基于助殘扶老用途的可升降馬桶蓋馬桶圈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翟經(jīng)緯?樂(lè)詠琪?李港?劉子蔚?陳嘉欣

摘 要：當(dāng)前，我國(guó)的老齡化程度越來(lái)越高，給社會(huì)帶來(lái)了一定的壓力。中國(guó)有大多數(shù)老人都是獨(dú)自生活，在生活中存在諸多不便，其因身體機(jī)能衰弱，往往需要借助特殊的輔具或者其他外力來(lái)進(jìn)行生活。但是，針對(duì)老年人群體使用的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，難以滿足其生活需求。例如，當(dāng)前，多數(shù)老年人存在如廁困難的問(wèn)題，例如，難以獨(dú)自順利地坐到馬桶上，在如廁完畢后，由于長(zhǎng)時(shí)間的坐姿導(dǎo)致老年人起身困難。由此，研究者根據(jù)自身所學(xué)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一種可升降馬桶蓋馬桶圈機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能幫助老人安全地坐到馬桶上，如廁完能安全起身。

關(guān)鍵詞：老齡化;馬桶;升降結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(dāng)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(jiǎn)單且固定的承載機(jī)構(gòu)作為輔助老人如廁的裝置;另一類則較為復(fù)雜，是數(shù)字化、智能化的可升降馬桶輔助裝置，缺點(diǎn)是占地面積大，占地面積是馬桶自身的兩倍。由此，本文設(shè)計(jì)了一種集成式馬桶圈升降機(jī)構(gòu)，這種升降機(jī)構(gòu)不僅可以保證老人正常如廁，而且兼顧了老人如廁時(shí)的舒適性與安全性。

1 升降結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)升降結(jié)構(gòu)

在采用傳統(tǒng)升降結(jié)構(gòu)的馬桶中，使用者通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電機(jī)的啟停。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使得兩側(cè)的金屬支撐臂增壓，支撐臂連接馬桶圈和雙搖桿機(jī)構(gòu)，雙搖桿機(jī)構(gòu)作為從動(dòng)件連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)馬桶圈，使用者在支撐臂的托舉和雙搖桿機(jī)構(gòu)的支撐下完成整個(gè)使用過(guò)程[1-9]。傳統(tǒng)升降結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 集成式馬桶圈升降機(jī)構(gòu)

集成式馬桶圈升降結(jié)構(gòu)如圖2所示。集成式馬桶圈包括步進(jìn)電機(jī)、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(guò)電機(jī)控制承重橫梁的升降，金屬支撐桿沿滑軌的滑動(dòng)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的升降。集成式馬桶圈升降結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 馬桶圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

①適用性設(shè)計(jì)原則：產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須堅(jiān)持以人為本的原則，因此，該產(chǎn)品必須要滿足老年人的基本需求，提升產(chǎn)品基礎(chǔ)功能的使用效率。

②情感性設(shè)計(jì)原則：老年人的孤獨(dú)感是我國(guó)老年群體常見(jiàn)的心理問(wèn)題之一，因此，產(chǎn)品外觀要體現(xiàn)柔和感，從而緩解老年人的孤獨(dú)感。

③尊重性設(shè)計(jì)原則：老年人的自尊心很強(qiáng)，大致表現(xiàn)為不服老，害怕受到他人的另眼相待等。所以，老年人輔助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要尊重老年人的自尊心。

2.2 集成式可升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)期間，研究者試驗(yàn)了多種升降角度、金屬支撐桿的長(zhǎng)度、集成方式、電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，最終計(jì)算出最佳升降角度，并用使用MATLAB對(duì)人體坐起過(guò)程的臀部運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行最小二乘法擬合，對(duì)得到的軌跡曲線進(jìn)行整合。當(dāng)確立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，研究者確定后期零配件加工方式及所需材料的數(shù)量。為了使該機(jī)構(gòu)達(dá)到足夠的剛度，研究者利用CATIA有限元分析模塊進(jìn)行強(qiáng)度校核后對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)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(nèi)螺紋，圓孔的內(nèi)螺紋與螺紋桿的螺紋相互嚙合。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為承重橫梁的豎直運(yùn)動(dòng)，承重橫梁上升。承重橫梁的上升將帶動(dòng)馬桶圈上升。金屬支撐桿帶動(dòng)承重底座沿著U型滑軌滑動(dòng)。金屬支撐桿推動(dòng)馬桶圈運(yùn)動(dòng)。反向重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)馬桶圈的下降。

2.3 CATIA有限元靜應(yīng)力分析

為了判斷所采用的材料是否能承受成年人的強(qiáng)度和剛度要求，在CATIA中進(jìn)行了有限元分析。有限元計(jì)算輸出結(jié)果有多種，常用的有米塞斯等效應(yīng)力分布圖及位移圖。采取靜應(yīng)力分析后的米塞斯等效應(yīng)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(yīng)力最為集中，應(yīng)特別加固這一部分。

3 集成式馬桶圈升降機(jī)構(gòu)測(cè)試

為了對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，研究者通過(guò)多組人員的試用測(cè)試，證明了本文所設(shè)計(jì)的集成式馬桶圈升降機(jī)構(gòu)能順利完成馬桶圈升降，滿足承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、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(shù)值上差異較大，研究者通過(guò)多組不同體重的人員進(jìn)行多次試用實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。從使用人員與馬桶圈升降機(jī)構(gòu)接觸開(kāi)始，到實(shí)驗(yàn)人員離開(kāi)馬桶圈升降機(jī)構(gòu)結(jié)束，該機(jī)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)升降馬桶完整的功能。

4 應(yīng)用前景

該設(shè)計(jì)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(chǎng)上的競(jìng)品來(lái)說(shuō)，這款產(chǎn)品體積更小，外觀更加接近馬桶原本的造型，減小醫(yī)療化的外觀帶給使用者的巨大心理壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)集成式馬桶圈升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程特別復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)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(yàn)證可行性，求最佳值。本次設(shè)計(jì)主要以CATIA軟件為工具，建立三維模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析和預(yù)裝配，完成后檢查各個(gè)零件與其他零件的位置關(guān)系是否發(fā)生干涉、配合是否合理，最終實(shí)現(xiàn)完整設(shè)計(jì)。整個(gè)模型制作完成后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明集成式升降機(jī)構(gòu)的可行性。

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