萬(wàn)筠錢(qián)，敏曉騰，袁文濤，萬(wàn)宏強(qiáng)

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

中國(guó)已經(jīng)全面進(jìn)入老齡化社會(huì)，中國(guó)的城市化發(fā)展未能充分考慮人口老齡化、已有生活居住環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施難以滿足老齡社會(huì)的要求?，F(xiàn)如今助老輔助設(shè)施是補(bǔ)民生短板的必要舉措[1]。老年人在如廁過(guò)程中需要起坐，很容易出現(xiàn)因?yàn)橥炔炕蛘哐苛α坎蛔銓?dǎo)致起坐失敗，甚至如廁后站立困難而摔倒的情況。廁所助老支架的推廣，將幫助老年人如廁后站立，并且大幅降低老年人在如廁蹲起時(shí)摔倒的概率，保障老年人的生命安全[2-4]。圖1 為現(xiàn)在市面上最常見(jiàn)的幾種輔助老年人如廁后起身的產(chǎn)品，老年人輔助起身的馬桶支架主要由結(jié)構(gòu)鋼管連接而成，除此之外，有些公共衛(wèi)生間的馬桶采用的只是1 根扶手，這些馬桶支架不僅結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而且需要老年人依靠自身腿部、臂部力量及手臂力量起身，如果自身手臂、腿部力量不足，很容易造成老年人摔傷[5-6]。

圖1 目前市面上已有的馬桶支架

因此，針對(duì)目前的市場(chǎng)情況以及狀態(tài)，為了減少老年人如廁時(shí)摔傷的概率，基于人機(jī)工程學(xué)原理，通過(guò)對(duì)老年人如廁時(shí)起坐過(guò)程助力方式、姿勢(shì)變化、人機(jī)距離的觀察，分析起坐過(guò)程的人體受力特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)老年人在空間內(nèi)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的各種需求，設(shè)計(jì)一種以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，預(yù)設(shè)軌道，通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將人抬起的馬桶支架，減少老年人依靠自身力量起身的情況。

1 總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)升降助老型坐式馬桶支架總體設(shè)計(jì)如圖2 所示，其主要由馬桶坐墊、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐板4部分組成，主體框架采用鋁合金材質(zhì)，主體尺寸為長(zhǎng)700 mm、寬500 mm、高400 mm，整體質(zhì)量30 kg，框架使用鋁型材結(jié)構(gòu)拼接。

圖2 馬桶支架實(shí)物

如廁時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)使馬桶座圈上升，等待馬桶坐墊升高后，坐在馬桶坐墊上，按下降按鈕，通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)，下降到馬桶座圈最低點(diǎn)；起身時(shí)，先使馬桶坐墊升高到雙腳能夠站立的高度，起身后將坐墊調(diào)至最低。馬桶支架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 馬桶支架結(jié)構(gòu)圖

2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 雙四桿機(jī)構(gòu)

圖4 為雙四桿機(jī)構(gòu)，由曲柄、連接桿和活動(dòng)桿組成，連接桿和活動(dòng)桿通過(guò)螺栓連接，在工作時(shí)以曲柄為主動(dòng)件，在工作過(guò)程中由電機(jī)帶動(dòng)曲柄等速旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動(dòng)連接桿作為從動(dòng)件做變速往復(fù)擺動(dòng)，活動(dòng)桿做平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)。根據(jù)支撐板尺寸得出各桿尺寸，如AB=67 mm，BC=253 mm，CD=DE=160 mm。根據(jù)曲柄存在性條件得AB+BC≤CD+AD，條件成立，設(shè)計(jì)合理。

圖4 雙四連桿機(jī)構(gòu)

2.2 馬桶坐墊設(shè)計(jì)

該部分由扶手、馬桶墊以及滑塊組成，四連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)滑塊，控制馬桶坐墊升降。馬桶座蓋的設(shè)計(jì)在綜合考慮現(xiàn)有馬桶的尺寸下，在座圈下部增加了滑軌，并且在扶手與馬桶座圈之間進(jìn)行焊接，另外為了更加方便老年人起身，增設(shè)了靠背，使老年人在如廁時(shí)更加舒服。馬桶坐墊的三維模型如圖5 所示。

圖5 馬桶坐墊三維模型

2.3 支撐板設(shè)計(jì)

支撐板作為最主要的支撐結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮現(xiàn)有馬桶的尺寸、高度，以及老年人自身身體結(jié)構(gòu)的特殊性，支撐板整體質(zhì)量為10 kg，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、電機(jī)、滑軌均固定在支撐板上，滑軌通過(guò)嵌套的方式在滑槽內(nèi)滑動(dòng)，抬升或者降低馬桶座圈。支撐板三維圖如圖6 所示。

圖6 支撐板三維圖

根據(jù)國(guó)家體育總局發(fā)布的2019 年國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)公報(bào)顯示，中國(guó)老年人平均身高在167.2 cm，體重在69.1 kg，老年人半蹲的身高約為1 300 mm，通常馬桶的高度為700 mm，因此支撐板的高度設(shè)為600 mm。綜上，設(shè)計(jì)支撐板尺寸分別為高600 mm、長(zhǎng)700 mm、寬100 mm。

3 有限元分析

在該設(shè)備中，由于受力最大的為支撐板和曲柄，曲柄受到連接電動(dòng)機(jī)一端的扭矩，又受連接連接桿的壓力，支撐板受來(lái)自馬桶墊的壓力以及老年人身體的質(zhì)量，這2 個(gè)部件受力較多，一旦損壞，將會(huì)對(duì)老年人造成難以治療好的骨折之類(lèi)的摔傷，因此，應(yīng)對(duì)曲柄和支撐板的最大許用應(yīng)力以及最大形變進(jìn)行分析。

3.1 曲柄校核

使用ANSYS 軟件對(duì)曲柄進(jìn)行有限元分析，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置材料為45 號(hào)鋼，得到曲柄的形變圖。從等效應(yīng)力分布的角度來(lái)看，曲柄所受最大應(yīng)力為40 MPa，最大應(yīng)力小于其材料許用應(yīng)力（120 MPa），所以曲柄的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，如圖7 所示。從變形云圖角度可以看出上端蓋的最大總變形量為2.230 6×10-7mm，應(yīng)變量較小，最大應(yīng)力為9.633 MPa，如圖8所示。

圖7 曲柄變形云圖

圖8 曲柄等效應(yīng)力云圖

3.2 支撐板校核

使用ANSYS 軟件對(duì)支撐板進(jìn)行有限元分析，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置材料為45 號(hào)鋼，得到支撐板的形變圖。從等效應(yīng)力分布的角度來(lái)看，支撐板所受最大應(yīng)力為70 MPa，最大應(yīng)力小于其材料許用應(yīng)力（120 MPa），所以支撐板的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，如圖9 所示。從變形云圖角度可以看出上端蓋的最大總變形量為1.265×10-8mm，應(yīng)變量較小，最大應(yīng)力為0.016 608 MPa，如圖10 所示。

圖9 支撐板變形云圖

圖10 支撐板等效應(yīng)力云圖

3.3 桶座圈校核

在助老型馬桶支架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，馬桶座圈作為重要的承載部分之一，為支撐老年人起身和坐下的主要支撐部件，在實(shí)際使用過(guò)程中，與馬桶座圈的實(shí)踐工況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示的設(shè)計(jì)可以滿足實(shí)際使用需求。

負(fù)載和夾具如圖11 所示，計(jì)算結(jié)果如圖12 所示。

圖11 負(fù)載和夾具

圖12 馬桶座圈校核

4 結(jié)論

本文對(duì)自動(dòng)升降助老型坐式馬桶支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，組合安裝，可以實(shí)現(xiàn)老年人如廁起身的便捷。本裝置結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，可推廣應(yīng)用于家庭以及公共廁所等場(chǎng)合。

目前市場(chǎng)上還沒(méi)有大規(guī)模生產(chǎn)的老年助力機(jī)器，對(duì)升降助老型坐式馬桶支架的研究也不成熟，因此開(kāi)發(fā)和研究新型老年人助力機(jī)械前景廣闊。該設(shè)計(jì)是由四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、馬桶坐墊等組成馬桶支架，達(dá)到便捷快速地升降并能夠?yàn)槠鹱Φ男Ч哂袕V闊的應(yīng)用市場(chǎng)。