李兆亮，陳玉海

老年人智能如廁輔助裝置設(shè)計(jì)

李兆亮，陳玉海*

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

伴隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，人們需要更多的智能裝置來(lái)提升老齡化社會(huì)帶來(lái)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)能力。為了提高老年人的生活質(zhì)量，解決老年人如廁困難的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一種老年人如廁輔助裝置，幫助老年人完成彎腰、下蹲起身和脫下衣等動(dòng)作。裝置主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制與驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)兩部分，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括底座、剪式升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)座圈機(jī)構(gòu)和脫下衣模塊；控制與驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)包括控制器，伺服電缸的驅(qū)動(dòng)，觸摸屏上位機(jī)的設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)了整個(gè)裝置的軟件部分。相較于市場(chǎng)上常見(jiàn)的在墻壁上安裝助力扶手，此裝置操作簡(jiǎn)單，動(dòng)作安全可靠，而且具有可移動(dòng)的特點(diǎn)，能更有效地解決老年人行動(dòng)不便如廁困難的問(wèn)題。

老年人；廁所；輔助裝置；伺服電缸

截至2017年底，中國(guó)60歲及以上老年人口有2.41億，占總?cè)丝诘?7.3%。隨著中國(guó)社會(huì)老齡化的日益加重，老年人在中國(guó)人口中所占比例也越來(lái)越大，老年人作為社會(huì)上的弱勢(shì)群體，一直受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，如何幫助老年人提高生活質(zhì)量安享晚年，是整個(gè)社會(huì)共同關(guān)注的話(huà)題。

隨著年齡的增長(zhǎng)，老年人生理機(jī)能不斷衰減，其關(guān)節(jié)的靈活性與動(dòng)作的協(xié)調(diào)性不斷下降，導(dǎo)致腿腳不便、行動(dòng)困難等問(wèn)題。這種情況在老年群體中普遍存在，幾乎成為所有老年人的困擾，對(duì)其日常生活產(chǎn)生較大影響，需要額外的人力對(duì)其進(jìn)行照顧。然而，當(dāng)今社會(huì)中的常態(tài)是，老年人獨(dú)居或僅與配偶居住，子女大多因工作繁忙、養(yǎng)育下一代，沒(méi)有時(shí)間照顧父母。那么，如何在不需要額外人力照顧的情況下，滿(mǎn)足老年人的特殊需求，提高他們的獨(dú)立生活能力與生活質(zhì)量就變得尤為重要。

為了解決上述問(wèn)題，并基于對(duì)當(dāng)前市面上已有的類(lèi)似輔助裝置功能過(guò)于單一而根本不能滿(mǎn)足老年人的實(shí)際需求或者是功能全面但是產(chǎn)品價(jià)格過(guò)于昂貴等問(wèn)題的深入分析，設(shè)計(jì)了一種幫助老年人如廁的智能輔助裝置。相較于市面上存在的輔助抓手等裝置，該裝置具有使用便捷、安全可靠、功能全面、成本更加合理等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有一定的舒適性，能夠幫助老年人完成彎腰、下蹲及起身的動(dòng)作，為其提供可靠的助力，解決老年人在如廁過(guò)程中，因關(guān)節(jié)老化磨損造成的行動(dòng)費(fèi)力、疼痛的問(wèn)題，有效預(yù)防老年人在蹲起過(guò)程中發(fā)生意外或摔倒，給老年人的日常生活帶來(lái)便利。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中主要研究設(shè)計(jì)了一種老年人如廁輔助裝置，旨在解決老年人蹲起困難的問(wèn)題。該裝置可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)兩部分，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括底座、剪式升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)座圈機(jī)構(gòu)和脫下衣機(jī)構(gòu)，老年人如廁輔助裝置立體圖如圖1所示，老年人如廁輔助裝置側(cè)視圖如圖2所示，旋轉(zhuǎn)座圈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，脫衣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.1 底座

底座類(lèi)似U形，符合實(shí)際工作環(huán)境，底座上有滑軌，供剪式機(jī)構(gòu)滑動(dòng)。底座下安裝有滑輪，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的可移動(dòng)性，方便移動(dòng)，增強(qiáng)該裝置的靈活性。同時(shí)，滑輪帶自鎖裝置，在正常使用狀態(tài)下，可將滑輪自鎖固定，提高穩(wěn)定性與安全性。

1—旋轉(zhuǎn)座圈機(jī)構(gòu)；2—行程放大機(jī)構(gòu)；3—行程控制機(jī)構(gòu)；4—伸縮扶手機(jī)構(gòu)；5—類(lèi)剪式機(jī)構(gòu)；6—剪式升降機(jī)構(gòu)；7——底座；8—電動(dòng)缸；9—脫衣機(jī)構(gòu)；12—滑輪。

8—電動(dòng)缸；10—扶手；11—套管；13—弧形導(dǎo)向板；14—滑動(dòng)板；15—電推桿；16—連接板；17—直線導(dǎo)向板。

18—座圈；19—U型座板；20—搖桿滑塊機(jī)構(gòu)；21—座圈滑塊。

22—球鉸鏈；23—圓柱滑槽。

1.2 剪式升降機(jī)構(gòu)

剪式升降機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)安裝于底座上方，采用一邊兩組剪式機(jī)構(gòu)其下側(cè)的一端與底座固定連接，另一端通過(guò)滑塊與滑軌連接。剪式機(jī)構(gòu)頂端同樣有滑塊在上底盤(pán)滑道中移動(dòng)，在上升到一定高度后與旋轉(zhuǎn)座圈機(jī)構(gòu)的滑塊接觸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)第二級(jí)剪式結(jié)構(gòu)的中間銷(xiāo)釘與伺服電缸鉸接。伺服電缸帶動(dòng)剪式機(jī)構(gòu)在滑軌上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該裝置上升、下降運(yùn)動(dòng)。剪式升降機(jī)構(gòu)具有升降平穩(wěn)、承載力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在市面上較常見(jiàn)。

本文設(shè)計(jì)的剪式升降機(jī)構(gòu)共有兩組，兩組剪式升降機(jī)構(gòu)的存在，提升了升降的可靠性，每組剪式機(jī)構(gòu)中間加入伺服電缸，能有效減少剪式機(jī)構(gòu)本身機(jī)構(gòu)原因而引起的不穩(wěn)定，提高整個(gè)裝置的使用安全性。

1.3 旋轉(zhuǎn)座圈機(jī)構(gòu)

座圈設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，原理為搖桿滑塊機(jī)構(gòu)、剪式機(jī)構(gòu)上底盤(pán)滑塊帶動(dòng)座圈旋轉(zhuǎn)滑塊移動(dòng)，從而使座圈旋轉(zhuǎn)，

使座圈的旋轉(zhuǎn)安全可靠，通過(guò)對(duì)初始高度兩接觸滑塊之間的距離設(shè)計(jì)可使整體上升到一定高度后，上底盤(pán)的上升和座圈的旋轉(zhuǎn)才實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，從而縮短了滑軌行程和搖桿的長(zhǎng)度。同時(shí)可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使該裝置在使用時(shí)更加方便。座圈側(cè)面安裝有壓力傳感器，用于檢測(cè)使用情況。座圈的表面符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)，提升了使用的舒適性。

1.4 類(lèi)剪式機(jī)構(gòu)

類(lèi)剪式機(jī)構(gòu)兩端與上端剪式機(jī)構(gòu)通過(guò)銷(xiāo)釘鉸接，中部銷(xiāo)釘與扶手連接，實(shí)現(xiàn)裝置整體上升的同時(shí)扶手可以在套筒中移動(dòng)，同過(guò)對(duì)桿長(zhǎng)的設(shè)計(jì)，能夠使扶手以比整體更快的速度上升。剪式機(jī)構(gòu)的上升與扶手的上升聯(lián)動(dòng)，減少了動(dòng)力源的需求，更有整體性。

1.5 脫下衣模塊

脫下衣模塊由3個(gè)部分組成，分別為行程放大機(jī)構(gòu)、行程控制機(jī)構(gòu)和脫下衣機(jī)構(gòu)。

1.5.1 行程放大機(jī)構(gòu)

行程放大機(jī)構(gòu)包括弧形導(dǎo)向板和行程控制機(jī)構(gòu)。行程控制機(jī)構(gòu)與弧形導(dǎo)向板滑動(dòng)連接且與伸縮扶手機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)連接。行程放大機(jī)構(gòu)可將扶手上升下降的距離放大，從而使脫衣機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成。通過(guò)杠桿放大的原理，放大更精確可控。同時(shí)與扶手升降聯(lián)動(dòng)，減少了動(dòng)力源，使之更具有整體性。

1.5.2 行程控制機(jī)構(gòu)

行程控制機(jī)構(gòu)包括連接板、滑動(dòng)板和電推桿，連接板的一端與套管鉸接，連接板另一端通過(guò)合頁(yè)與滑動(dòng)板相連，滑動(dòng)板連接電推桿，當(dāng)使用者脫到舒適位置時(shí)，可使電推桿收縮，此時(shí)滑動(dòng)板和連接板的連接處就會(huì)出現(xiàn)彎折，脫衣機(jī)構(gòu)的球鉸鏈會(huì)停在滑道的位置上不再變動(dòng)。電推桿收縮后脫衣機(jī)構(gòu)位置不再隨整體下降而改變，連接板與扶手的豎直段鉸接。此設(shè)計(jì)方法巧妙地實(shí)現(xiàn)了脫衣動(dòng)作，并且能更人性化地滿(mǎn)足需求。

1.5.3 脫下衣機(jī)構(gòu)

通過(guò)行程放大機(jī)構(gòu)使脫衣機(jī)構(gòu)沿弧形導(dǎo)向板的導(dǎo)向槽移動(dòng)。脫下衣機(jī)構(gòu)包括球鉸鏈、與球鉸鏈相連的圓柱滑槽和與圓柱滑槽相連的夾子（夾子是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，通過(guò)手動(dòng)打開(kāi)）。球鉸鏈與圓柱滑槽結(jié)合，能夠更方便用夾子夾好褲腰。

2 控制與驅(qū)動(dòng)硬件部分設(shè)計(jì)

裝置硬件部分由伺服電缸、控制器與觸摸屏等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

硬件部分中控制器選用帶脈沖輸出控制的PLC，用以控制伺服電缸。相較于普通電缸，伺服電缸精度高、可靠性高，起停平穩(wěn)響應(yīng)快，且價(jià)格較低，性?xún)r(jià)比高。PLC與伺服電缸之間通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制連接。選用脈沖控制可以提高運(yùn)動(dòng)控制的精確性，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的選擇，在安全可靠完成升降動(dòng)作的前提下，有效降低了成本，增加了該裝置的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

觸摸屏與PLC之間采用RS232通訊，通訊建立后，可通過(guò)觸摸屏對(duì)伺服電缸進(jìn)行控制。同時(shí)，針對(duì)老年人視力減退、反應(yīng)不夠靈敏等特殊的需求，設(shè)計(jì)的觸摸屏屏幕較大，顯示清晰，簡(jiǎn)單適用，操作方便。壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)裝置的使用情況，在裝置正常使用時(shí)，壓力傳感器受到壓力發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器控制伺服電缸。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究的老年人如廁輔助裝置，從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)部分兩方面著手，設(shè)計(jì)了安全可靠的裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)支撐身體某部位受力的方式，緩解主要受力部位的不適感，能在日常生活中幫助老年人完成下蹲與起身等動(dòng)作，減輕老年人因腿腳不便帶來(lái)的生活上的不便，提高老年人的日常生活質(zhì)量。硬件部分采用PLC為控制器，觸摸屏為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電缸的控制。相較于市場(chǎng)上常見(jiàn)的在墻壁上安裝助力扶手，該裝置有可移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單易上手，動(dòng)作安全可靠，提升老年生活幸福感，這不僅是社會(huì)老齡化發(fā)展的需要，也是人們需要不斷努力的方向。

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TP202

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.019

2095－6835（2019）24－0048－03

李兆亮（1998—），男，武漢理工大學(xué)本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)電研究。陳玉海（1998—），男，武漢理工大學(xué)本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)電研究。

＊對(duì)本文貢獻(xiàn)等同于第一作者

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕