基于老年生理的电动拐杖椅设计研究

迟春晓 崔 昊 季 浩 马梦阳

（东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨150040）

自上世纪以来，人口老龄化成为全球共同关注重要问题之一，老年人产品也成为业界和学界设计研究焦点。欧美国家进入老龄化社会时间略早，其老年人产品系统也相对完善，种类众多且不断有高新技术被引入设计研发中[1]。相对而言，我国老年人产品起步较晚，且存在商品同质化、功能单一或过于繁琐的问题，不能将产品本身的服务效率发挥到最大。

拐杖是大多数老年人生活必需品，在行走过程中有平衡身体、借力支撑的功能，但在坐下、起身过程中并不能给予主动帮扶作用。基于上述问题，文章提出拐杖椅设计方案，通过对老年生理力学、关节自由度、人形体尺寸的研究分析，科学性将拐杖和椅子两种功能相结合，满足老年人对产品功能需求，推进老年产品科学性发展。

1 老年人生理力学分析

人体运动系统主要由肌肉、骨骼、关节构成，其中肌肉作为动力源，骨骼起到杠杆作用，关节则将他们连接起来，共同完成运动流程。人体肌肉力量在10-14 岁时开始迅速增长，在22-25岁达到最大，在50 岁后每年将有1%-2%的肌肉丢失量和1.5%的肌肉力量下降，在65 岁时肌力只有最大值的60%。据相关实验分析，70 岁人群与30 岁人群相比，骨骼肌减少了4.12kg，四肢肌肉减少了2.96kg[2]，下肢肌肉减少量较上肢而言更为明显。

肌肉萎缩造成力量减退，骨骼中钙质流失、骨质疏松使身体变得脆弱，关节磨损和韧带弹性、韧性下降导致老人整体协调能力失衡，加之感知系统、神经系统功能弱化，老年人整体运动机能处于衰退状态。腿部肌肉流失导致支撑力量不足，这就使得老人在行走时易重心不稳，不能很好地掌握身体平衡，在完成身体状态大幅改变的行为活动，如坐下或起身过程中存在很多安全隐患，所以在电动拐杖椅设计中需要考虑老年人生理力学，对产品进行细致的功能规划。

2 老年人关节自由度分析

人体关节自由度决定人类行为活动范围，在研究人体下肢运动过程中，主要下肢骨包括下肢带骨和自由下肢骨，其间通过三个重要关节点，即髋关节、膝关节和踝关节连接。sit-to-stand 生物力学实验（STS）是专门研究人体坐、起整个过程中身体运动系统下肢功能状态的力量分析实验[3]，以人体从坐到站的过程为例，涉及的主要三个关节主要为：髋关节、膝关节、踝关节。

身体从坐姿态变化到站姿态过程中需要经过四个阶段，如图1 所示，描绘了老年人从坐姿到站姿的过程节点图。第一阶段是当老人需要起身时，此时老人处于静坐状态，膝关节、髋关节弯曲，身体依然处于放松状态，整个身体重量依靠椅子支撑；第二阶段是准备起身阶段，此时身体微微前倾，有向上活动趋势，椅面对身体的支撑力减小，小腿从踝关节处向前倾斜，重心前移，并以膝关节为发力点，延大腿、小腿向髋关节、踝关节发力；第三阶段是半蹲状态，臀部完全离开座面，主要由大腿在髋关节处的垂直分力提供向上支撑力，此时膝关节受到最大力矩，也是需要拐杖椅提供最大辅助阶段；第四阶段是完全直立，此时髋关节、膝关节、踝关节处于一条直线上，依靠腿部力量支撑身体，同时身体重心上移，容易出现失衡状况，需要拐杖帮扶平衡身体。

图1 老年人从坐姿到站姿过程节点图

3 老年人形体尺寸分析

形体尺寸在产品设计中起着重要的指导作用，产品尺寸、形态与人体的适配度越高，则其易用性和舒适程度越高。《中国成年人人体尺寸》GB10000-88 中有详尽的测量数据，但其涵盖的上限为60 岁男性和55 岁女性，在这年龄之上的人体尺寸数据记载处于空缺状态。而由于步入老年阶段后，骨骼中钙质流失，脊椎会出现失水、收缩等情况，造成人体尺寸缩减。尽管欧美各国存在对老年人形体数据的相关研究，但并不适用于我国老年人群体。相关数据显示，60-80 岁老年人身高与其30 岁时相比，男性群体平均下降1.9%，女性群体则高达4%[4]。设X 为成年人26-35 岁群组中任一百分点的尺寸数据，X’是老年人群组中任一百分点的尺寸数据，则：

X’男=98.1%X

X’女=96%X

参考人机工程学中产品尺寸选定标准，老年人拐杖椅设计属于Ⅰ型产品，是涉及人的健康、安全的一般工业产品。因此设计以老年人人体尺寸数值中男性P95 为尺寸上限，女性P5 为尺寸下限，产品满足度为90%[5]。通过尺寸换算可以得到拐杖椅设计中形体尺寸数据标准，如表1 所示，并绘制老年人人体尺寸，如图2 所示。涉及的主要数据有：身高、中指指尖高、手功能高、肘高、最大肩宽、坐高、坐姿肘高、坐深、坐姿膝高、小腿加足高、坐姿臀宽。

表1 中国老年人人体尺寸表

图2 老年人人体尺寸数据图

4 电动拐杖椅设计

4.1 功能设计

功能是满足需求的第一要素，电动拐杖椅最大特点在于具有辅助坐起功能，并且是基于对老年人生理力学、关节自由度、形体尺寸的研究，以及STS 实验过程分析之后而设计，在体现以人为中心基础上彰显了设计的科学性。根据前期研究发现，老年人从坐姿到站姿对外力需求最大发生在第三阶段，此时需要更多的外力辅助身体直立，设计以电动推杆作为动力源，将推杆的延长转化为座面倾斜抬升，座面转动过程中远离轴心部分主要为髋关节区域提供向上的外力帮扶，轴心处保护膝关节，以补充老人下肢力量缺失，实现帮扶坐起功能，如图3 所示。

图3 辅助老人起身过程示意图

4.2 结构设计

电动拐杖椅能够通过折叠结构变化实现两种主要功能，即作为行走时使用的拐杖和作为休憩时使用的座椅，后者在老人坐、起过程中能够给予外力帮扶。

当作为座椅使用时，如图4 所示，支撑杆1、支撑杆2 由轴心旋转，两部分末端卡接，产品自中间分开，座面布也随之展平，座面杆、座高杆、地面杆之间由连接片连接，电推杆、支撑杆3 保证了静止状态下的直角支撑，形成一个可休憩的座椅。

图4 电动拐杖椅（座椅态）

当作为拐杖使用时，如图5 所示，产品两侧对称部分合并，握把部分将组合成贴合用户手掌曲线形态。座面杆与座高杆共同成为拐杖的主体竖直支撑部分。地面杆旋转270°收纳后，支撑杆3 作为拐杖的地面第二支撑辅助点，增加了老年人行走时平衡感。

图5 电动拐杖椅（拐杖态）

4.3 尺寸设计

拐杖椅设计科学性不仅体现在合理的结构设计上，同时满足老年人人机工程学，传统设计依据《中国成年人人体尺寸》GB10000-88，研究发现老年人人体尺寸与成年人之间存在一定差距，因此通过关系转换后得到拐杖椅各部分尺寸如下：作为拐杖使用时，参考老年人手功能高在623mm-787mm 之间，设定其整体高约为900mm，握把形态贴合人体手掌曲线，总长为150mm；作为座椅使用时，参考老年人小腿加足高尺寸区间为331mm-439mm，同时考虑到衣物鞋履功能修正量，设定座高杆长为400mm，由于老年人坐深在387mm-484mm 之间，设定座面杆长为400mm；参考坐姿臀宽299mm-344mm 区间范围，将支撑杆1、支撑杆2 的长度定为205mm，主体杆均采用20mm×20mm 铝合金方管，提升产品的着地稳固性。

结束语

文章以老年人产品设计为切入点，以老年生理为设计依据，以电动拐杖椅为设计载体，通过对老年人生理力学、关节自由度、形体尺寸分析，指导电动拐杖椅功能、结构、尺寸科学性设计。经过创新设计的拐杖椅既可以提供老年人行走时平衡支撑，又可在其需要休憩时搭建座椅，并且提供外力帮扶以弥补老年人在坐、起过程中下肢力量不足。产品在功能、结构和设计方法上进行创新，为后续老年人产品设计提供参考依据，具有实际设计研究意义和市场推广价值。