基于坐立转换运动轨迹的如厕辅助装置设计

李远利，涂细凯,，胡世超，李肖

1.湖北工业大学工业设计学院，湖北武汉市 430068；2.湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉市 430068

坐立转换是生活中必不可少的动作，健康成年人每天约有(60±20)次坐立转换运动，是站立行走的必要前提[1-2]。该动作是从一个稳定的姿势转换到另一个稳定的姿势，转换过程中，需要身体各部位协调，维持身体重心平稳[3]。人口老龄化、脑卒中和脊椎损伤等导致下肢功能障碍患者急剧增加，此类人的肌肉力量只有青年的80%左右[4-7]，导致他们的坐立转换难以顺利完成，所用时间明显延长[8-10]；提供一定辅助可减少坐立转换困难。与人工辅助相比，辅助设备可提供更安全、稳定的辅助，减轻护理人员身体负荷[11-12]。

影响坐立转换的舒适性和平衡安全性因素较多，如压力、体质量、坐姿、运动轨迹和身体运动速度等[13-16]。刘坤等[17]通过变杆长和变杆位的线性联动设计，辅助人体从坐到站；陈筱[18]通过感性需求分析获取用户设计要素，对坐便器进行整体造型设计；Chang 等[19]基于坐立转换运动开发自适应的坐立转换辅助设备；Lee 等[20]通过分析腿部对地面反作用，研究马桶座圈高度和角度的变化。上述研究满足了一定功能设计，但还存在一些不足：应用性弱、结构复杂、使用不便[21]；缺乏舒适性与平衡安全性的深入研究；偏向感性设计，产品的可靠性有待验证；功能单一，整体性能欠佳。

如厕辅助装置是坐立转换辅助设备的具体应用之一，如舒适性和平衡安全性不高，会对人体造成危害；如运动轨迹不符合人体自然坐立规律、人体与马桶座圈之间的接触压力过大，都会对使用者产生不良影响。提高如厕辅助装置舒适性和平衡安全性问题是未来的研究热点。本研究采用惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)Xsens DOT 姿态传感器，采集健康人坐立转换过程中髋关节运动轨迹，采用线性拟合法确定髋关节升降与躯干旋转的变化关系，获取人体坐立转换过程中的最优运动轨迹，并与现有研究的运动轨迹进行有限元仿真压力比较，优化坐立运动轨迹设计，为如厕辅助产品设计提供参考。

1 坐立转换运动轨迹

1.1 研究对象

本研究的如厕辅助装置针对下肢肌力弱化的老年人设计。但由于选择老年人进行试验存在一定危险，故选择健康受试者进行试验。

2020 年10 月至11 月，在湖北工业大学工业设计学院和机械工程学院招募健康志愿者12例，其中男性7 例，女性5 例；平均年龄26.2 岁，平均身高174.5 cm，平均体质量65.3 kg。

纳入标准：①无认知障碍；②无任何影响身体坐立障碍的疾病史；③测试前24 h内未剧烈运动。

所有受试者均了解试验过程与目的，签署知情同意书。本研究已经湖北工业大学工业设计学院伦理审查。

1.2 试验假设

简化运动模型，所有坐立转换试验均在矢状面内完成，忽略其他平面内的运动；受试者肩、头挺直，手臂自然放在大腿上保持不动，避免手臂摆动的影响；受试者穿合适的衣服，避免身体和衣服的互动对试验数据的影响。

所有受试者双脚固定在同一位置，保持平行，与肩同宽。以脚后跟为原点建立Y-Z 平面坐标系，其中Y 轴表示矢状面的竖直运动，Z 表示在矢状面的水平运动。见图1。

图1 坐立转换试验的起始姿势

1.3 方法

采用Xsens DOT 姿态传感器采集髋、膝关节数据。

首先建立人体模型，包含髋关节、大腿、小腿及脚；选用标准50百分位人体数据，将腿长、膝高和髋高调整为与实际大小一致。受试者髋关节股骨大转子和大腿重心处用绑带垂直固定Xsens DOT传感器。

符合人体工程学的马桶高度为430 mm，故用无扶手且高度为430 mm 的座椅进行坐立转换试验数据采集，固定凳脚。运动速度过慢会损害膝关节，运动速度过快会增加跌倒风险[22]，故本研究采用3种速度：慢匀速坐站、中匀速坐站和快匀速坐站，以确保人体坐立转换的舒适和平稳安全。

受试者接收到“起立”口令时开始坐立运动，每种速度进行5 次坐立转换，所有动作连贯完成。在坐立转换过程中不允许出现扭头、身体倾斜、停止等不正常动作，每次的试验环境不变。采集坐立转换最佳动作下的数据。

根据运动特征，可将坐立转换分为4 个阶段。阶段1 为初始状态，身体处于自然坐姿，躯干与座面垂直，身体正直；阶段2 为准备状态，身体前倾，使重心向前接近膝关节，从而产生向上及向前的动力，主要由膝关节以上的躯干部分完成；阶段3为起立状态，身体前倾至合适位置时，下肢发力，膝以上环节绕膝关节转动，使髋关节离开座面；阶段4 为稳定站立状态，躯干基本直立，站立稳定且平衡。其中，阶段2和阶段3是坐立转换的重要阶段。

1.4 坐立转换运动轨迹

人体在自然站立时，可在低肌肉激活强度下维持身体稳定性[23]。获取自然状态下坐立转换的实时运动位置、角度数据，采用Origin 2019软件统计膝关节平均角度(θ1)、髋关节屈曲平均角度(θ2)随时间变化的曲线(图2)，其 中，θ1ϵ(0 91.3°)，θ2ϵ(0 83.9°)。李晋等[24]采用高清定焦相机单帧测量的结果，膝关节角度变化最大值为86.5°，髋关节角度变化的最大值为92.6°，与本研究结果相似。

图2 三种速度下髋、膝关节角度变化

采用最小二乘法[25]对受试者相同时间内，股骨大转子在矢状面上的位置平均数进行拟合，最终得到慢匀速、中匀速和快匀速状态下髋关节大转子从站到坐、从坐到站完整周期的运动轨迹(图3)。

图3 三种状态下股骨大转子的运动轨迹

2 有限元压力仿真试验

2.1 运动轨迹比较

分别将本研究采集的坐立转换运动轨迹数据与李晋等[24]采集的运动轨迹数据，进行不同倾角马桶座圈有限元仿真分析。

初始坐姿高度430 mm，本研究运动轨迹的升降高度差为350 mm，李晋等[24]运动轨迹的升降高度差为275 mm。当辅助装置的座圈沿运动轨迹到达最高位置时，座圈旋转40°，是保证人体与如厕装置分离的最佳角度[17]。如厕辅助装置在升降过程中，座圈转动角度随高度变化而变化。通过线性拟合法获得升降高度差与旋转角度的关系：

其中，式(1)采用本研究轨迹，式(2)采用李晋等[24]研究的轨迹。h为升降高度差，θ为升降时马桶座圈的转动角度。

采用线性插值法分别以0°、10°、20°、30°、40°倾角对辅助装置座圈的升降过程进行静力学分析。采用脚底压力传感器间接测量臀部在坐立转换过程中的载荷：脚底压力传感器置于地面，测试者坐在430 mm 高的椅子上，双手自然摆放，双脚踩在压力传感器上，依据h与θ的数值关系调整高度与倾斜角度，每组数据采集时间6 s；在误差允许范围内，计算升降过程中臀部与马桶座圈的接触载荷。见表1。

2.2 有限元分析设置

由于本研究模拟的仅是髋肌后群、大腿肌后群与马桶座圈的接触，故将人体模型各部位进行合理简化[26]。根据标准人体数据重构人体三维模型，并基于人体运动学坐姿进行调整，最终该模型尺寸和真实人体大致吻合。

对两组坐立转换运动轨迹的0°、10°、20°、30°、40°倾角姿态进行静力学仿真时，为在保证结果可靠性的前提下尽可能减小计算量，仅选取髋关节、大腿、小腿和足与马桶座圈[26]装配进行静力学分析。首先设置马桶座圈与人体的材料参数[26-27]，臀部与马桶座圈的接触类型设置为摩擦，摩擦系数0.3；各倾角高度分别按表1 倾角度数对应的高度1 和高度2 数据，对坐姿状态进行调整，载荷数值也根据表1 的载荷1和载荷2 进行设置。图4 为0°倾角状态下的设置。由于网格质量是影响仿真精度和稳定性的重要因素[28]，故整体网格大小为10 mm，在臀部与马桶座圈接触部分采用5 mm网格进一步细化。

图4 静力学分析设置

表1 两组运动轨迹的倾角与高度、足部与臀部的载荷数值

2.3 仿真结果

压力分布云图显示，在相同倾角坐姿状态时，两种运动轨迹下的马桶座圈压力分布趋势基本相同，最大压力都位于髋肌后群臀大肌突出部位。压力的分布和大小影响舒适性[29-32]，压力越大，疲劳感越大，舒适性越低；反之则会提升舒适性。在0°、10°、20°、30°、40°坐姿时，基于本研究运动轨迹的最大压力均小于李晋等[24]研究的运动轨迹，提示本研究采用的坐立转换运动轨迹更舒适(图5)。

图5 两种轨迹各倾角平均压强比较

2.4 平衡性分析

Hof 等[33]将站立平衡分为静态平衡和动态平衡，并得出满足两种平衡情况的条件。测量受试者的身高、体质量、胸围、腰围、臀围、大腿和小腿长7 项数据，取平均值，采用回归分析法得到质心到踝关节的距离，将人体简化为3 旋转自由度的杆组结构(图6)，其中l1,l2,l3分别为小腿长、大腿长、质心到髋关节的距离。

图6 人体简化模型图

在MATLAB 中进行坐立转换运动仿真，得到质心在空间中的运动轨迹以及在水平面的投影。测量受试者压力中心范围：前后5～37 cm，左右-9.3～8.6 cm。质心运动轨迹在水平面内的投影完全在压力中心范围内(图7)。

图7 质心运动轨迹与压力中心范围的位置关系

需要注意的是，本研究涉及的坐立转换平衡问题与Hof 等[33]研究的站立平衡存在差异。由于老年人在借助装置进行辅助坐立转换时，站立阶段速度几乎为零(可通过控制系统完成)[34]，故老年人完成坐立转换后的平衡问题可作为静态平衡处理。双足与地面的接触作用力区域定义为压力中心范围[33]，在静态平衡情况下，质心的垂直投影一定落在压力中心范围内。MATLAB仿真结果近似符合静态平衡，按此坐立运动轨迹设计辅助装置是可行的。

3 如厕辅助装置总体设计

3.1 结构设计

辅助坐立产品大多仅以膝盖为支点，减轻上肢躯干对下肢的负荷，以达到功能目的[35]。但坐立转换过程中最关键的环节，要依靠小腿和大腿肌力实现，且支撑力主要源于大腿。由于老年人肌肉功能下降，如厕坐立过程困难。对此，参照图3 运动轨迹参数设计一种如厕辅助装置，结构如图8。

图8 如厕辅助装置示意图

装置两侧对称安装两个电动推杆，当推杆处于初始位置时，马桶座圈为水平位置；设计可调节的靠背和扶手，以保证用户的平衡安全性和舒适性；创新马桶座圈造型，增加与人体的接触面积，以降低对肌肉的压迫，这是很多如厕装置研究所欠缺的[17-18]。连杆组件可以实现间歇回转运动，避免传动结构过于复杂。

原理见图9。OA为电动推杆，AH为马桶座圈，CD表示下转动连杆，BE为上转动连杆，BC为升降连杆，DE为支架，且AH⊥BC。P(x,y)为如厕时臀部与座圈的接触点。电动推杆的倾角为δ0，长度为l0(变杆长)，对应的下连杆、升降连杆、上连杆的状态角分别 为δ1,δ2,δ3，长度分别为l1,l2,l3，座圈的升角为δ4(δ4=θ),δ4ϵ[0 40]°。按照标准人体数据库，上下连杆与支架铰接点之间的距离l4=120 mm；δ4=0°时,AH=l；考虑个体差异，lϵ[570 660]mm；设AP/AH=k，根据实测值，kϵ[0.54 0.72]。则该时刻有

图9 连杆组件的设计

其中l0的极限长度为1200 mm，δ4的范围决定了δ0ϵ[59.4 67.3]°,δ2ϵ[50 90]°，yD,yE按照人体自然坐姿时小腿长度和经验取值；为满足如厕辅助装置设计的舒适性和适用性，取l=620 mm,k=0.65；当δ4取值确定时，δ0和l0可随之确定，进而算得xP；将xP与试验测得的运动轨迹曲线进行对比确定yP；再以l2作为设计变量，用迭代法设计l1,l3。最终得到辅助装置的主要零部件尺寸如表2。产品效果见图10。

图10 如厕辅助装置效果图

表2 如厕辅助装置主要零部件尺寸

3.2 满意度测试

另邀请年龄20～60 岁的健康人20 例体验如厕辅助装置。采用Likert 5 级法进行满意度评估，非常不满意为1，不满意为2，不确定为3，满意为4，非常满意为5。

采用本装置进行坐立转换时，轨迹接近人体自然运动规律(图11)，可自然顺畅完成坐立转换动作；体验者无前倾趋势；装置整体简捷，其中座圈、手臂托和把手舒适度良好。各项满意度平均分：易站4.30分，安全4.05 分，协调4.25 分，简捷3.75 分，舒适4.20分，平稳4.00分，美观3.05分，专业3.35分。

图11 如厕辅助装置升降运动轨迹

4 小结

本文基于坐立转换试验，获得最优运动轨迹，据此设计如厕辅助装置。本研究获得的坐立转换运动轨迹更舒适、合理，利于用户辅助坐立转换。对如厕辅助装置进行参数化结构设计和验证，产品满意度符合预期，当马桶座圈倾角为40°时，人体刚好位于初始坐姿装置的前上方，坐立过程完全符合人机工学。

本研究由于试验设备的局限性，暂时不能分析膝、髋和大腿处在坐立转换过程中的载荷变化，有待今后进一步研究。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。