基于老年人所设计的多功能助起椅

基于老年人所设计的多功能助起椅
摘要：随着年龄的增加，老年人体质不断下降。

尤其是身体协调能力和四肢的关节的灵活度。

所以大部分老年人会存在站立和起坐的困难。

我们通过分析人体起身的动作和人体的尺寸设计一款多功能老年人助起椅。

椅子的设计准则是参考基于老年人产品研究所设计的。

椅子主要是由电推杆，坐垫连杆，机架，运动连杆等部分组成。

助起功能的实现是通过连杆助起机构。

多场合的实现是通过可拆卸U型坐垫。

经过力学分析椅子所能承受的力是在材料的安全范围内。

关键字：多场合，助起椅，老年人，连杆助起机构，可拆卸U型坐垫
0引言
当前世界上年龄超过60岁以上的老年人的数量已超过5.78亿,约占全国总
人口的 9.8%。

我国老年人口数量达1.2亿,约占总人口的10%。

现在正以每年
3.2%的速率增加,增长速度高于世界平均水平。

在北京市中进入暮年的老年人有188万,约占北京市的1
4.6%,西城区和海淀区的老年人口已约占其总人口的20%。

全球各发达国家都面临着人口老龄化的问题。

那加拿大举例来说，1976年年龄达到65岁的老年人数量占加拿大总人口的12.3%,而且到21世纪初,百分比将达21%左右。

老年人的健康已经成为全球日益关注的问题,尤其是有关老年人在站立和
行走时的保持平衡的能力问题成为国际生物力学界的热点问题。

针对上述情况，一款针对老年人所设计的多场合助起椅，可以让老年人在需要站起的情况下可以顺利安全的站起。

主要功能是在老人如厕和洗澡之后帮助其起身，让老年人可以独自完成生活中简单又常见的活动。

1老年人的起身研究
图1 起身的四个阶段
老年人由于年龄的增长身体机能不断会呈现衰退的迹象。

例如，“脚力不够”等众多因素的影响, 老年人在站立的过程中常常要更长的时间。

老年人所
需时辰较长的还有一个重要的缘故是老年人害怕站立过程中身体速度过快而难以保持自身平衡摔倒。

根据STS生物力学实验数据分析，人体站立的运动过程可以分为四个阶段（如图1所示）。

第一阶段为人位于一种静止的平衡状态；第二阶段为身体产生一个向上和向前的动力来使身体倾斜；第三阶段为身体开始慢慢离开椅面, 直到髋、膝关节角度达到最大值；第四阶段为身体完全直立,处于站立状态并保持自身平衡。

第二和第三阶段是站立运动过程中的重要阶段。

2老年人座椅的设计要求
座面不能过高，否则会使坐者小腿麻木更甚至是造成血液循环受阻同时座面也不可过低否则会使腿长的使用者感到腰酸不适。

根据GB/T 10000-1988, 《中国成年人人体尺寸》计算，座高取450mm左右较为合适。

座宽亦是不能过低和过高。

过低不适用于身材粗壮的人；过高会使坐者感觉肩部疲劳。

为了能够适用于大多数使用者，座深我们统计一些群体可以根据他们的需求设计出可以让不同身形的人都能坐的舒适。

根据GB/T 10000-1988, 《中国成年人人体尺寸》计算，座深最低不能超过430mm.
座面倾角是指座面与水平面所夹角度。

座面倾角不仅可以降低背肌静压也可以防止坐者从底座边缘滑出座面。

通过下表1可知座面角度范围在0°—30°之间较为合适。

表1非工作椅座面倾角的参考值
3老年人产品设计原则
产品操作简单。

现代科技不断发展，各类电子产品更新换代很快，操作界面
也让人眼花缭乱，非常不适合老年人群体。

因此产品设计应尽量简单，操作流程
应趋于单一。

安全性。

老年人由于年龄的增长，身体素质不如年轻人。

而且骨骼
器官老化，更容易受到伤害，所以面向老年人的产品，安全性是必须考虑的因素。

舒适性。

无论是对于老年人还是年轻人，产品的舒适左右了他们的选择。

所以更
应该提高椅子的舒适度。

4助起功能的实现
根据起身的四个阶段，人体在第三阶段的时候，髋和膝关节承受的压力是最
大的，也是最容易摔倒的阶段。

为此，设计一个结构如图2的连杆助起机构来在
这个阶段托住人体的臀部。

由于人体起身并不是单纯的向上平移，所以设计了如
图2所示的连杆助起机构的设计简图，当1推动2向上的时候，因为3和4对2
的拉力，2会在向上同时产生一个顺时针的旋转，将人体的臀部托住，以减轻人
体髋、膝关节的压力，保证老人成功站起来的同时可以减轻对于其身体的损伤。

1-电推杆；2-坐垫；3-上连杆；4-下连杆；5-机架
图2 连杆助起机构
由于老年人在日常生活中会经常性的坐下和站起，因此本产品设计了可拆卸
U型坐垫如图3所示，平时可以正常使用，当用在如厕助起的时候，可以将U型
板的内板拿下来。

图3可拆卸坐垫示意图。

这个设计结构不仅可以方便人们使用，也不会影响
人们的正常使用。

5助起椅的理论计算
图3可拆卸坐垫示意图图4 连杆机构矢量多边形
通过研究分析人起身的动作，发现人们在身体离开座位的这一过程中关节承受的压力比
较大。

这也是老年人起身的困难所在。

为此设计了连杆助起机构来帮助减少起身过程中身体
所承受的压力。

对于连杆机构的分析，首先先建立一个直角坐标系，设每个杆子的长度为L1，L2，L3，L4，其方位角为θ1，θ2，θ3，θ4。

这时可以构筑一个矢量多边形（如图4）并
保证。

一般说来，对于一个特定的连杆机构，θ2是已知的，而且θ1=0，故此时该矢量方程则转化为求未知的方位角θ3，θ4。

设每个所采用矢量法来建立机构的矢量多
边形。

通过数学计算就可以得到每个杆件的具体长度和具体位置。

根据杆件之间的长度比例
关系m，n，l和这样的关系式b/a=l c/a=m d/a=n确定各杆的长度，当选取主动杆的长度后，其余三杆长的度随之可以确定；假设主动连架杆的长度为a=220mm，则求解出机架为70mm.
6助起椅的运动学和力学分析
为了确定助起椅中运动性能如何，将椅子中运动部分即双曲柄结构（如图5）利用MATLAB对其进行运动学分析。

我们对机构L2附加一个的角速度，看机构中位置变
换图，速度变换图，加速度变化图是否符合人体起身时的运动规律。

图5 双曲柄结构的运动分析图6连杆机构简图
椅子主要是利用电推杆将人推起来的。

而椅子上部和人体的全部重量都作用于连杆机构
之上。

因此可以将连杆机构（如图6）独立出来进行力学分析。

我们将连杆结构导入Ansys
中进行分析，赋予连杆结构钢的材料特性。

在机架L1固定的情况下，在L3上附加
的力矩，来看材料的受力情况是否符合安全范围内。

7助起椅的工作原理
通过助起椅的结构的分析，设计出了一款多场合的助起椅（如图7所示）。

其中1是电推杆结构，2,3,4则一起组成了连杆结构，该连杆结构和助起坐垫连
接在一起，然后在电推杆的作用下推动连杆结构以实现助起功能。

该装置是由电推杆，坐垫连杆，机架，运动连杆等部分组成，整体结构如图
7所示。

其工作原理是：（1）通过电推杆推动坐垫将人抬起，从而减轻坐起对髋、膝关节的压力；（2）通过双曲柄连杆，将电推杆对于坐垫的推力转化成3绕机
架旋转的力。

在原有助起椅绕着坐垫前端旋转的基础上，对绕轴的位置进行改变，使助起更加省力。

坐垫的一部分是可以拆卸的以适应多场合应用，做到了一椅多用，可以应用在厕所和浴室等需要助起的场合。

采用连杆结构，结构简单。

图7多场合助起椅整体结构图8助起椅的实物展示图
本产品整个制作过程都考虑了产品性能，易加工的因素。

实物图如图8所示。

由于是面向老年人的产品，在安全性和可靠性方面有更高的要求，因此在制作的
时候将底座用铝合金型材来制作，而连杆机构要承受人体和椅子上部的压力，因
此采用合金钢来制作，坐垫要保持充分的舒适性，因此采用记忆棉材质。

8结语
目前由于社会老龄化的加剧，老年人愈来愈多，老年人生活过程中的不便也
越发引人注意，同时年轻人无法时刻呆在父母身边，因此老年人日常生活中最常
遇到的起身问题就成为一个急需解决的问题，希望本产品可以更好的帮助老年人。

这款多功能助起椅在原有的助起椅绕坐垫前端旋转的基础上，对绕轴的位置进行
改变，使助起更加省力。

而且椅子也可以多场合应用，做到一椅多用，完美契合
老年人的日常生活。

参考文献：
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作者简介：
孙紫彤（2003-），女，本科在校生，学生，智能制造工程；
窦震（2002-），男，本科在校生，学生，机械电子工程；
谢其升（2001-），男，本科在校生，学生，机械设计制造及其自动化专业；
张璐瑶（2002-），女，本科在校生，学生，机器人工程；
江晓亮（1987-），男，博士研究生，副教授，从事机械结构设计与机器视觉工作；赵天晨（1989-），男，博士研究生，副教授，从事机械结构设计及精密加工工作。