谈轮柱可切换无动力助行器结构设计
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摘要：中国人口老龄化趋势加剧，老年人口基数庞大，但是针对老年人设置的服务机构和人员极度匮乏，老年人的出行出现困难。针对于此，文章设计了一款适合老年人出行的助行器，助行器的设计以安全、舒适为主，并综合考虑适合老年人的着色处理。
关键词：助行架；无动力；老年人；可切换
引言
我国从2000年就已经进入人口老龄化社会。有关专家预测到2050年，我国老龄人口将达到总人口的三分之一[1]。老年人身体机能衰退，尤其是下肢肌纤维肌力退化，正常行走出现障碍，出行不便运动量减少，又导致肌纤维进一步加速萎缩，行动能力减弱。目前市场上的助行器主要有三类：一是无动力助行器，没有外部动力源，仅通过将下肢负重转移到上肢来进行步态辅助；二是动力式助行器，动力助行器拥有外部动力源，多以电力驱动辅助人体完成步行；三是功能性电刺激助行器，这类助行器在设计中加入功能性电刺激。我国的国情决定了价格低廉的无动力助行器将在市场上占据主导地位，但市场上无动力助行器存在功能不全、操作复杂和安全性不高等特点，针对以上几点设计出更具使用价值的助行器用以解决老年人自主出行方便和安全的问题[2]。
1功能分析
1.1无动力助行器对比
（1）固定式助行器固定式助行器安全系数高，但使用颇为费力，不适宜长时间外出使用。（2）前轮式助行器前轮式助行器不用抬起架身，对上肢力量弱的老年人很友好，而且操作简单，但只适合行走，不能坐下来休息。（3）平台式助行器平台式助行器有四个脚轮，可以向任意方向移动，但遇到坡道等复杂路面即使有刹车系统老年人也难以控制，安全性不够。通过对无动力助行器不同的类型进行比较，发现市场上现存的助行器存在或多或少的问题，本设计以此出发设计更适合老年人出行的助行器。
1.2功能需求
通过以上分析得出老年人助行器需具有以下功能：（1）刹车功能：在实际使用过程中既要起到辅助行走的功能，还能保护老年人的人身安全。（2）轮柱切换功能：即拥有轮式和柱式两种形态，这样老年人既可行走锻炼，亦可在累时由护理人员送回。（3）舒适的座椅：符合老年人的靠椅和着色处理。
2结构设计
2.1框架
人的身高会随着年龄的增加而逐渐降低，为使助行器更贴合老年人的实际情况，应以老年人的身体数据来确定助行器的具体尺寸。助行器主要的使用对象是60岁～70岁的弱行动能力的老年人，其身高（1538mm～1651mm）、臀宽（324mm～329mm）[3]。其握把高度应设计为77cm～83cm范围内。老年人在使用助行器的过程中人需要进入助行器框架内进行活动，因此助行器宽度应加上左右各10cm的活动距离即在52cm～53cm范围内。
2.2折叠座椅
在坐姿状态下，老年人的背部重量主要分布于胸椎上。应在腰椎和颈椎部分设置相应的支撑结构，在此条件下脊椎骨才会以正常的弧度弯曲，从而使脊椎各个部分均匀受力。座椅的设计应该充分考虑老年人身体实际数据。考虑到步行途中需要座椅在折叠状态，用松紧螺纽来实现折叠。图1为老年人测试坐姿角度图，对助行器坐姿状态下的舒适度的研究表明：大腿与躯干之间的夹角A2、躯干与竖直方向的夹角A1以及大腿与小腿之间的夹角A4之间存在如下线性关系：A2＝48.55°+0.925A1+0.318A4以上三个角度是关系到老年人坐姿舒适程度的主要因素，因此，需依据老年人的身体参数来定义以上三个角度。在坐姿状态下，人体颈部与竖直方向夹角A1为0°时人体脊柱变形的程度最少，越向后倾斜腰椎的后凹程度越大。不正确的坐姿使脊柱形成不正常的弯曲，而由于老年人脊柱形态特点决定这种弯曲程度将逐渐加剧。因此，躯干倾斜的角度越小，老年人脊柱变形的程度越小。所以在老年人助行器的设计中，A1在10°～15°的区间取值。在实际使用的过程中为了避免老年人在坐姿状态下向前滑动，座垫都会设计与水平面成3°～8°的夹角，即A3为3°～8°。同时，由于在坐姿状态下时小腿回缩，相对直立，大腿与小腿之间的夹角A4的取值范围受到限制，取值范围变小。由上图的几何关系可知：A2=A1-A3+90°计算得到：A2∈[92°，102°]从而得到：A4∈[93°，139°]老年人坐姿各角度的范围如表1所示：
2.3刹车结构设计
老年人注意力涣散，对危险没有可靠的预判，且上肢的握力较小，因此需设计一种仅依靠自身行走时的重力就可完成刹车动作的刹车系统。设计时可将辅助行走的手柄和刹车系统的手柄结合起来，当老年人完成移动助行器的动作后，以手柄为支撑进行腿部运动时手部向下的力来完成刹车动作。这样既保证了老年人行走时的安全，也不用频繁的用力紧握刹车手柄而造成手掌受伤。结构如图2所示。
2.4轮柱切换结构设计
我国老年人的生活现状是：一般是夫妻一起生活，且多数情况下其中一个老人行动能力较强，能够独立自主生活并在一定程度上照护老伴儿。当下市场上的无动力助行器只有轮式、柱式和前轮式。虽然柱式可以切换为轮式，但需要携带、安装螺栓固定相应的配件，安装复杂难以实时完成。因此助行器最好有轮式、柱式两种形态可以随时随地完成轮柱的切换。由于老年人肌肉衰退，需较大力量来完成轮柱切换的结构不可取。考虑到操作性和整体重量，将后两条支撑柱设计为可伸缩，当柱腿收缩时便实现了由柱式切换为轮式。伸缩结构如图3所示。
3基于老年人心理的着色处理
有关研究发现老年人对黄、橙、红的感知能力比对蓝、绿、紫的感知能力要强得多。因此，助行器的刹车手柄应选用老年人容易注意的橙色。并且随着年龄的增加，老年人的性格也会变得平和安详，他们更加喜爱稳重、素雅、低调的灰白黑的中间色，这些颜色能够使老年人产生亲切感和愉悦感，因此在助行架的框架颜色选择灰色，座垫及靠背选择黑色。老年人在使用助行器步行途中大概率要穿过马路和交通繁忙的街道，过往车辆对老年人是一种威胁，为了警示来往车辆为老人让行，还应在助行器上设置灰色作为警示色，将部分杆件渲染成灰色，保障老年人的安全。最终产品如图4所示。
4结束语
本文在中国老龄化的背景下，设计出一种适合老年人出行的助行器，这在一定程度上缓解了子女不在身边，老年人得不到足够照应的问题。
参考文献：
[1]王霞.中国人口结构变动与老龄化问题研究[J].济南大学学报（社会科学版），2015，25（02）：66-69.
[2]敬菲菲.老年人无动力助行器研究与设计[D].西南交通大学，2009.
[3]段凌，马如彪，曾尔亢，等.1406例老年人身高、体重与体重指数调查分析[J].中国民康医学，2014，26（05）：87-89.
作者：彭国庆 顾晓猛 刘剑锋 夏余平 单位：湖南科技学院