一種助老機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

黃兵 孔程程

【摘? 要】針對(duì)目前國內(nèi)老年群體的安全問題越來越受到重視這一現(xiàn)象，基于機(jī)械裝置優(yōu)化的方法，設(shè)計(jì)了一種新型沐浴如廁輔助裝置[1]。論文重點(diǎn)從輔助老人洗浴、如廁和順利起身這三個(gè)動(dòng)作相結(jié)合的機(jī)械裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用三維軟件繪制了三維圖，并對(duì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。與目前市面上大多數(shù)的輔助裝置相比，這套裝置具有整體可折疊，占用空間小，適用范圍廣和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械裝置;輔助起身;沐浴;如廁;折疊

【Abstract】In view of the phenomenon that the safety problems of the elderly groups in China are getting more and more attention， a new type of auxiliary device for bathing and toileting is designed based on the optimization method of mechanical devices [1]. Focusing on the innovative design of the mechanical device that combines the three actions of assisting the elderly in bathing， toileting and getting up smoothly， the paper uses three-dimensional software to draw three-dimensional drawings and analyzes the structural strength of key components. Compared with most of the auxiliary devices currently on the market， this device has the advantages of being integrally foldable， occupying a small space， having a wide range of application and low cost.

【Keywords】mechanical devices; assisted devices; bathing; toileting; folding

1 引言

中國人口老齡化越來越嚴(yán)重，到2030年，中國人口結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)老年多于青年的倒金字塔結(jié)構(gòu)。老年人人身安全也越來越受到重視，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，七成老年人以居家養(yǎng)老為中心，社區(qū)養(yǎng)老為依托[2]。但無論是居家，還是敬老院，淋浴跟如廁都是必不可少的。淋浴時(shí)，老年人由于自身機(jī)能下降，難以長(zhǎng)時(shí)間站立，且由于浴室地面較滑，容易摔傷。如廁時(shí)，許多老人常出現(xiàn)起不來的情況，需要緩慢起身以緩解起身過程中身體各個(gè)部位的不適感，因此上廁所也成了老年人最大的煩惱之一。而絕大多數(shù)老人又是居家養(yǎng)老，并且中小家庭廁所以蹲坑為主。為了淋浴和如廁的問題可以同時(shí)解決，設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠的輔助沐浴如廁機(jī)械裝置是必不可少的，這對(duì)于提高老年人的生活質(zhì)量具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一種能有效解決這些問題的機(jī)械裝置，并使用SolidWorks 和CATIA兩個(gè)軟件繪制了整個(gè)裝置的三維模型。同時(shí)，為了驗(yàn)證其機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性，利用SolidWorks做了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

2 助老機(jī)械裝置方案設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械裝置總體設(shè)計(jì)

考慮到大多數(shù)老年人的需求和使用時(shí)的安全與便捷，該沐浴如廁輔助器的結(jié)構(gòu)主要是由起身輔助機(jī)構(gòu)、座板翻折機(jī)構(gòu)、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、收放式手扶機(jī)構(gòu)四部分組成。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

①起身輔助機(jī)構(gòu)：用電動(dòng)推桿作為動(dòng)力輸出，電動(dòng)推桿兩端都是轉(zhuǎn)動(dòng)副，通過推桿伸長(zhǎng)對(duì)板有一個(gè)向上的推力，鉸接使得板與推桿頂端發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，綜合作用使板發(fā)生傾斜，使得板與水平線的傾角變大，從而達(dá)到起身的目的。②座板翻折機(jī)構(gòu)：在背靠的板下面用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，限制轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就可以在豎直和水平方向之間轉(zhuǎn)動(dòng)，讓前面的部分可以在不使用的時(shí)候翻上去。③高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：用手轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿，蝸桿帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪里面有螺紋，然后蝸輪帶動(dòng)裝置整體在兩根絲桿上移動(dòng)。④收放式手扶機(jī)構(gòu)：兩個(gè)扶手用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接在背靠的背板里面，可以自由使用，在起身的時(shí)候可以承受來自手比較大的力，提高老人起身時(shí)的安全性。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

高度調(diào)節(jié)是選用蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)，中間的絲桿傳動(dòng)可以讓左右兩邊同步運(yùn)動(dòng)，通過手轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)兩邊的蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪與絲桿配合傳動(dòng)。而且絲桿其自身能夠自鎖，如果蝸桿的螺旋角沒有齒輪間的當(dāng)量摩擦角大時(shí)，蝸桿傳動(dòng)就會(huì)啟動(dòng)自鎖，也就是說只有蝸桿帶動(dòng)蝸輪，蝸輪是不可以帶動(dòng)蝸桿的，以此來提高安全性能。此裝置結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)噪聲小且振動(dòng)小，可以根據(jù)使用者的個(gè)人需求完美調(diào)節(jié)合適的高度。蝸輪蝸桿內(nèi)部細(xì)節(jié)如圖2所示。

座板整體可通過轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，目的是在不使用此裝置的時(shí)候可以節(jié)省廁所的空間。在背板平面單獨(dú)設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)扶手的收縮功能，背板兩邊都有開槽以保證在不使用時(shí)對(duì)空間的占用量足夠小，滿足對(duì)空間最大利用的使用要求，不影響他人的其他需求。

輔助起身機(jī)構(gòu)的電動(dòng)推桿的伸長(zhǎng)端鉸接在中間板，尾端鉸接在底板上，隨著電動(dòng)推桿的伸長(zhǎng)，底板保持不動(dòng)，底板以上的部位以最前端端面下底邊為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過安裝在扶手上的控制裝置來操控電動(dòng)推桿的伸長(zhǎng)量來人為控制傾斜角度，滿足不同使用者個(gè)體對(duì)輔助起身時(shí)角度的不同需求[4]。

3 裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

本節(jié)對(duì)裝置的兩個(gè)主要部分下部承重裝置和背板進(jìn)行分析。下部承重裝置設(shè)計(jì)要求的最大變形量為6mm、背板設(shè)計(jì)要求的最大變形量為3mm。以下皆為理想模型。

3.1 下部承重裝置分析

將下板兩塊板和后面的主懸臂梁和到一起分析，板長(zhǎng)330mm，寬400mm，厚分別為5mm和10mm，板面中央330mmX400mm的區(qū)域內(nèi)承受1000N的力。假設(shè)后面的梁截面完全固定，所有材料為AISI 321 退火不銹鋼 （SS），屈服強(qiáng)度234.422 N/mm2，張力強(qiáng)度620 N/mm2。用solidworks simulation分析此桌子的變形及受力情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果如圖3所示。從位移云圖中可知，在紅色的部分產(chǎn)生最大位移，從云圖中可以讀出下部承重裝置所受到的最大位移為4.755mm，小于設(shè)計(jì)要求的最大變形量3mm，因此設(shè)計(jì)合理。

3.2 背板分析

將背板和扶手梁和到一起分析，板長(zhǎng)400mm，寬400mm，厚15mm，板面中央400mmX400mm的區(qū)域內(nèi)承受500N的力，扶手的懸臂梁受300N的力，假設(shè)下面的支撐梁截面完全固定，所有材料為6061-O （SS）鋁合金，屈服強(qiáng)度62.0528 N/mm2，張力強(qiáng)度125 N/mm2。用solidworks simulation分析此桌子的變形及受力情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果如圖4所示。從位移云圖中可知，在紅色的部分產(chǎn)生最大位移。從云圖中可以讀出上板所受到的最大位移為1.972mm，小于設(shè)計(jì)要求的最大變形量5mm，因此設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)而簡(jiǎn)略地介紹了一種新的助老機(jī)械裝置，其主要由起身輔助機(jī)構(gòu)、座板翻折機(jī)構(gòu)、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、收放式手扶機(jī)構(gòu)四部分組成。該裝置操作簡(jiǎn)單、整體成本較低、安裝便捷，非常適用于許多普通家庭，該裝置的使用可以很大程度上提高老年人的生活質(zhì)量。助老器械已成為助老服務(wù)中要解決的一個(gè)重大問題，研制和生產(chǎn)適合老年人切實(shí)需求的助老裝置已成為一項(xiàng)重要任務(wù)[5]。

【參考文獻(xiàn)】

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【3】張安，胡碧強(qiáng)，向詩豪.立式自行車循環(huán)停車機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2019（28）：182

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