老年人如廁智能輔助裝置的設(shè)計(jì)

張 幻，謝永智

（桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，中國(guó)的老齡化也日益加重，在中國(guó)人口中，老年人所占的比例越來(lái)越大，而其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(shù)的1/3[1]。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，吃飯、洗澡、上廁所，過(guò)上最簡(jiǎn)單的生活都是十分困難的。而他們的子女大多因?yàn)楣ぷ鞣泵Σ荒軙r(shí)刻陪在他們的身旁。所以在沒(méi)有他人照顧的情況下，解決老年人的生活問(wèn)題，提高老年人的生活質(zhì)量，是整個(gè)社會(huì)共同關(guān)注的問(wèn)題[2]。

目前已有不少輔助老年人生活的裝置。曾翔[3]設(shè)計(jì)了一種性能良好的輪椅，與傳統(tǒng)的輪椅相比，主要開(kāi)發(fā)的是一種智能輪椅，該輪椅配有多種傳感器，包括紅外線碰撞警告以及攝像頭等等，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障、自動(dòng)行走等一系列智能操作，屬于一種高智能化的助老助殘機(jī)器人，但操作略顯繁瑣，且價(jià)格不低。劉坤等[4]設(shè)計(jì)了一種輔助型如廁輪椅的坐站式機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)變桿長(zhǎng)以及變桿位實(shí)現(xiàn)輔助人體站起和坐下的功能。李兆亮等[5]主要是為了解決由于老年人蹲起較為困難使得如廁不方便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能輔助老年人如廁的裝置，介紹了該裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及硬件部分的設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，但功能較為單一。

基于目前的調(diào)查，類似的輔助裝置有些價(jià)格過(guò)于昂貴，操作不便，有些功能過(guò)于單一，不能根本上滿足老年人的需求。通過(guò)對(duì)問(wèn)題的深入分析，設(shè)計(jì)了一種主要幫助老年人如廁的智能輔助裝置，該裝置通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)如廁功能，通過(guò)雙搖桿機(jī)構(gòu)和棘輪系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)老年人下肢位的調(diào)整，裝置最大的創(chuàng)新之處是對(duì)老年人如廁后的清潔問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該裝置旨在沒(méi)有額外人力的情況下，幫助老年人滿足自己的生活需求，提高老年人獨(dú)立生活的能力以及生活質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)目的

（1）在輪椅上解決大小便。設(shè)計(jì)一種靠機(jī)械控制的排便門(mén)，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)人的身體向后靠時(shí)，排便門(mén)打開(kāi)；當(dāng)靠背返回原位時(shí)，排便門(mén)也能隨之關(guān)閉。座椅的排便處要與下面的盛便器相連接，這樣，排便結(jié)束后可以避免氣味的散發(fā)。

（2）下肢位姿的調(diào)整。通過(guò)手來(lái)控制雙搖桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，使得下肢位置進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)調(diào)整到合適的位置時(shí)，要能夠?qū)崿F(xiàn)下肢定位的功能，可在搖桿上加上棘輪系統(tǒng)。

（3）如廁后的清潔。這也是目前市場(chǎng)上的普通輪椅所不具備的。當(dāng)老人在輪椅上解決完大小便問(wèn)題后，身體的清潔也是一個(gè)不可忽略的部分?？梢詤⒄漳壳白詣?dòng)清潔馬桶的工作方式，分離出其中的自動(dòng)清潔方法，并將其進(jìn)行一定的改進(jìn)，應(yīng)用在輪椅上，讓輪椅實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔的功能。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 如廁功能

該功能可由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，滑塊C用連桿BC 與靠背相連。當(dāng)靠背向后靠時(shí)，即連桿AB 運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊C向后運(yùn)動(dòng)，滑塊C用連桿DE與排便門(mén)相連，從而帶動(dòng)排便門(mén)向后運(yùn)動(dòng)，如圖2所示，排便門(mén)沿斜面向下運(yùn)動(dòng)，與人身體分離?；瑝KC 與下面的盛便器密封連接，能使氣味不外溢。人的身體向后靠，此時(shí)靠背向后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊C 向后，從而打開(kāi)排便門(mén)，然后進(jìn)行方便，方便之后穿好褲子，坐起，將靠背拉起，這時(shí)排便門(mén)隨之復(fù)位，同時(shí)盛便器封閉。

圖1 排便門(mén)關(guān)閉位置

圖2 排便門(mén)開(kāi)啟位置

2.2 下肢位姿調(diào)整

該功能可由雙搖桿機(jī)構(gòu)和棘輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如圖3 所示，連桿AD 是用來(lái)放腳的，手通過(guò)連桿BC來(lái)使AD轉(zhuǎn)動(dòng)。利用雙搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞，在節(jié)點(diǎn)C處加裝棘輪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)搖桿位置的控制。當(dāng)對(duì)搖桿BC 施加轉(zhuǎn)矩，魚(yú)洞通過(guò)連桿CD 傳遞到支撐腿部的連桿AD。并且通過(guò)棘爪和連桿CD 上的形齒組成的棘輪系統(tǒng)控制位置，可使搖桿AD 停留在任何位置。當(dāng)需要上下擺動(dòng)搖桿時(shí)，只需使棘爪與棘輪脫開(kāi)即可?？捎脧椈蓪⒓?，上裝一個(gè)凸輪，利用凸輪的兩個(gè)穩(wěn)定位置，凸輪左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)都會(huì)使得彈簧拉長(zhǎng)，因此這兩個(gè)位置是穩(wěn)定的。

圖3 搖桿AD的極限位置

2.3 清潔功能

清潔系統(tǒng)可分為水路部分、電路控制部分、機(jī)構(gòu)及加熱器部分等3部分[6]。清潔功能的系統(tǒng)框圖如圖4所示[7]。

圖4 清潔功能系統(tǒng)框圖

2.3.1 水路部分

水路部分主要包括穩(wěn)壓閥、流量計(jì)、即熱組件、空氣泵、換向閥和沖洗組件等。

（1）穩(wěn)壓閥

穩(wěn)壓閥是一個(gè)將一定區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)保持在一定壓力范圍內(nèi)的設(shè)備。

（2）流量計(jì)

流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)水的流量，并將信息實(shí)時(shí)反饋。

（3）即熱組件

即熱組主要包括加熱管、溫控開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、水位開(kāi)關(guān)等。該組件能夠?qū)渌M(jìn)行加熱，確定所需的水溫。

（4）空氣泵

空氣泵是從一個(gè)封閉空間排除空氣或從封閉空間添加空氣的一種裝置。其能夠壓縮空氣，并將空氣傳遞至換向閥，使水和空氣進(jìn)行混合，從而讓清洗的力度加強(qiáng)。

（5）換向閥組件

換向閥組件實(shí)現(xiàn)不同人群的功能切換，并且能夠控制清潔的流量大小。

（6）沖洗組件

沖洗組件主要包括電機(jī)、齒輪組和噴頭組等。通過(guò)電機(jī)使齒輪組運(yùn)動(dòng)，然后與噴頭組嚙合，從而帶動(dòng)噴頭組做往返運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行沖洗。

2.3.2 電路控制部分

電路控制部分主要包括電源板、主控板、即熱控制板、按鍵板等。

（1）電源板

電源板是控制系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)控制電路的電源方面，提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，保持電路工作時(shí)有穩(wěn)定的輸出電流。

（2）主控板

主控板是系統(tǒng)的控制中心，包括各種器件的驅(qū)動(dòng)電路，能對(duì)空氣泵、沖洗電機(jī)、烘干電機(jī)等進(jìn)行控制。

（3）即熱控制板

即熱控制板能夠控制即熱組件中的加熱管，從而控制水加熱的溫度、時(shí)間以及功率等。

（4）按鍵板

按鍵板由按鍵和狀態(tài)顯示LED組成。

2.3.3 機(jī)構(gòu)及加熱器部分

機(jī)構(gòu)及加熱器部分主要包括烘干組件、齒輪箱組件、除臭組件等。

（1）齒輪箱組件

齒輪箱組件主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中功能的傳遞，如自動(dòng)沖洗、自動(dòng)翻蓋等。

（2）烘干組件

烘干組件主要包括云母加熱器、鼓風(fēng)機(jī)、溫度傳感器和風(fēng)道蓋，實(shí)現(xiàn)沖洗后的皮膚烘干功能。

（3）除臭組件

除臭組件主要包括活性碳、吸風(fēng)機(jī)等，能夠?qū)⑷鐜螽a(chǎn)生的臭氣吸入活性炭中，進(jìn)行空氣的清潔[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該老年人如廁智能輔助裝置的設(shè)計(jì)，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，解決了老年人自行在輪椅上的大小便問(wèn)題。利用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞，通過(guò)加裝棘輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)搖桿位置的控制，從而讓使用者實(shí)現(xiàn)下肢位置的調(diào)整，清潔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用PLC 為控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水路、電路、加熱器部件的控制。該裝置功能實(shí)用、操作簡(jiǎn)單、安全可靠，能對(duì)老年人的生活能力以及生活質(zhì)量做出明顯的改善。