新型自适应老人起坐助力拐杖的研究与设计

陈延辉，罗彧承

（西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710000）

1 研究背景

在人口老龄化的巨大趋势下，中国老年人口正在快速增长，已经成为中国在新世纪人口的一个特点[1-2]。在老年人使用的产品方面有巨大的使用场景，相应的产品设计和应用服务会成为一个重难点。特别是子女不在身边的老年人独居，患病等情景。站立是影响老年人平时生活活动独立自由性的关键因素。如果缺乏站立能力，老年人可能会被困在椅子上，床上或者家中，无法站立和灵活的活动。同时，老年人需要他人更多的照顾，可能增加子女的生活工作压力，这严重影响了老年人的身心健康，给家庭和社会造成了巨大负担。

本世纪出现了很多帮助老人起身下床的设计，但是很多都局限于固定在某一个位置处，仅仅起到替代扶手的作用。它们虽有简单帮助老人起身的功能，也有很多如占用空间，位置固定，和老人身高适配性不好等缺点。这类产品不能解决老人在任何位置都能够自行起身的需求。拐杖是很多老人离不开的物品，能够帮助老人支撑，却无法做到帮助解决老人久坐后起身困难的问题。根据以上两种产品的启发，我们有效地将拐杖和扶助老人起身的动力装置结合在一起，帮助老人能够自行起身。

研究方法：STS 生物力学实验采取实时捕捉人在起坐运动中的各项参数，进行老年人与年轻人的对比，对比分析两者的生物力学特征，结果发现影响站立的因素有：

（1）座椅高度。使用高度较大的座椅有助于减少膝盖扭力，座椅高度的相应降低会增加站立时消耗的动量。Huges 等人研究中发现，老人从38 cm 高的椅子上站立起来非常困难。

（2）是否使用手臂支撑。研究发现，站立运动过程中使用扶手可以更方便地进行站立运动，并有利于降低膝关节和髋关节的扭矩。同时使用扶手也有助于保持身体的稳定。

（3）个人身体原因。站立需要协调性、平衡性、足够的运动范围和肌肉力量。随着年龄的增长，肌肉质量和肌力的损失是常见的特征，失去平衡会导致摔倒。

2 研究分析

老人起坐过程力矩与年轻人起坐过程力矩如图1、图2 所示。

图2 年轻人起坐过程力矩关系图

站立运动过程分四个阶段：第一阶段，人在座位上处于静态平衡状态；第二阶段，向前倾，产生向上和向前的力量；第三阶段，身体离开椅子，直到臀部和膝盖高度达到最大值；第四阶段，身体完全直立，处于平衡状态。第二和第三阶段是极其重要的阶段。我们发现，老年人下肢肌力下降导致的膝关节力矩不足是老年人站立困难的主要原因。

本文正是为了解决老年人站立困难的问题，设计一款满足老年人生理和心理需求的辅助起立拐杖。该装置通过手臂力点的扭矩输出，间接补偿老年人膝关节的扭矩，帮助他们更容易站立，同时减轻膝关节在站立过程中的力量需求。

3 设计方案

一种新型辅助起立拐杖，包括主体部分、支撑机构、折叠机构、动力机构。支撑机构连接在主体中部；折叠机构连接在主体上部；动力机构隐藏在主体部分内部。

如图3 所示，1-脚座，2-副支撑杆，3-螺丝，4-支撑连杆，5-下固定环，6-主支撑杆，7-中固定环，8-下折叠架，9-细内套筒，10-螺丝，11-粗外套筒，12-粗内套筒，13-细外套筒，14-上折叠架，15-腋下支座，16-上固定环，17-主体杆，18-把手，19-折叠/伸展按钮，20-多功能按钮，21-上升/下降按钮。

3.1 折叠机构的设计

如图4 和图3 所示，折叠机构包括下折叠架8、细内套筒9、螺丝10、粗外套筒11、粗内套筒12、细外套筒13、上折叠架14、腋下支座15，可以自动撑开。下折叠架8 和上折叠架14 通过电机连接，可绕着电机旋转，下折叠架8 和上折叠架14 的厚度是主体杆半径的0.8 倍；下折叠架8 的下端通过螺杆连接中固定环7，上折叠架14 的上端通过螺杆连接上固定环16。腋下支座15 焊接在上折叠架14 上部，采用柔软的橡胶材质，宽度是上折叠架14 厚度的2 倍。粗外套筒11 的内径和粗内套筒12 的外径相匹配，与下折叠架8 厚度相等，粗内套筒12可以伸缩进入粗外套筒11，粗外套筒11 长度是粗内套筒12 的2.2 倍，粗外套筒11 两端焊接在下折叠架8上。细外套筒13 的内径与细内套筒9 的外径相匹配，是下折叠架8 厚度的0.8 倍，长度是细内套筒9 的1.2 倍，细内套筒9 可以伸缩进入细外套筒13，细外套筒13 的上端通过螺栓连接在上固定环16，细内套筒9 的下端通过螺栓连接在中固定环7 上。细外套筒13 和粗外套筒11 都是中空套管，当达到完全中空状态可锁定机构。

图4 折叠机构keyshot 渲染图

3.2 支撑机构的设计

如图5 和图3 所示，支撑机构包括副支撑杆2、螺丝3、支撑连杆4、主支撑杆6，可以自动撑开。副支撑杆2、支撑连杆4、主支撑杆6 通过螺丝3 相互连接。支撑连杆4 通过螺杆连接下固定环5，旋转可以隐藏到副支撑杆2 的内部；主支撑杆6 能偏离主体60°，通过螺杆连接在中固定环7 上；副支撑杆2 可偏离主支撑杆6 进行180°旋转，可以隐藏到主支撑杆6 的内部，底部接触地面有一部分橡胶材料，可以增加摩擦力。支撑机构采用坚硬的铝合金材料，厚度是主体杆半径的0.7 倍。

图5 折叠机构图

3.3 动力机构的设计

如图6 所示，18-把手，22-电机，23-动力传动杆，24-液压杆。动力机构包括液压杆24、动力传动杆23、电机22，隐藏在主体杆内部。腋下支座15 接收到老人压力信号，传给电机22，带动动力传动杆23 的转动和液压杆24 的上升。整体表现为老人身体的上升，达到辅助起身的目的。

图6 电机位置图

3.4 电控系统设计

为了降低系统成本，减少传感器的使用，我们对整个控制系统设计提出了更高的要求。控制系统的整体设计如图7 所示。一体化电机控制器具有位置、速度和电流控制的功能。利用位置控制，控制电机的升降。利用速度控制，我们可以优化运动，使电机的启动过程、运行过程和制动过程更加稳定，减少运行过程中的震动和冲击[3-4]，提高舒适性。通过电流控制，可以实时调节运动中力矩的输出，检测运动过程中电流的安全性，避免障碍物的出现对设备造成破坏。

图7 电控系统

电控系统的运作过程如下：老人按下操作按钮进行起坐控制，控制器传输控制信号到执行器，驱动执行器输出操纵变量对电机升降控制。同时位置反馈负反馈回路是本系统的第一个特点，它是老人起坐过程中的第一层保障。升降机构信号传输安全控制器实时监控，如有异常情况，会进行紧急制动进而控制升降机构电机停止运行。这是本系统的第二个特点，它是老人起坐过程中的第二层保障。有双层保障的加持，本系统非常安全的运行，是本装置安全工作的坚强技术支持。

3.5 装置工作过程

老人就坐在板凳上，很难依靠自己的力量站起来。可以将本发明主体放在两腿之下，按动按钮自动打开支撑机构和折叠机构。两腋放置于腋下支座15 上，压力传感器接收信号做出偏差传给控制器，控制器输出控制信号传给电机，电机22 做出旋转动作，通过连接杆动力传动杆23 联动液压杆24。液压杆24 伸展开，整体表现为带动老人身体铅直上升，起到辅助起立的作用。

支撑机构最终状态参照图3，隐藏在主支撑杆6中的副支撑杆2 围绕螺丝3 旋转180°达到锁定状态；隐藏在副支撑杆2 中的支撑连杆4 旋转一定角度，仍然处于可以实时转动的状态，跟随压缩杆的伸展实时进行角度变化。

图3 拐杖creo 三视图

折叠机构最终状态参照图3。下折叠架8 和上折叠架14 分别围绕中固定环7 和上固定环16 中的螺杆转动，主体逐渐上升。细内套筒9 从细外套筒13 中露出来，最终达到锁定状态。粗内套筒12 从粗外套筒11 中露出来，最终达到锁定状态。

4 结束语

本文设计的装置在普通拐杖和辅助站立及位移机的基础上进行创新，增加了能够帮助腰腿不便的老人起身的受力点，不使用时可收缩折叠为拐杖，使用时可自动展开为类似座椅扶手的装置，使老人手臂能够有合适的受力点和受力高度。

秉承着人机工程学的设计方法，努力设计符合老人站立时运行轨迹，用实时控制的方式代替手动的传统的辅助方式，本装置可以真正成为老年人的身体功能的外延伸。通过科学的方法检验本装置的科学性，结果表明新型自适应老人起坐助力拐杖有效地解决了老年人站立的困难，减弱了膝关节负重，使老年人获得心理上的独立感，提高了老年人的生活自理能力及其生活质量，为子女减轻了生活和工作的压力。