基于人因工程的老年馬桶改善設(shè)計(jì)研究

石鑫

摘要：針對(duì)人口老齡化問(wèn)題，老年人如廁意外頻發(fā)這一社會(huì)現(xiàn)狀，應(yīng)用人因工程和機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)原理及方法，對(duì)傳統(tǒng)馬桶進(jìn)行了馬桶蓋、馬桶座和水箱的改善，并在馬桶兩側(cè)增加了扶手，將傳統(tǒng)抽水改為腳踏式抽水按鈕，減少了普通馬桶對(duì)老年人的局限性，使之更加符合老年人生理與心理的特點(diǎn)，使得有效降低老年人如廁時(shí)意外事故發(fā)生的概率。

Abstract： According to an aging population problem， the frequent accident of the elderly going to the toilet， by application of human factors engineering and mechanical design principle and method， the traditional toilet lid， toilet seat and the water tank are improved， the armrest on both sides of the toilet are increased， the traditional pumping are replaced by pedal-powered pumping button. Therefore， it can reduce the limits of ordinary toilet for the elderly， make it more conforms to the elderly physiological and psychological characteristics， so as to effectively reduce the probability of accidents.

關(guān)鍵詞：老年馬桶；馬桶蓋；馬桶座；水箱；扶手；腳踏；改善

Key words： toilet for the elderly；toilet lip；toilet seat；water tank；armrest； pedal；improve

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0124-04

0 引言

中國(guó)目前雖然仍是發(fā)展中國(guó)家，但同樣也面臨著人口老齡化的問(wèn)題，隨著老年人口數(shù)量的不斷增多，從各個(gè)角度關(guān)注老年人變得刻不容緩，老人的如廁問(wèn)題同樣是十分值得關(guān)注的。

美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心專家指出，65歲以上的老年人坐下或離開(kāi)馬桶的動(dòng)作很危險(xiǎn)，尤其是85歲以上的老人，多數(shù)是在大小便時(shí)受傷的。首先，高血壓患者晨起血壓會(huì)更高，很多人有起床后就排便的習(xí)慣，因此極易在如廁時(shí)發(fā)生意外，其次，大多數(shù)老年人都存在便秘的問(wèn)題，如廁時(shí)間較正常人要多出一倍甚至數(shù)倍，久坐產(chǎn)生的問(wèn)題一是由于長(zhǎng)時(shí)間對(duì)大腿部進(jìn)行壓迫，使腿部血液流通不暢，產(chǎn)生麻木感，甚至失去知覺(jué)，此時(shí)極容易發(fā)生危險(xiǎn)，長(zhǎng)此以往，容易使老年人患上靜脈曲張等疾病，嚴(yán)重的可導(dǎo)致癱瘓。因此，設(shè)計(jì)一款適宜老年人使用的馬桶迫在眉睫。

鑒于此，從老年人的人群特點(diǎn)、普通馬桶設(shè)計(jì)上存在的缺陷等方面入手分析研究，并基于此結(jié)果，利用人因工程和機(jī)械設(shè)計(jì)原理對(duì)馬桶的外觀和功能進(jìn)行改善設(shè)計(jì)，使之能夠更符合老年人的生理與心理特點(diǎn)。

1 問(wèn)題的提出

1.1 老年人人群特點(diǎn)

1.1.1 生理特點(diǎn)

老年人體格特征有以下特點(diǎn)。

①隨年齡的增長(zhǎng)，老年人逐漸出現(xiàn)駝背、個(gè)子變矮，并伴有腰腿痛的骨質(zhì)增生。而且，越是身材高大的人，年老之后，身高下降得越明顯。一般說(shuō)來(lái)，80歲以上的人身高會(huì)比年輕時(shí)下降10～15厘米。據(jù)相關(guān)資料介紹，以男性60歲為基礎(chǔ)，65歲和75歲，身高分別下降1.5厘米和3.5厘米[1]。

②老年人彎腰最好不要超過(guò)90度，仰頭后側(cè)，左右側(cè)彎，更要避免將頭部大幅度的下低，這些動(dòng)作會(huì)使血液流向腦部，而老年人血管壁變硬，彈性差，易發(fā)生血管破裂，引起腦溢血，當(dāng)恢復(fù)正常體位時(shí)，血液快速流向軀干和下肢，腦部發(fā)生貧血，出現(xiàn)兩眼發(fā)黑，站立不穩(wěn)，甚至摔倒[2]。

③絕大多數(shù)老年人存在便秘的問(wèn)題。

1.1.2 心理特點(diǎn)

①人到老年比以往任何年齡段都更加關(guān)注自身健康，情緒上更容易產(chǎn)生焦慮、抑郁和孤獨(dú)感。

②部分老年人自尊心很強(qiáng)，不服老，有什么事總是喜歡自己解決，不愿給別人一種廉頗老矣的感覺(jué)。

1.2 老年人在使用普通馬桶時(shí)存在的問(wèn)題

①市面上的普通馬桶高度在40cm左右，大多數(shù)老年人打開(kāi)馬桶蓋時(shí)重心前傾，腰部彎曲甚至可以達(dá)到90°，對(duì)于一些有高血壓和心腦血管疾病的老人來(lái)說(shuō)此時(shí)極容易發(fā)生危險(xiǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，老人如廁時(shí)最容易發(fā)生意外的兩個(gè)時(shí)刻一是在如廁完畢起身時(shí)二是在彎腰打開(kāi)馬桶蓋時(shí)。

②市面上的普通馬桶座外形基本上沒(méi)有太大的區(qū)別，前端為不規(guī)則的橢圓形弧面，如廁時(shí)雙腿在其正前方，兩腿之間基本上沒(méi)有角度或角度太小，對(duì)于部分受便秘困擾的老年人來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間保持這種姿勢(shì)極易造成重心不穩(wěn)等問(wèn)題；另外，由于其表面的平面結(jié)構(gòu)，使腿部各個(gè)位置承受著相同的壓力，導(dǎo)致血液流通不暢，雙腿麻木，在老人起身時(shí)誘發(fā)危險(xiǎn)。

③市面上的普通馬桶水箱大多是長(zhǎng)方體，外觀呆板，一般高度不超過(guò)30cm，寬度也基本上在30cm左右，水箱一般都比較厚，實(shí)用性強(qiáng)但存在功能單一、縱向占用空間大等諸多缺點(diǎn)。

④老年人尤其是受便秘困擾的老年人在如廁完畢后，由于對(duì)腿部長(zhǎng)時(shí)間的壓迫，加上馬桶自身高度較低，其在起身時(shí)腿部吃不上力，起身難也成為困擾老年人的一大問(wèn)題。然而由于馬桶功能性對(duì)其自身高度的限制，不可能通過(guò)提高馬桶高度來(lái)解決這一問(wèn)題。

2 具體改善方案

2.1 馬桶蓋的改善

馬桶蓋開(kāi)合的基本原理是用腳前后踩動(dòng)腳踏使之帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由飛輪的慣性帶動(dòng)折疊式馬桶蓋水平伸縮，從而實(shí)現(xiàn)馬桶蓋的開(kāi)合。

①改善后馬桶構(gòu)成部件。改善后的馬桶蓋由齒輪、彈簧夾子、飛輪、皮帶、鋼絲、折扇型軟塑料構(gòu)成，如圖1-圖3所示。

②改善后馬桶蓋的打開(kāi)原理。

1）如圖4所示，腳踏板的前腳掌處連接有兩條傳動(dòng)線，分別為傳動(dòng)線1、2。踩動(dòng)前腳掌腳踏板帶動(dòng)傳動(dòng)線1，皮帶裝置帶動(dòng)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，傳動(dòng)線2帶動(dòng)彈簧夾子B收縮，A保持原狀，并與此輪相互咬合，彈簧夾子與齒輪為一體裝置，齒輪帶動(dòng)彈簧夾子轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧夾子帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）馬桶蓋為折扇型軟塑料。馬桶蓋的扇葉后端懸掛在實(shí)鋼絲1上，其拉動(dòng)帶動(dòng)扇葉折疊收縮，同時(shí)空鋼絲1給實(shí)鋼絲1送線，馬桶蓋打開(kāi)。

③改善后馬桶蓋的關(guān)閉原理。

馬桶蓋的開(kāi)合運(yùn)用相同的原理，踩動(dòng)后腳掌腳踏板連動(dòng)傳動(dòng)線3、4；踩到腳踏板后腳掌的部位，帶動(dòng)傳動(dòng)線3，同時(shí)傳動(dòng)線4帶動(dòng)彈簧夾子A收縮，B保持原狀，齒輪帶動(dòng)彈簧夾子轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧夾子帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。馬桶蓋的扇葉前端懸掛在實(shí)鋼絲2上，其拉動(dòng)帶動(dòng)扇葉折疊收縮，同時(shí)空鋼絲2給實(shí)鋼絲2送線，馬桶蓋打開(kāi)。其中實(shí)鋼絲2與空鋼絲也是連接在飛輪上，齒輪裝置帶動(dòng)鋼絲裝置。馬桶蓋關(guān)閉。

2.2 馬桶座的改善

根據(jù)人因工程學(xué)原理對(duì)馬桶座及座圈尺寸外形進(jìn)行合理調(diào)整，使其更符合老年人生理及心理特點(diǎn)，并在相應(yīng)的位置增加按摩裝置，緩解蹲坐時(shí)間長(zhǎng)腿部產(chǎn)生的不適感。

2.2.1 馬桶座外形的改善

對(duì)座圈外形的改善如圖5所示，具體為：

①馬桶座圈的總長(zhǎng)度為64cm，最大寬度為51cm，最小寬度24cm，座圈后部的凹陷深度為5cm，能更好的與人體曲線契合。

②座圈后部曲線更加圓滑，并且增大了臀部與座圈的接觸面積，在使用時(shí)臀部的支撐度和舒適度更高。

③在座圈中部的弧線向內(nèi)收縮，使用者使用時(shí)雙腿騎跨在馬桶上，兩腿間有一定的角度，增加了人的穩(wěn)定性，安全性得到了相應(yīng)的提高；同時(shí)這一姿勢(shì)也更能符合人因工程學(xué)理論，舒適性也得到了相應(yīng)的提高。

④座圈整體呈類啞鈴形狀，后部與中部主要是功能性的考慮，而前端主要是出于美觀性的考慮，前端較中部略微增大的橢圓形弧度和后部相互呼應(yīng)更加美觀。

2.2.2 增加按摩功效

通過(guò)在座圈特定部位增加按摩球，使人在如廁時(shí)可以按摩承扶穴位，能夠通便消痔，舒筋活絡(luò)，緩解腰部疼痛。

①按摩球特定位置如圖6所示，距離內(nèi)圈水平線向下2.2cm，左右對(duì)稱，大小為半徑3.2cm的圓形區(qū)域。

②設(shè)計(jì)圓按摩球，圓按摩球的區(qū)域放大圖如圖7，按摩區(qū)域由7個(gè)小圓組合，每一個(gè)小圓上又有很多的小的可自由旋轉(zhuǎn)的凸起組成，按摩球內(nèi)可以填充一些對(duì)人體有益的原生礦石等。按摩球下部有一個(gè)中凹的壓力彈簧相連接，當(dāng)有壓力作用時(shí)，按摩起效。

③按摩球的高度選擇原長(zhǎng)為L(zhǎng)為0.4cm的中凹?jí)毫椈桑覊毫椈傻淖畲髩嚎s距離Lmax為0.3cm，圓按摩球的高度為h，預(yù)計(jì)按摩球在彈簧完全壓縮狀態(tài)應(yīng)達(dá)到的理想高度為H經(jīng)體驗(yàn)設(shè)計(jì)定為1.3cm，則理想高度為：

2.3 水箱的改善

利用人因工程學(xué)原理將水箱外形調(diào)整成類似座椅靠背形式，一方面增加了其美觀性，另一方面通過(guò)其表面的曲線對(duì)人體背部作用于脊柱的力進(jìn)行分散，保持脊椎處處于自然形狀的放松姿勢(shì)。

脊柱腰椎段是承受上體重量最關(guān)鍵的部位，它角度呈前凸彎曲形狀，靠背應(yīng)在腰椎倚靠的部位適度隆起，靠在上面時(shí)能與腰椎段的自然彎曲狀貼合，并使上體前傾，工作時(shí)不使腰椎段后凸，以免腰椎間盤產(chǎn)生過(guò)渡壓力[3，4]。在此基礎(chǔ)上求得適合老年人的靠背曲線如圖8和圖9所示。

①根據(jù)測(cè)量計(jì)算的數(shù)據(jù)并對(duì)照適應(yīng)度為95%的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)確定水箱的高度為56cm，寬度為48cm，厚度為13cm。

②根據(jù)測(cè)量計(jì)算的數(shù)據(jù)并對(duì)照適應(yīng)度為95%的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)最終確定腰部最大凸起為3.5cm，最大凸起處距座面高度為22cm，最大限度的降低老年人由于久坐脊柱所產(chǎn)生的壓力。

③根據(jù)我們實(shí)地測(cè)量計(jì)算的數(shù)據(jù)并對(duì)照適應(yīng)度為95%的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)最終確定圓弧狀最大凸起處距離座面高度為51cm，最大凸起為4.1cm，這樣當(dāng)人在向后靠時(shí)承接住頭部對(duì)脊柱的壓力。兩個(gè)凸起所形成的弧度，契合了老年人放松坐姿時(shí)的背部曲線，最大限度的降低了老年人由于長(zhǎng)時(shí)間如廁而帶來(lái)的背部疲勞感。

2.4 馬桶兩側(cè)加裝扶手

在馬桶后墻壁兩側(cè)加裝固定扶手，利用人因工程學(xué)原理計(jì)算出兩臂間距、高度，及臂寬等數(shù)據(jù)，使之成為使用者起身時(shí)的借力工具。強(qiáng)調(diào)物體在使用過(guò)程中對(duì)人體的生理及心理反應(yīng)，并對(duì)此進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，在進(jìn)行大量分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)物體的尺寸，使之更科學(xué)更符合人體生理與心理要求[5，6]。兩者之間寬度為55cm，距離座面高度為22cm，扶手手柄采用不銹鋼材質(zhì)，寬度為7cm，三棱形。部分零部件如圖10所示。

2.5 腳踏式抽水按鈕

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)裝置，一端連接地面腳踏，一端連接馬桶抽水按鈕，通過(guò)踩動(dòng)腳踏，控制抽水按鈕，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到腳控的轉(zhuǎn)變。

①傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)如圖11所示，機(jī)構(gòu)自由度為F=3n-2FL-FH，即：F=3×3-2×4-0×1=1。機(jī)構(gòu)具有一個(gè)原動(dòng)件，因此該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

②將抽水按鈕的雙檔錯(cuò)開(kāi)一定高度，低檔按鈕檔高于高檔按鈕檔，如圖11（a），當(dāng)踩動(dòng)腳踏至水平位置時(shí)低檔按鈕被按下，此時(shí)為低檔節(jié)水沖水狀態(tài)如圖11（b），當(dāng)踩動(dòng)腳踏到向下一定角度時(shí)，高檔按鈕被按下，此時(shí)為高檔沖水狀態(tài)，如圖11（c）。

2.6 改善后馬桶外觀

綜合改善方案后老年馬桶設(shè)計(jì)的整體效果如圖12所示。

3 改善前后評(píng)價(jià)

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)馬桶相比，改善后的老年馬桶實(shí)現(xiàn)了站著用腳打開(kāi)折扇馬桶蓋，并站著踩踏后踏板實(shí)現(xiàn)用腳踩踏沖水，符合老年人群的生理特點(diǎn)，如圖13所示。

3.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足

產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的不足有，首先，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮衛(wèi)生和省力原則，將一些用手的動(dòng)作改成用腳了，這樣對(duì)于手腳無(wú)力的人群而言，會(huì)有困難；其次，馬桶外觀發(fā)生很大的改變，在一定程度上不容易被人接受；最后，在功能上的改善，通過(guò)機(jī)械裝置來(lái)解決諸如方便打開(kāi)馬桶蓋，馬桶沖水這些問(wèn)題，而放棄了通過(guò)電氣化或智能化的解決方法。

4 結(jié)論

通過(guò)社會(huì)調(diào)研，針對(duì)當(dāng)下人口老齡化問(wèn)題，老年人在如廁時(shí)意外頻發(fā)這一社會(huì)現(xiàn)狀，應(yīng)用機(jī)械制造原理對(duì)馬桶蓋、抽水按鈕進(jìn)行改造，改變?cè)械牟僮鞣绞剑兪謩?dòng)為腳踏，省去了大幅度彎腰、大角度轉(zhuǎn)身等對(duì)行動(dòng)不便的老年人來(lái)說(shuō)有一定危險(xiǎn)性的動(dòng)作；馬桶蓋采用折疊式可伸縮的外形設(shè)計(jì)，外形比較新穎，同時(shí)也沒(méi)有減少其功能性。應(yīng)用人因工程學(xué)原理對(duì)馬桶座及水箱的外形調(diào)整，馬桶座中部向內(nèi)收縮的弧線形設(shè)計(jì)，減小其寬度使老年人可以用一種騎跨姿勢(shì)坐在上面，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，在相應(yīng)的位置增加按摩裝置，對(duì)于緩解腿部疲勞有一定的作用，提高了舒適度；水箱外形的改變，更加符合老年人背部曲線，最大限度的降低了老年人由于長(zhǎng)時(shí)間如廁而帶來(lái)的背部疲勞感。扶手的增加使在老年人如廁時(shí)，站起和蹲下手臂可以輔助一定力量，有效的減輕老人漆關(guān)節(jié)的壓力，防止意外發(fā)生。

通過(guò)對(duì)馬桶蓋、抽水按鈕、水箱及馬桶座的外觀功能的調(diào)整及扶手的增加，減少了普通馬桶對(duì)老年人的局限性，使之更加符合老年人生理與心理的特點(diǎn)，有效的降低了老年人如廁時(shí)意外事故發(fā)生的概率。

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