廁所助老支架的設計與研究

葉家根 陳洋 王瑞豐 史杰 王晉鵬

（1.山西大同大學煤炭工程學院 山西省大同市 037003 2.山西大同大學機電工程學院 山西省大同市 037003）

1 課題的研究背景和意義

1.1 研究背景

我國的人口結構特殊，由于我國生育水平持續下降及人均預期壽命的延長，老年人口占社會總人口的比例迅速上升，我國正處于快速老齡化階段。2010年人口普查數據顯示，60 歲及以上的老年人口為1.78億，占總人口的13.26%，其中65歲及以上人口為1.19 億，占總人口的8.87%，這表明我國已經全面進入老齡化社會[1]，據2015年全國1%人口抽樣調查公報顯示，2015年年末我國60 周歲及以上人口數為2.22 億，占總人口比重為16.15%，65 歲及以上人口占總人口比重10.5%。據聯合國人口司《世界人口展望2017》(World Population Prospect 2017) 預測，從目前到2055年，我國老年人口比重都將呈單調遞增的趨勢，60 歲以上老人到2055年達到4.8 億，占比36.4%，65 歲以上占比29.4%[2]。老年人居家養老安全問題是重中之重。

目前，中國快速城市化未能充分考慮人口老齡化、已有生活居住環境和基礎設施難以滿足老齡社會的要求。助老輔助設施不僅是補民生短板的必要舉措,也是拉動投資的重要領域。據中國老齡委統計，每年65 歲老人在家摔倒超過2000 萬次，而由于如廁后，站立困難，導致摔倒的比例占到了53.63%。廁所助老支架的推廣，將幫助老人如廁后站立，并且大幅降低老人在如廁蹲起時摔倒的機率，保障老人的生命安全。

1.2 研究意義

隨著中國社會老齡化加劇，據統計，我國60 歲及以上人口已超過2.5 億，目前大約有超過2 億的老年人選擇居家自我照顧。但由于輔助設施普遍缺失，老年人居家自我照顧的危險性很大，根據統計,我國每年有4000 多萬老年人至少發生1 次跌倒，其中約一半發生在家中，部分老年人身體機能下降，腿部肌肉退化，在如廁時，蹲坐和站立十分困難。所以廁所助老支架的推廣可以幫助老年人如廁后站立，減少摔倒的可能性。

目前大多數助老支架都是固定安裝的廁所助老支架，此類支架占用空間面積大，空間利用率小。本文研究的助老支架的裝置結構簡單，設計巧妙，在使用時能夠幫助老年人防止滑倒，使用完成后可以折疊起來，不占用洗手間的空間。

2 助老支架設計

2.1 結構設計

如圖1所示，該支架由底板，若干支架，若干螺紋連接件，定位柱塞以及快速拔插裝置組成。各主要部件由鋁合金制成，有兩個自由度，可以上下左右旋轉。在老人需要時，可以下放，支架末端抵住墻壁，老人抓住支架蹲坐站立；使用完畢后，可以旋轉支架，使支架靠墻放置，節省洗手間的空間。

2.2 工作原理

2.2.1 上下旋轉部位

如圖2所示，旋轉部位：1 部位負責上下旋轉，2 部位負責左右旋轉。

2.2.2 左右旋轉部位

如圖3所示，將主支架的側面，加工出一個凹槽環，在另外一個支架側面打孔，用柱塞與主支架凹槽配合，正上方打一小孔，加裝插銷，使得軸向限位的同時，還可以左右旋轉。

2.2.3 快速拔插定位裝置

如圖4所示，在徑向面旋轉方向有三個定位孔，在旋轉到合適位置時，彈簧將柱銷推入孔中，使轉軸固定。

2.2.4 上下旋轉部分的限位裝置

如圖5所示，底板耳朵下面有3.4 兩個柱塞孔，用來裝入柱塞。

如圖6所示，在轉軸上的5，6 兩個凹坑，它倆端面之間的角度偏差為90 度，通過與柱塞的配合，可以實現水平和豎直兩個角度的定位。

如圖7所示，支架在水平狀態時，左側柱塞7 的鋼球會卡在左側凹坑，實現水平定位。

如圖8所示，在將支架收回時，向上稍微用力，扭矩會使柱塞彈簧受到壓力，小鋼球縮回，沿著凹坑滑出。

如圖9所示，支架繼續向上轉動，達到豎直90 度時，右側柱塞的鋼球8 會卡在右側凹坑，實現豎直定位。

3 理論設計計算

3.1 總體尺寸設計

該助老支架最大特點在于水平展開和豎直收回兩種狀態之間的轉換，且需要考慮底板安裝距離和手托支架的舒適位置，因此只有設計好尺寸才能合理、協調的實現其功能。

3.1.1 水平放置狀態

為保證支架的實際加工需要，滿足使用過程的實用性，將水平狀態尺寸設計為長885mm，寬110mm，高372mm。

3.1.2 豎直收回尺寸根據底板的安置位置，結合衛生間場景的平均大小空間，將豎直收回狀態的尺寸設計為長105mm，寬300mm，高950mm。

如圖10所示。

（1）計算支座反力B 處為固定鉸支座，可列出平面力系方程組：

代入公式

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

3.2 強度與剛度校核

當彎桿豎直放起身時，當柱塞插入時，A 處構成固定端約束，列出平面力系方程組

計算彎桿平放起身時的桿件應力：

彎桿上部分為拉桿件且最大支座反力為FBx=-451.2N

下面一部分為支撐桿件且最大支座反力為FA=321.28N

符合強度條件

（2）計算剪力Fs和彎矩Ms(x)，畫出剪力圖和彎矩圖如圖11所示。

（3）計算最大彎曲正應力：

Mmax=FBy.x=129.9×0.031×10=40.27 N·m

抗彎截面系數

（4）校核軸的強度：

最大彎曲正應力：

滿足強度要求

由以上簡化模型可知在軸承受最大載荷狀態下得慣性矩

（5）支撐桿的校核計算：

桿材料為：鋁合金6061

桿長：L= 0.045m

桿橫截面積為：9.62×10-4m2

取壓桿穩定：nst=3

按壓桿穩定校核彎桿的下半部分垂直于墻面的那部分

壓桿的長度因數：m=1

桿的自由長度為：l=45mm

桿的截面慣性半徑：

為桿橫截面的慣性矩：

用歐拉公式校核桿：

E 為材料的彈性模量：

E=72Gpa

桿的工作安全工作因數：

所以滿足要求。

又因為當彎桿豎直放起身時插銷插入彎桿，插銷承受擠壓力和剪切力

所以需要校核強度：

最大擠壓力Fst(max)=129.9N

Abs=d.l=4.8×10-3×25×10-3=1.2×10-2m2

最大剪力：Fs(max)=Fst(max)=129.9N

根據計算，此支架符合使用條件。

4 助老支架的優點

（1）現在很多助老支架都是固定支架，無法收回，大部分家庭的衛生間空間本身比較狹小，如果再安裝固定支架的話，會占用衛生間空間，這款支架在不使用的時候可以旋轉收回，節約衛生間空間。

（1）通過凹槽環和柱塞的配合，彎桿在軸向定位的同時，還可以旋轉。

（2）利用插銷和定位軸的定位孔配合固定彎桿，當它在旋轉到豎直位置和水平左右的位置時，可以固定。

（3）通過凹坑和柱塞的配合，轉軸可以在水平位置和豎直位置定位，以防突然旋轉掉下，砸到人。

（4）除了在家中使用外，該裝置還可用在公共衛生間，商場，醫院等公共場所，用途廣泛。

5 結論

如圖12所示，該助老支架結構簡單，使用方便，幫助老人如廁前后站立，可以防止老人摔倒，為失能老人和一些行動不便的老人提供安全保障。在不使用的時候可以將其靠墻固定，提高空間利用率。該助老支架不僅可以在家中使用，還可以在公共衛生間，商場，醫院等公共場所使用，具有超高商用價值，值得大力推廣。