座椅高度对老年人坐立转换时股骨近端应力分布影响的有限元分析

目的:通过建立股骨近端有限元模型,分析在坐立转换站立阶段初期,老年人的股骨近端在不同座椅高度起立的应力特征和应变数据,探讨其损伤的风险。方法:将老年人股骨近端CT影像进行三维重建、逆向建模完成实体模型。通过材料赋值和网格划分建立有限元模型,基于有限元分析软件ANSYS,进行边界条件约束,并加载1445 N、1579 N、1767 N、1916 N的载荷,得到不同座椅高度下,坐立转换站立阶段初期时老年人股骨近端的应力分布和应变数据。结果:股骨颈和大转子内侧边缘在各个座椅高度的仿真结果中均为应力集中区,在65%座椅高度时,股骨干处也为应力集中区。115%、100%、80%、65%标准座高的应力峰值,男性为23.25 MPa、26.27 MPa、27.69 MPa、33.47 MPa,女性为24.00 MPa、26.62MPa、27.09 MPa、33.90 MPa,微应变峰值男性为1968、2226、2341、2740,女性为1604、1782、2149、2724。结论:股骨近端的股骨颈和大转子内侧边缘在老年人坐立转换中有较高损伤风险,在座椅较低时,股骨干也有较高的损伤风险;坐立转换中座椅高度的降低会增加股骨近端的损伤风险;性别差异不会影响坐立转换中股骨近端的损伤风险。

老年人坐立转换时股骨近端应力分布的有限元分析

目的通过建立股骨近端有限元模型,分析在坐立(sit-to-stand,STS)转换站立阶段初期,股骨近端在自选速度起立和快速起立条件下的损伤风险。方法将老年人股骨近端CT影像三维重建、逆向建模完成实体模型。通过材料赋值和网格划分建立有限元模型,基于有限元分析软件ANSYS,通过边界条件约束,并加载1.733、1.837 kN载荷,得到不同起立速度下股骨近端的应力分布和应变。结果应力集中区域均为大转子内侧边缘和股骨颈。应力和微应变峰值出现在大转子内侧边缘。快速起立下应力峰值为30.16 MPa,微应变峰值为2553.5;自选速度起立下应力和微应变峰值较低,分别为28.69 MPa和2430.4。对于股骨颈应力集中区,快速、自选速度起立下应力范围分别为13.42~23.46、12.76~25.51 MPa。结论频繁的STS转换会使老年人股骨近端有疲劳性骨折的风险;快速STS转换比自选速度STS转换对股骨近端有更高的损伤风险。

基于膝关节支撑的人体坐立转换运动轨迹研究

目的研究基于膝关节支撑的人体坐立转换轨迹及运动学规律,为设计具有膝关节支撑的转移辅具提供依据。方法2019年4月至6月,招募20例健康志愿者,按照身高和性别分为三组,在膝关节支撑的前提下分别进行足间距离为20 cm和30 cm的坐立转换试验。每个试验重复两次,间隔1 min。采用高清相机记录试验过程中每个受试者肩部(腋窝处)和膝关节处的运动轨迹,分析不同身高和体质量受试者的运动学规律。结果身高172 cm以下的受试者,足间距离为20 cm时身体前倾距离小于30 cm时;身高173 cm以上的受试者,足间距离为30 cm时身体前倾距离小于20 cm时。体质量指数(BMI)<23.9 kg/m^2的受试者,足间距离为20 cm时躯干前屈位移小于30 cm时;BMI>23.9 kg/m^2的受试者,足间距离为30 cm时躯干前屈位移小于20 cm时。受试者坐立转换过程平均用时(1.7±0.05)s。结论坐立转换过程中,不同足间距离影响关节的伸展方式以及躯干前屈的位移和身体前倾的距离。随着身高和体质量的增加,适当增大足间距离能够降低人体在坐立转换过程的难度,且随着BMI值的增加,坐立转换所用时间也随之增加;女性坐立转换时间略高于男性。

基于膝关节支撑的两自由度人体坐立转换辅具的设计和运动轨迹控制

目的:研究一种两自由度坐立转换辅助装置的设计和轨迹控制方法。方法:对20名受试者分组进行坐立转换实验,分析受试者在不同坐立转换阶段的运动轨迹及运动学特征参数。结果:给出了3组不同百分位和不同性别的人体的推荐坐立转换轨迹;提出了坐立转换辅具的设计方案,并设计了一款基于膝关节支撑的两自由度人体坐立转换辅具;建立机电控制系统,实现了两自由度人体坐立转换辅具的运动控制。结论:坐立转换过程采用膝关节支撑可以提高站立辅助的效果,并提高安全性。各种类型的患者身体状态有所不同,该坐立转换辅具可根据不同患者的身体状态进行辅助阶段的选择。

基于坐立转换的老人辅助站立装置的研究与设计

为了解决老人独自在家久坐或如厕后起身困难的问题,从生物力学角度对人体坐立转换行为进行分析,建立了老人坐立转换生物力学模型,并根据模型分析结果,设计了一种老人下肢坐立转换装置,包括框架、辅助站立机构、托举机构、便捷如厕机构。以两对电动推杆为动力,分别驱动辅助站立机构进行双臂伸展支撑、托举机构进行臀部托举。经实验证实:该装置可有效辅助老人进行坐立转换,对提高老人生活自理能力及生活质量具有重要意义。

基于人体坐立转换运动规律的三自由度站立康复机器人设计

目的:探究以何种方式设计站立康复辅具,降低因人机匹配度差导致的固化姿态形成几率。方法:选取30例成年健康男性受试者,捕捉其坐立转换时肩峰、大转子隆起处、外侧髂隆起处的运动轨迹和运动特征。提出了三自由度串联机械臂设计方案。结果:根据受试者的运动特征将坐立转换过程分成了四个阶段。根据不同受试者的人体参数,推荐了三条大转子轨迹,设计了三自由度站立康复机器人。结论:站立康复辅具应以大转子位置为辅助支撑点为佳,小腿的自由度不应被限制,配合控制躯干倾角,以保证与自然状态下的站立过程较高的相似度。站立康复辅具能够根据不同人体参数调整坐立转换的运动轨迹,避免人机融合性差导致错误的固化姿态。

基于坐立转换运动轨迹的如厕辅助装置设计

目的基于人体坐立转换运动轨迹设计一种符合人机工程学的如厕辅助装置,以提高老年人如厕的安全性和舒适性。方法2020年10月至11月,使用惯性测量单元对12例健康受试者进行坐立转换试验,获取不同速度下运动轨迹,并与现有研究的运动轨迹在0°、10°、20°、30°和40°倾角坐姿下进行马桶座圈有限元压力比较,以及站立后平衡分析。20例20~60岁的健康人采用本装置进行如厕体验。结果在4个倾角坐姿下,本研究运动轨迹对马桶座圈的压力小于现有研究的运动轨迹;坐立转换过程中,质心轨迹的垂直投影位于压力中心范围内,满足站立平衡条件。如厕体验多数指标为满意以上。结论提出一种新的坐立运动轨迹,基于该运动轨迹设计的如厕辅助装置平稳舒适。