(xiàn)代人體運(yùn)動(dòng)自然垂直起立的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且動(dòng)作軌跡較為單一，無法真正適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜多變的站立支撐環(huán)境，且該設(shè)備對(duì)使用者上肢力量鍛煉的要求較高。老年人因身體機(jī)能退化，導(dǎo)致無法嚴(yán)格滿足該設(shè)備的日常使用要求，強(qiáng)行使用只會(huì)導(dǎo)致中老年人的身體器官受到一定損害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜叭梭w健康。通過市場(chǎng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品的市場(chǎng)范圍較小。

日本高知空谷大學(xué)開發(fā)出的站立輔助康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是一種完全基于人體下肢動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的輔助型站立支撐訓(xùn)練康復(fù)系統(tǒng)，其可使用雙繩來控制人體張力度和運(yùn)動(dòng)軌跡，其具體的工作原理如下。先利用用戶身體上的運(yùn)動(dòng)傳感器來實(shí)時(shí)獲取用戶的正確站立姿勢(shì)、重心位置以及其他異常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在雙繩系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，前繩直接控制人體的運(yùn)動(dòng)軌跡，后繩可控制輔助張力的幅度大小，兩條繩能以一個(gè)預(yù)定的速度同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)患者自身的腿部力量基本足夠負(fù)荷時(shí)，后繩的張力幅度約為于零。同時(shí)，當(dāng)使用者自身的背部力量出現(xiàn)不足時(shí)，背繩可提供腿部輔助支撐力量，使用戶患者的腿部能以一個(gè)較為平穩(wěn)的速度起身?？祻?fù)訓(xùn)練繩系統(tǒng)通過使用雙繩系統(tǒng)能有效控制使用者的起立動(dòng)作速度和輔助動(dòng)作力量，能有效解決使用者因自身動(dòng)作力量不足而導(dǎo)致的無法連續(xù)起立的問題，以及無法控制輔助運(yùn)動(dòng)力量大小，解決了使用者因運(yùn)動(dòng)力量不足而無法快速起立的問題，大大提高了老年人正常生活的可能。

除此之外，斯洛文尼亞盧布爾雅那大學(xué)開發(fā)制造的液壓蹺蹺板式輔助站立機(jī)器人也是國外輔助式站立機(jī)器人研究領(lǐng)域的代表。該設(shè)備由全液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有前后兩個(gè)可平移的自由度和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的自由度。其在保持座墊水平的同時(shí)，還能使人站起來，從而確保人在站立時(shí)的舒適性。該輔助機(jī)器人的傳動(dòng)裝置具有重量輕、結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計(jì)緊湊、運(yùn)行與工作各過程載荷均勻一致且動(dòng)作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是其仍被只用于下肢殘疾人日?？祻?fù)訓(xùn)練中的下肢站立康復(fù)訓(xùn)練及運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。該輔助機(jī)器人的適用范圍太小，不能同時(shí)滿足不同老年人的保健通用的需求。此外，該類產(chǎn)品的研發(fā)制造成本較高，不利于市場(chǎng)推廣。

綜上所述，國外輔助立式裝置采用先進(jìn)的理論和技術(shù)進(jìn)行研究，并采用機(jī)電一體化使產(chǎn)品更加現(xiàn)代化，但由于成本等原因，其并沒有得到廣泛應(yīng)用，但其研究方法和技術(shù)仍然值得借鑒。

2 適老化座椅輔助站立功能

適老化坐具輔助站立是基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等，從而開發(fā)出的功能。輔助站立技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)人體由坐姿轉(zhuǎn)換成站姿關(guān)節(jié)角度變化的支持。由于該功能針對(duì)的人群比較特殊，其設(shè)計(jì)必須要高度貼合老年人群及弱能人群。所以，在設(shè)計(jì)方面要采用安全性高、靈活性高的輔助站立技術(shù)。

人體的坐立轉(zhuǎn)換動(dòng)作［4］是人體完成站立的關(guān)鍵，如圖1所示。由圖1可知，人體坐立轉(zhuǎn)換的動(dòng)作可分為三步。第一步為準(zhǔn)備，此時(shí)人體的上身前傾，重心前移。第二步為起立，上身繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，大腿繞膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使臀部離開座板。第三步完成站立動(dòng)作。人體坐立行轉(zhuǎn)換能否成功的關(guān)鍵是人體坐立轉(zhuǎn)換動(dòng)作的第二步，在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中，人體的髖關(guān)節(jié)部和膝關(guān)節(jié)均旋轉(zhuǎn)一定角度，尤其是膝關(guān)節(jié)。

圖1 人體坐立轉(zhuǎn)換

適老化座椅輔助站立是通過電動(dòng)推桿或液壓推桿來帶動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使人體完成坐姿到站姿的轉(zhuǎn)換。其主要特征是要符合老年人的生活習(xí)慣，從而使老人能輕易達(dá)到站立的狀態(tài)。一般的適老化座椅多在外觀上下功夫，如椅子的顏色、用料、扶手等。目前，市面上的養(yǎng)老家具數(shù)量稀少，大多數(shù)的養(yǎng)老家具的設(shè)計(jì)流于表面［6］，沒有充分考慮老年人的需求，特別是生理狀況（如骨骼、關(guān)節(jié)等問題）。有的設(shè)計(jì)過于功能化，甚至做得很像醫(yī)療器械，與生活格格不入［7］，導(dǎo)致其很難得到老年人群的青睞。

根據(jù)人們從座位上站起來的動(dòng)作來看，三個(gè)動(dòng)作被整合在一起，即重心的上升、臀部從水平向垂直的變化、背部角度的小范圍變化。因此，有必要設(shè)計(jì)三種不同的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。同時(shí)，考慮到這三個(gè)運(yùn)動(dòng)有時(shí)間先后的順序。因此，利用其在不同工作階段中的變胞機(jī)構(gòu)特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的順序動(dòng)態(tài)控制。首先，適老化座椅的重心會(huì)升高，在達(dá)到某一高度后，座椅開始向下翻轉(zhuǎn)，使整個(gè)臀部逐漸從相對(duì)水平的方向變?yōu)閹缀醮怪钡姆较?。其次，?dāng)整個(gè)座椅上下翻轉(zhuǎn)時(shí)，靠背的位置也同樣會(huì)隨著座椅整體向上移動(dòng)，這類似于平行移動(dòng)，但角度較小。為了同時(shí)求解上述三個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間序列，使用具有時(shí)間控制變換功能的變形控制元件來同時(shí)集成上述三個(gè)變形裝置。這種有順序的站立運(yùn)動(dòng)更符合正常人體在行走站立活動(dòng)中的骨骼位置變化，使人能更自然地完成從坐逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，?shí)現(xiàn)輔助正常人完成站立鍛煉的雙重功能，還可使人站在椅子上。變構(gòu)胞原理［8］是通過特定的方法來改變機(jī)構(gòu)的空間拓?fù)渑c結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度參數(shù)的改變。將該原理應(yīng)用在適老化座椅的連桿連接部分，從而實(shí)現(xiàn)座位的翻轉(zhuǎn)。有了變胞機(jī)構(gòu)，座椅的升降、座位的翻轉(zhuǎn)、靠背角度的調(diào)整、運(yùn)動(dòng)過程的控制等都能得到合理的解釋。通過改變每一個(gè)有效連接的連桿數(shù)量，可進(jìn)一步改進(jìn)連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中的具有各種基本拓?fù)湫再|(zhì)的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)該桿機(jī)構(gòu)中的連桿在三個(gè)以上不同的結(jié)構(gòu)階段過程中的功能。充分利用平面連桿機(jī)構(gòu)座椅的設(shè)計(jì)及其構(gòu)造機(jī)理研究新方法，系統(tǒng)清晰地介紹了適老化座椅的結(jié)構(gòu)原理及其理論設(shè)計(jì)模型。適老化座椅簡圖如圖2所示。

圖2 適老化座椅簡圖

也有學(xué)者通過對(duì)坐立轉(zhuǎn)換的生物力學(xué)進(jìn)行研究分析，通過對(duì)身體各部位的參數(shù)進(jìn)行分析，簡化起立階段的力學(xué)模型，演算出人體坐立轉(zhuǎn)換過程中小腿、大腿、軀干、頸部、頭部的重心坐標(biāo)方程，推導(dǎo)出人體起立階段的腿部肌肉群合力F與人體身高H、大腿及以上部位部位重力G與人體各部位和水平方向夾角角度的關(guān)系式。起立階段初始時(shí)刻，所需的最大下肢肌肉群合力Fmax=2 146.9 N。此后，膝關(guān)節(jié)的角度逐漸增大，F(xiàn)逐漸減小，在角度增至約101°時(shí)，F(xiàn)迅速減小，這說明起立初期所需的力較大。當(dāng)膝關(guān)節(jié)角度增加到一定值后，阻力臂明顯減小，起立較為輕松。

郭佳偉等［9］設(shè)計(jì)的液壓輔助站立支撐裝置是以液壓支撐座墊為主要框架，通過各種標(biāo)準(zhǔn)的匹配程序（重合、平行、垂直、切線、同軸線、鎖定、距離和角度）進(jìn)行匹配，依次將銷軸、推桿、連桿、氣缸體、滑塊和支承座墊等組裝緊固在一起。每個(gè)滑桿均通過固定鉸鏈進(jìn)行連接，導(dǎo)向滑塊能在固定滑槽孔中自由移動(dòng)。底座主要用于支撐和固定整個(gè)輔助站立支撐機(jī)構(gòu)。電動(dòng)推桿系統(tǒng)將輸出的推力直接傳遞給每個(gè)推桿，最后再通過推動(dòng)每個(gè)推桿上的連桿或驅(qū)動(dòng)座墊，從而使其以設(shè)定好的角速度向前上升至20°。適老化座椅輔助站立裝置能滿足老年人輔助產(chǎn)品的便攜性和清潔度要求，無須他人協(xié)助，即可完成相關(guān)操作。電動(dòng)推桿機(jī)可作為該裝置的動(dòng)力源，其穩(wěn)定性較好，這是三類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的共同特點(diǎn)。為了盡量避免老年人在實(shí)際使用時(shí)，因冷機(jī)熱操作而產(chǎn)生嚴(yán)重影響，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作過程中，應(yīng)充分應(yīng)用符合人機(jī)工程學(xué)基本原理、與現(xiàn)代人體色彩科學(xué)密切相關(guān)的知識(shí)，給老年人的生活提供足夠的精神健康及人文關(guān)懷，從而提高其生活質(zhì)量。在確?？蛻羰褂玫绞孢m便捷的服務(wù)和健康安全的產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，盡可能使用技術(shù)簡單且穩(wěn)定可靠的國際組織或機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品技術(shù)方案和技術(shù)服務(wù)方案，從而能及時(shí)有效地惠及到更多地區(qū)的老年人。

3 適老化座椅保護(hù)功能

目前，市場(chǎng)上已陸續(xù)出現(xiàn)多種與輔助老人站立及相關(guān)器械配套的新產(chǎn)品，主要包括座椅、沙發(fā)、護(hù)理設(shè)備及輪椅機(jī)器人等。如反重力平衡輔助和站立訓(xùn)練系統(tǒng)，其配套產(chǎn)品的穿戴程序較為復(fù)雜，不適合中國老年人群體的長期使用。該輪椅輔助系統(tǒng)的體積普遍較大，訓(xùn)練的技術(shù)方法也較為單一。澳大利亞康復(fù)研究所和日本大阪大學(xué)康復(fù)研究所設(shè)計(jì)的輔助站立座椅的速度無法進(jìn)行調(diào)整，不能保證老年人站立的安全性。合肥理工大學(xué)等共同研究開發(fā)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的適合老年人肩部支撐的輔助式站立支撐座椅，因其人體運(yùn)動(dòng)與醫(yī)學(xué)理論較為復(fù)雜，代表產(chǎn)品或多或少都存在著一些技術(shù)問題。目前，我國對(duì)老年人在使用輪椅輔助站立時(shí)面臨的安全性問題及舒適性問題的相關(guān)研究較少。

在適老化坐具的形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免抽象、理性等年輕人更容易接受的造型。對(duì)老年人而言，簡單的幾何造型、有秩序和穩(wěn)重的結(jié)構(gòu)，以及圓潤柔和的形體更能讓其接受。此外，還能減少不必要的意外，在心理上給予老年人以柔和安全的感覺。注意使用垂直線條，應(yīng)避免座椅的造型出現(xiàn)僵直、呆板、生硬等情況。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)面的把控要盡量采用一些對(duì)稱呼應(yīng)的手法。在形體的處理上，要營造出一種均衡感，不能出現(xiàn)視覺上的不穩(wěn)定，確保設(shè)計(jì)出的坐椅具有良好的穩(wěn)定性和視覺效果，從而給老年人營造出一種視覺上的安全感。此外，細(xì)節(jié)問題也不能忽略，要對(duì)座椅的各個(gè)面棱角、倒角進(jìn)行處理。

老年人的脊柱因生理退化，比年輕人的脊柱更容易感到疲憊，比年輕人的更脆弱，要注意事項(xiàng)的也更多。在設(shè)計(jì)坐具時(shí)，涉及腰部靠背的設(shè)計(jì)，從人體工程學(xué)角度來分析，符合人體腰部脊柱的生理弧度是必然的要求，符合腰部脊柱生理弧度的靠背能有效緩解久坐的疲勞感，以及不正當(dāng)坐姿對(duì)腰部脊柱的二次傷害［8］。除此之外，還要考慮腰靠的材質(zhì)及彈性，如果選擇的材質(zhì)不恰當(dāng)，其彈性達(dá)不到舒適度的要求，會(huì)導(dǎo)致使用者的不適感增大，無法達(dá)到緩解疲勞感的效果。老年人的腿之所以會(huì)隨著年齡的增大而變得腫大，是因?yàn)殚L了骨刺。由于內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨的磨損，骨關(guān)節(jié)沒有縫隙，所以兩個(gè)骨頭間缺少膜，導(dǎo)致老人的腿變得腫大。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮運(yùn)用其他部位的借力和合理的座面高度，以及座椅本身能提供的助力方案，來減輕膝關(guān)節(jié)的壓力，從而使老年人能更輕松地起立。

適老化座椅還應(yīng)在老年人起身后對(duì)其起到保護(hù)的作用，由于肌肉的衰退，老年人的握力下降［10］，應(yīng)選擇便于掌握的扶手，助推的座面能幫助老年人最大限度借助向上的推力，從而減輕膝蓋的負(fù)擔(dān)，達(dá)到起立的目的，從而跳過蓄力、發(fā)力的階段。扶手的設(shè)計(jì)可參考人體工學(xué)椅，能輕松調(diào)節(jié)其高度，從而讓不同高度的老人都能找到適合其的助力點(diǎn)。

4 結(jié)語

變形胞結(jié)構(gòu)雖然簡單，但仍具有很高的微觀機(jī)構(gòu)學(xué)理論價(jià)值，并且其在適老化坐具的研究中仍有相當(dāng)重要的物理應(yīng)用分析價(jià)值。特別是，對(duì)其多功能階段結(jié)構(gòu)和多階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性的研究。從生物力學(xué)角度對(duì)老年人坐立轉(zhuǎn)換行為進(jìn)行分析，以及對(duì)輔助站立的過程進(jìn)行探究［11］。無論是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)來托舉臀部。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，老年人輔助式站立裝置能有效輔助老人進(jìn)行站立，對(duì)提高老年人的生活水平、自理能力水平以及家庭生活質(zhì)量，都具有極為重要的意義。