雷中贵，傅珈豫，周 闯，王志雄,2*



老年人辅助站立椅运动安全性研究

雷中贵1，傅珈豫3，周 闯1，王志雄1,2*

（1. 上海理工大学 医疗器械与食品工程学院，上海 200093；2. 上海健康医学院，上海 201318； 3. 源珈力医疗器材国际贸易（上海）有限公司，上海 200131）

随着老龄化程度的日益加剧，老年人能够维持正常生活的能力是整个社会所关心的。而起立是老年人日常生活不可或缺的运动，想完成这一运动对老年人来说又是相当困难的。因此市场上从辅助站立角度设计的辅助站立座椅便应运而生。对市场上大多产品进行考量发现在辅助站立过程中老年人的舒适性及安全性并不能得到很好的保障，过慢的辅助速度对老年人的膝关节有较大的损伤，而过快的辅助速度又会导致老年人在辅助完成阶段前倾跌倒。为使老年人能够安全舒适的起立，本研究通过vicon步态采集系统采集人体在起立过程中人体重心的速度变化情况以及人体前倾跌倒速度阈值实验重心速度的变化来实现。

辅助站立；重心速度；跌倒阈值；vicon系统

0 引言

起立运动是正常生活的必须动作，人们每天需要进行大量的起立运动，正常人平均每天需要进行60+22次[1-2]，普通社区的老年人比康复医院里的老年人有着更多的起立运动。而老年人由于骨质疏松，肌力下降等因素导致他们很难完成自主起立运动，那么辅助站立设备就显得格外重要。

目前市场上有许多辅助站立相关的产品，主要以座椅、沙发、护理机器人等为主，如反重力平衡辅助站立系统[3-4]，其穿戴程序繁琐，不适合正常老年人的使用，系统体积较大且训练方式单一。澳大利亚康复研究所及日本大阪大学康复研究所所设计的辅助站立座椅辅助速度单一不可调速[5]，不能保证老年人起立的安全性。合肥工业大学等人研究的肩部支撑辅助站立座椅运动理论复杂[6-8]，上述代表产品存在诸多的缺点。目前，关于老年人辅助站立座椅的安全性及舒适性研究很少。

本研究所测动重心曲线也与斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学所提供的正常人进行起立运动的髋关节运动轨迹进行了对比分析[9]，相关性很强。由于髋关节处于人体内部，对其测量的轨迹近似估计，并不十分准确。同时臀部及髋关节的相关动力学数据不好测量。此外，沿着重心方向进行辅助速度的施加提高座椅的工作效率的同时人体也会感觉较舒适。因此本文采用测量人体重心的方法来设计康复辅助座椅的运动参数。

本研究通过vicon步态捕捉系统对人体起立运动过程人体重心的速度进行采集，得出起立运动过程中X轴及Z轴方向上的重心速度变化，通过对速度曲线进行分析，得出起立过程人体起立运动各个过程的快慢。又因为过慢的辅助速度会增加老年人膝关节的负荷，造成损伤，过快的辅助速度会导致老年人前倾跌倒。因此本研究对起立结束阶段进行了跌倒速度阈值实验，从而得出辅助完成阶段的安全速度阈值[10-11]。

由于本实验使用vicon系统，该系统对实验者要求比较高，需要对人体进行多关节测量，且跌倒实验对老年人来说是及其危险的，故本研究的实验对象均为年轻人，最后通过老年人相对年轻人平衡力及肌力下降程度来进行合理的规划。

1 实验平台的搭建

Vicon步态捕捉系统的高速高精度运动捕捉功能能够实现对人体标记的反光球进行动态捕捉，将捕捉的空间三维坐标进行运算分析，并通过生物力学分析软件 Bodybuilder 建立人体全身运动及半身运动模型，运算并绘制出人体运动过程的动力学结果，实验平台如图1所示。

全身运动模型的优点是全面了解受试者各环节运动情况，并能通过模型推算出人体重心运动。其缺点是要贴的标志点太多，容易遗漏或者发生掉点。而半身模型其优点是标志点少，仅限骨盆和下肢，贴点时间减少，不容易遗漏。其缺点只能测试受试者下肢运动情况，不能推算出人体重心运动。因本实验目的测量起立运动过程中人体的重心运动速度，故采用全身模型，贴点示意图如图2。

图1 Vicon系统搭建

图2 全身贴点示意图

一共39个点，头部4个点，躯干5个点，左右上肢14个点，骨盆4个点，左右下肢12个点，在标记点之前需要先测量受试者身体的尺寸，这些尺寸数值是构建骨架模型必不可少的。

2 设计实验

2.1 实验对象

大多数辅助站立座椅最初是为老年人或特定疾病患者设计的。老人及相关残疾患者可以自由参加本实验，但本实验过程存在一定危险性，如vicon步态捕捉准备实验要脱衣服贴标签对老人要求比较高以及前倾跌倒实验，所涉及相关实验的实验对象有老年人及患者，老年及患者程度不好把握等。故本实验中所选对象为5名年轻受试者。年龄在26±2岁，身高170±8厘米，体重60±10千克。无下肢疾病患者。

2.2 实验方案

实验一：本文中利用vicon系统分别对5名受试者进行了起立运动实验及前倾跌倒实验，其中起立运动实验是在45 cm高的座椅上进行的，本文采集了5名受试者起立运动过程的人体重心轨迹的变化曲线，通过对重心轨迹求一阶导数得到人体重心轨迹的速度曲线，目的用来指导辅助座椅的辅助速度，如图3所示。

实验二：同时也使用vicon系统对人体前倾是否跌倒实验进行了运动采集，影响前倾跌倒的因素有对重心辅助力的大小、偏离竖直方向的位移、及速度等。而在前倾跌倒实验中，位移、推力的大小及作用时间不容易控制，而速度是由辅助变力做功产生的，因此选择速度作为判断人克服前倾动能的平衡能力的指标。设计该实验的目的在于找寻前倾跌倒的相关影响因素的阈值，确保老人在辅助站立完成后不至于前倾跌倒，造成伤害，即进行了安全性分析设计。

图3 起立运动实验

3 实验结果分析与规划

3.1 安全速度的测定

由图4能够看出系列1、2、4、5、6、8、9曲线由初速度为0，在外力作用下速度发生改变但最终在自身平衡能力的作用下克服了前倾的动能，使其恢复了原来的平衡状态速度为0，表明在该外力做功情况下所产生的最大动能并没有让人跌倒，即为人体能够克服前倾的安全速度，我们分别观察该组系列曲线中速度峰值均在200 mm/s以下。而系列3、7曲线显示在外力作用下其速度峰值均超过 200 mm/s，虽然并没有超过很多但都跌倒了，大致可以猜想200 mm/s可能是其跌倒速度阈值。

图4 实验者a前倾跌倒实验中跌倒情况

随后又对其余4名受试者进行相同的实验得出的结果如表1，由表中数据我们很容易看出未跌倒的有26组实验数据其中有25组是低于200 mm/s的速度，只有一组是达到该数据200.2 mm/s未跌倒。其余14组实验数据对应的是跌倒的情况，其速度均超过200 mm/s，此外在实验数据中200.2 mm/s速度出现两次其中一次跌倒一次未跌倒，我们很容易得出人体在站立时其重心速度为200 mm/s时为其安全速度阈值。理论上我们在设计辅助速度低于 200 mm/s时对人站立时是安全的。而本文为考虑其安全性将辅助速度值设计为所有未跌倒速度的均值为安全速度平均值140.3 mm/s，同时也计算了危险辅助速度均值即跌倒速度平均值241.2 mm/s。

3.2 安全速度的重新规划

老年人及患者相对年轻人肌力下降程度及平衡性减弱程度进行一定比例的延长完成起立运动的时间，同时按比例减小安全速度阈值的方案对所采集的数据进行重新规划[12]。一般发现50-70岁间其肌力相对30岁时大约减少30%，且在年过70以后其肌力减退情形更显著，尤其是背伸肌及下肢近段肌力明显减弱，膝关节控制能力也明显减退，而年过70以后每10年则再减少30%[13]。Thelen等人对年轻人及老年人进行平衡能力测试评估，测试的指标为人体前进一步能够恢复正常站立状态躯干所转过的最大角度值年轻人角度为32.5°，老年人为23.9°。Madigan和Lloyd等人所测男性前进一步年轻人躯干最大转角为29.9°老年男性为20.5°，Wojcik等人研究发现年轻女性前进一步躯干最大转角为30.7°，老年女性为16.2°[14]。由数据可以看出年轻人到轻度老龄肌力下降约为30%，深度老龄下降约为49%，恢复平衡能力下降研究结果分别26.5%、31.5%、47.2%。辅助站立座椅主要辅助对象为难以自主站立的老年人及患者使用。故我们考虑将肌力下降最大49%及恢复平衡能力下降最大47.2%作为重新规划参考比例。我们得出从年轻人到深度老年人其身体执行日常活动的能力约减少48.1%。那么我们能够认为老年人及患者相对于年轻人只有51.9%的执行能力，那么时间应规划为年轻人的1.93倍。安全速度规划结果为老年人及患者的安全速度、阈值速度、危险速度分别为：72.8 mm/s、103.8 mm/s、125.2 mm/s。

表1 人体COM前倾速度

Tab.1 Human body COM forward velocity

3.3 人体重心速度曲线特征分析

由图5所示为起立过程人体重心X轴及Z轴速度曲线，起立运动按照时间节点可以细分为以下三个时间段T0~T1、T1~T2、T2~T3，其分别为身体前倾、起身（臀部完全离开座椅）、恢复直立三个运动状态。本节重点研究起身离座过程及恢复直立过程辅助速度的施加。由图中曲线知在T1~T2过程中各轴速度均快速增加，此阶段腿部肌肉需要克服来自人体重力的作用，整个起身臀部离开座椅阶段基本在1 s左右完成。X轴速度在T0~T1阶段内由0增加到230 mm/s，T1~T2阶段速度随之又减小至-70 mm/s，T2~T3阶段恢复身体直立状态速度在0 mm/s上下波动。Z轴在T0~T1阶段其速度由0 mm/s增加至-150 mm/s，在T1~T2阶段其速度先减小后反向增加450 mm/s，在T2~T3恢复直立阶段其速度迅速减小至0 mm/s。

辅助座椅辅助速度设计时，可按照X/Z轴的数据进行辅助，在到达第三阶段时水平轴方向上速度减至安全速度阈值72.8 mm/s时可按照安全速度阈值辅助至结束，过慢的辅助速度会伤及老年人膝关节及肌肉[3]，Z轴辅助速度不变即可。

图5 人体重心X/Z轴的速度变化

4 结论

市场上及研发产品基于老年人运动状态的研究较少，主要偏向于功能的实现以及外观的设计。而本文基于人体重心运动数据的研究，对重心运动速度参数进行分析，将整个起立过程细分为三个阶段，并逐一解析，我们通过数据可以看出起立过程的速度变化并不是恒定不变的，这就区别于大多现有的恒速辅助站立产品。同时本研究通过起立及跌倒实验找出较快速并且安全的辅助速度，这样就保证了老年人不至于辅助速度过慢而伤害膝关节及肌肉损伤且不会由于速度过快而发生前倾跌倒，给老年人们一个即舒适又安全的辅助感受。

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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

雷中贵，上海理工大学硕士研究生，研究方向：生物医学工程医疗器械方向；傅珈豫，源珈力医疗器材(上海)有限公司工程师，研究方向：医疗器械方向；周闯，上海理工大学硕士研究生，研究方向：生物医学工程医疗器械方向。

王志雄，上海理工大学副教授，上海健康医学院副教授，日本国立大阪大学副教授，研究方向：生物医学工程生物医疗方向。

雷中贵，傅珈豫，周闯，等. 老年人辅助站立椅运动安全性研究[J]. 软件，2018，39（10）：121-125