余志鵬，余志祥，吳　卓

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東佛山528333；2. Monash University，College of art design and architecture，Australia；3.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技處，廣東佛山528333）

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適老化智能坐便器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

余志鵬1，余志祥2，吳卓3

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東佛山528333；2. Monash University，College of art design and architecture，Australia；3.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技處，廣東佛山528333）

摘要：實現(xiàn)適老化智能坐便器座板垂直升降以及一定角度傾斜的功能，設(shè)計通過步進電機、梯形絲桿、推桿電機，復(fù)合滾輪軸承等機械零部件所構(gòu)成的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)將座板平穩(wěn)快速提升到指定高度，且能在一定角度范圍內(nèi)傾斜座板平面。

關(guān)鍵詞：坐便器；升降；傾斜

根據(jù)民政部統(tǒng)計公報顯示，截至2013年年底，內(nèi)地60歲及以上老年人口超過兩億，占總?cè)丝诘?4.9%。2014年，65歲及以上人口達1.38億，占總?cè)丝诘?0.1%。而到2050年前后，內(nèi)地每3個人中就有一位超過60歲的老人。專業(yè)人士還結(jié)合全國人口普查數(shù)據(jù)作出估算，目前，我國處于失能、半失能、失智狀態(tài)，或超過80歲以上、確需照料的老人約有5000萬人［1］。

隨著中國老年化現(xiàn)象的日益增長，解決老年人生活中的困難成為了一個值得重視的問題，開發(fā)相應(yīng)的輔助產(chǎn)品也就成為了當(dāng)今產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)主題之一。“具有物聯(lián)功能適老化智能坐便器”是一款專門針對行動不便，如廁有困難的老年人群所設(shè)計的衛(wèi)浴產(chǎn)品。該產(chǎn)品結(jié)合了智能檢測、機械結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)三大技術(shù)板塊，通過技術(shù)手段解決老年人因獨自如廁時發(fā)生危險情況的問題。

1　方案構(gòu)思

為滿足“具有物聯(lián)功能適老化智能坐便器”輔助使用者完成如廁動作的功能，本研究需要找到實現(xiàn)承載使用者進行升降和使座板在一定角度范圍內(nèi)傾斜這兩大功能的機械結(jié)構(gòu)。因此從座板升降和座板傾斜這兩個方面進行構(gòu)思。

1）座板升降。

坐便器的使用者存在身高、體重的區(qū)別，因此升降結(jié)構(gòu)的升降行程，承載能力的對應(yīng)值應(yīng)當(dāng)要在一定范圍內(nèi)可調(diào)。市面上現(xiàn)有的升降式坐便器款式較少，且現(xiàn)有產(chǎn)品的可調(diào)行程都較短，座板抬升的離地高度不高，很難滿足使用者站立使用的需求。

考慮到需要實現(xiàn)垂直方向的大行程升降且位置可調(diào)，參考線性模組的設(shè)計思路設(shè)計垂直升降座板的機械結(jié)構(gòu)。線性模組是一種直線傳動裝置，具有高剛度、高精度、高速度、可控制、可靠性強等諸多特點。其主要由絲杠螺母傳動機構(gòu)、直線導(dǎo)軌以及伺服電機組成。絲杠螺母機構(gòu)又稱螺旋傳動機構(gòu)。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。線性模組中一般選用滾珠絲杠和直線滑軌，但本產(chǎn)品對精度要求不高，也需要絲杠具有一定的自鎖力起保護作用，防止裝置失效導(dǎo)致座板的下跌造成事故發(fā)生，同時考慮這是一款衛(wèi)浴產(chǎn)品其成本不應(yīng)太高，因此考慮用梯形絲杠代替滾珠絲杠，用復(fù)合滾輪軸承組合件代替直線導(dǎo)軌。復(fù)合滾輪軸承是由軸向和徑向兩個滾輪軸承組裝而成的，減小軸承體積，簡化安裝結(jié)構(gòu)，從而降低了制造成本。復(fù)合滾輪軸承徑向和軸向的承載能力都比較大，各配件可替換性強。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C［2］。步進電機能滿足設(shè)計需要且成本較低，因此選擇使用步進電機作為升降機構(gòu)的執(zhí)行電機。

2）座板傾斜。

坐便器座板抬升到使用者下陰高度后，將座板傾斜約0至10度的角度范圍將更有利于使用者感受到座板平面，且一般人實現(xiàn)坐下這一動作時都會先彎曲膝蓋使臀部與水平面產(chǎn)生一定角度后再坐下，因此座板的傾斜將會大大優(yōu)化使用者的使用體驗，對于腰腿力量不足的長者更是能讓他們能減輕彎曲膝蓋的負擔(dān)，輕松坐到座板平面上。

座板是用步進電機帶動絲杠螺母機構(gòu)進行抬升，為了確保步進電機的輸出力矩盡可能多的承載使用者的體重，確保不會因為過重出現(xiàn)的超載故障，應(yīng)盡可能地減輕座板傾斜機構(gòu)的重量，以電動病床為參考，使用推桿電機將座板抬起一定角度。推桿電機驅(qū)動簡圖如圖1所示。

圖1　推桿電機傾斜座板的結(jié)構(gòu)簡圖

2　主要零部件的選型及設(shè)計

對實現(xiàn)升降座板和傾斜座板機械結(jié)構(gòu)的主要零部件進行選型和設(shè)計。升降機構(gòu)包括絲杠螺母傳動機構(gòu)的校核、步進電機的選型、絲杠兩端軸承座的選擇、復(fù)合滾輪軸承的選擇。傾斜機構(gòu)主要是推桿電機的選擇。

1）絲杠螺母傳動機構(gòu)的校核。

絲杠螺母傳動機構(gòu)的校核步驟參照文獻［3］中螺旋傳動、摩擦輪傳動中的設(shè)計例2進行。

設(shè)計承載的使用者體重不超過150 kg，將座板傾斜機構(gòu)重量及安全余量綜合考慮，將總負載設(shè)為300 kg。本設(shè)計者身高約1 700 mm，下陰高度約為750 mm，為了使本產(chǎn)品滿足于大部分使用者的需求，設(shè)滿足最高身高為1 900 mm，即下陰高度約為950 mm，而坐便器本體高度為400 mm，因此最大有效行程應(yīng)大于550 mm，設(shè)最大有效行程為600 mm。設(shè)運行最大行程時，座板下降時間不超過10 s，因此承載使用者后下降平均速度為不低于60 mm/s。材料采購以及加工的難易程度，梯形絲杠螺母機構(gòu)用45#鋼加工而成通過涂抹進口黃油進行油封達到防氧化及潤滑的效果。

45#鋼調(diào)制處理：σs= 360 MPa；

σp=σs/（3～5）= 72～120 MPa，取σp= 75 MPa；

σbp=（1～1.2）σp，取σbp=σp= 75 MPa；

τp= 0.6σp= 45 MPa；

查機械設(shè)計手冊［3］表12-1-9，鋼對鋼低速Pp= 7.5～13 MPa，本設(shè)計為快速因而Pp取1 MPa

①按耐磨性計算螺紋中徑。

查機械設(shè)計手冊表［3］12-1-4，整體式螺母取ψ= 2.5，

由GB/T 5796.3—1986可選d= 32 mm、P= 6 mm、d2= 29 mm、D4= 33 mm、d3= 25 mm、D1= 26 mm，螺旋副標(biāo)記為Tr32X6—7H/7e。

螺紋圈數(shù)：n = H/P = 73/6 = 12.2圈；螺母高度：H=ψd2= 2.5×29 = 72.5 mm，取H=73 mm

②自鎖性驗算。

單頭螺紋：S = P = 6 mm，故螺紋升角為

查機械設(shè)計手冊表［3］12-1-7，鋼對鋼f = 0.15～0.17，取f = 0.16

λ＜P'，故自鎖可靠。

③因螺母與螺桿材質(zhì)相同，由機械設(shè)計手冊表12-1-4可知只需校核螺桿螺紋強度。

由機械設(shè)計手冊表［3］12-1-3可得，螺紋摩擦力矩

帶入機械設(shè)計手冊表12-1-4中式（4）

螺桿及螺母的螺紋滿足強度校核。

2）步進電機選型。

由于這款坐便器的動力來源是電力，使用過程停電也是時有發(fā)生的事，因此除了絲杠的自鎖能力，希望步進電機在斷電情況下也有一定的保持力矩，因此選用帶剎車步進電機。

負載轉(zhuǎn)矩計算如下：

設(shè)定載荷為300 kg，所以有F= mg =300×9.8 N= 2 940 N；

升降平均速度為v = 60 mm/s = 3 600 mm/min，所以有n=v/P = 600 r/min；

參考文獻［4］中負載轉(zhuǎn)矩據(jù)算公式：T=（PF/ 2πη）+T1，T1為絲杠螺母的摩擦轉(zhuǎn)矩，在本設(shè)計因為已經(jīng)將其考慮在加大載荷值內(nèi)。設(shè)傳動效率η= 0.5，所以有：

步進電機T-n曲線應(yīng)滿足n = 600 r/min時，T= 5.6 N·m。

3）絲桿兩端軸承座設(shè)計。

由于本設(shè)計的梯形絲桿不是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，兩端軸承座參考滾珠絲杠軸承座。根據(jù)絲杠公稱直徑為32 mm，分別選用FK25和FF25作為固定側(cè)（靠近電機側(cè)）軸承座和支撐側(cè)軸承座。

以已選軸承座為基礎(chǔ)，設(shè)計梯形絲杠兩端軸肩尺寸如圖2所示。

圖2　絲杠軸肩設(shè)計

4）復(fù)合滾輪軸承選擇。

線性模組常用直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向和承載零件。本產(chǎn)品要承載一個成年人的重量進行升降，對直線導(dǎo)軌的力矩要求過高，一般直線導(dǎo)軌無法滿足，要使用滾柱式直線導(dǎo)軌才可實現(xiàn)，但滾柱式直線導(dǎo)軌成本是滾柱式直線導(dǎo)軌的三倍以上，成本過高。與本設(shè)計結(jié)構(gòu)類似的產(chǎn)品有升降式叉車，其門架升降系統(tǒng)中所用的復(fù)合滾輪軸承可復(fù)合本設(shè)計需求。復(fù)合滾輪軸承是由軸向和徑向兩個滾輪軸承組裝而成的，減小軸承體積，簡化安裝結(jié)構(gòu)，從而降低了制造成本。復(fù)合滾輪軸承徑向和軸向的承載能力都比較大，各配件可替換性強，越來越多的應(yīng)用在各種門架升降系統(tǒng)中。

扭矩參數(shù)計算：T = FL = mg·L = 300×9.8×0.5= 1.47 kN·m。可知型號為4.053的復(fù)合滾輪軸承即可滿足設(shè)計需求。

5）推桿電機的選擇。

將座板傾斜10°時推桿電機實現(xiàn)最大行程，由于座板尺寸不變，因此可將座板起始位置和最終位置以及推桿最終伸長量簡化為一個最小角為10°的等腰三角形，最短邊的長度可近似為推桿電機行程。座板長度約為450 mm，座板安裝的支架會比座板長度稍長，推桿電機與支架直接連接，因此應(yīng)以支架長度為準(zhǔn)，設(shè)支架長度約為500 mm。

拖桿電機行程：S = 2×（500×sin5°）= 87.15 mm

因為參數(shù)只是估算，且依靠了活動余量，選擇行程為100 mm。選擇睿拓傳動系統(tǒng)有限公司的VT600推桿電機，其推力范圍為750～6 000 N，滿足設(shè)計需求。

3　結(jié)論

1）坐便器機械部分構(gòu)思的總裝效果。

根據(jù)上面數(shù)據(jù)計算和選取的主要零部件參數(shù)，構(gòu)思出如圖3所示的坐便器機械部分的總裝圖。

如圖所示，機械部分分為升降和傾斜兩部分。升降部分的機架通過掛墻的形式安裝在墻體或其他形式的安裝立面上，由于與坐便器本體是分離的，因此可根據(jù)坐便器實際安裝位置定位升降部分的安裝，容易調(diào)節(jié)。傾斜部分與升降部分連接，圖中所示由推桿電機來進行角度的調(diào)節(jié)。

圖4是俯視的總裝圖。由圖中可見機架，滾輪的滑槽等大部分結(jié)構(gòu)件采用了鈑金拼裝的形式，大大減輕了整機的重量也降低了加工成本?；喕凼峭ㄟ^鈑金拼裝的形式，可根據(jù)滾輪軸承實際安裝時的誤差進行一定程度調(diào)節(jié)后焊接牢固，因此可靠性更高。

圖3　機械部分總裝圖

圖4　俯視總裝圖

2）本設(shè)計特點。

本設(shè)計構(gòu)思參考了大量現(xiàn)有機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，以安全可靠、低成本、穩(wěn)定性強為前提將這些結(jié)構(gòu)進行融合或改進，廣泛利用比較普及的標(biāo)準(zhǔn)化零配件，提高了設(shè)計的可行性。

梯形絲杠螺母副與復(fù)合滾輪軸承結(jié)合的升降機構(gòu)，在步進電機的控制下成為了一套低成本、可控性強、負載能力強的直線運動系統(tǒng)，在其他機械領(lǐng)域也能廣泛應(yīng)用。以推桿電機為基礎(chǔ)設(shè)計的傾斜機構(gòu)，將本設(shè)計與醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)靠近，使日后批量生產(chǎn)成為可能。

參考文獻：

［1］李新玲.養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)或需5年啟蒙期［N］.中國青年報，2015-04-23（6）.

［2］王勇.步進電機和伺服電機的比較［J］.西部煤化工，2010（2）：47-49.

［3］成大先.機械設(shè)計手冊：第5版：第3卷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］楊振輝.大型重載機床驅(qū)動系統(tǒng)交流伺服電機的選擇［J］.機械工程師，2010（8）：150-151.

科技與應(yīng)用

［責(zé)任編輯：吳卓］

On the Design of the Mechanical Structure of Intelligent Pedestal Pan for the Elderly

YU Zhipeng1，YU Zhixiang2，WU Zhuo3
（1. School of Electronics and Information Engineering，Shunde Polytechnic，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China；2. College of Art Design and Architecture，Monash University，Australia；3. Department of Science and Technology，Shunde Polytechnic，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China）

Abstract:In order to meet the needs of the elderly and realize the function of vertical lift of the seat plate of intelligent pedestal pan and the seat plate could form a certain angle as necessary，the mechanical structure is formed by the stepper motor，trapezoidal screw rod，motor，composite roller bearing and other mechanical parts. Such design could achieve steady and rapid lift to the designated seat height，and the seat plate could form a certain slope as desired.

Key words:pedestal pan；vertical lift；slope

中圖分類號：TP273

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1672-6138（2016）02-0013-04

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.02.004

收稿日期：2016-04-04

基金項目：佛山市機電專業(yè)群工程技術(shù)開發(fā)中心2015年第二批開放課題（2015-KJZX134）。

作者簡介：余志鵬（1981—），男，廣東順德人，副教授，研究方向：控制理論與控制工程。