一種助老如廁裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真分析

王順祥 鄧嶺

【摘要】針對目前國內(nèi)老年人口的不斷增加，老年人如廁困難這一越來越受社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)話題，設(shè)計(jì)了一種助老如廁裝置，來解決老年人在沒有提供扶持欄桿的私人或公共廁所中如廁困難的問題。論文重點(diǎn)從輔助老年人如廁時(shí)平穩(wěn)蹲坐與起身的機(jī)械裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行裝置的三維實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析，模擬助老如廁裝置的工作過程。

【關(guān)鍵詞】助老如廁裝置? 創(chuàng)新設(shè)計(jì)? 運(yùn)動(dòng)仿真

近些年來，老年人口數(shù)一直處于不斷增加的趨勢。截止2019年，我國60歲及以上老年人口數(shù)量已經(jīng)達(dá)2.53億，約占人口總數(shù)的18.1%。據(jù)預(yù)測，未來30年，中國老齡人口將進(jìn)一步增加?，F(xiàn)如今老年人獨(dú)居或僅與配偶居住已經(jīng)成為一種普遍現(xiàn)象，子女們大多由于工作繁忙等原因，而不能花費(fèi)太多時(shí)間照顧父母的生活起居。另外，老年人隨著年齡的增長，其生理機(jī)能不斷衰減，關(guān)節(jié)的靈活性與動(dòng)作的協(xié)調(diào)性也不斷下降，且這些老年人因胃腸道漸漸衰弱，如廁時(shí)間比正常人要更久，從而導(dǎo)致老年人在如廁過程中，會(huì)因關(guān)節(jié)的老化磨損而在彎腰、下蹲及起身等行動(dòng)時(shí)感到費(fèi)力、疼痛，甚至在起立的過程中發(fā)生暈厥或摔倒，后果不堪設(shè)想。而目前我國公用或私人的廁所中很少會(huì)提供扶持的裝置，時(shí)常需要人在旁攙扶才能安全順利地如廁，這給老年人生活帶來極大的不便。

基于這種情況的普遍存在，本文設(shè)計(jì)了一種助老如廁裝置，可有效解決以上出現(xiàn)的問題，使得老年人在沒有額外人力照顧的情況下，既能滿足老年人的特殊需求，又能提高他們的獨(dú)立生活能力與生活質(zhì)量，有效解決老年人每天面臨的如廁實(shí)際問題，提升老年人生活獲得感、幸福感和安全感。

一、功能分析與創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

（一）功能分析

由于助老裝置功能不同，其解決老人行動(dòng)不便的方式也有不同。常見的助老方式有輔助老人洗浴，行走，如廁，拿取物品等，本文研發(fā)的則是輔助老人如廁裝置，相較于其他幾種裝置，該裝置的核心功能則是輔助老人起立與蹲坐。

（二）創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)流程

根據(jù)以上功能分析，為實(shí)現(xiàn)操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)，根據(jù)已有條件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2.設(shè)計(jì)方案

由于本裝置面向老年人，設(shè)計(jì)初始就考慮到本裝置除了要滿足老人最基本的如廁需求，還要保證使用時(shí)的安全與便捷，該助老如廁裝置的結(jié)構(gòu)主要是由上框架、撐桿、頂部推桿、底架、底部推桿、滑軌、萬向輪、支架、坐墊及其他零部件組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

二、工作原理分析

該助老如廁裝置借助了平面四邊形結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性和受力穩(wěn)定性，來輔助老人起立以及坐下。首先，設(shè)置在馬桶上方的坐墊9兩側(cè)分別鉸接有一組連桿支架8，該連桿組包括起鉸接作用的連桿與起移動(dòng)作用的連桿，其鉸接連桿上端與坐墊9鉸接，底端與底架4鉸接;移動(dòng)連桿上端與坐墊9鉸接，底端與滑軌6連接，按下啟動(dòng)開關(guān)，移動(dòng)連桿由底部推桿5驅(qū)動(dòng)在滑軌上前后移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)坐墊9上下移動(dòng)，坐墊、連桿組、底部推桿和滑軌組成了一個(gè)穩(wěn)定的升降裝置，輔助老人下身的起身與蹲坐。如廁后老人可先將雙臂放在兩邊的橫桿，即上框架1的上面，待身體平衡后，再按下啟動(dòng)開關(guān)，撐桿2由頂部推桿3驅(qū)動(dòng)繞鉸鏈在一定的角度范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過兩側(cè)的二組撐桿帶動(dòng)上框架1以及身后的靠背上下弧形平動(dòng)。如此以電動(dòng)推桿作為動(dòng)力來源的輔助升降裝置便可安全穩(wěn)定的輔助老人的上身起立與坐下。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）輔助起立與輔助蹲坐裝置設(shè)計(jì)。該助老如廁裝置以金屬框架為基本支架，分為上下兩部分。上半部分為輔助起立裝置，包括由四個(gè)連接長桿和四邊形連桿機(jī)構(gòu)通過活動(dòng)鉸鏈組裝而成的支撐部分、由靠背和腋窩支撐結(jié)構(gòu)通過固定連接件連接在四邊形連桿機(jī)構(gòu)的輔助部分以及由兩組電動(dòng)推桿提供動(dòng)力的動(dòng)力部分。下半部分為輔助蹲坐裝置，包括由四個(gè)導(dǎo)槽、八個(gè)支架和中間掏空的坐墊組成的支撐部分、由兩組電動(dòng)推桿組成的動(dòng)力部分。

（2）滑軌設(shè)計(jì)?；壯b置的兩側(cè)有縱向的槽，用于引導(dǎo)、固定升降裝置，同時(shí)滑軌裝置還承受了升降裝置和人體的重量以及減少了升降裝置與固定支架的摩擦，有效的降低了不必要的能源損耗。所以，滑軌裝置在整體結(jié)構(gòu)中是必不可少的。

（3）動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)。在整體裝置進(jìn)行升起和下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于要保證升降裝置的平穩(wěn)與安全，老人給與裝置的外力須小于或等于電動(dòng)推桿的推力。故本裝置選用了電壓24V，推力1000N，速度為12mm/s，行程為250mm的電動(dòng)推桿電機(jī)。且該裝置沒有噪聲，不會(huì)讓老人感到不適。

（4）其他零件設(shè)計(jì)。此類零件主要是由萬向輪、鋁合金撐桿、內(nèi)六角螺母、墊圈、銷軸、螺栓、鉸鏈等組成，這些都屬于標(biāo)準(zhǔn)件或常用件，做到合理選擇即可。

四、運(yùn)動(dòng)仿真分析

SolidWorks自帶運(yùn)動(dòng)仿真插件Motion可以對裝配體進(jìn)行精確模擬和運(yùn)動(dòng)單元分析，通過圖形、數(shù)據(jù)等方式顯示運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度、加速度、作用力等。

在軟件中完成零件建模和裝配后，打開Motion，單擊運(yùn)動(dòng)算例，把動(dòng)畫模擬時(shí)間軸拉到18秒的位置。在助老如廁裝置裝配體中，單擊虛擬馬達(dá)，彈出馬達(dá)類型對話窗，選擇線性馬達(dá)，然后單擊電動(dòng)推桿，為推桿軸添加一個(gè)虛擬馬達(dá)，同時(shí)將推桿設(shè)置為10mm/s的勻速運(yùn)動(dòng)。然后按下從頭播放動(dòng)畫，觀察上框架、撐桿、底座、支架的運(yùn)動(dòng)情況，輸出動(dòng)畫結(jié)果。

運(yùn)行過程模擬：模擬過程分別以上框架為活動(dòng)部件，底架為固定部件;坐墊為活動(dòng)部件，滑軌為固定部件;撐桿為活動(dòng)部件，底架為固定部件;支架為活動(dòng)部件，底架為固定部件得出線性位移、角速度的仿真圖來分析整體裝置的運(yùn)行情況。運(yùn)行過程模擬情況如圖3所示。

對于建立的助老如廁裝置，在沒有考慮摩擦的情況下，通過虛擬馬達(dá)模擬運(yùn)動(dòng)后，頂部電動(dòng)推桿能支撐撐桿使得上框架勻速向上或向下運(yùn)動(dòng);同時(shí)底部推桿能支撐支架使得坐墊勻速向上或向下運(yùn)動(dòng)。通過觀察運(yùn)動(dòng)軌跡得出整體裝置滿足輔助老人起立和蹲坐的要求。

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作者簡介：王順祥（1999-），男，山東菏澤人;通訊作者：鄧嶺（1985-），女，漢族，湖南婁底人，碩士，助教，研究方向：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。