談輪柱可切換無動力助行器結構設計
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摘要：中國人口老齡化趨勢加劇，老年人口基數龐大，但是針對老年人設置的服務機構和人員極度匱乏，老年人的出行出現困難。針對于此，文章設計了一款適合老年人出行的助行器，助行器的設計以安全、舒適為主，并綜合考慮適合老年人的著色處理。
關鍵詞：助行架；無動力；老年人；可切換
引言
我國從2000年就已經進入人口老齡化社會。有關專家預測到2050年，我國老齡人口將達到總人口的三分之一[1]。老年人身體機能衰退，尤其是下肢肌纖維肌力退化，正常行走出現障礙，出行不便運動量減少，又導致肌纖維進一步加速萎縮，行動能力減弱。目前市場上的助行器主要有三類：一是無動力助行器，沒有外部動力源，僅通過將下肢負重轉移到上肢來進行步態輔助；二是動力式助行器，動力助行器擁有外部動力源，多以電力驅動輔助人體完成步行；三是功能性電刺激助行器，這類助行器在設計中加入功能性電刺激。我國的國情決定了價格低廉的無動力助行器將在市場上占據主導地位，但市場上無動力助行器存在功能不全、操作復雜和安全性不高等特點，針對以上幾點設計出更具使用價值的助行器用以解決老年人自主出行方便和安全的問題[2]。
1功能分析
1.1無動力助行器對比
（1）固定式助行器固定式助行器安全系數高，但使用頗為費力，不適宜長時間外出使用。（2）前輪式助行器前輪式助行器不用抬起架身，對上肢力量弱的老年人很友好，而且操作簡單，但只適合行走，不能坐下來休息。（3）平臺式助行器平臺式助行器有四個腳輪，可以向任意方向移動，但遇到坡道等復雜路面即使有剎車系統老年人也難以控制，安全性不夠。通過對無動力助行器不同的類型進行比較，發現市場上現存的助行器存在或多或少的問題，本設計以此出發設計更適合老年人出行的助行器。
1.2功能需求
通過以上分析得出老年人助行器需具有以下功能：（1）剎車功能：在實際使用過程中既要起到輔助行走的功能，還能保護老年人的人身安全。（2）輪柱切換功能：即擁有輪式和柱式兩種形態，這樣老年人既可行走鍛煉，亦可在累時由護理人員送回。（3）舒適的座椅：符合老年人的靠椅和著色處理。
2結構設計
2.1框架
人的身高會隨著年齡的增加而逐漸降低，為使助行器更貼合老年人的實際情況，應以老年人的身體數據來確定助行器的具體尺寸。助行器主要的使用對象是60歲～70歲的弱行動能力的老年人，其身高（1538mm～1651mm）、臀寬（324mm～329mm）[3]。其握把高度應設計為77cm～83cm范圍內。老年人在使用助行器的過程中人需要進入助行器框架內進行活動，因此助行器寬度應加上左右各10cm的活動距離即在52cm～53cm范圍內。
2.2折疊座椅
在坐姿狀態下，老年人的背部重量主要分布于胸椎上。應在腰椎和頸椎部分設置相應的支撐結構，在此條件下脊椎骨才會以正常的弧度彎曲，從而使脊椎各個部分均勻受力。座椅的設計應該充分考慮老年人身體實際數據。考慮到步行途中需要座椅在折疊狀態，用松緊螺紐來實現折疊。圖1為老年人測試坐姿角度圖，對助行器坐姿狀態下的舒適度的研究表明：大腿與軀干之間的夾角A2、軀干與豎直方向的夾角A1以及大腿與小腿之間的夾角A4之間存在如下線性關系：A2＝48.55°+0.925A1+0.318A4以上三個角度是關系到老年人坐姿舒適程度的主要因素，因此，需依據老年人的身體參數來定義以上三個角度。在坐姿狀態下，人體頸部與豎直方向夾角A1為0°時人體脊柱變形的程度最少，越向后傾斜腰椎的后凹程度越大。不正確的坐姿使脊柱形成不正常的彎曲，而由于老年人脊柱形態特點決定這種彎曲程度將逐漸加劇。因此，軀干傾斜的角度越小，老年人脊柱變形的程度越小。所以在老年人助行器的設計中，A1在10°～15°的區間取值。在實際使用的過程中為了避免老年人在坐姿狀態下向前滑動，座墊都會設計與水平面成3°～8°的夾角，即A3為3°～8°。同時，由于在坐姿狀態下時小腿回縮，相對直立，大腿與小腿之間的夾角A4的取值范圍受到限制，取值范圍變小。由上圖的幾何關系可知：A2=A1-A3+90°計算得到：A2∈[92°，102°]從而得到：A4∈[93°，139°]老年人坐姿各角度的范圍如表1所示：
2.3剎車結構設計
老年人注意力渙散，對危險沒有可靠的預判，且上肢的握力較小，因此需設計一種僅依靠自身行走時的重力就可完成剎車動作的剎車系統。設計時可將輔助行走的手柄和剎車系統的手柄結合起來，當老年人完成移動助行器的動作后，以手柄為支撐進行腿部運動時手部向下的力來完成剎車動作。這樣既保證了老年人行走時的安全，也不用頻繁的用力緊握剎車手柄而造成手掌受傷。結構如圖2所示。
2.4輪柱切換結構設計
我國老年人的生活現狀是：一般是夫妻一起生活，且多數情況下其中一個老人行動能力較強，能夠獨立自主生活并在一定程度上照護老伴兒。當下市場上的無動力助行器只有輪式、柱式和前輪式。雖然柱式可以切換為輪式，但需要攜帶、安裝螺栓固定相應的配件，安裝復雜難以實時完成。因此助行器最好有輪式、柱式兩種形態可以隨時隨地完成輪柱的切換。由于老年人肌肉衰退，需較大力量來完成輪柱切換的結構不可取。考慮到操作性和整體重量，將后兩條支撐柱設計為可伸縮，當柱腿收縮時便實現了由柱式切換為輪式。伸縮結構如圖3所示。
3基于老年人心理的著色處理
有關研究發現老年人對黃、橙、紅的感知能力比對藍、綠、紫的感知能力要強得多。因此，助行器的剎車手柄應選用老年人容易注意的橙色。并且隨著年齡的增加，老年人的性格也會變得平和安詳，他們更加喜愛穩重、素雅、低調的灰白黑的中間色，這些顏色能夠使老年人產生親切感和愉悅感，因此在助行架的框架顏色選擇灰色，座墊及靠背選擇黑色。老年人在使用助行器步行途中大概率要穿過馬路和交通繁忙的街道，過往車輛對老年人是一種威脅，為了警示來往車輛為老人讓行，還應在助行器上設置灰色作為警示色，將部分桿件渲染成灰色，保障老年人的安全。最終產品如圖4所示。
4結束語
本文在中國老齡化的背景下，設計出一種適合老年人出行的助行器，這在一定程度上緩解了子女不在身邊，老年人得不到足夠照應的問題。
參考文獻：
[1]王霞.中國人口結構變動與老齡化問題研究[J].濟南大學學報（社會科學版），2015，25（02）：66-69.
[2]敬菲菲.老年人無動力助行器研究與設計[D].西南交通大學，2009.
[3]段凌，馬如彪，曾爾亢，等.1406例老年人身高、體重與體重指數調查分析[J].中國民康醫學，2014，26（05）：87-89.
作者：彭國慶 顧曉猛 劉劍鋒 夏余平 單位：湖南科技學院