基于助殘扶老用途的可升降馬桶蓋馬桶圈機構設計

翟經緯?樂詠琪?李港?劉子蔚?陳嘉欣

摘 要：當前，我國的老齡化程度越來越高，給社會帶來了一定的壓力。中國有大多數老人都是獨自生活，在生活中存在諸多不便，其因身體機能衰弱，往往需要借助特殊的輔具或者其他外力來進行生活。但是，針對老年人群體使用的產品質量良莠不齊，難以滿足其生活需求。例如，當前，多數老年人存在如廁困難的問題，例如，難以獨自順利地坐到馬桶上，在如廁完畢后，由于長時間的坐姿導致老年人起身困難。由此，研究者根據自身所學的內容，設計了一種可升降馬桶蓋馬桶圈機構，該機構能幫助老人安全地坐到馬桶上，如廁完能安全起身。

關鍵詞：老齡化;馬桶;升降結構

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0069-03

Abstract： At present， the aging degree of our country is higher and higher， which brings some pressure to the society. Most of the old people in China live alone， and there are many inconveniences in their life. Because of their weak physical function， they often need special aids or other external forces to live. However， the quality of products used for the elderly group is uneven， which is difficult to meet their living needs. For example， at present， most of the elderly have the problem of difficulty in going to the toilet. For example， it is difficult to sit on the toilet alone and smoothly. After going to the toilet， it is difficult for the elderly to get up because of the long-time sitting posture. Therefore， according to what they have learned， the researchers designed a kind of mechanism that can lift the toilet cover and toilet ring， which can help the elderly sit on the toilet safely and get up safely after going to the toilet.

Keywords： aging;toilet;lifting structure

當前市面上輔助老人如廁的裝置分為兩類：一類是將椅子改裝成簡單且固定的承載機構作為輔助老人如廁的裝置;另一類則較為復雜，是數字化、智能化的可升降馬桶輔助裝置，缺點是占地面積大，占地面積是馬桶自身的兩倍。由此，本文設計了一種集成式馬桶圈升降機構，這種升降機構不僅可以保證老人正常如廁，而且兼顧了老人如廁時的舒適性與安全性。

1 升降結構對比

1.1 傳統升降結構

在采用傳統升降結構的馬桶中，使用者通過開關控制電機的啟停。電機運轉使得兩側的金屬支撐臂增壓，支撐臂連接馬桶圈和雙搖桿機構，雙搖桿機構作為從動件連接執行機構馬桶圈，使用者在支撐臂的托舉和雙搖桿機構的支撐下完成整個使用過程[1-9]。傳統升降結構如圖1所示。

1.2 集成式馬桶圈升降機構

集成式馬桶圈升降結構如圖2所示。集成式馬桶圈包括步進電機、螺紋桿、螺紋桿固定架、馬桶圈、金屬支撐桿、承重橫梁、U型滑軌、承重底座。使用者通過電機控制承重橫梁的升降，金屬支撐桿沿滑軌的滑動，推動實現整個機構的升降。集成式馬桶圈升降結構如圖2所示。

2 馬桶圈結構設計

2.1 設計原則

①適用性設計原則：產品的設計必須堅持以人為本的原則，因此，該產品必須要滿足老年人的基本需求，提升產品基礎功能的使用效率。

②情感性設計原則：老年人的孤獨感是我國老年群體常見的心理問題之一，因此，產品外觀要體現柔和感，從而緩解老年人的孤獨感。

③尊重性設計原則：老年人的自尊心很強，大致表現為不服老，害怕受到他人的另眼相待等。所以，老年人輔助產品的設計要尊重老年人的自尊心。

2.2 集成式可升降機構設計

在設計期間，研究者試驗了多種升降角度、金屬支撐桿的長度、集成方式、電機轉速等數據，最終計算出最佳升降角度，并用使用MATLAB對人體坐起過程的臀部運動軌跡進行最小二乘法擬合，對得到的軌跡曲線進行整合。當確立基礎數據后，研究者確定后期零配件加工方式及所需材料的數量。為了使該機構達到足夠的剛度，研究者利用CATIA有限元分析模塊進行強度校核后對模型進行優化，完成后的模型如圖3所示。

從圖3可以看出，馬桶圈與承重橫梁連接在一起，承重橫梁的兩端圓孔具有內螺紋，圓孔的內螺紋與螺紋桿的螺紋相互嚙合。步進電機帶動螺紋桿轉動，螺紋桿的旋轉運動轉化為承重橫梁的豎直運動，承重橫梁上升。承重橫梁的上升將帶動馬桶圈上升。金屬支撐桿帶動承重底座沿著U型滑軌滑動。金屬支撐桿推動馬桶圈運動。反向重復上述運動，可以實現馬桶圈的下降。

2.3 CATIA有限元靜應力分析

為了判斷所采用的材料是否能承受成年人的強度和剛度要求，在CATIA中進行了有限元分析。有限元計算輸出結果有多種，常用的有米塞斯等效應力分布圖及位移圖。采取靜應力分析后的米塞斯等效應力分布圖如圖4所示。由圖4可知，馬桶圈位置和承重底座位置應力最為集中，應特別加固這一部分。

3 集成式馬桶圈升降機構測試

為了對實物進行測試，研究者通過多組人員的試用測試，證明了本文所設計的集成式馬桶圈升降機構能順利完成馬桶圈升降，滿足承載能力強、運動過程平穩、占地面積小等要求。由于男性成年人的體重與女性成年人的體重在數值上差異較大，研究者通過多組不同體重的人員進行多次試用實驗，詳細記錄實驗的整個過程。從使用人員與馬桶圈升降機構接觸開始，到實驗人員離開馬桶圈升降機構結束，該機構都能實現升降馬桶完整的功能。

4 應用前景

該設計能幫助老人更安全地坐到馬桶上，如廁完能安全地幫助其起身。相比市場上的競品來說，這款產品體積更小，外觀更加接近馬桶原本的造型，減小醫療化的外觀帶給使用者的巨大心理壓力。

5 結語

整個集成式馬桶圈升降機構設計過程特別復雜，在設計時需要忽略部分因素，建立理想化的模型，主要借助軟件的仿真驗證可行性，求最佳值。本次設計主要以CATIA軟件為工具，建立三維模型，并進行應力分析和預裝配，完成后檢查各個零件與其他零件的位置關系是否發生干涉、配合是否合理，最終實現完整設計。整個模型制作完成后，通過實驗證明集成式升降機構的可行性。

參考文獻：

[1]張純，許勇軍，包瑞，等.基于CATIA的氣盾壩壩板參數化建模與靜力分析[J].農業裝備技術，2019（5）：52-55.

[2]涂志澳，李曉東，謝有浩.家用助老智能機械產品設計研究[J].中國新技術新產品，2019（22）：73-74.

[3]郭英，周國芳，高建紅.一種醫用馬桶的設計與應用[J].護理管理雜志，2019（8）：559.

[4]金宇航，楊玉維，陳世明.液壓助力馬桶裝置設計[J].天津理工大學學報，2018（6）：15-19.

[5]邊佳思，胡文杰，韓志偉.基于系統論的老年人如廁助力產品創新設計研究[J].工業設計，2020（4）：76-78.

[6]王賽，陶濤.基于單片機的可升降智能馬桶設計與實現[J].揚州工業職業技術學院論叢，2019（4）：35-38.

[7]敬菲菲.老年人無動力助行器研究與設計[D].成都：西南交通大學，2009：45.

[9]姬廣如.基于用戶體驗的老年助行產品設計研究[D].上海：華東理工大學，2013：36.