郝鵬翔，柳杰，趙靜靜

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洗浴移乘輪椅床創(chuàng)新設(shè)計(jì)

郝鵬翔，柳杰，趙靜靜

（北京郵電大學(xué) 世紀(jì)學(xué)院，北京 102100）

為了解決殘障者和老年人洗浴、行動(dòng)困難，運(yùn)用人體工程學(xué)理論，設(shè)計(jì)一種洗浴移乘輪椅床裝置，能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)，具備垂直升降功能，并能輔助使用者行動(dòng)。分析了洗浴裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及主要功能，采用矢量方程解析法對(duì)四桿升降裝置進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)洗浴移乘輪椅床裝置進(jìn)行SolidWorks建模與渲染仿真，結(jié)果表明，該洗浴移乘輪椅床創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)殘障者和老年人解決洗浴移乘問題具有一定的作用。

人體工程學(xué)理論；洗浴移乘輪椅床；SolidWorks；渲染仿真

1 引言

據(jù)國(guó)際勞工組織的有關(guān)報(bào)告，目前全世界的殘疾人總數(shù)已經(jīng)超過7億，約占世界總?cè)丝诘?.3%，并以4萬(wàn)多人每日的速度增加；60歲以上的老年人群約為1.5億，其中80歲以上的高齡老人有1 500萬(wàn)，弱勢(shì)群體人數(shù)占總?cè)丝诘?0%～25%.老年人由于年齡偏大，肌肉靈活性逐漸降低，行動(dòng)都較為不便；同時(shí)由于自然災(zāi)害、交通事故和疾病等意外造成殘障人士也在逐年增加，這一特殊群體給社會(huì)醫(yī)療、養(yǎng)老、服務(wù)行業(yè)帶來了巨大的壓力。為了給老年人和殘障人士提供優(yōu)越的洗浴和代步工具，幫助他們提高活動(dòng)的自由度，使他們能夠參加到健全人的生活中去，需要為他們配置必要的護(hù)理設(shè)備。

對(duì)于洗浴和代步輔具領(lǐng)域，日本處于世界領(lǐng)先水平，當(dāng)今日本以形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈及針對(duì)患者的患病程度不同而設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品。比如日本AMANO株式會(huì)社開發(fā)出來滑軌式、升降式、開門式等多款洗浴輔助器具，功能齊全，但在國(guó)內(nèi)，由于發(fā)展階段的限制，缺乏相關(guān)研究。本文提出了一種洗浴移乘輪椅床裝置，可實(shí)現(xiàn)洗浴者無(wú)障礙入浴，并可以自由行動(dòng)。

2 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 輪椅床部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)

輪椅床結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輪椅床裝置的設(shè)計(jì)本著為殘障者和老人提供最大的方便，他們可以在不離開輪椅的情況下直接移動(dòng)到床上，降低了外界對(duì)人造成危害的可能性，并且通過角度調(diào)節(jié)裝置，使用者還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行角度調(diào)整以確保最好的使用舒適度。輪椅與浴缸和床的有機(jī)結(jié)合，極大程度上滿足了日常生活需求。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的要求也會(huì)越來越高，所需產(chǎn)品類型趨向于之智能化。智能化家居在未來將會(huì)成為市場(chǎng)主流。

圖1 輪椅床示意圖

2.2 洗浴裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

洗浴裝置如圖2所示。

圖2 洗浴裝置示意圖

輪椅與底架小車之間采用雙層滑軌設(shè)計(jì)保證了輪椅進(jìn)入浴缸的順暢，后部有擋板用于確定進(jìn)入位置的準(zhǔn)確性，使導(dǎo)軌順利對(duì)接，門鎖以及邊角處貼上密封條保證設(shè)備不會(huì)向外部漏水。

2.3 輪椅部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)

輪椅結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輪椅示意圖

洗浴移乘輪椅座椅的靠背可調(diào)節(jié)角度確保使用者的舒適度，設(shè)備移動(dòng)可通過按鈕完成，整體采用了雙動(dòng)力，既可電控又可手動(dòng)，既節(jié)省人力又安全可靠。輪椅采用四桿升降機(jī)構(gòu)，通過電推桿的伸縮，使輪椅完成升降，確保進(jìn)入順利完成浴缸。

2.4 底部小車部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)

底部小車結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 底部小車示意圖

洗浴移乘輪椅與傳統(tǒng)移乘裝置不同，整個(gè)裝置采取了可分離的方式，下半部分小車可單獨(dú)作業(yè)，小車是可遙控的，避免使用者遇到距離遠(yuǎn)無(wú)法使用到設(shè)備。

2.5 四桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

四桿升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。機(jī)構(gòu)的自由度與電動(dòng)推桿的數(shù)目一樣，因此機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5 四桿升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

四桿機(jī)構(gòu)的升降組件也有很多中形式，上下寬度有等比例1∶1，也有不等比例的，下面將通過分析來選擇合適的機(jī)構(gòu)形式。為四桿升降機(jī)構(gòu)建坐標(biāo)系，得到機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖數(shù)學(xué)模型，如圖6所示。

圖6 四桿升降機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0）。

點(diǎn)坐標(biāo)為：

點(diǎn)坐標(biāo)方程為：

點(diǎn)坐標(biāo)方程為：

點(diǎn)坐標(biāo)方程為：

各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示，其中橫坐標(biāo)為方向，縱坐標(biāo)為方向。在等比例的情況下，升降機(jī)構(gòu)中B點(diǎn)做沿軸的直線運(yùn)動(dòng)，即直上直下，可以保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定。

2.6 整體裝置SolidWorks建模與渲染仿真

完成主要結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)后，在SolidWorks進(jìn)行三維建模工作，其功能強(qiáng)大，可以滿足大部分機(jī)械設(shè)計(jì)工作所需，并且該軟件具有較強(qiáng)的兼容性，可以通過安裝不同的插件來滿足如電氣布線等特殊需求，在采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模時(shí)首先要進(jìn)行各零件尺寸的確定，通過繪制草圖來確定零件在兩個(gè)坐標(biāo)軸上的尺寸，之后再通過拉伸切除、拔模等指令使其三維化，成為一個(gè)立體的圖形，通過對(duì)設(shè)計(jì)中所有零件進(jìn)行繪制，并將其按照同軸、貼合、間隙等配合方式組建成裝配體，最終完成三維設(shè)計(jì)工作，得到洗浴移乘輪椅床的虛擬樣機(jī)。渲染仿真是近年開始使用的一種計(jì)算機(jī)輔助繪圖方式，其主要通過對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)完成三維模型，對(duì)其表面進(jìn)行材質(zhì)的仿真貼圖，使其更加貼近產(chǎn)品在生產(chǎn)后的實(shí)際造型，可以幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段更加真實(shí)、直觀地了解產(chǎn)品外觀，不用制造樣機(jī)即可對(duì)外形的顏色材質(zhì)進(jìn)行修改，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。本課題采用KeyShot軟件進(jìn)行渲染仿真，其功能更加針對(duì)機(jī)械類產(chǎn)品，材質(zhì)較全。整體裝置渲染圖如圖8所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)軌跡圖（1∶1）

圖8 整體裝置渲染仿真圖

3 創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)

輪椅靈活性高采用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠承受一定的重量，并且可以應(yīng)對(duì)不同的地形。輪椅的靠背的調(diào)節(jié)是由側(cè)面的調(diào)節(jié)旋鈕控制的輪椅的機(jī)電一體化程度較高，采用雙動(dòng)力模式，用戶可自我控制，自我調(diào)節(jié)，解放了勞動(dòng)力。輪椅的設(shè)備多樣，輪椅與床、輪椅與浴缸的有機(jī)結(jié)合，極大程度上滿足了人們的日常生活需求。洗浴床整體采用模塊化安裝，零件少，安裝方便，可根據(jù)使用者身高的不同訂制床板，便于使用者進(jìn)行拆卸清洗，保證系統(tǒng)的整體清潔與使用壽命。洗浴床的尺寸完全根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，并根據(jù)人體洗浴時(shí)不同的洗浴姿勢(shì)設(shè)計(jì)浴缸和床的尺寸，保證輪椅、浴缸和床的尺寸可以相互匹配，使移乘裝置的設(shè)計(jì)更符合中國(guó)人的需求，滿足更高的舒適性、安全性及高效率。隨著時(shí)代的發(fā)展，產(chǎn)品類型趨向于之智能化。輪椅，床和浴缸的三位一體機(jī)構(gòu)會(huì)成為市場(chǎng)主流。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在洗浴移乘輪椅床裝置的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)保證四桿升降機(jī)構(gòu)在使用時(shí)的平穩(wěn)性并防止干涉發(fā)生。下一步需要進(jìn)行研究的是，進(jìn)一步優(yōu)化洗浴移乘輪椅床的結(jié)果，添加電控模塊，讓輪椅床更加智能、現(xiàn)代化。本機(jī)構(gòu)僅僅體現(xiàn)了我們的設(shè)計(jì)思路，僅僅是一個(gè)原型機(jī)，未來可以根據(jù)不同的場(chǎng)景，去更改不同的模塊，從而增強(qiáng)本系統(tǒng)的適應(yīng)性、延展性，可以適應(yīng)不同類型的受服務(wù)人群。

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2095－6835（2019）07－0058－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.058

郝鵬翔（1998—），主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。柳杰（1997—），主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。趙靜靜（1980—），北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

〔編輯：張思楠〕