关于座椅辅助起座装置的研究

赵伟翔，陈浩波，杨 鹏，刘志诚，周雨秋，商庆清

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京210037)

1 设计思路

1.1 问题分析

社会老龄化带来许多问题，其中之一便是老人的个人行动安全。本文就这一问题展开研究，希望能够设计出辅助老人起座的装置。

在参考了市面上大部分的辅助起坐商品后，我们发现了现有结构的不足：大部分产品仅仅是靠抬起臀部帮助起坐，或是仅仅提供扶手为发力提供支点。参考人体重心的计算方法[1]并对人体起立过程进行受力分析后，我们认为，由于老人腿部力量不足，只有借助手臂发力辅助脚站起，若老人为了能快速站起减轻腿部弯曲态的酸痛，往往会使手臂突然用力，或是手没有抓紧扶手，或是膝盖突然无力弯曲，这时人体的重心前移，加上手臂对扶手的作用力很容易导致老人脸面向地面摔倒(图1)，所以我们面临的问题是在解决这种弊端的同时做到辅助起身，于是我们决定将扶手和座位联动起来，共同完成辅助起立。

图1 老人起立示意图

1.2 设计目的

从将扶手和座位联动并辅助起身为出发点，我们提出了这样的构思：

1)由于坐姿可以持续对座位施加压力，我们将使用者施加在坐垫上的力作为装置的驱动力；

2)为了起身时重心尽量不前移，我们决定在座位抬起辅助起立的同时将扶手也抬起并稍稍前伸；

3)为了更好地融入实体场景，我们将它设计为能够随时拆卸、调整间距的结构，以便于安装在各种场合。

从以上三点出发，我们设计出了装置的基本结构原理图(图2)：

图2 基本结构原理图

左图是不使用时的常态，扭簧和联动杆支持座位翘起，上下两端的拉簧保持扶手立起；右图是坐下的状态，使用者靠体重将右下角的扭簧扭转，同时座位后的联动杆将左下角的拉簧拉开，扶手放下。

由于左上端和右下段的横向位移被约束，所以当扶手立起时扶手会总体向前移动一段距离。

参照相关机械设计方法[2]和中国人体身材比例[3]后，结合我们的设计要求，设计出了最终成品(图3)。

图3 设计产品效果图

2 具体结构功能

2.1 扶手机构

扶手机构在立起时能够直接支撑老人的前臂或手肘，帮助老人起立[3]。在常态时扶手端和座位端拉簧收紧，且考虑到起身后的身体前移，座位端前端固定和扶手端后端固定，使得扶手向前位移一个弹簧行程；两侧滑道支架保证了结构的稳定性也防止夹伤，且上下滑道分别固定于底座和扶手，中段滑道随支点移动，上下支点内则是滑块在滑道槽内移动。

尺寸方面，参考GB/T 1000—1998 之4.3.5条中国成年人人体尺寸[3]，可得39～60岁人群坐姿肘高在240～270 mm之间，设计取260 mm；由4.3.9条可得坐深为420～480 mm，设计取450 mm；由4.1.4条得前臂长210～240 mm，设计取225 mm，为了在站立起来后前臂能依靠扶手支撑(我们取站起后前臂与扶手的角度为45°)，立起的扶手高度差为：坐深-前臂长×sin45°，得250～330 mm，设计取300 mm，即立起后扶手的总高度为560 mm。

2.2 联动机构

联动机构采用人字形双摇杆滑道机构，当使用者坐下时，长杆坐垫端向下滑动，弹簧端沿着滑道滑动，将拉簧拉开，从而联动扶手放下，以达到坐下后扶手达到适合的高度。

为了结构运动的顺滑、坐垫的垫起高度和顺利将拉簧拉开，我们经由受力分析得出坐垫与联动长杆之间的角度度数在70°～82°之间最佳，为了保证拉簧能被拉开，取偏大值，设计取80°，联动短杆的作用仅有稳定长杆不发生失效和保证拉簧受力水平，与长杆间的最大钝角只需>90°，设计取102°。

2.3 固定调节机构

在装置的后端和前端的座位轴是固定调宽结构。其中前端的座位杆为两段，每枚定位螺丝间距20 mm，有效级数左右各四级；后端为插销式，宽度调节部分的每枚定位螺丝间距20 mm，有效级数8级，即左右最大调节宽度为160 mm；固定夹紧部分最小距离50 mm，由左右两个螺栓进行夹紧调节，最大距离170 mm，即前后最大调节宽度为120 mm；联动杆所连接的部分都为双层套管，当两边扩展的时候固定在底座的外套管能为与坐垫连接的内套管提供支撑。

2.4 坐垫部分

参考GB/T 1000—1998[3]4.3.9条可得坐深为430～470 mm，本着放松休息的原则，设计时我们取较大的460 mm；参考4.4.6条，得坐姿臀宽为310～370 mm，而单人椅座应当略大于该数据，且应当适当附加穿衣修正量[5，6]，则坐宽可以取到450 mm左右；参考GB/T 14774—1993[7]表1中座面倾角的推荐数值3°～5°，为了不压迫到坐垫下的机构，设计时取较小的3°。

2.5 弹簧部分

本装置有两个主要弹簧结构：

装在底座前端的是保持坐垫翘起的扭簧，一端固定于底座，一端卡于连接轴，当使用者坐下时便会对连接轴施加相反的力矩，在使用者站起时这对弹簧便为其提供支撑力；左右各一个，共2个。

装在扶手前端和底座后端的是保持扶手立起的拉簧，一端连接扶手，一端连接扶手摇杆，可根据需求拆卸来调节坐垫和扶手的弹力，每处一对，共8个。

2.6 整体外观

整体外观上我们使用木制扶手加强美观和舒适性，底座采用铸铁保证稳定和耐用，扶手支架部分采用铝合金来减轻重量和抗腐蚀，整体色调朴实自然，也可以为扶手机构蒙上皮或布来加强美观、舒适和安全性，因为坐垫是直接套在座位杆上的，座椅拆换也十分方便，可以应用于多种场合。

3 力学分析

3.1 结构强度图

为保障使用者的安全和产品的耐用，我们对以下部分结构进行了有限元力学分析，结果如图4。

图4 结构强度分析图

对于扶手支架部分，两个状态我们分别在扶手上施加了500 N的载荷，并对底座进行了固定约束，由Ansys18.2进行有限元分析并给出了形变图和安全系数图，分析得应力集中在各摇杆连接处，由结果可看出，各处形变均小于1 mm，且安全系数均大于1.5，则扶手支架结构没有力学问题。

对于座位和联动支架部分，在坐垫放下状态中我们在坐面上施加了1000 N的载荷，并对底座平面进行了固定约束，由Ansys18.2进行有限元分析并给出了形变图和应力图，分析得应力集中在坐垫中央处，由结果可看出，各处形变均小于0.002 mm，应力小于0.4 MPa，且在安全系数分析中，安全系数均大于10；在坐垫立起时我们对联动支架施加了1200 N，并对下面的轴孔进行了固定约束，由Ansys18.2进行有限元分析并给出了形变图和应力图，分析得应力集中于联动长杆的坐垫端和连轴处，由结果可看出，各处形变均小于0.03 mm，应力小于110 MPa，小于材料屈服强度145 MPa，并在模拟中没有出现明显形变，则结构没有力学问题。

3.2 动态分析

我们对装置在运动过程中的受力进行了动态分析，如图5。

图5 受力曲线图

对于扶手支架部分，我们在扶手上施加了500 N的力，并对底座进行了固定约束，由Solidworks 2019进行motion分析后得到了最上端摇杆两端的受力和最上端连接轴的受力分别为38.8 N和99 N，经由Ansys18.2进行有限元分析后最大应力为80.72 MPa，小于材料屈服强度145 MPa，则支架稳定。

对于联动机构部分，我们在坐垫上施加了200 N/m的力矩，并对底座进行了固定约束，由Solidworks 2019进行motion分析后得到了联动长杆两端和联动杆连接轴的受力曲线图，经由Ansys18.2进行有限元分析后最大应力为136.28 MPa，小于材料屈服强度145 MPa，并在模拟中没有出现明显形变，则结构没有力学问题。

对于垫连接轴，我们在坐垫上施加了1000 N的力，并对底座进行了固定约束，由Solidworks 2019进行motion分析后得到了座位连接轴的受力曲线图，经由Ansys18.2进行有限元分析后最大应力为0.38 MPa，远小于材料屈服强度并在模拟中没有出现明显形变，则结构没有力学问题。

4 实际应用

4.1 使用方法

起坐：当使用者要坐下时，背对座椅，两腿靠近椅子腿，双手扶住扶手坐下，起立时两腿先发力，臀部先起，前臂撑住扶手即可起立；安装：安装可根据要安装的座椅先行对装置进行调节，然后按照一侧扶手、坐垫、另一侧扶手、底座固定夹板的顺序进行安装，也可以视情况按照坐垫、一侧扶手、另一侧扶手、底座固定夹板的顺序安装。

4.2 适用场合

由于装置固定调整机构的兼容性，大部分的单人座椅都可以进行安装，无论有无扶手都能依靠对应的空隙进行安装加持，也可以通过更换坐垫的方式来匹配更多的坐具，而且该装置最大调节宽度可达570 mm，根据GB/T 1000—1998[3]4.4.4条可得36～55岁人群最大肩宽为380～460 mm，在匹配中间的靠垫后也可以帮助老人在床上起身。

5 结论及应用前景

截至2019年末，60岁及以上人口为25388万人，占18.1%，其中，65岁及以上人口为17603万人，占12.6%，老年人口比重持续上升[8]。市面上的许多助老座椅都存在体积和重量的限制，也不方便应用于各种场所，同时也不能让扶手联动翘起的座位，以保证老人的安全，所以我们根据三条研究目的，设计出了这样一套装置，从而解决上述问题；这套装置还有许多能创新改进的地方，我们团队将继续优化使之更加实用易用，为老年人独自活动起居助一臂之力。