基于老年人站立分析的辅助站立机构优化设计研究.docx

?

?

基于老年人站立分析的辅助站立机构优化设计研究

?

?

雷铭达徐汉斌

摘要：为设计出更适合老年人的助老站立装置。本文以助老站立装置中的辅助站立机构的设计为切入点，针对现有助老站立设备的不足，在深入分析老年人站立特征的基础上，参考人机工程学的人体尺寸，搭建了帮助老年人起身的辅助站立机构的三维模型，接着，根据老年人站立中的需求运用ADAMS软件对机构进行优化设计。改善了机构的传力效果，改进了坐板速度过快的不足。运用ADAMS进行参数化优化设计后的辅助站立机构能提供更为人性化的服务，该访法可为助老站立产品的创新及设计提供参考。

关键词：老年人?辅助站立机构?ADAMS?优化设计

：TB472

：A

：1003-0069（2020）08-0102-04

引言

随着社会发展和人类平均寿命的增长，我国老龄化程度不断加深。根据国家统计局发布的数据显示，2019年末，全国人口中65周岁及以上人口占总人口的12.6%61。老年人的健康成为社会日益关注的焦点问题，由于老年人身体机能随年龄的增长而下降，老年人日常起身愈发困难。在此社会背景下，助老站立设备的需求逐年增加，然而，如今市场上的助老站立设备在人性化方面存在欠缺，许多产品在辅助老年人站立时无法全面顾及到老年人站立时的需要，远远不能满足老年人使用需要，要想设计出适合老年人的助老站立设备，需要对老年人在站立过程中的需求进行深度分析，其中，辅助站立机构作为助老站立设备中的重要部件，在设计过程中根据老年人站立需求对机构进行优化设计成为其在设计过程中的一项重要工作。本文针对辅助站立机构进行优化设计，在人体站立特征分析的基础上，搭建辅助站立机构的三维模型，在老年人站立需求分析的基础上，运用ADAMS对机构的传力效果和运行速度进行了优化设计。

一、简述优化设计与辅助站立机构

（一）优化设计概述

本次设计通过使用ADAMS软件进行仿真分析和参数化优化设计，采用“设计需求研究-三维模型建立-虚拟样机仿真-参数化优化设计”的设计流程。首先分析人体站立特征与老年人站立时的特殊需求。接着，根据设计思路和人体站立特征搭建三维模型。之后将搭建好的模型导入到ADAMS软件中进行动力学仿真发现机构中存在的问题。最后，根据老年人站立时的特殊需求，有目的地对机构进行优化设计。

（二）优化设计在辅助站立机构设计中的应用

辅助站立机构是助老站立设备中的重要组成部分，其功能是在老年人站立的过程中提供辅助，减轻老年人站立时的负担，避免发生意外。由于老年人身体机能下降，无法提供较大的力以及难以承受较大的冲击，因此，辅助站立机构需要有较好的传力特性。此外，辅助站立机构还需要满足老年在站立时的各种需求。使用ADAMS软件不仅能够进行机构的动力学仿真，还能进行优化设计，通过优化设计一方面要改善机构的传力特性，让老年人可轻松使用，另一方面，要改变机构中零件的运动特性，防止其对老年人造成损伤。

二、老年人站立特征与需求分析研究

（一）人体站立时的基本特征

人体站立时的基本特征是指正常人在站立过程中普遍展现的特征，包括站立过程、足底压力的变化等方面。站立过程可分为3个阶段，第1阶段：髋关节活动，上身前倾，重心向前;第2阶段：臀部与座位分离，膝关节活动，腿部肌肉收缩，重心向上向前;第3阶段：身体在各关节协调配合下运动，重心到达最高点，并实现站稳[4]。老年人下肢力量，尤其是膝盖力量的减弱，是影响其不能有效站立的主因[5]，因此老年人需要利用輔助站立机构帮助其完成站立过程，在实际运行的过程中，辅助站立机构运动与老年人站立过程相似会使老年人站立时更为舒适，膝关节负重更小。

在站立过程中人体足底压力的变化呈现出一定的规律。臀部尚未离开座椅时，足底压力的大小在200N附近，当臀部与座位分离后，足底压力在短时间内迅速升高并超过人体自身重力，在身体站稳前，足底压力一直在重力附近波动4。使用辅助装置完成站立的主要作用就是减轻下肢的负担，使足底压力在起立过程中缓慢增长，从而较好地保护下肢关节。

（二）老年人站立时的需求

老年人在衰老过程中，其肌肉力量会持续性下降，因此对老年在站立所需时间、站立过程中的速度等方面存在的特殊需求进行了如下的分析。在设计时还需要参考人机工程学中的人体数据，一方面使机构更符合老年人的身体特征，另一方面在进行仿真分析时更符合实际情况。

1.站立所需时间需求：助老站立设备主要针对的是站立困难和无法自主站立的老人，因此将深度老龄肌力下降最大49%[1]作为参考比例，进而得出深度老年人相对于年轻人只有51.9%的行动能力，因此，老年站立所需时间为年轻人的1.93倍，年轻人站立时需要花费的时间大致是2秒[5]，老年人站立时需要花费的时间理论上应为3.96秒，考虑到使用助老站立设备会减缓站立过程，因此在设计过程中将老年人站立时所需要的时