可折疊如廁洗浴輔助椅運動-靜力分析與實現

潘澳，張永鴻，陶麗佳，陳蒙蒙，吳亞蓮

(江蘇科技大學 蘇州理工學院，江蘇 張家港 215600)

0 引言

隨著人類老齡化趨勢逐漸加重，目前失能老人的問題已經廣泛引起社會關注[1]。老年人隨著年齡的增長或受疾病的影響，日常生活自理能力逐漸下降。比如洗浴時浴室地面濕滑易導致老人摔倒且擦洗背部時較為吃力；老人骨密度低，心血管調節反應較差，肌肉等器官老化。因此如廁久坐后站起容易發生腦缺血，稍有不慎會造成肌肉損傷甚至骨折，這都給老人的獨立生活帶來了很大的困難與風險。

為解決上述問題，越來越多的助老機械被研制出來。李永田設計的“一種多功能淋浴椅”，將淋浴噴頭安置在椅子上方，設置有水溫顯示和放置物品的托盤[2]，減少老人洗浴時拿東西走動產生的危險，但忽略了老人背部清洗困難和從椅子上站起的不便。林如珊等的“老年護理用具多功能洗澡椅的研制”擁有輔助洗澡和如廁多種功能[3]，但是沒有調節腿部位姿，不能輔助老人站起。劉坤等設計了多功能坐站輔助型如廁輪椅機械結構，通過變桿長及變桿位的線性聯動設計，使系統內外支撐桿對座位托舉上升實現人體站起和迎候式輔助人體坐下的功能，扶手裝置可實現準確控制外支桿定點縱向位移[4]。滕兵等的“輪椅床的結構設計”，通過一系列機械機構實現輪椅到床的轉變，完成使用者從坐姿到躺姿的全過程變化[5]。朱亞坤等對電動輪椅進行聯網化設計，可實時監測使用狀態和遠程控制輪椅，使電動輪椅安全性提高，更加智能地保障使用者安全[6]。然而這些機構沒有兼具淋浴時自動擦背和輔助如廁后站起兩種功能。

為改善獨居老人的生活質量，針對其日常生活的不便，本文研制了一款可輔助老人如廁后站起，淋浴時擦背，且可進行折疊的助老椅，并對其進行運動學和靜力學分析，以保證該椅子能平穩輔助如廁和洗浴，并保證其安全性。

1 功能需求分析與方案設計

1.1 功能需求分析

基于老人日常生活的需求和市場調研結果，本文所設計的可折疊如廁洗澡輔助椅具有以下功能。

1)輔助如廁后站起功能。

2)背部清洗功能：老人由于其骨骼較脆弱，洗澡時手部很難彎曲到背后擦洗背部，因此需要背部擦洗機構，同時該結構應能適應不同身高的老人對擦背范圍的需求。

3)自動剎車功能：老人隨著年齡的增長記憶力減退，所以剎車機構要盡可能簡便、自動化，避免老人忘記剎車導致椅子移動而造成的各類風險。

4)折疊功能：設計的結構應保證折疊后所占空間盡可能小，以便不用時存放或外出使用時攜帶。

本多功能椅的設計應適合大部分老人，因此需根據多數老人的身高和坐姿舒適度來確定多功能椅的尺寸。具體設計參數如表1所示。

表1 多功能椅的主要設計參數

1.2 方案設計

該多功能椅的設計方案如圖1所示，包括：背部清洗機構，折疊機構，輔助站起機構，剎車機構。背部清洗機構安裝在椅背部分，折疊機構安裝在底板附近，輔助站起機構安裝在底板上方，剎車機構安裝在前定向輪上。

圖1 總體結構示意圖

1)背部清洗機構如圖2所示。直流電機驅動帶輪轉動，使固定在同步帶上的擦背板上下往復運動，完成擦背；內圓管套進外圓管內部，通過座管夾固定位置，方槽底部套入滑槽內部，通過松緊調節器固定。提拉或下按固定板，可同時改變方槽套入滑槽深度和內圓管套入外圓管深度，可調節背部清洗機構的高度，以適應不同背長的老人。

1—擦背驅動電機；2—擦背板；3—同步帶；4—滑槽；5—外圓管；6—方槽；7—坐管夾；8—內圓管。

2)折疊機構如圖3所示，可分為腿部的上收和背部清洗機構的翻折。背部清洗機構翻折原理為兩側的外圓管通過折合鉸鏈向前翻折90°，中間的滑槽通過銷軸與U型件連接完成向前翻折。腿部的上收原理為：鉤銷與叉銷的鉤部分別穿過前后支撐腿，用來固定支撐腿伸出后的位置。拉桿的兩端通過萬向節分別與鉤銷端部連接，拉動拉桿完成鉤銷和叉銷從支撐腿中脫離，此時椅子的上部依靠自身重力沿支撐腿下滑，根據相對運動實現椅子支撐腿的上收。

1—U型件；2—折合鉸鏈；3—叉銷；4—勾銷；5—拉桿。

3)輔助站起機構如圖4所示，翻轉板通過鉸鏈鉸接在底板前側，電動推桿底座固定在底板上，電動推桿頂部與扶手連接。扶手底部與翻轉板固連。通過按鈕控制電動推桿的伸縮使翻轉板進行翻轉，輔助老人如廁后站起。

1—扶手；2—連接件；3—翻轉板；4—底板；5—鉸鏈；6—電動推桿。

4)剎車機構如圖5所示，為防止老人使用前忘記操作剎車，把剎車機構設置成可自動剎車。剎車原理為：剎車方槽通過方管連接件與前支撐腿固連，剎車方槽內部穿過4根導向管并與剎車彈簧一端焊接，剎車彈簧另一端與定向輪上面的安裝部件焊接。使用者坐上椅子后，由于重力作用使剎車彈簧壓縮，前支撐腿和剎車方槽一起沿著導向管向下移動，剎車方槽接觸地面，達到剎車效果。

1—后支撐腿；2—方管連接件；3—萬向輪；4—剎車方槽；5—剎車彈簧；6—導向管；7—前支撐腿。

2 總體結構設計與關鍵部件選型

2.1 總體結構

通過對各結構的設計分析，確定多功能助老椅包括移動與支撐部分、剎車部分、翻轉部分、折疊部分和擦背部分(圖6)。移動與支撐部分主要包括前輪定向輪、后輪萬向輪、支撐腿；翻轉部分主要包括翻轉板、電動推桿、扶手；折疊部分主要包括折合鉸鏈、拉桿與鉤銷和叉銷；擦背部分包括擦背板、高度調節等。

1—擦背驅動電機；2—高度調節部分；3—折疊部分；4—支撐腿；5—剎車部分；6—電動推桿；7—扶手；8—擦背板。

2.2 剎車彈簧選型與校核

多功能椅可承受的最大質量為100 kg，最小質量為30 kg。椅子自身質量(含蓄電池和電機)為10 kg。前輪采用剎車彈簧，后輪采用腳踩式剎車，所以一根彈簧載荷為269.5 N。由于彈簧在一般載荷下工作，所以可選第三類彈簧來計算。選用材料為C級碳素彈簧鋼絲，初始估計彈簧絲直徑為4 mm。經過查表得[τT]=0.5σB，σB=1569 MPa，于是[τT]=784.5 MPa，[τT]為彈簧工作時的切應力，σB為材料的抗拉強度。

根據以上條件參考《機械設計》選定彈簧旋繞比C為10。

式中：k為彈簧曲度系數；d為彈簧絲直徑，Fmax為最大載荷。

根據《彈簧設計手冊》取第一系列標準值，d取3.2 mm，再根據以下公式算出彈簧中徑D2和彈簧外徑D，單位為mm。

D2=Cd=10×3.2=32

D=D2+d=32+3.2=35.2

計算彈簧的有效工作圈數n，根據設計手冊查得G=80000 MPa，彈簧的工作圈數為

式中：G為材料的切變模量；λ為彈簧的軸向變形量。取彈簧n為9。彈簧的總圈數為

n0=n+2=9+2=11

驗算載荷與變形，計算最小載荷與最大載荷相應的變形量，單位為mm。

式中Fmin為最小載荷。

綜上分析，剎車彈簧的壓縮變形均大于起壓縮效果時的壓縮量25 mm，可以達到剎車方槽與地面接觸，完成剎車。

2.3 電動推桿選型

由表1可知加上椅子翻轉部分的自質量，如廁輔助機構中的翻轉部分所需承受的總重力約為1010 N，參考運動生物力學翻轉板翻轉45°可輔助老人站起，通過三維運動模型繪制出翻轉示意圖(圖7)。圖中，翻轉板長300 mm，電動推桿收縮后加底座長228 mm，翻轉45°。

圖7 翻轉示意圖

正常情況下老人常坐在坐墊的中間位置，此時：

開始翻轉時：M(重力)=G×R=150×1010 (N·mm)

M(推力)=F×R1

M(推桿)>M(重力)，得出F>1443 N。

翻轉終止時：M(重力)=G×Rcos45°=107060 (N·mm)

M(推桿)>M(重力)，得到F>1427 N。

式中：M(重力)為人加翻轉板總質量繞鉸鏈旋轉所用力矩；M(推桿)為電動推桿提供力矩；G為人和翻轉部分總質量；R為總重力到鉸鏈的垂直距離；R1為電動推桿的推力到鉸鏈的垂直距離；F為電動推桿的推力。

同理算出老人坐在靠近后端和靠近前端時所需最大力分別為2886 N和1010 N。因為采取兩側安裝兩個推桿的方案，所以電動推桿的推力選1500 N。

采用畫圖法量出電動推桿伸長后長為294.3 mm，由于原長為228 mm，所以電動推桿的行程選100 mm。

2.4 驅動擦背板電機的選型

根據一個成人的后背長度確定帶輪中心距為450 mm，擦背板高度為80 mm，擦背模塊可調節高度180 mm，擦背板的行程為370 mm。帶輪直徑為40 mm周長為125.6 mm。

式中：S為所需圈數；L為擦背板行程；C為帶輪周長。

可得在擦背板一個行程內帶輪轉3圈。根據人擦背的舒適度調查，擦背速度約為74 mm/s。

式中：T為單行程電機所用時間，s；L為擦背板行程，mm；V為擦背板所需速度，mm/s。

即電機轉3圈需5 s，可得直流電機轉速約為35 r/min，功率35 W，額定轉矩32.5 kg·cm。

3 主要部件的運動分析和靜力分析

3.1 翻轉部分的運動分析

基于SOLIDWORKS中的Motion分析翻轉板的加速度和速度，以檢驗該椅子能否輔助老人平穩地從椅子上站起。

首先根據2個電動推桿的選型設定推力為3000 N，運動行程100 mm。經過Motion分析得到速度、角速度隨時間變化圖像，如圖8所示。翻轉板的角速度波動范圍為1 deg/s～5 deg/s，推桿的速度波動范圍為6 mm/s～15 mm/s，兩者都在合理范圍內，因此可以保證平穩輔助老人站起。

圖8 參數隨時間變化圖

3.2 靜力學分析

使用者在使用本多功能椅時，翻轉板承受主要質量。所以需要對翻轉板和連接件進行有限元分析，以保證選用材料能夠承受足夠的載荷，本多功能椅預承受人的質量為100 kg，主要分布在支撐面的中部，在Ansys中對翻轉板進行面分割，施加載荷進行受力分析，保證使用時的安全。

通過Ansys分析得到圖9應力云圖，可知翻轉板承受的最大應力為0.043225 MPA，小于硬鋁2Al1的許用應力370 MPA，選材符合要求。

圖9 翻轉板應力云圖

由于電動推桿的推力通過連接件傳遞到翻轉板，連接件將承受很大的載荷，需要對其進行應力分析。從應力云圖(圖10)可知所受載荷最大應力為82.395 MPa，所選材料Q235B屈服點為235 MPa，符合要求。

圖10 連接件應力云圖

對剎車彈簧進行瞬態分析(圖11)，可得到最大載荷和最小載荷時的最終壓縮量，分別為102.52 mm、34.287 mm，均大于起壓縮效果時的壓縮量25 mm。

圖11 剎車彈簧瞬態分析云圖

4 輔助椅的實現

基于上述模型所制作的多功能椅實物如圖12所示。本助老椅的實體框架材料選用鋁合金，模型部分構件采用3D打印。

圖12 實物圖

使用時，老人坐在此多功能椅上按下黑色按鈕，控制兩電動推桿同時伸縮驅使扶手板帶動翻轉板轉動一定角度，改變老人腿部位姿，實現輔助老人如廁后站起的功能。翻轉后如圖13所示。

圖13 翻轉后實物圖

按下折合鉸鏈的觸發機關，使擦背模塊向前翻折90°。拉動拉桿，使椅子支撐腿上收。折疊后椅子長500 mm、寬640 mm、高490 mm。如圖14所示。

圖14 折疊后實物圖

5 結語

該助老椅大大降低了老人在沐浴時的滑倒風險及如廁后站起時老人肌肉損傷的風險，同時本產品也提供了較為便捷的擦背模塊及折疊模塊，可攜帶于室內以外的公眾場合使用。隨著老齡化的到來，公共場所等也可以普及使用，應用前景較為廣闊，具有較大的推廣價值。