多方位助力式老年人如廁輔助裝置設(shè)計(jì)與測(cè)試

常青青, 陳 堅(jiān), 蔣正忠

(南寧學(xué)院 智能制造學(xué)院,南寧 530200,E-mail:changqing_1989@163.com )

隨著年齡增長(zhǎng),人體各項(xiàng)機(jī)能不斷下降,尤其是老年人,膝關(guān)節(jié)均發(fā)生不同程度的退行性變化,腿部肌肉功能減弱。因此,生活中很多看似簡(jiǎn)單的事情變得極為困難,如上下床、洗澡、如廁等。尤其是如廁,老人下蹲、起立比較困難,如廁時(shí)間較久,腿部發(fā)麻,難以站立,甚至一個(gè)不小心,會(huì)造成跌倒、摔傷、骨折等事故,嚴(yán)重影響老年人的身心健康[1-4]。

為了解決這一問(wèn)題,很多學(xué)者展開(kāi)了關(guān)于老年人如廁輔助裝置的研究。其中,劉坤、吉碩等人[5]設(shè)計(jì)了一種多功能坐站輔助型如廁輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu),通過(guò)變桿長(zhǎng)及變桿位的線(xiàn)性聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輔助人體坐、站動(dòng)作,其推廣使用仍需進(jìn)一步證實(shí);史小華、盧浩等人[6]設(shè)計(jì)了一種兼具代步和如廁功能的如廁智能輪椅,通過(guò)平面兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了坐、站姿態(tài)調(diào)節(jié)及高度調(diào)節(jié),但體積龐大,無(wú)法直接置于坐便器上使用;李遠(yuǎn)利、涂細(xì)凱等人[7]設(shè)計(jì)了一種基于人體坐立轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)軌跡的如廁輔助裝置,實(shí)現(xiàn)了如廁過(guò)程中坐立姿態(tài)的轉(zhuǎn)換,但助力功能比較單一。

因此,為解決老年人如廁困難問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種從臀部、腋部、腕部不同方位助力的老年人如廁輔助裝置,該裝置可折疊存放,減小占用空間,并且能夠直接放置于坐便器或蹲便器上使用,無(wú)需安裝,適用范圍廣。

1 老年人如廁過(guò)程分析與總體方案設(shè)計(jì)

1.1 老年人如廁過(guò)程分析

老年人如廁過(guò)程中面臨的的主要問(wèn)題就是站姿與坐姿的轉(zhuǎn)換,即如廁時(shí)可以獨(dú)立的由站姿轉(zhuǎn)換為坐姿,如廁完畢后可以獨(dú)立的由坐姿轉(zhuǎn)換為站姿。因此,對(duì)老人如廁過(guò)程進(jìn)行模擬[7-8],如圖1所示,可知整個(gè)如廁過(guò)程涉及的動(dòng)作主要包括行走、彎腰、下蹲、起身、站立。

圖1 老人如廁過(guò)程動(dòng)作分析

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)人體由站至坐以及逆過(guò)程的行為進(jìn)行觀察分析,為老年人如廁助力裝置提出設(shè)計(jì)需求和功能需求[9],針對(duì)設(shè)計(jì)需求和功能需求分析,確定了老年人如廁輔助裝置設(shè)計(jì)方案,如圖2所示。該方案通過(guò)設(shè)計(jì)z向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)老人腋部助力,輔助完成下蹲、站立動(dòng)作;通過(guò)設(shè)計(jì)坐墊升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)老人臀部助力,輔助完成彎腰、起身動(dòng)作;通過(guò)設(shè)計(jì)y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)老人手腕部助力,輔助完成行走、轉(zhuǎn)身動(dòng)作。

圖2 老年人如廁輔助裝置設(shè)計(jì)方案

2 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,該裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示,主要由z向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、y向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、坐墊升降機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)、支撐總成組成。

圖3 整體結(jié)構(gòu)

2.1 折疊機(jī)構(gòu)

折疊機(jī)構(gòu)主要由坐墊板分離桿、z向折疊桿和y向折疊桿組成,如圖3所示,y向和z向折疊桿兩端通過(guò)螺栓連接支撐框架,中間通過(guò)銷(xiāo)軸連接,與銷(xiāo)軸配合的中間孔的軸線(xiàn)相互垂直,分別與y向、z向平行,實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐框架的連接鎖緊。分離桿連接兩塊坐墊板,可繞一端轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)坐墊向下折疊,同時(shí)y向折疊桿和z向折疊桿分別通過(guò)繞y軸和z軸轉(zhuǎn)動(dòng)使兩邊的結(jié)構(gòu)向中間對(duì)稱(chēng)聚攏,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)械裝置的折疊。折疊后整個(gè)機(jī)械裝置更加緊湊,便于收納存放,如圖4所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)折疊狀態(tài)

2.2 z向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

z向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由T形扶手、螺桿、齒輪、電機(jī)等組成,如圖3所示,螺桿與從動(dòng)齒輪同軸連接,通過(guò)齒輪傳動(dòng)將電機(jī)提供的動(dòng)力傳遞給螺桿,帶動(dòng)T形扶手上下運(yùn)動(dòng)。使用時(shí)將兩手臂跨在兩個(gè)T形扶手上,T形扶手托住人體腋部,實(shí)現(xiàn)對(duì)腋部助力,輔助老人下蹲或起立。

2.3 y向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

y向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由y向扶手、支撐桿、y向?qū)к?、連桿、y向運(yùn)動(dòng)滑塊組成,如圖5所示,其中連桿兩端分別與轉(zhuǎn)動(dòng)桿2和y向運(yùn)動(dòng)滑塊連接。動(dòng)力通過(guò)坐墊升降機(jī)構(gòu)傳遞,由電機(jī)提供,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的手腕部助力,即當(dāng)電機(jī)工作時(shí),動(dòng)力傳遞給坐墊升降機(jī)構(gòu),坐墊升降機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)桿2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)連桿驅(qū)動(dòng)y向運(yùn)動(dòng)滑塊沿y向?qū)к壷本€(xiàn)運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)y向扶手前后運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的自動(dòng)攙扶,防止老人在從衛(wèi)生間門(mén)口行至便池過(guò)程中意外滑倒。

圖5 y向扶手與坐墊升降機(jī)構(gòu)

2.4 坐墊升降機(jī)構(gòu)

坐墊升降機(jī)構(gòu)主要由連接滑塊、齒條、轉(zhuǎn)動(dòng)桿1、導(dǎo)軌、導(dǎo)向板、坐墊、轉(zhuǎn)動(dòng)桿2組成(見(jiàn)圖5),齒條與從動(dòng)齒輪嚙合傳遞動(dòng)力,動(dòng)力由電機(jī)提供。當(dāng)齒條通過(guò)連接滑塊沿導(dǎo)軌y向前后運(yùn)動(dòng)時(shí),整個(gè)機(jī)構(gòu)托住老人臀部上下前后運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)老人臀部助力。坐墊升降機(jī)構(gòu)與y向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)平面機(jī)構(gòu)連接形成聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 y向扶手與坐墊升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

其中桿AB對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿2,桿BC對(duì)應(yīng)坐墊,桿CD對(duì)應(yīng)導(dǎo)向板,桿CE對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿1,滑塊E對(duì)應(yīng)齒條滑塊,桿BF對(duì)應(yīng)連桿,滑塊F對(duì)應(yīng)y向運(yùn)動(dòng)滑塊,則計(jì)算該平面機(jī)構(gòu)的自由度:

F=3n-2pl-ph=3×7-2×10=1

(1)

其中滑塊E為主動(dòng)件,當(dāng)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑塊E向前運(yùn)動(dòng)時(shí),該聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)從初始位置ABCDEF運(yùn)動(dòng)到AB′C′DE′F′,則坐墊從BC位置上升前行至B′C′位置,y向扶手從F移至F′。

由圖6知,該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可分解為平行四桿機(jī)構(gòu)ABCD、偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)ABF和偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)DCE。對(duì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)DCE進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),滑塊行程H=600 mm,行程速比系數(shù)K=1.48,桿CD、桿CE、偏心距e1分別用設(shè)計(jì)變量x1、x2、x3表示,最小傳動(dòng)角γmin出現(xiàn)在圖6中桿CD與滑塊導(dǎo)路垂直的位置。在連桿機(jī)構(gòu)中常以最小傳動(dòng)角γmin衡量機(jī)構(gòu)的傳力性能,傳動(dòng)角γ越大,對(duì)機(jī)構(gòu)的傳力越有利,分析得出:

(2)

(3)

以最小傳動(dòng)角γmin為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)中,目標(biāo)函數(shù)簡(jiǎn)化為:

(4)

對(duì)曲柄滑塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,當(dāng)滑塊處于兩個(gè)極限位置時(shí)可推導(dǎo)出以下約束條件:

(5)

利用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon求解器進(jìn)行優(yōu)化求解[10-12],得出x1=270.798 7 mm、x2=507.606 6 mm、x3=176.214 7 mm,當(dāng)滑塊向前移動(dòng)時(shí),坐墊前移和上升的行程分別用H1和H2表示,桿CD與水平面初始夾角為30°,則

(6)

同理,對(duì)偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)ABF進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),BF=118 mm,e2=116 mm,e3=168 mm,y向扶手前移的行程用H3表示,桿BF與水平面初始夾角為16°,則

(7)

3 工作原理

系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)共用一處動(dòng)力來(lái)源,由伺服電機(jī)提供,通過(guò)齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給齒條,由連接滑塊沿導(dǎo)軌滑動(dòng)帶動(dòng)坐墊升降機(jī)構(gòu)上下前后運(yùn)動(dòng)以及y向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)前后直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)通過(guò)齒輪嚙合控制z向扶手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)完成z向扶手上下伸縮運(yùn)動(dòng)。以坐姿狀態(tài)為起始狀態(tài),當(dāng)老人行至衛(wèi)生間門(mén)口時(shí),通過(guò)伺服電機(jī)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)z向扶手向上運(yùn)動(dòng),y向扶手向前運(yùn)動(dòng),坐墊升高并向前運(yùn)動(dòng),老人通過(guò)伸長(zhǎng)的y向扶手?jǐn)v扶緩慢行至便池,并通過(guò)攙扶z向扶手轉(zhuǎn)身,同時(shí)腋部跨在z向扶手上,老人輕微彎腰下蹲,臀部就能到達(dá)坐墊,實(shí)現(xiàn)對(duì)臀部、腋部的支撐助力,電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng),便可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助老人完成下坐動(dòng)作,起身過(guò)程相反。老人如廁時(shí),輔助裝置的助力機(jī)構(gòu)與老人腋部、臀部、手腕部的接觸中心位置分別用a、b、c三點(diǎn)表示,如圖5所示,其運(yùn)動(dòng)軌跡符合人體運(yùn)動(dòng)自然規(guī)律,如圖7中軌跡①、②、③所示。

圖7 助力裝置運(yùn)動(dòng)軌跡

4 整體結(jié)構(gòu)有限元分析

坐墊板是整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的主要受力部件,變形過(guò)大或斷裂會(huì)嚴(yán)重影響老人健康,因此需要對(duì)其變形大小、抗彎強(qiáng)度進(jìn)行分析,以確保該裝置的安全性。設(shè)定坐墊板托起的人體重量極限為150 kg,則坐墊板承受的重力為1 500 N,動(dòng)力由電機(jī)提供,通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行,各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求?，F(xiàn)對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[13-14],以坐墊板承受的重力作為它的工作載荷。首先建立如廁助力裝置的三維數(shù)字模型,然后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析,在分析過(guò)程中對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,如齒輪齒條簡(jiǎn)化為接觸連接、螺桿化為光桿等。

具體步驟如下:首先在ANSYS Workbench中進(jìn)行三維數(shù)字模型前置處理,建立靜力學(xué)關(guān)系流程圖,并導(dǎo)入如廁助力裝置的三維數(shù)字模型,然后在Engineering Data中添加Q235結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)作為整體結(jié)構(gòu)的仿真材料,并設(shè)置材料的相關(guān)屬性,其彈性模量E為200 GPa,泊松比μ為0.3,質(zhì)量密度ρ為7.85E+03 kg/m3,屈服強(qiáng)度為235 MPa。如圖8所示,對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在Mechanical中設(shè)置單位為Metric(mm,kg,N,s,mV,mA),在Mesh中進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分,模型所劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為40 748、20 643。坐墊板結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng),每個(gè)坐墊板承受的作用力為750 N,對(duì)坐墊板施加750 N的力,方向豎直向下,最后進(jìn)行后處理分析,添加EquivalentStress和TotalDeformation兩種顯示結(jié)果,求解之后查看結(jié)果,得到總變形云圖和等效應(yīng)力云圖,分別如圖9和圖10所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

圖9 總變形云圖

圖10 等效應(yīng)力云圖

由圖9和圖10的分析結(jié)果可知,如廁助力裝置的等效應(yīng)力值最大為70.479 MPa,在材料允許的許用應(yīng)力范圍之內(nèi),最大變形量為0.514 53 mm,屬于小變形,總體來(lái)說(shuō)如廁助力裝置的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

5 樣機(jī)制作與測(cè)試

根據(jù)前文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),按照實(shí)際尺寸制作該裝置的實(shí)物樣機(jī),并對(duì)裝置助力過(guò)程的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程如圖11所示,邀請(qǐng)?bào)w重為65 kg的實(shí)驗(yàn)人員模擬前文圖1中如廁過(guò)程動(dòng)作,其中行至便池—轉(zhuǎn)身站立—彎腰前傾—下蹲為前段如廁動(dòng)作,起身—彎腰前傾—站立—離開(kāi)便池為后段如廁動(dòng)作,利用計(jì)時(shí)秒表記錄該裝置完成助力動(dòng)作的時(shí)間,測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖11 試驗(yàn)場(chǎng)景

表1 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)果表明,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí),y向扶手移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度為0.02 m/s,z向扶手升降速度約為0.03 m/s,設(shè)備傳動(dòng)平穩(wěn),功能達(dá)到了預(yù)期效果,其中前段如廁所用時(shí)間為23.9 s,后段如廁所用的時(shí)間為21.1 s,整體運(yùn)行時(shí)間為45 s。樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)直接反應(yīng)了老年人如廁助力裝置方案設(shè)計(jì)的的可行性,一定程度上驗(yàn)證了該助力裝置的安全性、穩(wěn)定性和實(shí)用性等各項(xiàng)性能,其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 實(shí)物樣機(jī)測(cè)試的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)

6 結(jié)論

在研究目前老人生活需求和老年人如廁產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)老人如廁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間、適用范圍小等問(wèn)題進(jìn)行深入分析,設(shè)計(jì)了一種多方位助力的老年人如廁助力裝置。該裝置具有以下特點(diǎn):

(1) 通過(guò)設(shè)計(jì)不同的助力機(jī)構(gòu)進(jìn)行多方位助力,實(shí)現(xiàn)了如廁過(guò)程中對(duì)老人臀部、腋部、手腕部助力,能夠輔助完成彎腰、下蹲、起身、站立、行走動(dòng)作。

(2) 所有助力機(jī)構(gòu)共用一處動(dòng)力來(lái)源,降低了機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜性,節(jié)約成本。

(3) 通過(guò)設(shè)計(jì)折疊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)械裝置的對(duì)稱(chēng)折疊,便于收納存放,節(jié)約空間,不影響其他人使用便池。

(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,直接放置便池之上使用,無(wú)需改造便池結(jié)構(gòu),對(duì)坐便器或蹲便器皆可適用。