多功能輔助洗浴座椅設(shè)計*

張嘉晟，馬麗心，靳 瑜，馬予健，陳思偉，黃德池，黃志維

（廣東科技學院機電工程學院，廣東 東莞 523000）

0 引言

根據(jù)國家衛(wèi)健委老齡健康司發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截止至2020年11月1日，全國60周歲及以上老年人口占總?cè)丝跀?shù)為18.7%。失能老人在生活上不能完全自理、或者被人照顧過程中人格尊嚴受到抑制，農(nóng)村中的失能老人因受傳統(tǒng)觀念以及經(jīng)濟發(fā)展水平因素制約，更多是以家庭照顧為主[1]，在生理需求上往往得不充分的滿足。本研究從洗浴座椅功能需求角度出發(fā)，總結(jié)出失能老人在獨立洗浴需求的難點為操作不便、洗浴體驗差、安全性不高，因此急需一款多功能洗浴座椅能解決以上痛點[4]。

常見的洗浴座椅有無靠背獨立淋浴座椅、有靠背獨立淋浴座椅以及掛壁式座椅。在市場上款式最多為無靠背獨立淋浴座椅，但該款座椅無靠背，不能帶來良好的舒適性與安全性；有靠背獨立座椅會在洗浴過程中存在腿腳不穩(wěn)定，容易在起身借力椅子的時候腿腳打滑，出現(xiàn)跌倒的情況；掛壁式座椅缺少靠背?，F(xiàn)有的洗浴家具通常只考慮“坐”的問題[2]，在尺寸結(jié)構(gòu)上沒有參考現(xiàn)有老年人體型參數(shù)，功能單一缺乏舒適性。

基于現(xiàn)有市場上洗浴座椅存在的問題[7]，本文設(shè)計一款多功能洗浴座椅，靠背處能提供搓澡功能、在扶手處能載物以及控制搓澡，從而解決失能老人洗澡難的問題[5]。

1 設(shè)計思路

洗浴座椅設(shè)計成可折疊，材料采用塑料材質(zhì)。塑料不僅可以滿足輕便、低價、防水、易于生產(chǎn)制造等特點，還具有溫和的視覺與觸覺特性，適合洗浴輔助器具類產(chǎn)品[3]。

使用前，座椅與靠背、座椅與支腳處于合并狀態(tài)，關(guān)節(jié)處采用同心軸機構(gòu)，以控制裝置的開合，并且在閉合狀態(tài)下減少衛(wèi)生間的占地空間。使用時將座椅放下，固定好座椅腿，借助扶手的支撐坐下，靠背是固定在墻面處，座椅腿采用塑料管材質(zhì)，并且利用三角結(jié)構(gòu)增加了穩(wěn)定性。坐墊面設(shè)計為弧形結(jié)構(gòu)，讓使用者感到舒適，材料采用防滑橡膠材料減少安全隱患。坐墊處設(shè)計有排便口，使用者可在洗浴過程中如廁，不用中途起身，提高便捷性的同時提高舒適性，同時排便口能解決使用過程中遇到的坐墊積水問題。在左側(cè)扶手處設(shè)計有一個凹槽，方便使用者放置洗浴用品，扶手頂部還設(shè)置花灑的支架，使用者可以在不需要花灑的時候?qū)⒒覓煸诜鍪痔?，出水開關(guān)和調(diào)節(jié)水溫按鈕設(shè)計在右扶手處。

靠背處最大的創(chuàng)新點在于設(shè)計有搓澡裝置，靠背設(shè)計有兩個滾筒，通過電機帶動鉸鏈機構(gòu)使?jié)L筒轉(zhuǎn)動，搓澡巾安裝在滾筒上，可通過扶手處的按鈕啟動，解決了使用者不能自己搓背的問題，增加使用者的洗浴體驗感。洗澡結(jié)束后可借助扶手幫助下站立，將座椅折疊放好。本設(shè)計以坐姿洗澡的方式代替站立洗澡。本研究基于此對座椅式洗浴裝置展開了研究。如圖1所示。

圖1 多功能輔助洗浴座椅示意圖

考慮到安裝以及使用的便捷性與可靠性，本設(shè)計在固定上利用了三角形支撐原理，將靠背以固定的方式安裝在垂直墻面上，底座支撐抵于墻面處，支腿和墻面構(gòu)成三角結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)動軸結(jié)構(gòu)以控制支腿的收放，能讓洗浴座椅在使用時不發(fā)生移動，防止造成意外。老人起身與坐下時，在扶手處獲得一個支撐面，緩慢坐下，借力起身。收置時扶手和坐墊可以往上方轉(zhuǎn)動90°至豎直，豎直方向上轉(zhuǎn)動軸處軌道變窄，用于卡穩(wěn)扶手和坐墊，支座腳只需往坐墊方向推動緊貼即可。放置時把扶手和坐墊稍微用力往下拉動，轉(zhuǎn)動軸脫離窄軌道，扶手和坐墊會順勢往下轉(zhuǎn)動，水平方向上轉(zhuǎn)動軸設(shè)有卡口限制，讓扶手和坐墊在水平處固定。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 靠背結(jié)構(gòu)

圖2所示為靠背外觀，采用掛壁式結(jié)構(gòu)能增強穩(wěn)固性和減少安裝位置的限制，有效緩解洗浴間面積狹窄的問題?？紤]到人體平均肩寬：男性約42 cm、女性約36 cm[8]，且需要安放扶手等設(shè)備，靠背的尺寸定為50 cm×50 cm，預留厚度10 cm，內(nèi)部留有熱水器管道以及布線空間，方便后期升級優(yōu)化。與傳統(tǒng)輔助洗浴設(shè)備不同，除了解決基本的洗浴問題外，帶來更加舒適的感受。

圖2 靠背設(shè)計

2.1.1 靠背功能

本設(shè)計的靠背具有搓背功能，通過坐在坐墊上，背靠靠背實現(xiàn)搓背。具體分為上下搓背式如圖2（a）以及優(yōu)化后的滾動搓背式如圖2（b），使用者可以根據(jù)自身需求添加對應(yīng)的配件實現(xiàn)兩種模式的轉(zhuǎn)換。上下搓背式：滑塊可安裝毛巾，通過固定軌道上下滑動摩擦背部，模擬搓背動作達到搓背效果。滾動搓背式：在原先的基礎(chǔ)上，由滑塊改為4根滾筒，滾筒上可安裝毛巾，通過滾筒旋轉(zhuǎn)摩擦背部達到智能搓背效果，可根據(jù)個人需求調(diào)節(jié)扶手處的按鈕控制滾筒的旋轉(zhuǎn)速度來滿足不同的智能搓背體驗?？勘车慕佑|面改為弧形結(jié)構(gòu)，讓靠背能更好地貼合背部，增加使用者的舒適感與安全感。

2.1.2 靠背電機選擇

關(guān)于搓澡電機的選擇選用36 V/50 W的可調(diào)節(jié)永磁直流電動機，電動機作為洗澡椅的核心動力部件，其質(zhì)量好壞直接影響到產(chǎn)品的使用與安全。隨著JB/T 11355-2013《按摩椅用永磁直流電動機通用技術(shù)條件》行業(yè)標準的發(fā)布實施，對規(guī)范按摩器具行業(yè)的生產(chǎn)、銷售及行業(yè)檢測，提高行業(yè)技術(shù)水平將起到引導和推動作用。JB/T 11355-2013規(guī)定,用于按摩椅的永磁直流電動機額定電壓為24 V、36 V、48 V、60 V、96 V、110 V；額定轉(zhuǎn)矩為0.15～0.4 N·m；額定轉(zhuǎn)速為1200～3000 r/min；額定電流0.6～2.5 A。按摩器具之所以廣泛采用直流電動機,是由于直流電動機有優(yōu)良的調(diào)速特性。而老年人在使用洗澡椅上的搓澡裝置時轉(zhuǎn)速要求便是在可以清理身體的同時保證機器的力度不會過大對老年人造成傷害，故采用小功率電機，電壓為12 V、24 V、36 V、46 V及60 V不等，并且最大功率在50 W左右，同時應(yīng)該滿足傳動精度高、力矩大、質(zhì)量輕、能耗低、壽命長等特點。

2.2 座椅舒適型設(shè)計

根據(jù)人體工程學分析[10]，人脊柱與腰椎間盤在不同坐姿下的受力圖得出以下結(jié)論：當靠背角為90°時無腰部支撐，這時腰椎間盤壓力最大，靠背角仍為90°但加有腰部支撐，此時壓力減小，當靠背角增大為110°雖然沒有腰部支撐但靠背分擔了一部分體重，腰椎間盤壓力仍有所下降。當在靠背角為110°的基礎(chǔ)上加上適當?shù)难恐?，腰椎間盤壓力有了明顯下降。當把腰間的支撐加到胸背部位，支撐點的不恰當導致腰椎間盤的壓力反而增大了。而老年人隨著年齡的增長脊柱出現(xiàn)不同程度的彎曲，椅子上最舒服的坐姿應(yīng)當是靠背與水平面成100°～110°夾角，并可在腰部安裝支撐。

2.3 座墊結(jié)構(gòu)

座墊是連接靠背和支座腳的中間部分，由轉(zhuǎn)動軸連接，可轉(zhuǎn)動實現(xiàn)洗浴座椅的收放。收置時僅需把座墊往上推動，座墊會緊緊貼合靠背與其形成平行，不需使用時能節(jié)省空間，放置時，也只需往下拉動，座墊會在支座腳的支撐下緩緩平衡。座墊整體為矩形，與傳統(tǒng)的平面座墊不同，表面采用了弧形結(jié)構(gòu)并帶有凹槽，兩側(cè)微微凸起，方便老人使用時可以調(diào)整坐姿，接近于座墊的中心位置，提高舒適度，并能讓洗浴廢水不在坐墊處停留。凹槽為“+”型兩端是半圓，形狀貼合人體臀部符合生理需求[9]，坐著舒適。凹槽可作為坐便器使用，可輔助洗浴的同時還能解決方便問題。底下可以加裝儲污筒，能為有需要的老年人充當簡易廁所，實現(xiàn)多功能價值。

2.4 扶手結(jié)構(gòu)

扶手設(shè)計于靠背兩側(cè)，如圖3所示。扶手長30 cm、寬10 cm、高5 cm的立方體，根據(jù)左右扶手功能不同有著具體差異。扶手采用轉(zhuǎn)動軸連接靠背，可以向上收置，節(jié)省空間。

圖3 扶手結(jié)構(gòu)

右扶手是控制扶手，如圖4所示，裝有調(diào)節(jié)水閥、控制按鈕以及U型花灑支架。調(diào)節(jié)水閥裝在扶手的右側(cè)端，可避免影響扶手支撐老年人起坐，調(diào)節(jié)水閥通過連接熱水器的冷熱閥口以及花灑，形成“熱水器—調(diào)節(jié)水閥—花灑”的單向控制達到調(diào)節(jié)水溫、流速的效果，使用時將調(diào)節(jié)水閥前端往外扳動，可以控制水流開關(guān)，上下轉(zhuǎn)動可以調(diào)節(jié)水溫，往上為熱水，往下為冷水，操作簡單，便于老年人使用。扶手前端置有U型花灑支架，可以懸掛花灑，支架能往下轉(zhuǎn)動90°，用于扶手收置時懸掛花灑。扶手上表面有一大一小兩按鈕，分別為強度切換按鈕和搓背開關(guān)按鈕，為了防止使用者誤觸，等級切換按鈕設(shè)置在前端，搓背開關(guān)按鈕則靠中間，使用者起坐需要扶手借力時，容易觸碰到前端的等級切換按鈕，而等級切換按鈕由搓背開關(guān)按鈕控制，未開啟搓背功能時等級切換按鈕不響應(yīng)，避免誤觸帶來安全隱患。搓背開關(guān)按鈕按一次為開啟搓背功能，下一次則為關(guān)閉搓背功能；開啟搓背功能后等級切換按鈕按一次轉(zhuǎn)輪啟動速度慢，按兩次速度提升至中，按3次速度提升至快，然后依次循環(huán)，整體流程為“開—慢—中—快—關(guān)”。不同的轉(zhuǎn)速以模擬搓背力度，提升使用者的洗浴體驗。

圖4 右扶手設(shè)計

左扶手是儲物扶手，如圖5所示，設(shè)有儲物槽和儲液盒。扶手中間是一個長10 cm、寬6 cm、深3 cm的凹槽，可以方便老年人放置一些肥皂、護膚品等洗浴用品，內(nèi)側(cè)裝有排水孔，槽內(nèi)不易形成積水，有異物殘留時，用水沖洗即可。扶手下方內(nèi)側(cè)有卡槽，卡槽呈現(xiàn)“L—倒T—反L”型，用于安裝固定儲液盒。儲液盒由按壓器、儲存盒和密封蓋3部分組成，儲存盒為長10 cm、寬7 cm、高7 cm的立方體，內(nèi)壁厚0.2 cm，下端帶有2 cm圓角，上端一側(cè)設(shè)有卡槽，卡槽成“T—T”型，與扶手下方的卡槽相對應(yīng)，另一側(cè)為開口，以便倒入沐浴露或者洗發(fā)水。開口上方為密封蓋，密封蓋內(nèi)部帶有防水橡膠圈，蓋緊后能夠保護內(nèi)部液體不會外漏和受外部污染。按壓器在儲存盒卡槽側(cè)下方，按壓時會流出一定量內(nèi)部液體。安裝時用儲液盒卡槽對準扶手卡槽，往扶手方向推至卡槽觸頂即可，扶手最多只能安裝兩個儲液盒。儲液盒是基于老年人在洗浴座椅時不便獲取沐浴露、洗發(fā)水（如無法彎腰拿、夠不著、附近無法放置洗浴用品等）的情況，而設(shè)計的方便老年人獲取洗浴用品的裝置，采用可拆卸結(jié)構(gòu)，在不需要其輔助時也可以拆卸掉，并不會影響輔助洗浴座椅的正常使用。

圖5 左扶手裝置設(shè)置

2.5 支座腳結(jié)

支座腳為兩個簡單的T型杠，采用轉(zhuǎn)動軸連接，用于支撐坐墊平衡。支座腳、坐墊和墻面構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，使坐墊平穩(wěn)，確保整體的穩(wěn)定性與安全性。

2.6 各結(jié)構(gòu)尺寸

此款座椅考慮到人體結(jié)構(gòu)及使用方便等，均采用合理的數(shù)據(jù)來進行設(shè)計[9]，如表1所示。

表1 多功能輔助洗浴座椅各部分尺寸

2.7 其他設(shè)計

座椅靠背的結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到了用電部分，需要從何處通電以及防止使用時因為水流導電產(chǎn)生的安全問題，于是決定采用具有漏電保護器的安全插頭，防止使用時漏電并及時采取必要的斷電措施；靠背處的搓澡巾使用多次難免會有細菌的滋生為了保證使用者的干凈衛(wèi)生和洗浴體驗，需要定期更換靠背處的搓澡巾，為了便于拆卸搓澡巾采用了魔術(shù)膠的粘合方式，滿足既牢固又便捷的安裝方式。

3 測試驗證與結(jié)果分析

3.1 扶手仿真分析

扶手處主要需要支撐起老人所施加的握力以及推力，以及靠背中洗浴裝置工作時給予扶手左右的力。本文在參考不同年齡組高齡老人握力變化趨勢等相關(guān)數(shù)據(jù)[9]，得出70～90歲年齡段老年人握力在320～100 N在實驗中取320 N進行實驗。參考老年人體重相關(guān)數(shù)據(jù)[12]通過類比人體推力為體重的1/2～2/3。利用老年人平均體重來推算老年人推力大小約為375 N。利用SolidWorks Simulation將老人的握力與推力的數(shù)據(jù)施加在扶手零件上，將扶手與靠背的連接處看成剛體去研究，并且選取PVC塑料作為測試材料，生成扶手處von Mises應(yīng)力圖，如圖6所示，圖6（a）為左扶手應(yīng)力圖，圖6（b）為右扶手應(yīng)力圖，扶手表面的受力變形情況由圖可見在于靠背的連接處受力較大，并且在力的作用下發(fā)生變形。

圖6 扶手應(yīng)力分析

3.2 坐墊仿真分析

坐墊的整體裝置是重要的承重構(gòu)件，它承載著老人的體重，防止老人跌落。是保證老人洗浴安全的重要部分。其次坐墊的設(shè)計采用模仿人體“臀部”的弧形結(jié)構(gòu)而設(shè)計的，使用戶在使用時更加貼合坐墊，增加在洗浴時的舒適感，確保老人可以在一個比較舒適的姿勢下進行洗浴，并且坐墊的設(shè)計符合人體生物力學的特性。利用電腦軟件SolidWorks中的Simulation算例對坐墊的受力進行分析，在計算機上生成在一定承載下坐墊零件的性能狀態(tài)，生成von Mises應(yīng)力圖，圖7所示為坐墊應(yīng)力圖，將零件圖中夾具設(shè)為剛體狀態(tài)，根據(jù)參考文獻[11]，考慮到老人在座椅上的穩(wěn)定性，在坐墊的平面施加均勻載荷為750 N，觀察零件變形受力狀況。由圖7可知在坐墊與靠背連接處受力較大。

圖7 坐墊應(yīng)力分析

4 結(jié)束語

本文針對已有洗浴座椅中存在的問題進行分析，通過SolidWorks軟件對所設(shè)計的產(chǎn)品進行研究，主要對座椅靠背和坐墊等關(guān)鍵部件進行安全化、人性化及合理化設(shè)計和仿真，并且在扶手的受力變形和儲物槽設(shè)計、花灑配置及安放、搓背裝置的滾筒設(shè)計等部件的細節(jié)上給予充分考慮，并且對產(chǎn)品進行實物制作，進一步對各部件尺寸參數(shù)進行仿真優(yōu)化，同時考慮了坐墊的承重性，做出了承重重量下的坐墊應(yīng)力圖，從整體結(jié)構(gòu)的美觀到支腳的三角安全設(shè)計、花灑的懸掛取放、洗浴用品的方便使用以及搓滾的舒適度等進行細節(jié)完善。使洗浴座椅實現(xiàn)了安全性、舒適性和可操作性的多功能需求。