老年人智能如廁輔助裝置設(shè)計(jì)

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，人們需要更多的智能裝置來提升老齡化社會(huì)帶來問題的應(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。

為了解決上述問題，并基于對(duì)當(dāng)前市面上已有的類似輔助裝置功能過于單一而根本不能滿足老年人的實(shí)際需求或者是功能全面但是產(chǎn)品價(jià)格過于昂貴等問題的深入分析，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程中，因關(guān)節(jié)老化磨損造成的行動(dòng)費(fèi)力、疼痛的問題，有效預(yù)防老年人在蹲起過程中發(fā)生意外或摔倒，給老年人的日常生活帶來便利。

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，另一端通過滑塊與滑軌連接。剪式機(jī)構(gòu)頂端同樣有滑塊在上底盤滑道中移動(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。

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 類剪式機(jī)構(gòu)

類剪式機(jī)構(gòu)兩端與上端剪式機(jī)構(gòu)通過銷釘鉸接，中部銷釘與扶手連接，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足需求。

1.5.3 脫下衣機(jī)構(gòu)

通過行程放大機(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)，通過手動(dòng)打開）。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，性價(jià)比高。PLC與伺服電缸之間通過驅(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〕