基于民用水驅(qū)動的殘障人士折疊洗浴床的研發(fā)

盧衛(wèi)子，陳傳偉，王世新，周茂軍，耿新英，馮怡然

（大連工業(yè)大學a.機械工程與自動化學院；b.教育教學評價中心，遼寧 大連 116034）

0 引言

目前,中國已經(jīng)處于老齡化社會,隨著老年人的人口數(shù)量不斷增多,以及老齡化程度的加劇，中國的養(yǎng)老系統(tǒng)的壓力越來越重, 在目前護理人員不足和護理工作強度大的情況下, 就需要大量的護理設(shè)備來輔助我們完成護理工作,以改善老年人的生活質(zhì)量。根據(jù)調(diào)查顯示，受各種慢性病影響，老年人最先喪失的是洗浴能力[1]。根據(jù)國內(nèi)老年人護理需求調(diào)查，在出行護理、清潔護理、起居護理、排泄護理、飲食護理這5項指標中，清潔護理需求人數(shù)占比13.1%，位居第二,經(jīng)與社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)組織的工作員工進行的半結(jié)構(gòu)式訪談和登門拜訪調(diào)查中可以看出，分散布局在家庭中的重度家庭殘疾老人的護理現(xiàn)狀不是很理想，這些老人的住所環(huán)境不佳、對他們護理不充分，隨之造成褥瘡、糖尿病等癥狀[2]。類似情況，針對敬老院的無法自理的老人日間護理的時間和內(nèi)容的實地調(diào)研結(jié)果可知，在生活中關(guān)愛照料無法自理的老人所花費的時間是最長的，這里面輔助洗澡要花費時間是（39.39±18.53）min，這個時間段占據(jù)每天敬老院護理人員正常工作時間的8.21%。與此同時，因為敬老院配備的相關(guān)人員崗位不充分及其洗澡沐浴的裝備有待加強，難以滿足敬老院老人的洗浴需求[3]。在護理人員操縱護理儀器的過程中,有時會因為護理設(shè)備的設(shè)計不足及人機工程學研究與設(shè)計的不足,讓人體產(chǎn)生不適，甚至會導致事故的發(fā)生。合理運用人機工程學的助老設(shè)備研究具有重要意義[4]。

針對老年人獨自洗浴易發(fā)生危險的相關(guān)問題，本文研發(fā)了一種輔助老年人洗浴的民用水力驅(qū)動的折疊洗浴床。該洗浴床采用自來水壓驅(qū)動、六桿機構(gòu)、床板可拆卸并折疊的設(shè)計，結(jié)合人機工程學設(shè)計尺寸，簡化了老年人洗浴流程，降低老年人洗浴易發(fā)生危險的概率，兼顧經(jīng)濟因素且增強了環(huán)境適應性，同時滿足了降低建設(shè)成本、簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)、減少空間占用的需求。該裝置對解決獨居老人洗浴困難的問題提出了相對具有建設(shè)性的意見，能切實地為人們的生活提供便利。

針對老年人洗浴困難、獨自洗浴易發(fā)生危險的相關(guān)問題，設(shè)備主要針對以下幾點進行研發(fā)：1）使用自來水水壓驅(qū)動的方式，結(jié)合六桿機構(gòu)，提高運行安全性、穩(wěn)定性，縮減建造成本；2）合理設(shè)計折疊方式，增加空間利用率，不占用過多空間，簡化折疊過程；3）確定洗浴流程，并選用洗浴輔助裝置簡化洗浴流程；4）參考人機工程學相關(guān)知識[5]，合理設(shè)計坐高、扶手等相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸；5）以自來水為介質(zhì)的液壓傳動缸的設(shè)計；6）進行有限元分析，校核重要零部件強度。

1工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)介紹本洗浴床主體結(jié)構(gòu)分為3個部分，分別為折疊床板、

支撐框架、折疊收納柜。

1.1.1 折疊床板設(shè)計方案

折疊床板結(jié)構(gòu)如圖1所示，小腿板1與大腿板3通過合頁17連接，且大腿板3與座板4和靠背板6通過折彎合頁13連接，扶手5通過角件安裝于靠背板6中部，肩部花灑7與頭枕8分別安裝于靠背板6的上部與頂部，腿部花灑2安裝于大腿板3側(cè)邊，折疊腿14安裝于大腿板3及座板4下端。

圖1 折疊床板結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 支撐框架設(shè)計方案

支撐框架為焊接組合結(jié)構(gòu)，部分連接方式如圖2所示，其中：支撐框架后段11上安裝有兩個膠輪10，支撐框架后段11與支撐框架中段23通過聯(lián)軸器連接，且支撐框架中段23上安裝有卡扣支撐板22，可卡住支撐框架后段11，支撐框架中段23上有兩個膠輪10，用于在折疊收納柜9上滾動；支撐框架前段24上安裝有4個膠輪10與地面接觸，且在前端安裝有和小腿板1連接的前叉18，在后段中間位置與水壓缸12連接，支撐框架前段24和支撐框架中段23通過聯(lián)軸器連接。底部連桿運用交錯分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計，收納連桿時可完全折疊至一個平面。

圖2 支撐框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.3 折疊收納柜設(shè)計方案

如圖3所示，折疊收納柜前端安裝有8個收納卡扣19（用于收納支撐框架部分），前端中間部分安裝有旋轉(zhuǎn)擋片21（用于收納水壓缸）；收納床板后，可將床板立于折疊柜上方，并可將收納后的折疊支撐架卡在卡扣上，嵌入折疊柜完全折疊，并防止床板向下傾倒。

圖3 折疊收納柜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 洗浴床驅(qū)動方式及管道排布

熱水經(jīng)肩部淋浴頭、扶手、側(cè)腿板分流后從肩部和側(cè)面噴出，噴口排布如圖4所示，箭頭指向為熱水流出方向，分別對應前半身、頭部、四肢設(shè)置多個熱水流出點，以保證洗浴時人體各部分均勻受熱。

自來水壓力轉(zhuǎn)化為洗浴床靠背驅(qū)動力方式如圖5所示，換向閥上P為自來水進水口，為防止自來水中雜質(zhì)及水垢進入換向閥和水壓缸，需要在進水口安裝Y型過濾器或其他過濾設(shè)備；A、B為驅(qū)動水壓缸的工作口；P、S為排水口，排水口連接圖4中3、6管道，作為洗浴用水再次利用。

圖4 出水口示意圖

圖5 自來水壓力驅(qū)動方式

1.3 操控及運行方式

本裝置選用相對適合老年人使用的機械操作方式，手動控制手板換向機械閥，從而控制水壓缸工作，進而調(diào)節(jié)水床靠背升降；并可通過扳動機械式水流開關(guān)控制全身熱水口閉合；在洗浴時可隨時控制靠背板升降，幫助老年人進行坐起的動作；并可控制屈膝動作輔助下半身洗浴。且整個洗浴床可折疊收納，折疊流程如圖6所示。

圖6 折疊收納流程

1.4 機構(gòu)運動設(shè)計

支撐框架的設(shè)計思想基于六桿機構(gòu)，桿5作為主動件由水壓缸驅(qū)動；折疊床板固定在支架的對應桿件上，通過構(gòu)件5的前后移動帶動構(gòu)件1、2、3完成洗浴時床板的升降和洗浴后床板的折疊收納。機構(gòu)運動簡圖如圖7所示。

圖7 機構(gòu)運動簡圖

機構(gòu)中共有5個活動構(gòu)件，A、E、F、G處的小滾子為局部自由度，與相鄰構(gòu)件以高副接觸，其余各構(gòu)件間以轉(zhuǎn)動副連接。把局部自由度進行簡化處理后計算機構(gòu)自由度：

可得出本機構(gòu)僅需一個原動件便可得到唯一確定的運動軌跡。

2 設(shè)計與分析

2.1 人機工程學計算

1）人體測量。

人類群體中個體與個體之間都存在著身體尺寸的差異。測量人體得到的數(shù)據(jù)一般使用百分比P作為閾值，如P50為50%的人口數(shù)據(jù)值具有大于或小于這個數(shù)值[7]。伴隨老人歲數(shù)變大及老年人身體機能越來越弱，他們身體各個部位的大小都會在一定程度上產(chǎn)生縮小[8]。根據(jù)相關(guān)學者的結(jié)論，以我國成年人的體型基準根據(jù)2.8%進行計算[9]，目的是確定相對應的老年人體尺寸：

式中：HL為中國老年人身不同地方的尺寸；HC為中國正常成年人機體不同地方大小。因此可求出老年人身體各部分尺寸。

2）坐高設(shè)計合成。設(shè)X為人體坐高，可求平均值u：

坐高Y=u+ΔL。式中ΔL為修正量。

由上述分析人機關(guān)系可知，應對座高采用取中原則，為照顧到身材較矮的女性使用者及折疊設(shè)計限制，修正量取84 mm，所以坐高設(shè)計為300 mm，去除坐墊后，座板高度應為276 mm，為老年人常使用的馬扎的高度，設(shè)計可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)座高，以滿足多數(shù)人的使用需求[10]。

3）床板尺寸設(shè)計。

當大腿與小腿角度成90°時，人體背部成弓形，人體的重心可能會產(chǎn)生失衡[11]，因此折彎角度應介于90°～100°之間。

靠背板用于輔助老年人進行屈膝動作，若靠背板過低，不利于輔助老年人坐起進行搓浴動作，根據(jù)體壓分布實驗總結(jié)出，人體在坐姿時，靠背傾角接近108°時最為合適[12]，故靠背傾角設(shè)計最小角度為108°。

2.2 水介質(zhì)液壓傳動缸設(shè)計

由于本洗浴床應用于醫(yī)院、養(yǎng)老院及家庭浴室，以水介質(zhì)液壓傳動缸作為本洗浴床的驅(qū)動裝置可以解決傳統(tǒng)液壓油缸所存在的泄漏問題[13]，并且自來水經(jīng)過換向閥直接接入水壓缸，動力來自于自來水水壓，無需外接液壓泵或空氣泵，安全且使用便捷。以水作為介質(zhì)，會增加對液壓缸的腐蝕，因此如何設(shè)計水介質(zhì)液壓傳動缸及如何解決液壓缸的腐蝕問題是本洗浴床的研發(fā)重點。

2.2.1 水壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

根據(jù)中國家庭自來水水壓標準，水壓缸水源壓力為0.3～0.7 MPa，考慮特殊情況對于設(shè)備輸入水壓的影響，最小水源壓力為0.25 MPa，流量為0.2 L/s；根據(jù)實測情況，活塞桿完全伸出運行位置時人體對水壓缸的最大作用力F=535 N，選取系統(tǒng)額定壓力Pn=0.7 MPa。

水壓缸推力計算公式為

式中：P為最小驅(qū)動水壓；A為無桿腔活塞最小面積，A=2.14×10-3m2。

圖8 水壓缸樣機圖

2.2.2 水壓缸的材料選擇

在液壓部件中，運動零件與水直接接觸，并且因為水本身的腐蝕性，所以液壓缸材料的選擇對液壓缸的性能和壽命有很大影響。選擇材料的標準[14]為：1）耐水腐蝕特征，涵蓋化學腐蝕和電化學腐蝕、化學性能穩(wěn)定；2）在水介質(zhì)或高速重載條件下具有優(yōu)良的自潤滑性能，同時具有低磨損率和低摩擦因數(shù)；3）優(yōu)良的成型加工性能；4）足夠的力學強度與剛度，高抗疲勞腐蝕性能；5）良好的抗侵蝕和抗氣蝕性能；6）熱膨脹系數(shù)不大，規(guī)格穩(wěn)定性良好；7）購買容易，材料不貴；8）良好的熱穩(wěn)定特征。

根據(jù)加工工藝及經(jīng)濟性要求，選擇馬氏體不銹鋼作為水壓缸的主要材料。馬氏體的耐腐蝕性不好，但是可以借助表面熱處理手段來強化，以進一步提高表面硬度、強度、耐磨性能和抗腐蝕性能。經(jīng)滲碳熱處理后的碳鋼表面可以得到較大的硬度，強化了材料的耐磨性、耐腐蝕性，適用于過摩擦副的材料。在全面分析研究材料特性的背景下，水壓缸原型的材料選擇如表1所示。

表1 水壓缸材料選擇

2.3 靜態(tài)荷載分析

靠背板是本次設(shè)計浴床的主要易變形部分，這關(guān)系到整個設(shè)備的安全性和舒適性。本節(jié)主要分析其應力和位移。使用SolidWorks Simulation進行分析時，首先簡化復雜模型，并忽略焊接的強度及焊縫的高度影響；定義靠背板材料屬性[15]，如表2所示。

表2 材料屬性

限制靠背板的固定位置表面自由度。在最大載荷條件下分析靠背板的應力與變形。

取人體質(zhì)量最大為100 kg，并根據(jù)背部對靠背板的受力進行計算，進而得出靠背板的最大應力為13.08 MPa?？紤]到老年人在使用時會遇到突發(fā)情況，將承受力乘以3倍沖擊系數(shù)，加載于靠背板上。參照靠背板和鉸鏈及皮帶滑輪支撐件的連接條件，可以估算出靠背板的表面和滾輪的軌道受到自由度的限制。

設(shè)置零件的材料屬性，自動計算和分析零件并生成計算示例的結(jié)果?？勘齿敵龅膽εc位移變形如圖9所示。從應力圖和位移圖可以看出，最大值出現(xiàn)在靠背板的側(cè)面。從計算示例的結(jié)果中可以清楚地看到分析的主要數(shù)據(jù)。

圖9 靠背板輸出位移與應力

有限元分析計算得出靠背板結(jié)果：最大變形為0.5298 mm，最大應力為13.08 MPa，設(shè)計滿足材料的許用強度，因此可以保證靠背板在實際運行過程中的強度與剛度。在此理論基礎(chǔ)上，1∶1建立原型樣機并進行現(xiàn)場測試。

3樣機測試

樣機測試實際工作環(huán)境及運行情況如表3所示。模型樣機測試如圖10所示，測試折疊及展開過程中，收卷過程簡單便捷，無管道外露及纏繞打結(jié)情況；在實際測試運行過程無零件干涉，體感溫度適宜，水壓缸運行穩(wěn)定并準確運行至預定位置，材料無明顯形變且運行無故障出現(xiàn)。

圖10 現(xiàn)場測試圖

表3 測試環(huán)境

4 結(jié)語

伴隨著中國老齡化問題的加重，當今社會對于助老裝置的研發(fā)與生產(chǎn)有很大的需求，因此作為其基礎(chǔ)的助老設(shè)備得到了大力發(fā)展；本折疊洗浴床主要針對老年人及殘障人士洗浴困難的問題，通過水力驅(qū)動，可完全折疊的設(shè)計簡化了老年人洗浴流程，降低了老年人洗浴可能發(fā)生危險的可能，增加了空間利用率。通過對折疊洗浴床進行的人體測量學分析、有限元分析等完成了對洗浴床的設(shè)計，同時進行實物的制作與大量實驗，試驗結(jié)果表明，水力驅(qū)動折疊洗浴床的負載強度、運行穩(wěn)定性均達到預期要求，結(jié)構(gòu)簡單可靠，性價比高，環(huán)境適應性強，適合推廣使用。