TRIZ理論與人機工程學原理在多功能助老裝置設計中的應用

許春霞，張 涵，胡 瑞，，YANG Yue，周睿迪，羅志偉，熊 震

(1.南昌工程學院 江西省精密驅動與控制重點實驗室，江西 南昌 330099；2.南昌大學 先進制造學院，江西 南昌 330031；3.The Department of Mechanical Engineering，TheUniversity of Sheffield，Sheffield，S1 3JD)

隨著年齡增長，人的體能、感官和認知能力等身體機能都在衰退；同時，由環境污染和交通事故引起的疾病、意外等導致越來越多的人喪失生活自理能力，這使得助老助殘成為全社會的研究熱點。據調查老年人非?？释獬雠c他人交流，同時適量的戶外活動也有助于老人保持身心健康[1]。助老機械能幫助老年人最大限度地恢復或替代下肢功能，滿足自主生活能力，因此對助老助殘產品的社會需求日益增加[2]。

近年來，國內外已開發出以拐杖和座椅為載體的具有不同輔助功能的助老裝置。周杰[3]等開發了一種能夠自主分析拐杖自身平衡狀態的智能單拐，其可分辨老人行走狀態并判斷是否摔倒，能及時反饋老人的位置狀態而縮短救助時間。景婷婷[4]等在單拐上引入嵌入式系統，集成照明、摔倒呼救、GPS等功能以方便老人出行。Ridder[5]等在雙拐中添加活動傳感器，可記錄病人活動狀態，并將患者運動信息反饋給醫生，并以此作為醫生診斷依據。曾宇露[6]等運用 TRIZ 創新設計理論，結合阿奇舒勒矛盾矩陣，對如廁助力產品的輔助形式和結構進行設計，同時引入防滑機構實現了如廁助力裝置的設計。Kundu[7]等設計了具備智能控制功能的電動輪椅，其依據肌電意圖界面來獲取前臂肌肉的傳遞信號，并運用神經網絡分類器判別用戶的意圖，進而實現對輪椅運動方向的控制。

上述的助老拐杖設計存在輔助功能單一、舒適性低、成本高和推廣難的缺點，無法滿足老人的獨自戶外出行需求?；诖?，本文根據TRIZ理論和人機工程學原理設計出精簡型多功能助老裝置，以多功能模塊結構為核心，通過有限元法分析助老裝置的力學性能，并通過實物制備驗證了方案的可行性。

1 基于TRIZ理論對多功能助老裝置問題分析

TRIZ理論是Altshuler在研究250萬件專利的基礎上提出的多學科結合的創新理論體系[8-10]，其遵循發明創造過程中的科學原理、方法和規律，幫助開發人員解決實際工程問題。作為解決設計問題工具包的TRIZ理論[11]，矛盾矩陣是其最重要的工具之一。矛盾矩陣能高效解決技術矛盾，對問題進行深入研究以找到簡單、高效、經濟的解決方案[12-14]，解決實際問題中出現的技術沖突描述，并在此基礎上確定工程參數，在沖突矩陣中選擇相應的發明原理，再根據發明原理找到問題解決方案模型，并確定最終方案以達到優化產品功能的目的[15]。

多功能助老裝置應用TRIZ方法可以被封裝為4個步驟[16]：

(1)多功能助老裝置具體問題模型，將問題轉換為識別技術沖突。

(2)通過匹配改善參數和惡化參數，與39個TRIZ工程參數的列表進行映射來構建矛盾矩陣。

(3)確定設計參數之間的矛盾參數問題：增加功能會導致助老裝置的重量增加、助老裝置變身模塊的加入會使助老裝置的機械結構變得復雜。

(4)依據矛盾矩陣和40條TRIZ原則，選擇合適的TRIZ發明原則并解決相關矛盾。

1.1 阿奇舒勒矛盾的參數識別

目前助老裝置存在輔助功能單一、難以滿足老人獨自出行需求的問題，如戶外需要休息、如廁、起身難等。若為迎合特殊人群的需求增加助老裝置的功能，將導致其重量增加；此外，助老裝置的機械形態結構會隨著自動化水平的提高而變得復雜。因此，基于上述確定的設計參數(改善參數與惡化參數)之間具有兩個矛盾：第一個矛盾中確定的改善參數是多功能性，而與之相關的惡化參數是座椅的重量增加；第二個矛盾中確定的改善參數是助老裝置自動化水平，而與之相關的惡化參數是裝置的機構復雜性。

1.2 阿奇舒勒矛盾的矩陣構建

在認識并確定出設計要求之間的矛盾后，在多功能助老裝置創新設計過程中將改善參數、惡化參數與39個TRIZ工程參數進行準確映射，映射目的是構建改善參數和惡化參數的矛盾矩陣，并識別出合適的TRIZ發明原理[12]。表1闡明了所選TRIZ工程參數與相關發明原理之間的關系。

1.3 開發設計策略

基于使用 40 項發明原理方法的開發設計策略，其主要通過檢查矛盾矩陣(見表 1)得到解決矛盾所需的發明原理[13]。為實現多功能助老裝置設計并避免總重量增加，選定的創新原則具體有分段(No.1)、多功能(No.6)、抗重(No.8)和動力學(No.15)。進一步地，為提高座椅的自動化水平同時避免其結構的復雜性，本裝置選擇了分割(No.1)、倒置(No.13)、顏色變化(No.32)和動態(No.15)的發明原理；最后，依據矛盾矩陣提出的創新原則和選擇最相關的原則(即普遍性(No.6)、反轉(No.13)和動力學(No.15))作為多功能助老裝置創新設計的指導思想。表2解釋了基于公認的發明原理所采用的設計策略。

根據阿奇舒勒矛盾矩陣同時結合實際條件，確定應用3條發明原理。針對多功能助老裝置解決自重偏大、功能單一、機械機構復雜等難題進行了創新設計，具體設計策略為提高多功能助老裝置的多功能性、減輕整體重量、提高自動化水平以及降低機械結構復雜性。所用原理如下：

(1)應用No.6多功能原理，將座椅、坐便椅與拐杖功能結合重構設計出多功能助老裝置。坐便板和座椅板通過合頁連接在一起，并通過翻折板可在座椅和坐便椅之間切換。

(2)應用No.13反演原理，輔助起身機構+扶手輔助老人如廁坐下和站立。多功能助老裝置如廁機構每一部分都裝有電機，將電能變換成機械能傳遞給支撐桿，再由支撐桿撐起坐便板，從而達到輔助起身效果。

(3)應用No.15動態性原理，多功能助老裝置變換成拐杖形態時，將坐便板從側面翻起并固定在主骨架扶手上，即可拆分為兩根拐杖。雙拐不僅大大增加了穩定性且防滑功能也更加出色，需要休息時兩座椅板翻下蓋住坐便板就可形成座椅。

表2 基于選定TRIZ發明原理的設計策略

2 多功能助老裝置的創新設計

2.1 整體結構

本裝置是一種多種功能耦合形成的新型助老裝置，其主體是基于人機工程學原理與TRIZ理論重構多功能助老裝置的機械連桿結構。多功能助老裝置結構如圖1所示。主架骨①起主要支撐作用，坐便板②和座椅板⑤通過合頁⑦連接在一起，可通過翻折實現座椅和坐便椅之間切換；將坐便板從側面翻起，固定夾的另外一邊固定在主骨架扶手上，同時也把固定腿夾的另一邊固定在同側主骨架上，這樣即可將該裝置拆分為兩根獨立拐杖；當為座椅形態時，也可當作行走座椅四腳拐杖來使用。座椅扶手具有伸縮性，可根據需要伸長為支撐拐杖，以幫助殘疾老人在康復期間行走。

圖1 多功能助老裝置三維模型及其實物樣機圖注：1—主骨架；2—坐便板；3—固定腿夾；4—舵機；5—座椅翻折板；6—放音器放置盒；7—合頁；8—自鎖扣；9—車輪；10—彈簧

2.2 多功能助老裝置設計方案具體化

多功能助老裝置設計方案的核心理念是根據需要輕松轉換工作狀態，最終實現輔助老人獨立外出與生活。各工作狀態如圖2所示。

圖2 多功能助老裝置工作狀態圖

多功能助老裝置結構設計分為可分離單雙拐機構、坐便機構(此時合體也是行走座椅四腳拐杖機構，如圖2(b)所示)、輔助起身機構。三個機構的設計方案、功能都進行了具體化設計，多功能助老機械的總—分功能解析如圖3(a)所示。相應地，該助老裝置主要有I、II兩個變形控制環節組合，實現上述工作狀態變形，控制工作原理如圖3(b)所示：(1)變形控制環節I中舵機④驅動座椅翻折板⑤，實現坐便椅和座椅的變形工作，同時坐便/座椅休息機構合體時也是行走座椅四腳拐杖機構。變形控制環節II中，固定腿夾③配合變形控制環節I可實現輔助起身機構；(2)裝置需要變換成拐杖形態時，只需將變形控制環節I中坐便板②從側面翻起，再把固定夾③固定在主骨架扶手上，另外固定腿夾也將另一邊固定在同側主骨架①上，這樣裝置即可拆分為兩根拐杖，即實現單雙拐機構。

圖3 多功能助老裝置總體技術圖注：1—主骨架；2—坐便板；3—固定腿夾；4—舵機；5—座椅翻折板

2.2.1 可分離的單雙拐機構設計

可分離單雙拐機構是多功能助老裝置的重要組成部分，本文運用TRIZ理論解決技術矛盾的方法對助老裝置進行了創新設計，可實現按實際需求選擇單拐或雙拐狀態。單拐主骨架擁有兩根支撐腿支點，顯著提升穩定性和防滑能力，如圖2(c)所示；雙拐機構整體豎向分離變成兩根拐杖，可輔助老人和下肢殘疾者獨立行走，如圖2(d)所示；當老人需要休息時也可將單拐拼接到一起變成座椅，如圖2(a)所示?？煞蛛x的雙拐機構主架采用重量輕但耐用的不銹鋼空心管，能承載整個機械機構和操作中用戶的自身重量。

2.2.2 坐便機構設計

坐便機構由4塊板子通過4片合頁兩兩連接組合構成，通過板子的翻轉折疊可便捷收放，實現座椅與坐便兩個功能的變換：將座椅板合起來覆蓋坐便板就能轉變為休息座椅，而將座椅板翻折打開就能變成坐便椅；這解決了老人戶外上廁所只能蹲便的難題，同時也能滿足老人坐下休息時當成座椅的需求，坐便機構結構示意圖和實物圖分別如圖4(a)和4(b)所示。

圖4 坐便機構結構示意圖(a)及實物圖(b)注：1.座椅板 2.開折合頁 3.坐便板 4.支撐主骨架

2.2.3 輔助起身機構設計

輔助起身機構由座椅腳①、支撐桿②和坐便板③組成，電機和支撐桿一端與連接軸固定連接在座椅腳，另一端同座面板固定。老人起身時，電機帶動支撐桿繞軸旋轉抬高，使坐便板上翻輔助老人起身，幫助老人更輕松地站起。該機構的原理簡圖和實物圖分別如圖5(a)和5(b)所示。

圖5 助起身機構原理簡圖及其實物圖注：1.座椅腳 2.支撐桿 3.坐便板

輔助起身機構是一個連桿機構，支撐桿/驅動桿(2)一端連接電機B，另一端連著坐便板(3)，座椅腳(1)與坐便板鉸接，鉸接點為A。當電機驅動桿(2)向上翻轉使得坐便板緩慢上升，從而實現輔助老人起身功能。

在平面機構中，只有原動件才能夠獨自運動，而從動件是不能夠單獨運動的，且一個原動件只有一個獨立運動。因此，在設計機構時自由度(F)會等于原動件數。機構具有確定運動的條件是：機構的F>0，且F=原動件數；如果機構F=0，則機構不能運動；如果機構F>原動件數，則機構的運動是不可知的；機構F<原動件數，機構不能運動并會損壞機構脆弱的部分?；诖?，計算F時需要考慮機構中的復合鉸鏈、虛約束以及局部自由度這些情況。平面機構F計算公式[14]為

F=3n-2PL-PH，

(1)

式中n表示機構中活動構件數，PL為低副數，PH為高副數。

輔助起身機構為3桿的平面機構(如圖6(a)所示)，其中活動構件數為3、轉動副數為3、移動副數為1，所以低副數PL=4，高副總數PH=0。根據式(1)計算可得，輔助起身機構的F為

F=3×3-2×4-0=1，

(2)

基于計算結果可知，輔助起身機構只需一個原動件就能實現輔助起身功能。

2.3 基于人機工程學原理設計多功能助老裝置

目前，助老裝置的開發傾向于從機械設計角度出發而忽略了用戶(人)和助老裝置(機器)之間的人機學工程原理，而多功能助老裝置是老人日常使用物品，操作的舒適性應該受到足夠重視?；谌藱C工程學原理對產品結構尺寸設計，助老裝置的整體設計都需綜合考慮老年人的身體尺度、生理特性及裝置使用過程中的舒適性等因素。

通過參考市面上助老裝置尺寸設計值與GB10000—1988《中國成年人的體型尺寸》，其中成年人尺寸國家標準如表3所示。表3中，四列數據對應百分位數由左至右分別為5、50、90、99。國標沒有全面測量分析老年人的身體尺寸，但我國60～80歲老年男性身髙平均下降1.9%，60～80歲的老年女性平均身高下降4.0%，可依此來推算老人身高[15]，本文在此基礎上設計了符合中國老年人身高尺寸的多功能助老裝置。

表3 人體部分坐姿尺寸 mm

(1)座椅高度

座椅高度是指當裝置為座椅形態時地面與座椅面之間的距離，如圖1(a)所示。合理的座椅高度能使老年人坐下休息或者如廁時大腿接近水平位置，以防止大腿與座面貼合不足而引起肌肉酸痛，同時小腿也能舒服地自然垂放。本文以老年男性的平均身高尺寸為設計依據，初步確定座椅高度為460 mm；老年女性的助老裝置設計可參考本文的設計方案和過程。

(2)座椅寬度

座椅寬度是指橫向方位上座椅左端面到右端面的距離。人體上半身75%的重量通過脊柱傳遞到距離其骨尖以下25 cm處的坐骨結節進而傳到座面，這使得座椅的接觸面上形成了兩個接觸點并承受大部分重量，因此座椅寬度必須大于使用者的坐姿臀寬。但座椅寬度也不能過寬，否則會導致重心容易朝一側偏移而發生受力不平衡現象，進而引起側翻?；谏鲜龇治?，本文初步確定座椅寬度為510 mm。

(3)座椅深度

座椅深度是指座椅豎向距離。座深的設計要保證臀部得到充分支撐的同時也要給大腿留出一定空間，這樣小腿后部與座面前端之間才能留有活動的空間并保持小腿能夠較輕松地擺放。此外，為了讓座椅更具有自適應性，座深的設計通常應按照身型尺寸較小的人群設計，而身型尺寸偏大者則可調整小腿支撐角度與位置，同樣可改善坐姿的舒適程度?；诖?，本文初步確定座椅深度為450 mm。

除了參考人體坐姿尺寸表、市面上助老裝置整體尺寸以外，還應考慮使用者的實際操作、姿勢等其它因素，對上面尺寸進行適當合理的修正后，確定座椅的各尺寸如表4所示。

表4 修正后多功能助老裝置尺寸表 單位：mm

3 多功能助老裝置關鍵零件的應力應變

采用有限元軟件分析多功能助老裝置主要零件承載后的屈服應力分布，對零件工作的使用許可及性能表征具有重要意義[16]，可驗證多功能助老裝置理論設計的可行性。本文通過分析坐便板、主骨架等關鍵零件在承重下的應力應變，即在588 N負載(老人半身體的重量)下其最大應力和零件變形量，在樣機制備與試驗之前驗證本設計方案的可行性，同時也可有效避免搭建實物并測試造成的人才物力財力浪費。

3.1 坐便板的應力應變

多功能助老裝置主要功能是幫助用戶獨自站立、休息以及如廁，其中坐便板為整個結構直接承重且受力最大的零件，是關鍵零部件之一。坐便板材料選用尼龍-6板，其坐感比木板舒適，且剛性大、強度高、尺寸穩定性好，符合人機工程學原理的設計要求。

坐便板外裝幾何尺寸設計參考老人的身體尺寸，其長400 mm，寬250 mm，厚25 mm，同時在板表面區域內施加老人一半的體重588 N，模擬老人端坐在座椅上。由于坐便板具有規則性的軸對稱特性，結合精簡有限元模型的運算，本文采用半邊座椅為分析模型，運用SolidWorks Simulation分析該零件的受力及變形情況是否滿足設計要求。圖6(a)為坐便板強度剛度分析的三維模型，圖6(b)～(c)是有限元分析結果。

由圖6坐便板的應力應變圖可知，在靜載荷作用下坐便板兩端的承受應力較大，且最大應力約為32.13 MPa，遠小于尼龍-6板的理論屈服應力(139.00 MPa)，這表明材料承重許可完全符合強度設計要求；承重條件下最大位移變形量發生于坐便板的中部，約為0.15 mm，這表明該零件完全符合剛度設計要求，能夠承受老人的整個身體重量。

圖6 坐便板的三維模型及其應力應變分析

3.2 主骨架的有限元分析

因衰老和疾病引起的下肢肌力下降是老年人和殘疾人站立和行走困難的主要原因，助老裝置中的主骨架可以減少用戶在站立過程中的下肢肌力，并可最大限度地減少用戶在提升過程中的下肢肌肉力量。本文主骨架設計采用較好重量—強度比的不銹鋼空心管，在滿足不影響裝置機械性能和工作穩定性的前提下可最大限度地減輕裝置重量，以提高裝置的靈活性和便攜性。

采用靜態結構分析以驗證框架設計可行性，靜載荷條件下施加人體一半的體重588 N并應用SolidWorks Simulation對具有所有邊界條件的主骨架進行靜態結構分析。由圖7主骨架的應力應變圖可知，在承受靜載荷條件下主骨架下部桿架的承受應力和變形較大，且最大應力約為40.27 MPa，遠低于AISI304不銹鋼的屈服應力(206.8 MPa)，這表明其強度符合設計要求。同時，承重條件下發現最大位移變形量也發生于主骨架下部的桿架中，約為0.02 mm，這表明該零件完全符合剛度設計要求，完全能夠承受老人的整個身體重量。

圖7 主骨架有限元分析

4 結束語

針對現有助老裝置操作相對復雜、功能單一、人性化和舒適度一般等而難以很好地輔助老齡人戶外安全出行這一問題，本文從滿足老年人的實際需求出發，基于TRIZ理論和人機工程學原理創新設計并制作了新型多功能助老裝置，對其進行了結構設計、有限元仿真分析并開展了實物制備。結果表明：該裝置能夠幫助缺乏獨立行動能力的老年人或殘疾人安全出行，具有較好的應用前景和工程價值。具體研究結果如下：

(1)運用TRIZ理論與人機工程學原理，將多功能助老裝置中存在的技術矛盾轉換為具體的重量增加與結構復雜兩個技術矛盾，并尋求到了解決技術創新設計過程中的發明原則；

(2)將人機工程學原理運用到多功能助老裝置尺寸人性化上，優化助老裝置主要構件的尺寸參數，以提升使用過程中的舒適性，優化后座椅尺寸為：高度460 mm、寬度510 mm和深度450 mm；

(3)通過有限元法對坐便板與主骨架進行了承載條件下的強度和剛度的許用性有限元分析，以驗證助老裝置尺寸與選材的合理性，并得出施加588 N重力時，坐便板和主骨架承受的最大應力分別為32.13 MPa和40.27 MPa，最大位移變形量分別為0.15 mm和0.02 mm，結果遠小于兩種材料的理論最大應力值和最大變形值，計算結果符合強度和剛度要求。