晉 猛 林 馨 董彥龍 賈龍濤 林 翔

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽471003）

1 項(xiàng)目背景

隨著我國老齡化問題地日漸突出，老年人群體逐漸壯大，對于大部分老人來說，洗澡變得越來越困難，然而洗澡又是保障身體清潔、健康不可或缺的。與此同時(shí)，多年來市場上大部分的洗浴器械，卻并非針對老人的疑難而開發(fā)，所以解決老人洗浴難的問題是十分必要的。本產(chǎn)品便是以解決老人洗浴難為核心，綜合解決老人因洗浴帶來的一系列的困擾。

2 洗浴椅概況

如圖1，該多功能洗浴椅主體為金屬框架，主要用于幫助老人洗浴，提升老人生活自理能力。椅背上搓澡浴花結(jié)構(gòu)可自適應(yīng)背部彎度，浴花可自動進(jìn)行左右移動并旋轉(zhuǎn)，手動操作扶手旁邊的手柄控制上下移動。抬腿部分用按鈕控制電機(jī)使老人腿部抬起一定的高度，使老人無需彎腰就可以搓到自己的腿部。在老人洗完澡后，輕輕按壓扶手便可使椅子坐墊后部抬起一定的角度，老人便獲得一個(gè)輔助站立的力，輕松完成從洗浴到起身的全過程。多功能老人洗浴椅整體設(shè)計(jì)如圖2。

圖1 多功能老人洗浴椅設(shè)計(jì)圖

2.1 半自動搓背的控制方式

在洗浴椅的左側(cè)扶手之外設(shè)計(jì)了手柄，在背部側(cè)面加裝了連桿機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)通過手柄轉(zhuǎn)動較小角度來完成從肩到腰部的整個(gè)背部的縱向洗浴，如圖3。浴花部分固定于絲杠和光桿上，通過伺服電機(jī)控制絲杠的正反轉(zhuǎn)來控制浴花自動進(jìn)行左右移動。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定中速，也即浴花左右的橫向運(yùn)動速度恒定。絲杠和光桿的密封方式為不銹鋼平橢管包覆于其上，在管的外平面對應(yīng)絲杠和光桿的位置均開槽，使得浴花能夠左右移動。此外，為防止漏電短路，在槽的頂部曲面內(nèi)做出隔離夾層，線路通過夾層進(jìn)行連接；為防止管內(nèi)積水，在該管狀槽的底部曲面上開放水槽。

圖2 多功能老人洗浴椅設(shè)計(jì)框圖

圖3 背部搓澡結(jié)構(gòu)

2.2 自適應(yīng)浴花設(shè)計(jì)

浴花部分結(jié)構(gòu)如圖4，其減速直流電機(jī)機(jī)身使用塑料外殼與外界隔絕，外殼則與絲杠和光桿連接。與絲杠和光桿連接的殼壁的內(nèi)側(cè)面固定直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子套上一個(gè)彈性模量很大的粗扭簧。扭簧一端固定在轉(zhuǎn)子上，另一端固定在聚四氟乙烯管的外壁，長度與轉(zhuǎn)子被套住部分相等。連接扭簧的聚四氟乙烯管經(jīng)由塑料外殼的孔與外部的浴花相連接，孔內(nèi)墊有橡膠圈進(jìn)行密封。浴花為球狀的真空棉，可拆卸搓洗和更換。洗浴時(shí)，后背給予浴花一定的壓力，使得粗扭簧壓縮從而使得浴花收縮；撤去部分壓力，則粗扭簧恢復(fù)部分形變，浴花彈出。如此，無論身形如何，浴花都能貼合人體進(jìn)行洗浴，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的功能要求，同時(shí)老人還能靠背獲得休息。

圖4 自適應(yīng)浴花

2.3 Arduino 的腿部升降控制

Arduino Nano 是一款基于ATmega 168 或ATmega328 的8位微控制芯片，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O 介面版，可以使用C 語言、Java 編程的單片機(jī)智能硬件開發(fā)板。洗浴椅右側(cè)扶手上設(shè)計(jì)有防水按鈕，其兩端通過線路分別與下方Arduino Nano 的5V 和相連。

Arduino Nano 通過A4988 驅(qū)動與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上的齒輪與抬腿裝置的桿的末端的齒嚙合。Arduino Nano 讀取按鈕輸入端高低電平，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度便可控制腿部的升降，使得老人無需費(fèi)力地大幅度彎腰便可進(jìn)行腿部的搓洗，所用程序主要函數(shù)如圖5。前擋板上設(shè)計(jì)為弧形凹槽，老人可以根據(jù)自身情況選擇踩到擋板上或者放在弧形槽上。將擋板的內(nèi)側(cè)面貼上按摩墊，使得老人在洗浴的同時(shí)能夠享受足療按摩。

圖5 腿部升降主要程序

2.4 輔助站立設(shè)計(jì)

輔助站立是由扶手、差速齒輪組、凸輪、轉(zhuǎn)軸四部分組成。老人起身時(shí)會向扶手施加斜向下的力，由于扶手的杠桿機(jī)構(gòu)，使得下壓力轉(zhuǎn)化為彎矩端的力，從而推動差速齒輪組轉(zhuǎn)動，并具有一定的放大作用。差速齒輪組進(jìn)一步對下壓力進(jìn)行放大，并將凸輪抬起，經(jīng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)化為坐墊傾斜抬起的力，給予了老人輔助站立的力。如圖6，將老人手上較小的力轉(zhuǎn)換為托起老人輔助站立的較大的力。

洗浴椅機(jī)架全部采用空心鋁型材，線路在其中的空心部分延申連接。腿部升降的電機(jī)和輔助站立的差速齒輪組、凸輪等機(jī)構(gòu)同樣進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，避免洗浴時(shí)水流的浸泡侵蝕。

圖6 輔助站立機(jī)構(gòu)

3 結(jié)論

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)是運(yùn)用電機(jī)自動+搖桿手動的半自動控制方式，使得無論使用者身形如何，浴花都能貼合人體進(jìn)行洗浴，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的等自動化功能要求的同時(shí)，給予老人們自己掌控的空間，更好地去適應(yīng)大眾的需求，提高產(chǎn)了品的實(shí)用性、普適性。該產(chǎn)品的程序?yàn)榛贑 語言的arduino 單片機(jī)控制，大大簡化了程序的編寫，其中arduino 庫函數(shù)使機(jī)器的編程變得更加簡單，提高了程序的可運(yùn)行性和穩(wěn)定性。并且與國內(nèi)同類型產(chǎn)品相比價(jià)格較低且適用范圍廣，可應(yīng)用于家庭個(gè)人使用，澡堂、養(yǎng)老院規(guī)模性使用，亦可以在酒店等場所使用，更大程度的使助老器械惠及廣大群眾。本產(chǎn)品輕便簡潔，體型嬌小，占用空間??；結(jié)構(gòu)簡潔、低耗能，技術(shù)相對成熟；功能齊全，滿足了洗澡前到洗澡后整個(gè)過程中老人的需求；適用場所廣泛，可操作性好。