輔助站立坐便器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

郭家偉，趙 民，王 佐，王小甜

（1.馬鞍山學(xué)院大阪醫(yī)工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

1 引言

通過(guò)設(shè)計(jì)必要的輔助站立裝置來(lái)幫助用戶保持一定的生活獨(dú)立性，已經(jīng)成為醫(yī)療市場(chǎng)一大熱點(diǎn)區(qū)域。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)捕獲坐姿到站立（STS）運(yùn)動(dòng)方法進(jìn)行了調(diào)查，同時(shí)對(duì)市場(chǎng)可用的輔助設(shè)備進(jìn)行了分析討論，提出了可用于輔助站立實(shí)驗(yàn)的傳感技術(shù)。

文獻(xiàn)[5]開發(fā)出一種幫助老年患者站立的設(shè)備，該機(jī)構(gòu)可以使重心沿著適當(dāng)軌跡移動(dòng)，不會(huì)對(duì)用戶腿部關(guān)節(jié)造成壓力，但該機(jī)構(gòu)僅限于康復(fù)訓(xùn)練中，并未投入日常使用。文獻(xiàn)[6-8]利用所建模型對(duì)康復(fù)機(jī)器人輔助站立過(guò)程中的人體運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了測(cè)試，為輔助站立裝置的設(shè)計(jì)提供了重要參考數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)[9]在基于下肢康復(fù)機(jī)器人開發(fā)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能的移位機(jī)，并提出相關(guān)控制算法，不僅可以幫助老年人站立，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)身位移動(dòng)，但結(jié)構(gòu)和控制算法較復(fù)雜。上述輔助站立設(shè)備的研究還均未涉及到座便器領(lǐng)域，特別是醫(yī)用坐便器，大多數(shù)醫(yī)院還在使用傳統(tǒng)的坐便器，老齡人及行動(dòng)不便患者在如廁場(chǎng)合的站立通常需要借助護(hù)理人員攙扶，這無(wú)疑增加了護(hù)理成本，同時(shí)也嚴(yán)重介入了生存隱私。因此，設(shè)計(jì)一款具有輔助站立功能的坐便器，對(duì)于減輕護(hù)理人員工作及保持用戶生活獨(dú)立性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在對(duì)人體自然站立運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款基于菱形機(jī)構(gòu)的輔助站立坐便器。具體研究工作如下：

（1）采集人體自然站立關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)；

（2）對(duì)輔助站立坐便器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算；

（3）選定動(dòng)力部件并設(shè)計(jì)輔助站立機(jī)構(gòu)功能尺寸；

（4）搭建原型裝置，完成輔助站立性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

2 人體自然站立運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)采集

人體自然站立運(yùn)動(dòng)模型，如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)［10-11］研究可知，人體自然站立運(yùn)動(dòng)可以劃分為兩個(gè)階段：

圖1 自然站立運(yùn)動(dòng)模型Fig.1 The Movement Model of Natural Standing

第一階段，膝關(guān)節(jié)由0°轉(zhuǎn)動(dòng)至60°，此階段站立動(dòng)作可以分解為上肢前傾（肩關(guān)節(jié)移動(dòng)）、臀部抬升（髖關(guān)節(jié)移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)）及下肢直立（膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)）三個(gè)動(dòng)作；

第二階段，膝關(guān)節(jié)由60°轉(zhuǎn)動(dòng)至90°，此階段各關(guān)節(jié)輸出力矩最大，無(wú)需外部助力即可完成站立動(dòng)作。因此輔助站立裝置的設(shè)計(jì)更為關(guān)注的是人體自然站立第一階段中肩關(guān)節(jié)位移s1、髖關(guān)節(jié)位移s2及髖關(guān)節(jié)角α隨時(shí)間t變化關(guān)系。接下來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集人體自然站立運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三個(gè)參數(shù)值。

2.1 人體自然站立運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

募集50例（25名男性和25名女性）（40～70）歲的健康受試者，為模擬用戶在輔助器具作用下的機(jī)體狀態(tài)，規(guī)定受試者坐在離地50cm的靠背座椅上，該座椅高度為標(biāo)準(zhǔn)馬桶高度，上身垂直椅面，雙腿與肩部同寬，大腿與小腿垂直，并選取一側(cè)椅面與靠背的連接處作為平面參考點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 自然站立運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)Fig.2 Data Collection and Trajectory Experiments on Natural Standing Movements

2.2 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

對(duì)所有受試者在矢狀面上膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到60°前肩關(guān)節(jié)位移s1、髖關(guān)節(jié)位移s2及髖關(guān)節(jié)角α隨時(shí)間t的變化值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，取采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。人體自然站立關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡結(jié)果，如圖3所示。

圖3 自然站立關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 The Joints Movement Trajectory of Natural Standing

從圖3運(yùn)動(dòng)軌跡分析可知，完成第一階段站立動(dòng)作所需的平均時(shí)間約為3s，在此階段內(nèi)肩關(guān)節(jié)沿著一條弧線前傾，且肩關(guān)節(jié)位移為46cm；髖關(guān)節(jié)沿著曲線向前和向上運(yùn)動(dòng)，且髖關(guān)節(jié)位移為22cm；髖關(guān)節(jié)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了45°。為使輔助站立坐便器盡可能地還原自然站立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其輔助軌跡應(yīng)滿足三個(gè)原則：（1）肩關(guān)節(jié)位移幅值S1=46cm；（2）髖關(guān)節(jié)位移幅值S2=22cm；（3）規(guī)定順時(shí)針為正，髖關(guān)節(jié)角α=45°。

3 輔助站立坐便器設(shè)計(jì)

輔助站立坐便器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 輔助站立坐便器Fig.4 The Toilet with Auxiliary Standing

該結(jié)構(gòu)是基于一種菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輔助起立裝置。該裝置主要包括四個(gè)部分：氣彈簧、支撐組件、移動(dòng)底座及菱形機(jī)構(gòu)。菱形機(jī)構(gòu)、氣彈簧與靠背通過(guò)鉸鏈點(diǎn)D連接，連桿與靠背通過(guò)鉸鏈點(diǎn)B連接，手柄用于控制氣彈簧啟動(dòng)和關(guān)閉，靠背在氣彈簧及菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下可以被動(dòng)的改變姿態(tài)。

3.1 菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使用戶以最舒適、最自然的姿勢(shì)站立，在輔助站立過(guò)程中需要完成三個(gè)任務(wù)：肩關(guān)節(jié)位移S1=46cm，髖關(guān)節(jié)位移S2=22cm，髖關(guān)節(jié)角α=45°。

完成輔助站立任務(wù)的關(guān)鍵在于確定菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[12]的尺寸，因此接下來(lái)對(duì)菱形機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行分析計(jì)算。菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.5 Rhombic Driving Mechanism

各連桿長(zhǎng)度及鉸鏈點(diǎn)位置計(jì)算如下：靠背Lb等于受試者軀干長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)平均值60cm，D點(diǎn)可近似認(rèn)為是肩關(guān)節(jié)位置，B點(diǎn)可近似認(rèn)為是髖關(guān)節(jié)位置，則圖中S1=46cm，S1=22cm，令連桿LCF=LEF=LED=LCE=l且LEF∕∕LCD，LED∕∕LFC，LAG=LBG=a，靠背轉(zhuǎn)角θ?[0°，90°]。

根據(jù)自然站立運(yùn)動(dòng)關(guān)系可推導(dǎo)出：

由式（2）可計(jì)算出：a=LAG=LGB=15.6cm，LGF=LAF-LAG=44.4cm。

由式（3）可計(jì)算出：

在ΔFDB中，由余弦定理可列出：

由式（4）計(jì)算可得：

在ΔAFD中，由余弦定理分別可列出：

由式（5）計(jì)算可得：∠FDA=46°。

因?yàn)長(zhǎng)EF∕∕LCD，故∠FDA=β=46°。

在ΔFED中，由余弦定理分別可列出：

由式（6）計(jì)算可得：l=33.1cm

3.2 關(guān)節(jié)理論軌跡評(píng)估

為了評(píng)估菱形機(jī)構(gòu)能否還原人體自然站立狀態(tài)，必須計(jì)算靠背的運(yùn)動(dòng)軌跡，選取靠背上B點(diǎn)（近似認(rèn)為髖關(guān)節(jié)）和D點(diǎn)（近似認(rèn)為肩關(guān)節(jié)）作為評(píng)估依據(jù)，設(shè)連桿GB轉(zhuǎn)動(dòng)中心G點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，即G(xg，yg)=(0，0)，則B點(diǎn)和D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可由勾股定理可得：

其中，θ范圍為（0～90）°，γ=180° -(3 60°-α-β-90°)=55.6°，γ變化范圍為（90～55.6）°。

由式（7）和式（8），并結(jié)合MATLAB 軟件可推導(dǎo)出髖關(guān)節(jié)B點(diǎn)和肩關(guān)節(jié)D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，關(guān)節(jié)理論運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

圖6 關(guān)節(jié)理論運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 The Theoretical Movement Trajectory of Joints

靠背上B點(diǎn)從初始姿態(tài)到最終姿態(tài)的位移約為21.9cm，最終姿態(tài)與水平線夾角為45°，菱形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以還原人體自然站立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.3 輔助站立機(jī)構(gòu)功能尺寸

考慮到輔助站立過(guò)程的舒適性及安全性，選取氣彈簧作為輔助站立坐便器的動(dòng)力部件，并將其安裝在靠背兩側(cè)，輔助站立坐便器功能尺寸，如圖7所示。

圖7 功能尺寸圖Fig.7 The Trajectory of Joints Movements

氣彈簧選型參數(shù)主要為行程S和伸展力F[13-14]。根據(jù)B點(diǎn)初始和最終位置，可計(jì)算出氣彈簧的行程約為22cm，考慮到商業(yè)成本，最終選用KQL475*225*22*750N型可鎖式氣彈簧，該型號(hào)氣彈簧形程為22.5cm，總長(zhǎng)度47.5cm，伸展力為750N。

3.4 輔助站立性能評(píng)價(jià)

運(yùn)用ADAMS 動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)輔助性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。選取靠背上B點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，以B點(diǎn)角加速度變化作為仿真目標(biāo)，評(píng)價(jià)輔助站立過(guò)程中的該裝置的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。首先根據(jù)功能尺寸建立了輔助站立坐便器三維模型，如圖4所示。其次三維模型導(dǎo)入ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件，并添加約束、驅(qū)動(dòng)及作用力，設(shè)置材料屬性，最后建立角加速度測(cè)量。B點(diǎn)角加速度測(cè)量曲線，如圖8所示。

圖8 角加速度測(cè)量曲線Fig.8 The Measurement Curve of Angular Acceleration

從角加速度變化曲線可知，在整個(gè)輔助站立階段角加速度趨于0，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，并不存在明顯的角加速度波動(dòng)，特別適合輔助老年用戶站立。但在起始位置存在角加速度突變，目標(biāo)位置存在一定角加速度突增，造成這種角加速度突變的主要原因是氣彈簧在啟動(dòng)瞬間啟動(dòng)力較大，但其后整個(gè)行程中伸展力幾乎不發(fā)生變化。

4 輔助站立實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證輔助站立坐便器的輔助性能，搭建了1:1輔助站立坐便器原型裝置，并進(jìn)行了輔助站立評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，輔助站立實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 輔助站立實(shí)驗(yàn)Fig.9 The Experiment of Auxiliary Standing

選取了5名健康的受試者按照前述實(shí)驗(yàn)要求端坐在輔助站立坐便器上，并選取連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)。受試者先進(jìn)行自然站立實(shí)驗(yàn)，然后穿戴運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，并在其與之配套的Axis Neuron 軟件中標(biāo)定坐標(biāo)原點(diǎn)，在原型裝置的輔助下再進(jìn)行站立實(shí)驗(yàn)，分別采集前后兩次實(shí)驗(yàn)受試者肩關(guān)節(jié)位移、髖關(guān)節(jié)位移及髖關(guān)節(jié)角隨時(shí)間變化值。每名受試者完成五次站立實(shí)驗(yàn)，取采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

其中一位受試者有輔助站立與自然站立狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)角隨時(shí)間變化曲線，如圖10所示。

圖10 膝關(guān)節(jié)角度Fig.10 The Angle of Knee Joint

由對(duì)比曲線分析可知，整個(gè)站立階段所需時(shí)長(zhǎng)約為4s，其中在輔助人體站立到膝關(guān)節(jié)角為60°時(shí)所用的時(shí)間約為3s，與人體自然站立到膝關(guān)節(jié)角為60°時(shí)所用的時(shí)間基本一致。

該受試者在輔助站立與自然站立狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)及肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比曲線，如圖11所示。

圖11 髖關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 The Movement Trajectory of Hip and Shoulder Joints

從圖11（a）髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比曲線分析可知：輔助站立狀態(tài)下，人體髖關(guān)節(jié)X向位移值為15.6cm，Y向位移值為15.6cm，位移幅值為22cm，與理論計(jì)算髖關(guān)節(jié)位移幅值22cm一致；自然站立狀態(tài)下，人體髖關(guān)節(jié)X向位移值為18cm，Y向位移值為16cm，位移幅值為24cm，略高于輔助站立結(jié)果，但在允許范圍內(nèi)。

從圖11（b）肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比曲線分析可知：人體肩關(guān)節(jié)X向位移值為43cm，Y向位移值為10cm，位移幅值為44cm，與理論計(jì)算肩關(guān)節(jié)位移幅值46cm基本一致；自然站立狀態(tài)下，人體肩關(guān)節(jié)X向位移值為43cm，Y向位移值為11cm，位移幅值為44cm，與輔助站立結(jié)果一致。從圖11關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比結(jié)果可知，輔助站立坐便器可以還原人體自然站立狀態(tài)。

5 結(jié)論

在對(duì)人體自然站立運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于受電弓形機(jī)構(gòu)的輔助站立坐便器，為了驗(yàn)證輔助效能，利用搭建的原型裝置進(jìn)行了輔助站立實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

（1）輔助裝置輔助人體站立到膝關(guān)節(jié)角為60°時(shí)所用時(shí)間接近3s，與人體自然站立到膝關(guān)節(jié)角為60°時(shí)所用時(shí)間基本吻合；

（2）輔助站立狀態(tài)下，髖關(guān)節(jié)X向位移值為15.6cm，Y向位移值為15.6cm，位移幅值為22cm，與自然站立狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)位移值24cm基本一致；

（3）輔助站立狀態(tài)下，肩關(guān)節(jié)X向位移值為43cm，Y向位移值為10cm，位移幅值為44cm，與自然站立狀態(tài)下肩關(guān)節(jié)位移值44cm一致；

（4）輔助站立坐便器的運(yùn)動(dòng)特性符合所提出的設(shè)計(jì)原則，可以還原人體自然站立狀態(tài)。但由于氣彈簧在啟動(dòng)瞬間存在較大的角加速度突變，今后還應(yīng)采取相應(yīng)的措施減小突變值。