CN109124916B - 一种辅助站立椅及其运动轨迹研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助站立椅及其运动轨迹研究方法。它具体包括如下步骤：使用AMTI三维测力台对人体起立运动过程进行三维压力测量，得出运动过程时的压力变化曲线；使用VICON步态捕捉系统对人体起立运动过程中人体重心进行动态测量，得出人体重心轨迹，并进行一次二次求导得出其动力学曲线；将AMTI三维测力台测出的压力曲线与人体重心轨迹进行结合分析，将人体起立运动分为三个阶段的运动，并对三阶段逐一分析；得出各阶段的辅助动力学参数。本发明的有益效果是：提高了座椅的工作效率及人的舒适度、安全性，合理的安全速度能够保证老年人及患者身体不受伤害的同时还能安全站立，摆脱了髋关节轨迹测量及其动力学参数难以精准确定的难题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械工程相关技术领域，尤其是指一种辅助站立椅及其运动轨迹研究方法。
背景技术
起立(sit-to-stand，STS)运动是日常生活的基础，它要求人们要进行坐姿到站姿的转变，正常人平均每天进行STS运动60±22次。社区正常的老年人比医院的老年人及康复病房里的老年人有着更多的STS运动，由于老年人及患者肌肉力量、关节活动范围及平衡能力的恶化增加了其在日常生活中STS运动的风险。面对庞大的需求群体，迫切需要开发一款既舒适又安全的辅助站立座椅。
目前现有的代表产品有美国德拉华大学反重力平衡辅助站立系统能够克服系统的重力辅助患者完成站立但穿戴耗时、训练方式单调、系统体积庞大而且不易操作。澳大利亚康复研究所辅助站立座椅帮助患者实现站立但结构简单、未考虑人体运动舒适。中国合肥工业大学肩部支撑辅助站立座椅基于人体STS轨迹的辅助康复机构的设计但机构运动综合理论复杂，容异性差。日本大阪大学护理康复机器人基于情感化的设计但未考虑人的运动轨迹，且借助较大的手臂力量。目前关于辅助站立的研究相对较少，且相关研究也存在一些不足，如设备的体积过大、不易操作、费用高、不舒服不安全及未考虑老年人及患者的心理需求。
日本大阪大学Tianyi Wang等人通过采用故障分类方法研究辅助康复机器人与人情感化的关系中提出在43cm及62cm高度的座椅下进行自主STS运动，结果表明62cm的座椅条件下完成任务较舒适轻松，而43cm高度的座椅起立较困难。堪萨斯大学医学中心Huges等人在做不同高度座椅对人体体力要求影响中提出在座椅可调高度范围内，随着座椅高度的升高，人体STS运动难度降低，同时发现在38cm高度时，老年人很难完成STS运动。由于髋关节处于人体内部，对其测量的轨迹近似估计，并不十分准确。同时臀部及髋关节的相关动力学数据不好测量。
由于老年人及患者生理机能的衰退，下肢肌力不足，老年人及患者在完成STS运动过程中会产生一定的恐惧感，那么在起立过程中相对年轻人所需时间更长，但这个时间又不能过长，Tianyi Wang等人在对辅助站立机器人情感交互实验中结果显示2s的辅助速度较5s的辅助速度舒适。较长的起立时间会伤害膝关节。同时在STS运动完成后由于老年人及患者下肢力量的衰退导致其平衡能力减弱，如果起立后速度较快会失去平衡摔倒。合适的起立时间对辅助对象是有利的，过长的时间是对老年人及患者是有伤害的。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种高效且安全的辅助站立椅及其运动轨迹研究方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种辅助站立椅，包括底座，所述底座的上端面上设有坐板，所述底座的上端面一侧边上设有靠背，所述的底座上设有横梁，所述的横梁上设有第一推杆气缸和第二推杆气缸，所述的第一推杆气缸置于远离靠背的横梁一端上，所述第二推杆气缸置于靠近靠背的横梁另一端上，所述的坐板包括固定板和活动板，所述的活动板置于固定板上，所述固定板的左右两侧设有第一翻边，其中一个第一翻边上设有导向槽且其外侧设有第三推杆气缸，所述固定板的后端设有第二翻边，所述第二翻边的两端均与第一翻边衔接，所述第一推杆气缸的一端固定在横梁上，所述第二推杆气缸的一端活动安装在横梁上，所述第一推杆气缸的另一端和第二推杆气缸的另一端均活动安装在固定板的底部，所述第三推杆气缸的一端固定在第一翻边和第二翻边的衔接处，所述第三推杆气缸的另一端通过导向槽与活动板连接。
通过第一推杆气缸的设计，实现了人体垂直方向的运动；通过第二推杆气缸的设计，实现了整体的旋转运动；通过第三推杆气缸的设计，实现了人体水平方向的运动。
作为优选，所述的活动板置于固定板上两个第一翻边之间且与第一翻边间隙配合，所述的横梁上以及固定板的底部上均设有U形安装座，所述第二推杆气缸的两端以及第一推杆气缸的另一端上均设有转动轴，所述的第一推杆气缸通过转动轴与U形安装座的配合与固定板活动连接，所述的第二推杆气缸通过转动轴与U形安装座的配合分别与横梁以及固定板活动连接，所述第三推杆气缸的另一端上设有导向块，所述导向块的一端固定在第三推杆气缸的另一端上，所述导向块的另一端穿过导向槽与活动板固定连接。
本发明还提供了一种辅助站立椅运动轨迹研究方法，具体包括如下步骤：
(1)使用AMTI三维测力台对人体起立运动过程进行三维压力测量，得出运动过程时的压力变化曲线；
(2)使用VICON步态捕捉系统对人体起立运动过程中人体重心进行动态测量，得出人体重心轨迹，并进行一次二次求导得出其动力学曲线；
(3)将AMTI三维测力台测出的压力曲线与人体重心轨迹进行结合分析，将人体起立运动分为三个阶段的运动，并对三阶段逐一分析；
(4)得出各阶段的辅助动力学参数。
该方法是通过使用AMTI三维测力台及VICON步态捕捉系统共同完成的，其中通过测力台来测出人体在进行起立(sit-to-stand，STS)运动过程中足底压力的变化，用来区分STS运动的各个阶段受力情况，而足底压力变化能够间接反映出腿部受力情况；足底压力变化曲线结合VICON采集的STS运动过程中人体重心(center-of-mass，COM)变化曲线及其动力学曲线，从而对整个STS运动过程进行分段分析，设计出各阶段运动轨迹及其力学辅助站立的力学参数。本发明包含了STS运动过程中重心轨迹变化曲线用以指导辅助站立椅运动轨迹的设计，同时该年轻人的人体重心(center-of-mass，COM)轨迹可作为STS运动轨迹，以及其重心的一系列辅助站立动力学参数；这种基于人体重心的辅助站立椅运动轨迹及安全性设计从技术角度解决了STS运动轨迹测量不准确，动力学参数难以确定，座椅的工作效率低的问题。从人的角度增加了人STS运动过程中的舒适性及安全性，合理的安全速度能够保证老年人及患者身体不受伤害的同时还能安全站立。本方法相较于其他辅助站立产品设计的运动轨迹及安全性设计而言提高了座椅的工作效率及人的舒适度、安全性。由于老年人及患者老年程度及伤病程度对实验影响很大，针对其他研究者不合理的规划，同时采用了更合理的优化方案，优化运动参数；也摆脱了髋关节轨迹测量及其动力学参数难以精准确定的难题。
作为优选，在步骤(4)中，由于实验者是年轻人，需对其重新规划，通过老年人及患者相对年轻人肌力下降程度及平衡性减弱程度进行一定比例的延长，其中年轻人到轻度老龄肌力下降为30％，深度老龄肌力下降为49％，恢复平衡能力下降研究结果分别31.5％、47.2％，辅助站立椅主要辅助对象为难以自主站立的老年人及患者使用，故将肌力下降最大49％及恢复平衡能力下降最大47.2％作为重新规划参考比例，得出从年轻人到深度老年人其身体执行日常活动的能力减少48.1％，即老年人及患者相对于年轻人只有51.9％的执行能力，那么时间应规划为年轻人的1.93倍。
作为优选，在步骤(4)中，通过对人前倾跌倒进行多组实验，实验结果分析得出人体在站立时其人体重心速度为200mm/s时为其安全速度阈值，为考虑其安全性将辅助速度值设计为所有未跌倒速度的均值为安全速度平均值140.3mm/s，同时也计算了危险辅助速度均值即跌倒速度平均值241.2mm/s，故而规划后的老年人及患者的安全速度、阈值速度、危险速度分别为：72.8mm/s、103.8mm/s、125.2mm/s。考虑老年人或患者(膝关节受损、肌无力等)在辅助站立完成阶段不至于前倾跌倒，本发明也设计了安全速度阈值实验，得出一个安全的速度阈值，进行安全性设计。由于老年人及患者老年程度及伤病程度对实验影响很大，且实验较苛刻，故本发明中实验对象均为年轻人最终进行合理的规划。
本发明的有益效果是：提高了座椅的工作效率及人的舒适度、安全性，合理的安全速度能够保证老年人及患者身体不受伤害的同时还能安全站立，摆脱了髋关节轨迹测量及其动力学参数难以精准确定的难题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是STS过程X轴方向人体COM动力学曲线图；
图3是STS过程Z轴方向人体COM动力学曲线图；
图4是辅助站立椅运动轨迹解析图；
图5是辅助站立椅运动实现图。
图中：1.底座，2.靠背，3.横梁，4.第一推杆气缸，5.第二推杆气缸，6.固定板，7.活动板，8.第三推杆气缸，9.第一翻边，10.第二翻边，11.U形安装座，12.导向块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所述的实施例中，一种辅助站立椅，包括底座1，底座1的上端面上设有坐板，底座1的上端面一侧边上设有靠背2，底座1上设有横梁3，横梁3上设有第一推杆气缸4和第二推杆气缸5，第一推杆气缸4置于远离靠背2的横梁3一端上，第二推杆气缸5置于靠近靠背2的横梁3另一端上，坐板包括固定板6和活动板7，活动板7置于固定板6上，固定板6的左右两侧设有第一翻边9，其中一个第一翻边9上设有导向槽且其外侧设有第三推杆气缸8，固定板6的后端设有第二翻边10，第二翻边10的两端均与第一翻边9衔接，第一推杆气缸4的一端固定在横梁3上，第二推杆气缸5的一端活动安装在横梁3上，第一推杆气缸4的另一端和第二推杆气缸5的另一端均活动安装在固定板6的底部，第三推杆气缸8的一端固定在第一翻边9和第二翻边10的衔接处，第三推杆气缸8的另一端通过导向槽与活动板7连接。活动板7置于固定板6上两个第一翻边9之间且与第一翻边9间隙配合，横梁3上以及固定板6的底部上均设有U形安装座11，第二推杆气缸5的两端以及第一推杆气缸4的另一端上均设有转动轴，第一推杆气缸4通过转动轴与U形安装座11的配合与固定板6活动连接，第二推杆气缸5通过转动轴与U形安装座11的配合分别与横梁3以及固定板6活动连接，第三推杆气缸8的另一端上设有导向块12，导向块12的一端固定在第三推杆气缸8的另一端上，导向块12的另一端穿过导向槽与活动板7固定连接。其中：第三推杆气缸8和第一推杆气缸4负责水平及垂直两个方向的运动，第二推杆气缸5负责旋转运动，水平及垂直方向的运动由图2、图3中动力学参数来驱动。
通过对图2、图3中两轴动力学分析结果：
X轴速度在T0～T1阶段内由0增加至170mm/s，T1～T2阶段X轴速度由170mm/s增加到230mm/s，随之又减小至170mm/s。由加速度曲线知该阶段先加速度减小再反向增加。T2～T3阶段持续时间约为2s左右，恢复直立阶段速度由170mm/s减小至安全速度，后以安全速度匀速辅助至结束STS运动，以加速度为300mm/s^2做匀减速运动直到速度减为安全速度。
Z轴速度在T0～T1阶段内身体前倾竖直方向速度基本为零，T1～T2阶段持续时间约为0.6s，Z轴速度由-130mm/s减速到-180mm/s后又增加到0，加速度由-230mm/s^2增加至800mm/s^2。T2～T3阶段持续时间约为2s左右，速度由0增加至440mm/s随之减小至0，加速度由900mm/s^2减至-900mm/s^2，此时只有X轴方向存在前倾安全速度。
本发明还提供了一种辅助站立椅运动轨迹研究方法，该研究方法所测人体COM运动轨迹曲线的运动解析如图4，辅助站立椅运动示意图如图5，具体包括如下步骤：
(1)使用AMTI三维测力台对人体起立运动过程进行三维压力测量，得出运动过程时的压力变化曲线；如图2、图3中的垂直压力曲线所示；
(2)使用VICON步态捕捉系统对人体起立运动过程中人体重心进行动态测量，得出人体重心轨迹，并进行一次二次求导得出其动力学曲线；如图2、图3中的垂直压力曲线所示；
(3)将AMTI三维测力台测出的压力曲线与人体重心轨迹进行结合分析，将人体起立运动分为三个阶段的运动，并对三阶段逐一分析；
(4)得出各阶段的辅助动力学参数。由于实验者是年轻人，需对其重新规划，通过老年人及患者相对年轻人肌力下降程度及平衡性减弱程度进行一定比例的延长，其中年轻人到轻度老龄肌力下降为30％，深度老龄肌力下降为49％，恢复平衡能力下降研究结果分别31.5％、47.2％，辅助站立椅主要辅助对象为难以自主站立的老年人及患者使用，故将肌力下降最大49％及恢复平衡能力下降最大47.2％作为重新规划参考比例，得出从年轻人到深度老年人其身体执行日常活动的能力减少48.1％，即老年人及患者相对于年轻人只有51.9％的执行能力，那么时间应规划为年轻人的1.93倍。
人在STS运动过程中速度过快执行辅助运动对老年人及患者是不安全的，但过慢的辅助速度对人体膝关节损伤较大，过必须选择一个合适的辅助起立时间及安全辅助速度。如表1所示，通过对人前倾跌倒进行多组实验，实验结果分析得出人体在站立时其人体重心速度为200mm/s时为其安全速度阈值，为考虑其安全性将辅助速度值设计为所有未跌倒速度的均值为安全速度平均值140.3mm/s，同时也计算了危险辅助速度均值即跌倒速度平均值241.2mm/s，故而规划后的老年人及患者的安全速度、阈值速度、危险速度分别为：72.8mm/s、103.8mm/s、125.2mm/s。
本发明包含了STS运动过程中重心轨迹变化曲线用以指导辅助站立椅运动轨迹的设计，同时该年轻人的COM轨迹可作为STS运动轨迹，以及其重心的一系列辅助站立动力学参数；此外对于老年人及患者不同于年轻人，本设计通过对老年人肌力下降程度及平衡性减弱程度对所设计的轨迹动力学参数及安全速度进行合理的重新规划，进而到达设计要求。
表1 5名受试者跌倒情况
Claims (2)
1.一种辅助站立椅，其特征是，包括底座（1），所述底座（1）的上端面上设有坐板，所述底座（1）的上端面一侧边上设有靠背（2），所述的底座（1）上设有横梁（3），所述的横梁（3）上设有第一推杆气缸（4）和第二推杆气缸（5），所述的第一推杆气缸（4）置于远离靠背（2）的横梁（3）一端上，所述第二推杆气缸（5）置于靠近靠背（2）的横梁（3）另一端上，所述的坐板包括固定板（6）和活动板（7），所述的活动板（7）置于固定板（6）上，所述固定板（6）的左右两侧设有第一翻边（9），其中一个第一翻边（9）上设有导向槽且其外侧设有第三推杆气缸（8），所述固定板（6）的后端设有第二翻边（10），所述第二翻边（10）的两端均与第一翻边（9）衔接，所述第一推杆气缸（4）的一端固定在横梁（3）上，所述第二推杆气缸（5）的一端活动安装在横梁（3）上，所述第一推杆气缸（4）的另一端和第二推杆气缸（5）的另一端均活动安装在固定板（6）的底部，所述第三推杆气缸（8）的一端固定在第一翻边（9）和第二翻边（10）的衔接处，所述第三推杆气缸（8）的另一端通过导向槽与活动板（7）连接；所述的活动板（7）置于固定板（6）上两个第一翻边（9）之间且与第一翻边（9）间隙配合，所述的横梁（3）上以及固定板（6）的底部上均设有U形安装座（11），所述第二推杆气缸（5）的两端以及第一推杆气缸（4）的另一端上均设有转动轴，所述的第一推杆气缸（4）通过转动轴与U形安装座（11）的配合与固定板（6）活动连接，所述的第二推杆气缸（5）通过转动轴与U形安装座（11）的配合分别与横梁（3）以及固定板（6）活动连接，所述第三推杆气缸（8）的另一端上设有导向块（12），所述导向块（12）的一端固定在第三推杆气缸（8）的另一端上，所述导向块（12）的另一端穿过导向槽与活动板（7）固定连接。
2.一种辅助站立椅运动轨迹研究方法，其特征是，应用于如权利要求1所述的辅助站立椅，所述方法具体包括如下步骤：
（1）使用AMTI三维测力台对人体起立运动过程进行三维压力测量，得出运动过程时的压力变化曲线；
（2）使用VICON步态捕捉系统对人体起立运动过程中人体重心进行动态测量，得出人体重心轨迹，并进行一次二次求导得出其动力学曲线；
（3）将AMTI三维测力台测出的压力变化曲线与人体重心轨迹进行结合分析，将人体起立运动分为三个阶段的运动，并对三阶段逐一分析；
（4）得出各阶段的辅助动力学参数。
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