Analysis of Variable Sit-to-Stand Assist Chair 

This study addresses the growing problem of lumbar diseases, which are increasing each year due to aging, lifestyle factors, accidents, and pregnancy, and focuses on the design and analysis of a new assistive chair to aid the Sit-to-Stand (STS) movement. According to the World Health Organization (WHO), 619 million people worldwide suffered from lower back pain in 2020, and the number is projected to reach 843 million by 2050. Lower back pain is the most common musculoskeletal disorder globally and a leading cause of disability. Elderly individuals and those with weakened lumbar muscles often experience significant discomfort and a reduced quality of life when rising from a seated position. Existing assistive chairs are typically motorized with built-in batteries, designed primarily for the elderly or specific patients, but these solutions are heavy, costly, and raise concerns about potentially accelerating long-term muscle weakness.

To address this issue, the study proposes a non-motorized variable assistive chair based on the principle of the first-class lever. When the user presses down on the armrests, the seat lifts simultaneously, supporting the hips and waist as the seat and backrest rise naturally to aid the STS movement. This mechanism incorporates a spring system for automatic return, making it lightweight, simple, and adaptable to a wide range of environments and users. The research team built a 1:1 prototype using aluminum profiles and conducted ergonomic analysis.

Direct testing with elderly or frail participants posed a high risk of injury; therefore, the study adopted a simulation-based experiment. Participants performed STS movements using a standard chair and three variations of the assistive mechanism (Fulcrum Points 1, 2, and 3), both with and without a lumbar support device. Movements were recorded from front and side views and analyzed using Google Teachable Machine, with hip and knee joint angles as key indicators.

The analysis revealed that wearing a lumbar support device generally increased hip and knee angles, potentially imposing greater strain rather than reducing it. However, the assistive mechanism of the proposed chair demonstrated a reduction in load on the lower back and legs by enabling participants to use the armrests during STS. Participants reported that standing up felt easier overall with the assistive function, particularly for shorter individuals, who found the forward-positioned fulcrum more comfortable. This was attributed to better alignment between the sitting position and the seat’s lifting trajectory, resulting in reduced hip and knee angles. Conversely, when wearing the lumbar support device, participants exhibited unstable and uncomfortable movements, highlighting the need for additional data collection and detailed analysis under various conditions.

In conclusion, the proposed variable assistive chair offers significant advantages: a non-motorized structure that lowers production and maintenance costs, while providing tailored support effects for users. Its potential applications extend beyond elderly individuals and patients with lumbar disorders to include the general population. Future research should focus on analyzing center of gravity (COG) shifts, integrating pressure sensors, and testing across diverse user groups to further validate the mechanism. This study provides a practical alternative to addressing the increasing challenges of STS in aging societies and offers meaningful academic and practical contributions by opening new possibilities in the design of future assistive chairs.

본 연구는 노화, 생활습관, 사고, 임신 등으로 인해 매년 증가하는 허리 질환 문제와 이로 인한 앉았다 일어나기(Sit-to-Stand, STS) 동작의 어려움을 해결하기 위한 새로운 보조 의자 설계와 분석을 다루고 있다. WHO에 따르면 2020년 전 세계적으로 6억 1,900만 명이 요통을 겪었으며, 이는 2050년까지 8억 4,300만 명에 이를 것으로 예상된다. 요통은 전 세계에서 가장 흔한 근골격계 질환이자 장애의 주요 원인으로, 특히 노인이나 허리 근력이 약한 사람들은 앉은 자세에서 일어나는 과정에서 심각한 불편과 삶의 질 저하를 경험한다. 기존 보조 의자는 주로 고령자나 특정 환자를 위해 모터와 배터리를 장착한 전동식으로 제작되지만, 이로 인해 무겁고 고가일 뿐 아니라 장기적으로는 근육 약화를 촉진할 수 있다는 우려가 제기되어 왔다.

이에 본 연구는 1종 지레 원리를 이용한 비전동식 가변 보조 의자를 제안한다. 사용자가 팔걸이를 누르면 좌석이 함께 상승하면서 허리와 엉덩이를 받쳐주는 방식으로, 좌석과 등받이가 자연스럽게 들어올려져 STS 동작을 돕는다. 또한 이 메커니즘은 스프링을 통해 원위치로 복귀하도록 설계되어 가볍고 단순하며 다양한 환경과 사용자에게 적용 가능하다. 연구진은 알루미늄 프로파일을 이용해 1:1 비율의 프로토타입을 제작하고, 이를 기반으로 인체공학적 분석을 수행하였다.

실험은 실제 고령자나 허약자를 대상으로 하면 부상 위험이 크기 때문에 시뮬레이션 방식을 채택하였다. 참가자들은 일반 의자와 보조 메커니즘이 적용된 세 가지 조건(지점 위치 차이에 따른 Fulcrum Point 1, 2, 3)에서 STS 동작을 수행하였으며, 이때 요추 보조 장치를 착용한 경우와 착용하지 않은 경우를 비교하였다. 실험 과정은 전·측면 카메라로 촬영되어 Google Teachable Machine을 통해 동작 분석이 이루어졌고, 특히 엉덩이 각도와 무릎 각도가 주요 지표로 측정되었다.

분석 결과, 요추 보조 장치를 착용하면 무릎과 골반의 각도가 전반적으로 증가하여 오히려 움직임에 더 큰 부담이 될 수 있음이 확인되었다. 하지만 보조 메커니즘이 적용된 의자에서는 팔걸이를 활용함으로써 STS 동작 시 허리와 다리에 가해지는 부하가 줄어드는 경향이 나타났다. 참가자들은 전반적으로 의자의 보조 기능을 통해 일어나기가 더 수월해졌다고 보고했으며, 특히 키가 작은 참가자는 받침점이 앞쪽에 위치할수록 더 편안함을 느끼는 것으로 나타났다. 이는 앉은 위치가 좌석의 상승 범위와 일치하면서 무릎과 골반 각도가 상대적으로 줄어들었기 때문이다. 반면, 요추 보조 장치를 착용한 조건에서는 불안정하고 불편한 움직임이 관찰되어, 다양한 조건에서 추가 데이터 수집과 정밀 분석이 필요함이 지적되었다.

결론적으로, 제안된 가변 보조 의자는 비전동식 구조로 제작비와 유지비가 적으며, 사용자에게 맞춤형 보조 효과를 제공할 수 있다는 장점을 가진다. 이는 고령자나 허리 질환 환자뿐만 아니라 일반인에게도 활용 가능성이 있다. 연구진은 향후 무게 중심(COG) 이동 분석, 압력 센서 활용, 다양한 사용자군을 대상으로 한 실험 등을 통해 이 메커니즘의 타당성을 더욱 입증할 필요가 있다고 제안한다. 본 연구는 노화 사회에서 증가하는 STS 문제를 해결할 수 있는 실용적 대안을 제시했으며, 나아가 향후 보조 의자 설계의 새로운 가능성을 열어줄 수 있다는 점에서 학문적·실무적 의의가 크다.