助老如廁車的結構設計與運動仿真分析

魯智謙 李冬林 張忠瀚

【摘? 要】基于現(xiàn)如今缺少集助行與輔助如廁功能于一體的助老器械的現(xiàn)狀，本文提出一種助老如廁車的設計方案，根據(jù)對老年人身體參數(shù)變化的一些研究與調(diào)查，確定了助老如廁車車體的主要尺寸。同時，就目前助行車所不具有的功能從而提出運用電動推桿輔助老年人坐立以完成輔助如廁的方案，并運用ADAMS對輔助如廁機構運轉情況進行仿真，得出運動情況良好的結論。

【關鍵詞】助行車;輔助如廁;結構設計;運動仿真分析

引言

助行工具對于腿腳不便的老人來說是生活中不可或缺的生活伴侶。受眾為老年人的助行工具一般具有結構簡單、質(zhì)量較小以及方便易折疊的優(yōu)點，這使它能夠很好的輔助老年人的自由出行。目前市場上有各種各樣的助行類產(chǎn)品。根據(jù)結構和功能的不同，大體可將其分為三類：其一為無動力助行器，其二為功能性電刺激助行器，其三為動力式助行器。世界各國由于科學水平與經(jīng)濟條件的差異，其對應的助行器產(chǎn)品也有所不同。瑞典Trust Care公司致力于老人助行產(chǎn)品行業(yè)，它擁有歐洲頂尖的設計師，設計出了世界上一流的產(chǎn)品，為老年人的生活帶來便利。Trust Care公司對助行產(chǎn)品的設計研究十分考究，該公司設計出的“Lets go”系列全新的助行產(chǎn)品贏得了世界各國人士的青睞。目前我國老年助行產(chǎn)品的研發(fā)仍處于初級階段，企業(yè)對該類產(chǎn)品的研發(fā)相對較弱，而且該類產(chǎn)品在我國使用普及率較低，與發(fā)達國家存在一定差距。目前，電動輪椅車已在中國醫(yī)學會投入研究并已經(jīng)得到一部分了老年人的使用，反饋效果相當好;清華大學、上海交通大學等科研院所也各自開展了老年人助行產(chǎn)品的設計和開發(fā)，涵蓋了助行器的各種結構樣式;江南大學和浙江大學主要針對老年人助行產(chǎn)品的無障礙設計和輔助站立座椅設計。本研究主要著力于帶有輔助如廁功能助行器的結構設計，并對輔助如廁功能進行運動模擬，從而判斷該機構的合理性。

1.助老如廁車的尺寸分析

根據(jù)我國60歲以上老年人的人體尺寸分析，確定助老如廁車的一些關鍵尺寸如：扶手及把手的長度與距離座面的高度、座面的寬度和距離地面的高度以及靠背的寬度。（1）扶手及把手的長度與距離座面的高度。把手是手掌直接接觸的部位，而扶手是傳遞身體重量并把控方向的，所以其高度和兩扶手之間的距離在一定程度上影響著助行器的舒適性，把手的尺寸應該適用于不同性別、年齡的人群。故將扶手距離座面的高度設置為300-450mm，扶手長度為400mm，且扶手之間的距離為400mm左右，把手的長度設置為110mm，直徑為25mm;（2）座面的寬度和距離地面的距離。座面高度過高不利于如廁的順利進行，過低易使身體進入疲勞狀態(tài)，適當?shù)淖娓叨扔欣谌鐜捻樌M行。參考不同的坐姿膝高尺寸、坐姿臀寬尺寸和座深尺寸，將座面距地面高度設置為470-550mm，座面寬度設置為400mm;（3）靠背的寬度。靠背的寬度根據(jù)腰圍的尺寸來確定，故將靠背的寬度定為400mm。

2.助老如廁車的結構設計

2.1支撐架設計

助老如廁車支撐架中，車輪水平方向的連接桿被設計成弧形造型，既能夠使老人手扶時的力均勻地施加在四個輪子上，保持如廁車重心平穩(wěn)，并且給與人流暢的視覺感官，同時中間設置一橫柱（如圖1、圖2），來加強支撐架穩(wěn)固性。

2.2如廁坐具設計

如廁坐具的設計如圖3、圖4所示。參考目前已知馬桶尺寸，同時將衣服的厚度尺寸考慮其中，將座面寬度設置為400mm左右，長度設置為350mm左右。在座面板中間挖去一短半徑為100mm左右，長半徑為130mm左右的半橢圓孔，以便老人在如廁時能夠順利進行如廁行為。

2.3扶手與把手設計

在支撐行走時，助老如廁車的扶手應有較大的接觸面積，并有一定的防滑措施，設置操作把手直徑為25mm，長度為110mm左右。同時在把手外側纏繞防滑膠套，當旋轉把手時能夠?qū)χ先鐜囘M行調(diào)速，并在把手上設置減速和急停按鈕，能夠在電動情況下及時剎車與急停，以保障老人行走安全。為使操縱手剎時更便捷，將手剎鈕安置在把手拇指處，便于及時、方便的按下。當老人如廁時，為方便老人如廁，將扶手設置成符合人體手臂曲線的曲面，如圖5、圖6所示。

2.4車輪設計

助老如廁車的前輪設置成能夠橫向轉動，這樣方便對車體方向的操控，車輪邊緣橡膠凸起能夠減緩震動和噪音（如圖7）;后輪為主要驅(qū)動輪，為能夠與特定軌道卡死的電梯輪，后輪與電機同軸進行驅(qū)動（如圖8）。

3.ADAMS運動仿真分析

在輔助如廁機構中選用的動力為二級推桿所提供的直線運動，設置第一級推桿的直線運動速度為25mm/s，第二級運動推桿的直線運動速度為30mm/s，并利用ADAMS對機器關節(jié)運動進行仿真優(yōu)化，其運動過程如圖9所示。

輔助坐立功能其重點為背部靠墊與坐墊繞Z軸運動情況的穩(wěn)定性，因為這不僅有關人體姿勢的舒適度，更影響到老年人如廁時的安全性問題。因此在運動情況的模擬中，將著重研究助行車部件繞Z軸轉動的一系列運動參數(shù)。如圖10所示，坐墊質(zhì)心轉動的角度和角速度都與近似呈線性關系，可以證明此輔助如廁機構的運動具有一定的平滑性，且較為平穩(wěn)。由角度—時間曲線可知，在4s左右機構達到所能運動到的極限位置，其與機架的夾角約為32.75°。根據(jù)身體健康、平均年齡為68歲的老年人的從坐姿到站姿的時間統(tǒng)計，所需時間為（2.14±0.57）s。由此可知雖然仿真所得的到的時間稍大于實際，但是考慮到上述統(tǒng)計未將腿腳不便的老年人算入其中，故時間有一定的裕量是合情合理的。雖然在運動的初期角加速度曲線有一段不規(guī)則振蕩區(qū)域，但是在輕載低載荷的情況下，稍有振蕩對整體運動規(guī)律并無影響。

對于上述角加速度在運動初期有一振蕩階段，初步分析為坐墊與靠墊鉸接處有摩擦引起。故對鉸接處作進一步運動參數(shù)分析。如圖11所示，鉸接處的一系列運動參數(shù)變化都較為平穩(wěn)。故坐墊質(zhì)心初期的角加速度振蕩現(xiàn)象就不是坐墊與靠墊鉸接處有摩擦引起，具體產(chǎn)生原因還需進一步理論分析與驗證。

雖然坐墊質(zhì)心初期角加速度存在振蕩，但是由于上述兩處繞Z軸運動參數(shù)變化情況是影響輔助如廁機構輔助老年人坐立最關鍵的兩點因素，且這兩個因素的運動情況都較為平穩(wěn)。故可以認為設計的機構安全可靠的。

4.結語

根據(jù)現(xiàn)如今缺少集助行與輔助如廁功能于一體的助老器械的現(xiàn)狀，本文提出了一種助老如廁車的方案。然后根據(jù)對老年人身體參數(shù)的變化進行的一系列研究和調(diào)查，大致確定了助行車一些主要參數(shù);其次對助行車各個部分的尺寸進一步確定，并在SolidWorks中對助行車的各個零部件進行建模，而后進行裝配;最后，將整個助行車的模型導入到ADAMS軟件中對輔助如廁部分運動參數(shù)進行分析與驗證，得出設計安全可靠的結論。本文的研究為設計出具有多種功能的助行車提供了一定的參考價值。

參考文獻

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