基于輔助站立分析的老年人坐便器設(shè)計(jì)

郭家偉，陳華，趙帆，張琳，徐子豪

(馬鞍山學(xué)院 大阪醫(yī)工學(xué)院，安徽 馬鞍山，243100)

characteristic

廁所系統(tǒng)(現(xiàn)代衛(wèi)生設(shè)備)的完善是醫(yī)學(xué)界的里程碑[1]。據(jù)世界廁所組織統(tǒng)計(jì)，單人每年約有304 h用于如廁，且女性用時更長[2]，同時，廁所又是危險(xiǎn)地帶，意外和緊急情況常有報(bào)道。廁所是醫(yī)療救護(hù)人員經(jīng)常出入的救援地點(diǎn)。

65歲以上的老年人坐下和離開馬桶時的動作很危險(xiǎn)，特別是心腦血管病患者。首先,蹲廁時間如果過久則難以站立，此外,由于體位突然改變，血壓也會下降，容易誘發(fā)短暫性腦缺血，導(dǎo)致兩眼發(fā)黑、頭暈，甚至?xí)炟?、中風(fēng)。因此,開發(fā)輔助裝置扶助老年人如廁起身變得尤為重要。

董輝等[3]設(shè)計(jì)了一種智能升降馬桶，該裝置由平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，可以在29.25 s內(nèi)完成輔助站立動作，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，但控制復(fù)雜，成本相對較高。陳海倫等[4]針對老年人如廁時彎腰掀蓋、坐起及按壓沖水等問題，開發(fā)了一種智能電動升降馬桶，該馬桶尺寸可調(diào)、安裝方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推廣不易。吳瑞聰?shù)萚5]針對老年人不易起蹲、不便行走、如廁不適等問題，提出了一種輔助如廁椅，滿足了老年人對如廁過程的需求。KUME等[6]研制了一款床椅輔助機(jī)器人，順利實(shí)現(xiàn)了從床到輪椅及方便如廁等功能。桑凌峰等[7]研發(fā)了一款智能輪椅擔(dān)架車，通過所設(shè)計(jì)的折展機(jī)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)輔助如廁，座椅升高、如廁等功能，該裝置穩(wěn)定可靠，主要運(yùn)用于醫(yī)療領(lǐng)域。本文針對老年人如廁過程中存在起身站立問題，提出了一種輔助如廁裝置，通過弓形機(jī)構(gòu)舒展來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能要求，輔助老年人完成起身動作。

1 老年人排便蹲坐模型建立

老年人在排便蹲坐及起身過程中面臨小腿抽筋、腰部酸疼及眩暈等問題，這些問題的產(chǎn)生均與人因尺寸有關(guān)。為分析與排便姿勢相關(guān)的人因尺寸，建立了如圖1所示的老年人蹲坐模型。圖1中θ為肛腸角，α為膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，T為坐深，H為坐高，S為坐姿肩高。

查閱文獻(xiàn)[8-10]分析后發(fā)現(xiàn)：老年人在蹲坐狀態(tài)下，肛腸角θ=80°，膝關(guān)節(jié)角為90°時排便姿勢最為舒適；在起身狀態(tài)下，膝關(guān)節(jié)角由90°轉(zhuǎn)動至150°(α=60°)時老年人完成起身動作。根據(jù)人因工程學(xué)相關(guān)設(shè)計(jì)原則[10-13]，列出了如表1所示的與老年人排便姿勢相關(guān)的人因尺寸。

表1 老年人排便姿勢人因尺寸Table 1 Defecation posture with human factor size of the elderly mm

為設(shè)計(jì)出符合老年人人因尺寸的輔助坐便器，依據(jù)人因工程學(xué)推薦的男性小腿加足高取第95百分位值，女性取第5百分位值，并考慮座椅類設(shè)計(jì)的安全穩(wěn)定性，將輔助坐便器坐高H取420 mm，坐深T取440 mm，坐姿肩高S取560 mm。

2 輔助坐便器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將與老年人排便姿勢相關(guān)的人因尺寸作為坐便器輔助功能實(shí)現(xiàn)的期望值，完成該輔助裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 輔助坐便器功能尺寸設(shè)計(jì)

圖2所示為輔助坐便器功能尺寸圖，圖2中坐深T=440 mm，坐高H=420 mm，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角α=60°，弓形機(jī)構(gòu)ABCD的桿長均相等，即LAB=LBD=LCD=LAC。

圖1 老年人蹲坐模型Fig.1 Model of elderly squatting

圖2 輔助坐便器功能尺寸圖Fig.2 Functional dimension drawing of auxiliary toilet

由各構(gòu)件間的相對運(yùn)動關(guān)系可列出等式：

{T=LOA+LAC+LCD=LOA+2LT=LOC+LCE

(1)

式中：L為弓形機(jī)構(gòu)各連桿長度；LOA為鉸點(diǎn)O和鉸點(diǎn)A之間距離；LCE為滑塊C質(zhì)心與鉸點(diǎn)E之間距離。

在△OAC中，運(yùn)用余弦定理可列出等式：

LAC2=LOA2+LOC2-2LOA×LOC×cosα

(2)

式中：LOC為鉸點(diǎn)O與滑塊C質(zhì)心之間距離。

聯(lián)立式(1)和式(2)可得：

L2=(440-2LOC)2+LOC2-(440-2LOC)×LOC

(3)

由△OAC與△OBE相似可列出等式：

LDE/LAC=LCD/LOA=LCE/LOC

(4)

式中：LDE為連桿DE的長度。

聯(lián)立式(1)和式(4)可得：

LOC×(440-2L)+LOC×L= 440×(440-2L)

(5)

聯(lián)立式(3)和式(5)求解可得：L=162 mm，LOC=184 mm。

由式(1)和式(4)計(jì)算可得：LCE=216 mm，LOA=138 mm，LDE=190 mm。

由滑塊C質(zhì)心的始末位置可求出其行程S1：

S1=LOA+LAC-LOC=94 mm

(6)

由滑動軸質(zhì)心的始末位置可求出其行程S2：

S2=LDE=L2/LOA=226 mm

(7)

2.2 輔助坐便器運(yùn)動仿真

在不影響計(jì)算精度的情況下，對輔助坐便器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，并采用ADAMS動力學(xué)仿真軟件，建立了如圖3所示的運(yùn)動仿真模型。

首先，根據(jù)裝配關(guān)系添加各構(gòu)件間運(yùn)動副，編輯各構(gòu)件材料及質(zhì)量屬性。

然后，將模擬人體重設(shè)置為750 N，并以膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖3所示的笛卡爾直角坐標(biāo)系。

最后，添加驅(qū)動，進(jìn)行運(yùn)動特性仿真實(shí)驗(yàn)，測量模擬人起身過程中，滑塊質(zhì)心、滑動軸質(zhì)心位移及模擬人質(zhì)心平移加速度。

圖3 輔助坐便器運(yùn)動仿真模型Fig.3 Dynamic simulation model of auxiliary toilet

2.3 輔助坐便器運(yùn)動仿真結(jié)果分析

圖4所示為模擬人起身時，滑動軸質(zhì)心位置X方向及Y方向位移變化曲線。由曲線變化分析可知，當(dāng)膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為90°時，滑動軸質(zhì)心初始坐標(biāo)為(-531 mm，-305 mm)，隨著膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角逐漸增大，滑動軸質(zhì)心橫坐標(biāo)保持不變，縱坐標(biāo)沿著Y向位移曲線逐漸增大，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角增大至150°時，滑動軸質(zhì)心坐標(biāo)為(-531 mm，-79 mm)，由此可計(jì)算出膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動60°，滑動軸質(zhì)心垂直方向位移為226 mm，仿真結(jié)果與理論計(jì)算完全一致，表明坐便器輔助功能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5所示為模擬人起身時，滑塊質(zhì)心X方向及Y方向位移變化曲線。由曲線分析可知，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角90°時，滑塊質(zhì)心初始坐標(biāo)為(-273.0 mm，-28.4 mm)，隨著膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角逐漸增大，滑塊質(zhì)心縱坐標(biāo)保持不變，橫坐標(biāo)沿著X向位移曲線逐漸增大，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角增大至150°時，滑塊質(zhì)心坐標(biāo)值為(-179.0 mm，-28.4 mm)，由此可計(jì)算出膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動60°，滑塊質(zhì)心水平方向位移為94.0 mm，仿真結(jié)果與理論計(jì)算完全一致，表明坐便器運(yùn)動特性符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 滑動軸質(zhì)心位移曲線Fig.4 Displacement curve of sliding shaft center of mass

圖5 滑塊質(zhì)心位移曲線Fig.5 Displacement curve of slider center of mass

圖6所示為模擬人起身時，模擬人質(zhì)心X方向及Y方向加速度變化曲線。由曲線分析可知，膝關(guān)節(jié)由90°轉(zhuǎn)動至150°的過程中，模擬人質(zhì)心水平方向加速度在-5.2～1.3 mm/s2內(nèi)變動，水平方向加速度幅值變化較小，幾乎不產(chǎn)生沖擊。模擬人質(zhì)心垂直方向加速度在86.7～99.7 mm/s2內(nèi)變動，垂直方向加速度幅值在有限值范圍內(nèi)變化，存在一定的柔性沖擊。

3 輔助坐便器三維模型設(shè)計(jì)

3.1 輔助坐便器三維模型建立

如圖7所示，根據(jù)輔助坐便器運(yùn)動仿真結(jié)果，運(yùn)用SoildWorks三維建模軟件構(gòu)建了輔助坐便器三維模型，其結(jié)構(gòu)主要由馬桶蓋、馬桶座、靠背、弓形機(jī)構(gòu)、滑塊、滑動軸、推桿及電機(jī)組成?？勘撑c馬桶座制成一體，馬桶蓋與馬桶座通過鉸鏈連接。馬桶座上橫向開有滑槽、縱向開有導(dǎo)軌槽。連桿1、連桿2、連桿3長度相同，各連桿間通過鉸鏈連接，并與馬桶蓋共同組成弓形機(jī)構(gòu)。連桿2和連桿3同端鉸接在滑塊上，滑塊可在滑槽內(nèi)水平方向滑動。連桿4一端鉸接在連桿1上，另一端鉸接在滑動軸上，滑動軸可在導(dǎo)軌槽內(nèi)垂直方向移動。滑動軸固定安裝在推桿一端，推桿由電機(jī)推動。

圖6 模擬人質(zhì)心加速度曲線Fig.6 Acceleration curve of simMan centroid

3.2 輔助坐便器工作原理

輔助坐便器工作原理見圖7。當(dāng)老年人如廁結(jié)束時，啟動電機(jī)，推桿推動滑動軸沿著導(dǎo)軌槽垂直向上移動，滑動軸將運(yùn)動傳遞至連桿4，連桿4迫使弓形機(jī)構(gòu)舒展，以此來驅(qū)動馬桶蓋繞鉸點(diǎn)逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動至連桿4與連桿3共線，運(yùn)動停止，完成起身動作。

圖7 輔助坐便器三維模型Fig.7 Three dimensional model of auxiliary toilet

4 結(jié)論

1)所設(shè)計(jì)的基于弓形機(jī)構(gòu)的坐便器可以實(shí)現(xiàn)輔助起身功能，其運(yùn)動特性符合老年人排便人因尺寸要求，該裝置在醫(yī)療輔助領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2)輔助模擬人起身過程中，垂直方向加速度最大值為99.7 mm/s2，雖然存在一定的柔性沖擊，但在可允許的范圍內(nèi)。

3)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材料等方面深入研究，可進(jìn)一步減小輔助坐便器在運(yùn)動過程對老年人造成的沖擊，提升使用的舒適性。