基于老年用戶的助老如廁馬桶蓋裝置設計研究

宋菲菲，程小兵

（浙江工商職業技術學院機電工程學院，浙江 寧波 315012）

隨著社會的發展，中國的老齡化也日益加重，在中國人口中，老年人所占的比例越來越大。根據聯合國2019 年的預測，2035 年時中國65 歲及以上人口占比會達到20.68%。根據上述數據可知，中國目前處于老齡化的過程中，且在未來的十多年里有可能會進入超老齡社會[1]。在日常生活中，65 歲以上的老年人中生活部分自理或完全不能自理的老年人約占老年人總數的1/3[2]。他們在吃飯、洗澡、行走時會因為身體原因而不能過上最簡單的生活，特別是如廁時，在坐下或離開馬桶時，會存在嚴重安全隱患：①隨著年齡增加，疾病隨之而來，如高血壓患者在排便時血壓升高，極可能會發生意外；②如果老年人排便時間過長，可能會雙腿麻木，難以站立，此時極易產生危險。因此，輔助老年人如廁裝置的設計和研發顯得尤為重要。

1 國內外研究現狀

當前市面上輔助老人如廁的裝置分為2 類，如圖1所示：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；另一類為在馬桶邊安裝扶手。將椅子改裝雖然結構上考慮最簡單，但是沒有考慮美觀性；在馬桶邊安裝扶手，以雙手用力代替了雙腳用力，最終還是要靠老年人自身體力來支撐身體的重量來如廁。

圖1 國內常用老年人輔助如廁裝置

雖然目前有研究人員研究出可升降的馬桶蓋，但是結構也較為復雜，占地面積大。劉坤等[3]設計了一種輔助型如廁輪椅的坐站式機械結構，主要通過變桿長以及變桿位實現輔助人體站起和坐下的功能。李兆亮等[4]為了解決由于老年人蹲起較為困難導致如廁不方便的問題，設計了一種能輔助老年人如廁的裝置，介紹了該裝置機械結構的設計以及硬件部分的設計，操作簡單，但功能較為單一。張幻等[5]設計的如廁智能輔助裝置雖然增加了清洗等人文關懷服務功能，但是它的基本結構還是椅子。

2 研究內容與流程

研究人員設計的是一種集成式智能馬桶蓋，該設計在原有智能馬桶蓋功能的基礎上，增加輔助扶手組件、靠背等附件，采用連桿機構加滑道控制起身的運動軌跡，以電機作為頂起動力源，使馬桶蓋頂起傾斜一定角度，輔助老人更便捷安全地坐到馬桶上，如廁完也能借助動力源馬桶蓋，安全地幫助其起身。除此功能外，還貼合老年人需求提供更舒適更人性化的服務，增加馬桶蓋加熱、沖洗等控制功能，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，還增加了人文化的服務功能，也減小了醫療化的外觀帶給使用者的巨大心理壓力。集成式智能馬桶蓋如圖2 所示。

圖2 集成式智能馬桶蓋

2.1 設計依據

該設計以目前市面上馬桶座的高度400 mm 為設計基礎，以GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》為參考。通過街頭調研、親友詢問、走訪養老院等形式進行體重數據統計。

2.2 設計原則

功能性原則：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。

關懷性原則：老年的生理需求必須體現在產品上，外觀要體現柔和感，從而減少對老年人的心理暗示。另外老年人的自尊心很強，擔心受到他人的另眼相待，不希望得到別人的幫助，所以老年輔助如廁馬桶蓋在設計方面需要保護老年人的自尊心。

人體工程學原則：從人體工程學角度考慮了輔助站立和坐立的穩定性和可調節性，操作簡單化、方便化，提高老年人的自理能力。

2.3 工作流程

工作流程如圖3 所示。

圖3 工作流程

2.4 運動機構

在研究過程中，研究人員參考了諸多資料和文獻，最終決定采用絲杠連接連桿結構控制起身的運動軌跡，以電機作為頂起動力源。電機連桿三維結構如圖4所示。電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而帶動上面的2 個滑塊滑動，滑塊1 帶動連桿1 驅動馬桶蓋頂起傾斜一定角度，可控制為30°；滑塊2 帶動連桿2 進而帶動安裝在馬桶蓋上的滑道裝置，滑道裝置可讓運動形式更加確定，在達到30°角度后彈簧彈出固定在上滑道塊上，增加剛度。

圖4 電機連桿三維結構

在馬桶蓋返回水平位置時，壓縮彈簧，滑道沿原路返回，滑塊1 和滑塊2 分別帶動連桿1 和連桿2 返回到原來位置。

3 主要結構

3.1 馬桶蓋

在智能馬桶蓋的馬桶蓋與馬桶墊之間施加阻尼結構。阻尼結構可控制馬桶蓋在傾斜一定角度時也不會自動翻下。

3.2 升降結構

所設計的馬桶蓋升降結構包括電機、絲杠、連桿、固定板、馬桶蓋、金屬滑道、滑軌。使用者通過電機控制滑桿在滑道內的移動，推動實現整個機構的升降。

3.3 輔助服務結構

設計的馬桶蓋內置了與普通智能馬桶蓋類似的結構，包括了可沖洗功能、馬桶蓋加熱功能、烘干功能、除臭組件。

4 動力學仿真分析

為保證該結構能實現所設計的理想運動狀態，在SolidWorks 軟件中進行了零件的運動仿真，驗證各部件和零件在運動過程中沒有發生干涉現象。

運動學仿真結束之后，在本軟件中又進行了靜力學分析。有限元產品分析可以在產品制造之前預先發現潛在的問題，驗證結構設計，縮短設計周期，提升產品質量和競爭力。因此在本結構設計完成之后直接在本軟件中做了靜力學仿真分析，主要是對承重零部件和結構進行了強度和剛度的校核，所有零部件均選擇了不銹鋼材料，噴涂為白色，與原有馬桶融為一體。

計算后的應力、應變及位移云圖如圖5 所示。

圖5 應力、應變及位移云圖

從圖中可以看出，零件的強度極限為206.8 MPa，實際最大等效應力為71.1 MPa，因此強度方面符合要求；應變為0.000 19，與零件本身尺寸相比，形變可忽略不計，因此剛度方面也符合要求。

5 結束語

研究人員從國內外研究現狀出發，將基于老年用戶的助老如廁馬桶蓋裝置設計從研究內容與流程、主要結構2 個方面分析了運動原理，確定了實現特定功能的運動方案，絲杠連桿滑塊帶動馬桶墊傾斜一定角度，又通過滑塊滑道裝置保證運動的準確性，安裝了扶手裝置，保證老年人身體支撐和受力；從人文關懷角度考慮了馬桶外觀的美觀性和實用性，能使老年人的生活質量得到提升；最后在SolidWorks 軟件中從動力學仿真分析方面實現了設計和運動仿真，并進行了強度和剛度的校核，為解決該結構強度剛度方面提供了一種可參考的實施方案。