侯亚辰

（北京林业大学工学院，北京 100083）

随着世界经济的发展，人民生活条件优化，医疗水平不断提高，人口老龄化也逐渐成为一个不容忽视的社会问题。2017 年，全球范围内60 岁以上的人口已经达到总人口的13%，约为9.62 亿人。据推算，2050 年，60 岁以上人口的数量将增长为两倍之多，2100 年此数量将增长至少3 倍，60岁以上人口数量将超过年轻群体的增长速度。当人步入老年期以后，身体的各项机能都会有所下降，特别是老年人下肢的肌肉力量的减弱，增大了老人由坐到站立过程的困难。如果老年人患有关节类疾病，更会严重影响他们的日常活动，加重他们在起坐过程中的负担。另外，老年人患有神经系统疾病的风险大大增加，很多老年人面临偏瘫等下肢功能性运动障碍的问题，还有很多老年人虽拥有行走能力但却因起坐困难而无法正常生活。起坐问题已严重影响老年人的日常生活及心理健康。如果有外部机构可以提供有效的辅助支撑，便可以大大减轻关节的压力，不但可以帮助老年人正常起坐，还可以降低老年人起身时因不平衡而引起的摔倒的风险。

1 研究现状

近年来，国内外许多企业都着力于研究拥有助起功能的座椅，目前，市面上的助起座椅主要可分为电动助起座椅和普通助起座椅两大类。电动助起座椅在推杆的作用下辅助老人由坐姿到站姿的过程，还可以减轻老人坐下的负担，但此种座椅价格往往比较昂贵，而且存在许多缺点。目前，已有的电动助起机构结构往往比较复杂，且不易于折叠，摆放在家中较为笨重。普通助起座椅是通过弹簧提供动力，开关打开后弹簧就会给人一个向上的推力，当人压在上面坐下的同时，座椅会进行复位，从而辅助老人的站起和坐下。普通助起座椅价格较低、控制简单、结构较小，但相对于电动助起座椅稳定性较差。

除以上问题，目前市面上出售的助起座椅还存在许多不足。市面上的助起座椅几乎都没有考虑过椅背部分的结构。座椅升起帮助老人起身时，如果椅背与坐垫的角度不变，将阻碍老人站起时身体的直立，老人的身体不平衡，极易发生摔倒现象，但如果合理设计角度的变化，椅背部分不但不会影响老人起身，还会提供给老人一个有效的辅助支撑力，帮助老人起身更加容易。此外，市面上的助起座椅大多数只是简单的定轴转动，没有考虑到人起身时身体前移这一因素，不符合人体工程学原理，使用者会出现站起困难、重心不稳等现象。而且国内外研究的助起功能往往应用在智能轮椅上，多用于残疾人的站立训练，价格昂贵，无法在大众范围内普及。有研究显示，对于没有下肢残疾的老年人来说，长时间使用轮椅不仅会出现身体疲劳、腰疼等不适现象，甚至可能导致老年人下肢肌肉力量衰退更严重，因此，设计一款新型老年人助起设备具有重要研究价值。

2 机构设计与分析

2.1 机构与尺寸设计

助起设备的机构简图如图1 所示。其中L21=30mm，L22=15mm，L31=5mm，L32=25mm，S4=45mm，L5=14mm， L61=15mm，L62=45m，共同组成助起机构，此机构由6 个连杆和2 个滑块组成了8 个旋转副、2 个移动副、和2 个螺旋副，原动件为滑块A，由一个直线电机驱动，机构自由度为F=3×7-2×10=1。L7、L8、L1与机架L0组成剪式升降机构，用于微调助起机构与地面的初始高度，以适应不同身高的人群。其中，L7、L8与L9之间为螺旋副连接，且两个螺旋副旋向相反，L7、L8与L1为滑动副连接，当L1为原动件时，由于螺旋结构的自锁性，机构自锁，自由度为0。

图1 机构示意图

机构坐深是指坐垫表面最前端到椅背与坐垫末端相交线之间的距离，坐深的设计影响腰部的放松和臀部的支撑。如果坐深的设计不合适，腰部与椅背不易贴合，久坐会产生腰部疲劳。

图2 为国标“中国成人人体尺寸数据B10000-1992”中的人体坐姿图。

图2 人体坐姿图

根据GB5703-85《人体测量方法》中的研究，人在28～30 岁时身高达到最大值，35 ～40 岁逐渐出现衰减趋势。根据老年人身高的降低率，杨楠在《老年多功能电动轮椅的人性化设计研究》中近似推算出的中国老年人身体部分测量尺寸如表1。

表1 中国老年人（60 岁以上）身体测量部分尺寸（单位：mm）

基于以上数据分析，助起机构坐深尺寸选取为420mm。选取机构在初始状态下L2与L3之间的夹角为142°，此时，F 点距AB 所在平面的水平距离为185mm。因不同个体的小腿加足高长度不一，为更好地适应不同个体，L7、L8、L0与L1组成的剪式升降机构，可微调助起机构的距离地面的初始高度，其初始高度H=H2-185mm，其中，H2为小腿加足高，不同用户可根据个体身高差异，转动L0调节座椅初始高度。

2.2 机构的运动计算

对上部助起机构单独进行运动学分析，当下部剪式升降机构固定时，L1可以视为固定于机架上，对结构进行简化得到图3。

图3 助起机构简图

如图3 所示，用解析法计算助起机构的运动位置：

改写成直角坐标的形式：

继续将上式对时间t 求导得加速度矩阵：

可以得到速度矩阵（6）、（7）和加速度矩阵（8）、（9）

3 机构的运动仿真

按照机构的尺寸信息建立出各个构件，并在各个构件之间定义如图1 所示的连接关系，在Adams 里建立了二维仿真模型。给原动件输入一定的运动规律，便可对模型进行运动学或动力学分析，从而检验机构设计的合理性。机构运动过程如图4 所示。

图4 机构运动过程

利用模型可输出各个部件的位移、速度、加速度及力的变化情况曲线，从而可对机构进行必要的优化和验证。设原动件运动速度恒定，当机构在时间范围内运行时，得到C 点在X 和Y 方向的位移及坐垫S4与水平轴的夹角随原动件A 位移的变化曲线，如图5 所示。

图5 C 点位移及S4 与水平轴的夹角变化曲线

根据叶明在实验中得到的人在站起过程中，上身躯干和小腿与竖直方向的夹角变化，结合人体小腿长度的平均值，可以计算得到人在站起过程中膝盖位移的取值范围。根据检验，此机构运行过程中膝盖位移大小的变化在范围内，靠背运动变化规律与人体坐起时运动规律较为拟合，符合人体工程学原理。机构运行过程中，坐垫S4与水平轴的夹角变化斜率基本保持不变，由此可知，辅助设备的仰角变化过程平稳，无快速加速和减速等过程，辅助坐起时冲击小，老人在使用时不会产生不适感，符合设计所预期的效果。

4 结语

助起机构可降低老人坐起时关节压力，减小摔倒风险，提高老人生活自理能力。本设计通过多连杆滑块机构组合，以一个电动推杆作为原动件，实现对老人的辅助坐起。通过软件对机构进行仿真分析，直观地了解机构的运动信息，便于进行分析和优化，并从平稳性和人体工程学两方面进行验证与评价。助起机构符合人体工程学原理，平稳性好，结构简单，使用方便，符合老年人生理和心理需求。本文已经初步完成原理分析与仿真，但是，结构稳定性和舒适性的提高有待在加工实物后进行改善。就目前老年人和护理等市场需求而言，该设计具有很大意义与前景。