宋菲菲，程小兵

（浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 寧波 315012）

隨著社會的發(fā)展，中國的老齡化也日益加重，在中國人口中，老年人所占的比例越來越大。根據(jù)聯(lián)合國2019 年的預(yù)測，2035 年時中國65 歲及以上人口占比會達(dá)到20.68%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，中國目前處于老齡化的過程中，且在未來的十多年里有可能會進(jìn)入超老齡社會[1]。在日常生活中，65 歲以上的老年人中生活部分自理或完全不能自理的老年人約占老年人總數(shù)的1/3[2]。他們在吃飯、洗澡、行走時會因為身體原因而不能過上最簡單的生活，特別是如廁時，在坐下或離開馬桶時，會存在嚴(yán)重安全隱患：①隨著年齡增加，疾病隨之而來，如高血壓患者在排便時血壓升高，極可能會發(fā)生意外；②如果老年人排便時間過長，可能會雙腿麻木，難以站立，此時極易產(chǎn)生危險。因此，輔助老年人如廁裝置的設(shè)計和研發(fā)顯得尤為重要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前市面上輔助老人如廁的裝置分為2 類，如圖1所示：一類是將椅子改裝成簡單且固定的承載機(jī)構(gòu)作為輔助老人如廁的裝置；另一類為在馬桶邊安裝扶手。將椅子改裝雖然結(jié)構(gòu)上考慮最簡單，但是沒有考慮美觀性；在馬桶邊安裝扶手，以雙手用力代替了雙腳用力，最終還是要靠老年人自身體力來支撐身體的重量來如廁。

圖1 國內(nèi)常用老年人輔助如廁裝置

雖然目前有研究人員研究出可升降的馬桶蓋，但是結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，占地面積大。劉坤等[3]設(shè)計了一種輔助型如廁輪椅的坐站式機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要通過變桿長以及變桿位實現(xiàn)輔助人體站起和坐下的功能。李兆亮等[4]為了解決由于老年人蹲起較為困難導(dǎo)致如廁不方便的問題，設(shè)計了一種能輔助老年人如廁的裝置，介紹了該裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及硬件部分的設(shè)計，操作簡單，但功能較為單一。張幻等[5]設(shè)計的如廁智能輔助裝置雖然增加了清洗等人文關(guān)懷服務(wù)功能，但是它的基本結(jié)構(gòu)還是椅子。

2 研究內(nèi)容與流程

研究人員設(shè)計的是一種集成式智能馬桶蓋，該設(shè)計在原有智能馬桶蓋功能的基礎(chǔ)上，增加輔助扶手組件、靠背等附件，采用連桿機(jī)構(gòu)加滑道控制起身的運動軌跡，以電機(jī)作為頂起動力源，使馬桶蓋頂起傾斜一定角度，輔助老人更便捷安全地坐到馬桶上，如廁完也能借助動力源馬桶蓋，安全地幫助其起身。除此功能外，還貼合老年人需求提供更舒適更人性化的服務(wù)，增加馬桶蓋加熱、沖洗等控制功能，相比市場上的競品來說，這款產(chǎn)品體積更小，外觀更加接近馬桶原本的造型，還增加了人文化的服務(wù)功能，也減小了醫(yī)療化的外觀帶給使用者的巨大心理壓力。集成式智能馬桶蓋如圖2 所示。

圖2 集成式智能馬桶蓋

2.1 設(shè)計依據(jù)

該設(shè)計以目前市面上馬桶座的高度400 mm 為設(shè)計基礎(chǔ)，以GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》為參考。通過街頭調(diào)研、親友詢問、走訪養(yǎng)老院等形式進(jìn)行體重數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2.2 設(shè)計原則

功能性原則：產(chǎn)品的設(shè)計必須堅持以人為本的原則，因此，該產(chǎn)品必須要滿足老年人的基本需求，提升產(chǎn)品基礎(chǔ)功能的使用效率。

關(guān)懷性原則：老年的生理需求必須體現(xiàn)在產(chǎn)品上，外觀要體現(xiàn)柔和感，從而減少對老年人的心理暗示。另外老年人的自尊心很強，擔(dān)心受到他人的另眼相待，不希望得到別人的幫助，所以老年輔助如廁馬桶蓋在設(shè)計方面需要保護(hù)老年人的自尊心。

人體工程學(xué)原則：從人體工程學(xué)角度考慮了輔助站立和坐立的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性，操作簡單化、方便化，提高老年人的自理能力。

2.3 工作流程

工作流程如圖3 所示。

圖3 工作流程

2.4 運動機(jī)構(gòu)

在研究過程中，研究人員參考了諸多資料和文獻(xiàn)，最終決定采用絲杠連接連桿結(jié)構(gòu)控制起身的運動軌跡，以電機(jī)作為頂起動力源。電機(jī)連桿三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動上面的2 個滑塊滑動，滑塊1 帶動連桿1 驅(qū)動馬桶蓋頂起傾斜一定角度，可控制為30°；滑塊2 帶動連桿2 進(jìn)而帶動安裝在馬桶蓋上的滑道裝置，滑道裝置可讓運動形式更加確定，在達(dá)到30°角度后彈簧彈出固定在上滑道塊上，增加剛度。

圖4 電機(jī)連桿三維結(jié)構(gòu)

在馬桶蓋返回水平位置時，壓縮彈簧，滑道沿原路返回，滑塊1 和滑塊2 分別帶動連桿1 和連桿2 返回到原來位置。

3 主要結(jié)構(gòu)

3.1 馬桶蓋

在智能馬桶蓋的馬桶蓋與馬桶墊之間施加阻尼結(jié)構(gòu)。阻尼結(jié)構(gòu)可控制馬桶蓋在傾斜一定角度時也不會自動翻下。

3.2 升降結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的馬桶蓋升降結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、絲杠、連桿、固定板、馬桶蓋、金屬滑道、滑軌。使用者通過電機(jī)控制滑桿在滑道內(nèi)的移動，推動實現(xiàn)整個機(jī)構(gòu)的升降。

3.3 輔助服務(wù)結(jié)構(gòu)

設(shè)計的馬桶蓋內(nèi)置了與普通智能馬桶蓋類似的結(jié)構(gòu)，包括了可沖洗功能、馬桶蓋加熱功能、烘干功能、除臭組件。

4 動力學(xué)仿真分析

為保證該結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)所設(shè)計的理想運動狀態(tài)，在SolidWorks 軟件中進(jìn)行了零件的運動仿真，驗證各部件和零件在運動過程中沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象。

運動學(xué)仿真結(jié)束之后，在本軟件中又進(jìn)行了靜力學(xué)分析。有限元產(chǎn)品分析可以在產(chǎn)品制造之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短設(shè)計周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。因此在本結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后直接在本軟件中做了靜力學(xué)仿真分析，主要是對承重零部件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度和剛度的校核，所有零部件均選擇了不銹鋼材料，噴涂為白色，與原有馬桶融為一體。

計算后的應(yīng)力、應(yīng)變及位移云圖如圖5 所示。

圖5 應(yīng)力、應(yīng)變及位移云圖

從圖中可以看出，零件的強度極限為206.8 MPa，實際最大等效應(yīng)力為71.1 MPa，因此強度方面符合要求；應(yīng)變?yōu)?.000 19，與零件本身尺寸相比，形變可忽略不計，因此剛度方面也符合要求。

5 結(jié)束語

研究人員從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀出發(fā)，將基于老年用戶的助老如廁馬桶蓋裝置設(shè)計從研究內(nèi)容與流程、主要結(jié)構(gòu)2 個方面分析了運動原理，確定了實現(xiàn)特定功能的運動方案，絲杠連桿滑塊帶動馬桶墊傾斜一定角度，又通過滑塊滑道裝置保證運動的準(zhǔn)確性，安裝了扶手裝置，保證老年人身體支撐和受力；從人文關(guān)懷角度考慮了馬桶外觀的美觀性和實用性，能使老年人的生活質(zhì)量得到提升；最后在SolidWorks 軟件中從動力學(xué)仿真分析方面實現(xiàn)了設(shè)計和運動仿真，并進(jìn)行了強度和剛度的校核，為解決該結(jié)構(gòu)強度剛度方面提供了一種可參考的實施方案。