基于人機工程學的老年人助力座椅設計

陳凱文 高琴斌 秦 文 徐锳子 周志勇/上海電機學院

基于人機工程學的老年人助力座椅設計

陳凱文 高琴斌 秦 文 徐锳子 周志勇/上海電機學院

社會老齡化是我國的發展趨勢，急需開發針對老年人的助力裝置。而且目前市場上還沒有大規模生產的老年助力的機器，各界對老年助力椅的研究也不成熟，因此開發和研究新型老年人助力機器很重要。本文針對因下肢骨關節炎而導致行走站立困難的患者，提出了并聯氣動助力和杠桿力的疊加力為動力椅的設計構想，并開發設計了適用于腿關節患病情況的助力椅試驗樣。試驗樣機的并聯機構和杠桿力能為患者提供足夠的支撐力。試驗結果證明了設計思想的合理性和減輕起身壓力且助力的有效性。

并聯機構；氣動減重；支撐力；身體平衡，人機工程

因腿部的機能衰退而引起的行走困難現象是現在的老年人常見疾病，這種疾病嚴重影響了老年人的生活質量。依據2000年第五次人口普遍調查的結果顯示65歲及以上人口占總人口的比重為6.7％，并且每年平均增長的速度達到3.28％，到2020年中國老年人口會達到2.5億。在老年人坐下、站立困難的患者當中，經常可見的是因為下肢骨關節炎等疼痛。借助外部支撐來減輕腿關節所受的重荷，是幫助老年人直立或行走的有效的方式。減重站立或步行可以通過拐杖、助力器等方式來實現有效助力。但是手動器械的助力使用依靠手臂力量。一旦手臂力量過小，減重助力效果的發揮將會很有限，也容易使手臂等部位產生疲勞感。

此外，使用手動器械幫助站立時，手臂因為被占用了，影響了其他工作的進行，也會給生活帶來很多麻煩。所以有腿關節病的老年人患者運動進行的很少，這種惡習使腿部的鍛煉缺乏，容易導致腿部的血液循環不通暢。很多醫學實踐表明，對于這些骨關節炎老年人患者，最可靠的方法是就像在水中進行站立那樣，腿部關節在很小的負荷下增高運動頻率。這樣的訓練既可以產生有效的物理康復作用。但是這種訓練方式只能專門到有水池的局限地方展開，是不切實際的。日常生活中，幫助老人助力方面一直沒有找到解決方法。面對如此急切的社會需要，國內外對減重的助力椅研究成果還不是很成熟，當今市場上也缺少有效幫助老年人解決問題的大規模生產的產品，所以開展新型的老年人助力椅研究已經迫在眉睫。

一、國內助力機器的研究

國內對于助力器的研究起步比較國外晚的多，大部分研究都集中注意力于雙足行走類機器人的學術研究，當今中國對于下肢關節炎患者或老年人開發行走助力的產品研究相當于沒有，傳統助力方式的手杖、拐杖還是目前市場上的主力軍。六關節平面運動型雙足步行器 “先行者”是國內第一臺仿人機器人，緊接著各單位都開展了老年人助力機器人的研究，并取得了相當可觀的成果。另外，漢庫科技企業成功推出一款雙足行走機器人，稱是目前中國最先進的雙足行走機器人。上海大學研制的下肢康復機器人可以起到平衡緩沖作用使得忠者在訓練時相對于跑步機而固定，還保證了人在行走時上、下振動的自由度不被限制。然而針對站立助力系統的器械還十分少見。

二、技術支持

在人機工程學原理的指導下,針對老年人從椅子上起身不方便的特點，通過對老年人倚靠行為、變化姿勢、人際距離、生活習慣等的觀察、分析與研究,發現現有座椅在形態、功能、色彩、材質、可移動性等問題,發現老年人在空間內活動時對座椅產生的各種需求,并以此為指導,從形態、功能、尺寸、材料、色彩、空間布局及分布數量等方面提出設計要求。

座高對于老年人助力椅的助力效果很重要，一般取人體腓骨頭的高度（約人體總高的1/4）或略小于小腿高度1cm左右。據我國的人體高度一般取座高為43～45cm，座面深一般取45cm左右，另外座面可略向后斜6°左右，座靠背分肩靠和腰靠兩部分，肩靠高度達肩胛骨下角，腰靠的高度要適合脊柱彎曲和腰曲的高度，兩個靠背連在一起，其高度一般為50cm左右，座與靠背的夾角一般為100～110度，這樣人坐上去以后，靠背和座面與人體背部，臀部，大腿形成的曲線相吻合，使老年人有舒適感。

基于此我們設計出如下所示助力椅，其結構如下：如（圖2）所示，模塊（1）是氣缸輔助站立模塊，由支撐板、軸承、氣缸、升降桿組成；模塊（2）是杠桿傳動輔助站立模塊，由踏板、杠桿、軸承、開關連桿、滑槽、滑桿（可在滑槽內滑動的桿件）組成；模塊（3）是整體人機工程設計模塊；基座（4）；座板（5）。

圖1

圖2

模塊（1）采用的是氣缸傳動，其細節如（圖3）所示，支撐板（12）可以繞基座（15）上軸承（16）旋轉，支撐板（12）承擔的是支撐氣缸（13），當使用者開啟氣缸（13）的開關連桿（14），氣缸（13）會產生一個向上的抬升力使得座板（18）繞鉸鏈（17）旋轉。

圖3

模塊（2）采用的是杠桿原理傳動，其細節如（圖4）所示，連桿（7）（10）會繞著連桿（6）旋轉，連桿上部滑桿（8）可以在滑槽（9）內滑動并繞滑槽（9）轉動，滑槽（9）與座板（18）相連，座板繞鉸鏈（17）旋轉，當使用者腳給踏板（11）一個向下的力，滑桿（8）給座板滑槽一個向上的力，促使座板（18）繞鉸鏈(17)轉動。

圖4

座板與基座如（圖5）所示，基座（15）上有多個軸承安裝孔（16），可以安裝軸承，讓連桿與支撐板繞其轉動；座板（18）可以繞鉸鏈（17）旋轉。

圖5

本課題從設計的角度研究老齡化問題,并希望能通過設計的手段為改善我國老年人的生活狀態、提高他們的生活質量盡上一份綿薄之力。本項目的主要目的就是提出一個真正符合人機工程學指標的老年人助力座椅機械模型，提高老年人的坐姿質量及起身便捷性。

首先，發掘可運用到座椅設計中的人機工程學方法和理論；其次，分析人體大腿骨骼的特點及老年人的心理特征；再次，進行人體坐姿腿部的運動分析及助力形式分析；然后，根據前面研究成果建立參數化人體腿部模型，確定坐姿設計所需達到的人機工程學指標及助力形式；最后，根據研究結果進行坐姿人機工程學設計，并通過實驗驗證。

通過對現有座椅的人機工程學性能的分析，以及自然狀態下人坐姿活動狀況的分析，結合已經確定的老年人人機工程學指標，提出基于人機工程學的老年人助力座椅的設計方案。并驗證其運動情況符合人機工程學。

三、總結

本課題從設計的角度來看待和研究老齡化問題,并希望能通過設計的方法和手段為改善我國老年人的生活狀態、為提高他們的生活質量盡上一份綿薄之力。

本項目的主要目的就是提出一個真正符合人機工程學指標的老年人助力座椅機械模型，提高老年人的坐姿質量及起身便捷性。

[1]王成玥,陳峰.人機工程學在座椅設計中的應用.美術大觀,2011（1）.

[2]廖紅.老年人的心理特點及自我調適.基層醫學論壇,2009（13）.

[3]韓亞麗,王興松.行走助力機器人研究綜述.機床與液壓,2008(2).

[4]黎善坤.如何為老人選座椅.老友,2006（09）.

陳凱文∶（1994—），男，寧夏人，學士，上海電機學院學生，主要研究人機工程學。

高琴斌∶（1994—）男，河南人，學士，上海電機學院學生。

秦文∶（1993—），女，天津人，學士，上海電機學院學生。

徐锳子∶（1993-），女，上海人，學士，上海電機學院學生。

上海大學生創新活動計劃項目（A1-5701-14-006-08-77 A1-5701-15-012-01-090）。