可折疊如廁洗浴輔助椅運動-靜力分析與實現(xiàn)

潘澳，張永鴻，陶麗佳，陳蒙蒙，吳亞蓮

(江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

0 引言

隨著人類老齡化趨勢逐漸加重，目前失能老人的問題已經(jīng)廣泛引起社會關(guān)注[1]。老年人隨著年齡的增長或受疾病的影響，日常生活自理能力逐漸下降。比如洗浴時浴室地面濕滑易導(dǎo)致老人摔倒且擦洗背部時較為吃力；老人骨密度低，心血管調(diào)節(jié)反應(yīng)較差，肌肉等器官老化。因此如廁久坐后站起容易發(fā)生腦缺血，稍有不慎會造成肌肉損傷甚至骨折，這都給老人的獨立生活帶來了很大的困難與風(fēng)險。

為解決上述問題，越來越多的助老機械被研制出來。李永田設(shè)計的“一種多功能淋浴椅”，將淋浴噴頭安置在椅子上方，設(shè)置有水溫顯示和放置物品的托盤[2]，減少老人洗浴時拿東西走動產(chǎn)生的危險，但忽略了老人背部清洗困難和從椅子上站起的不便。林如珊等的“老年護(hù)理用具多功能洗澡椅的研制”擁有輔助洗澡和如廁多種功能[3]，但是沒有調(diào)節(jié)腿部位姿，不能輔助老人站起。劉坤等設(shè)計了多功能坐站輔助型如廁輪椅機械結(jié)構(gòu)，通過變桿長及變桿位的線性聯(lián)動設(shè)計，使系統(tǒng)內(nèi)外支撐桿對座位托舉上升實現(xiàn)人體站起和迎候式輔助人體坐下的功能，扶手裝置可實現(xiàn)準(zhǔn)確控制外支桿定點縱向位移[4]。滕兵等的“輪椅床的結(jié)構(gòu)設(shè)計”，通過一系列機械機構(gòu)實現(xiàn)輪椅到床的轉(zhuǎn)變，完成使用者從坐姿到躺姿的全過程變化[5]。朱亞坤等對電動輪椅進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)化設(shè)計，可實時監(jiān)測使用狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制輪椅，使電動輪椅安全性提高，更加智能地保障使用者安全[6]。然而這些機構(gòu)沒有兼具淋浴時自動擦背和輔助如廁后站起兩種功能。

為改善獨居老人的生活質(zhì)量，針對其日常生活的不便，本文研制了一款可輔助老人如廁后站起，淋浴時擦背，且可進(jìn)行折疊的助老椅，并對其進(jìn)行運動學(xué)和靜力學(xué)分析，以保證該椅子能平穩(wěn)輔助如廁和洗浴，并保證其安全性。

1 功能需求分析與方案設(shè)計

1.1 功能需求分析

基于老人日常生活的需求和市場調(diào)研結(jié)果，本文所設(shè)計的可折疊如廁洗澡輔助椅具有以下功能。

1)輔助如廁后站起功能。

2)背部清洗功能：老人由于其骨骼較脆弱，洗澡時手部很難彎曲到背后擦洗背部，因此需要背部擦洗機構(gòu)，同時該結(jié)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)不同身高的老人對擦背范圍的需求。

3)自動剎車功能：老人隨著年齡的增長記憶力減退，所以剎車機構(gòu)要盡可能簡便、自動化，避免老人忘記剎車導(dǎo)致椅子移動而造成的各類風(fēng)險。

4)折疊功能：設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證折疊后所占空間盡可能小，以便不用時存放或外出使用時攜帶。

本多功能椅的設(shè)計應(yīng)適合大部分老人，因此需根據(jù)多數(shù)老人的身高和坐姿舒適度來確定多功能椅的尺寸。具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 多功能椅的主要設(shè)計參數(shù)

1.2 方案設(shè)計

該多功能椅的設(shè)計方案如圖1所示，包括：背部清洗機構(gòu)，折疊機構(gòu)，輔助站起機構(gòu)，剎車機構(gòu)。背部清洗機構(gòu)安裝在椅背部分，折疊機構(gòu)安裝在底板附近，輔助站起機構(gòu)安裝在底板上方，剎車機構(gòu)安裝在前定向輪上。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

1)背部清洗機構(gòu)如圖2所示。直流電機驅(qū)動帶輪轉(zhuǎn)動，使固定在同步帶上的擦背板上下往復(fù)運動，完成擦背；內(nèi)圓管套進(jìn)外圓管內(nèi)部，通過座管夾固定位置，方槽底部套入滑槽內(nèi)部，通過松緊調(diào)節(jié)器固定。提拉或下按固定板，可同時改變方槽套入滑槽深度和內(nèi)圓管套入外圓管深度，可調(diào)節(jié)背部清洗機構(gòu)的高度，以適應(yīng)不同背長的老人。

1—擦背驅(qū)動電機；2—擦背板；3—同步帶；4—滑槽；5—外圓管；6—方槽；7—坐管夾；8—內(nèi)圓管。

2)折疊機構(gòu)如圖3所示，可分為腿部的上收和背部清洗機構(gòu)的翻折。背部清洗機構(gòu)翻折原理為兩側(cè)的外圓管通過折合鉸鏈向前翻折90°，中間的滑槽通過銷軸與U型件連接完成向前翻折。腿部的上收原理為：鉤銷與叉銷的鉤部分別穿過前后支撐腿，用來固定支撐腿伸出后的位置。拉桿的兩端通過萬向節(jié)分別與鉤銷端部連接，拉動拉桿完成鉤銷和叉銷從支撐腿中脫離，此時椅子的上部依靠自身重力沿支撐腿下滑，根據(jù)相對運動實現(xiàn)椅子支撐腿的上收。

1—U型件；2—折合鉸鏈；3—叉銷；4—勾銷；5—拉桿。

3)輔助站起機構(gòu)如圖4所示，翻轉(zhuǎn)板通過鉸鏈鉸接在底板前側(cè)，電動推桿底座固定在底板上，電動推桿頂部與扶手連接。扶手底部與翻轉(zhuǎn)板固連。通過按鈕控制電動推桿的伸縮使翻轉(zhuǎn)板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，輔助老人如廁后站起。

1—扶手；2—連接件；3—翻轉(zhuǎn)板；4—底板；5—鉸鏈；6—電動推桿。

4)剎車機構(gòu)如圖5所示，為防止老人使用前忘記操作剎車，把剎車機構(gòu)設(shè)置成可自動剎車。剎車原理為：剎車方槽通過方管連接件與前支撐腿固連，剎車方槽內(nèi)部穿過4根導(dǎo)向管并與剎車彈簧一端焊接，剎車彈簧另一端與定向輪上面的安裝部件焊接。使用者坐上椅子后，由于重力作用使剎車彈簧壓縮，前支撐腿和剎車方槽一起沿著導(dǎo)向管向下移動，剎車方槽接觸地面，達(dá)到剎車效果。

1—后支撐腿；2—方管連接件；3—萬向輪；4—剎車方槽；5—剎車彈簧；6—導(dǎo)向管；7—前支撐腿。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵部件選型

2.1 總體結(jié)構(gòu)

通過對各結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析，確定多功能助老椅包括移動與支撐部分、剎車部分、翻轉(zhuǎn)部分、折疊部分和擦背部分(圖6)。移動與支撐部分主要包括前輪定向輪、后輪萬向輪、支撐腿；翻轉(zhuǎn)部分主要包括翻轉(zhuǎn)板、電動推桿、扶手；折疊部分主要包括折合鉸鏈、拉桿與鉤銷和叉銷；擦背部分包括擦背板、高度調(diào)節(jié)等。

1—擦背驅(qū)動電機；2—高度調(diào)節(jié)部分；3—折疊部分；4—支撐腿；5—剎車部分；6—電動推桿；7—扶手；8—擦背板。

2.2 剎車彈簧選型與校核

多功能椅可承受的最大質(zhì)量為100 kg，最小質(zhì)量為30 kg。椅子自身質(zhì)量(含蓄電池和電機)為10 kg。前輪采用剎車彈簧，后輪采用腳踩式剎車，所以一根彈簧載荷為269.5 N。由于彈簧在一般載荷下工作，所以可選第三類彈簧來計算。選用材料為C級碳素彈簧鋼絲，初始估計彈簧絲直徑為4 mm。經(jīng)過查表得[τT]=0.5σB，σB=1569 MPa，于是[τT]=784.5 MPa，[τT]為彈簧工作時的切應(yīng)力，σB為材料的抗拉強度。

根據(jù)以上條件參考《機械設(shè)計》選定彈簧旋繞比C為10。

式中：k為彈簧曲度系數(shù)；d為彈簧絲直徑，F(xiàn)max為最大載荷。

根據(jù)《彈簧設(shè)計手冊》取第一系列標(biāo)準(zhǔn)值，d取3.2 mm，再根據(jù)以下公式算出彈簧中徑D2和彈簧外徑D，單位為mm。

D2=Cd=10×3.2=32

D=D2+d=32+3.2=35.2

計算彈簧的有效工作圈數(shù)n，根據(jù)設(shè)計手冊查得G=80000 MPa，彈簧的工作圈數(shù)為

式中：G為材料的切變模量；λ為彈簧的軸向變形量。取彈簧n為9。彈簧的總?cè)?shù)為

n0=n+2=9+2=11

驗算載荷與變形，計算最小載荷與最大載荷相應(yīng)的變形量，單位為mm。

式中Fmin為最小載荷。

綜上分析，剎車彈簧的壓縮變形均大于起壓縮效果時的壓縮量25 mm，可以達(dá)到剎車方槽與地面接觸，完成剎車。

2.3 電動推桿選型

由表1可知加上椅子翻轉(zhuǎn)部分的自質(zhì)量，如廁輔助機構(gòu)中的翻轉(zhuǎn)部分所需承受的總重力約為1010 N，參考運動生物力學(xué)翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)45°可輔助老人站起，通過三維運動模型繪制出翻轉(zhuǎn)示意圖(圖7)。圖中，翻轉(zhuǎn)板長300 mm，電動推桿收縮后加底座長228 mm，翻轉(zhuǎn)45°。

圖7 翻轉(zhuǎn)示意圖

正常情況下老人常坐在坐墊的中間位置，此時：

開始翻轉(zhuǎn)時：M(重力)=G×R=150×1010 (N·mm)

M(推力)=F×R1

M(推桿)>M(重力)，得出F>1443 N。

翻轉(zhuǎn)終止時：M(重力)=G×Rcos45°=107060 (N·mm)

M(推桿)>M(重力)，得到F>1427 N。

式中：M(重力)為人加翻轉(zhuǎn)板總質(zhì)量繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)所用力矩；M(推桿)為電動推桿提供力矩；G為人和翻轉(zhuǎn)部分總質(zhì)量；R為總重力到鉸鏈的垂直距離；R1為電動推桿的推力到鉸鏈的垂直距離；F為電動推桿的推力。

同理算出老人坐在靠近后端和靠近前端時所需最大力分別為2886 N和1010 N。因為采取兩側(cè)安裝兩個推桿的方案，所以電動推桿的推力選1500 N。

采用畫圖法量出電動推桿伸長后長為294.3 mm，由于原長為228 mm，所以電動推桿的行程選100 mm。

2.4 驅(qū)動擦背板電機的選型

根據(jù)一個成人的后背長度確定帶輪中心距為450 mm，擦背板高度為80 mm，擦背模塊可調(diào)節(jié)高度180 mm，擦背板的行程為370 mm。帶輪直徑為40 mm周長為125.6 mm。

式中：S為所需圈數(shù)；L為擦背板行程；C為帶輪周長。

可得在擦背板一個行程內(nèi)帶輪轉(zhuǎn)3圈。根據(jù)人擦背的舒適度調(diào)查，擦背速度約為74 mm/s。

式中：T為單行程電機所用時間，s；L為擦背板行程，mm；V為擦背板所需速度，mm/s。

即電機轉(zhuǎn)3圈需5 s，可得直流電機轉(zhuǎn)速約為35 r/min，功率35 W，額定轉(zhuǎn)矩32.5 kg·cm。

3 主要部件的運動分析和靜力分析

3.1 翻轉(zhuǎn)部分的運動分析

基于SOLIDWORKS中的Motion分析翻轉(zhuǎn)板的加速度和速度，以檢驗該椅子能否輔助老人平穩(wěn)地從椅子上站起。

首先根據(jù)2個電動推桿的選型設(shè)定推力為3000 N，運動行程100 mm。經(jīng)過Motion分析得到速度、角速度隨時間變化圖像，如圖8所示。翻轉(zhuǎn)板的角速度波動范圍為1 deg/s～5 deg/s，推桿的速度波動范圍為6 mm/s～15 mm/s，兩者都在合理范圍內(nèi)，因此可以保證平穩(wěn)輔助老人站起。

圖8 參數(shù)隨時間變化圖

3.2 靜力學(xué)分析

使用者在使用本多功能椅時，翻轉(zhuǎn)板承受主要質(zhì)量。所以需要對翻轉(zhuǎn)板和連接件進(jìn)行有限元分析，以保證選用材料能夠承受足夠的載荷，本多功能椅預(yù)承受人的質(zhì)量為100 kg，主要分布在支撐面的中部，在Ansys中對翻轉(zhuǎn)板進(jìn)行面分割，施加載荷進(jìn)行受力分析，保證使用時的安全。

通過Ansys分析得到圖9應(yīng)力云圖，可知翻轉(zhuǎn)板承受的最大應(yīng)力為0.043225 MPA，小于硬鋁2Al1的許用應(yīng)力370 MPA，選材符合要求。

圖9 翻轉(zhuǎn)板應(yīng)力云圖

由于電動推桿的推力通過連接件傳遞到翻轉(zhuǎn)板，連接件將承受很大的載荷，需要對其進(jìn)行應(yīng)力分析。從應(yīng)力云圖(圖10)可知所受載荷最大應(yīng)力為82.395 MPa，所選材料Q235B屈服點為235 MPa，符合要求。

圖10 連接件應(yīng)力云圖

對剎車彈簧進(jìn)行瞬態(tài)分析(圖11)，可得到最大載荷和最小載荷時的最終壓縮量，分別為102.52 mm、34.287 mm，均大于起壓縮效果時的壓縮量25 mm。

圖11 剎車彈簧瞬態(tài)分析云圖

4 輔助椅的實現(xiàn)

基于上述模型所制作的多功能椅實物如圖12所示。本助老椅的實體框架材料選用鋁合金，模型部分構(gòu)件采用3D打印。

圖12 實物圖

使用時，老人坐在此多功能椅上按下黑色按鈕，控制兩電動推桿同時伸縮驅(qū)使扶手板帶動翻轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動一定角度，改變老人腿部位姿，實現(xiàn)輔助老人如廁后站起的功能。翻轉(zhuǎn)后如圖13所示。

圖13 翻轉(zhuǎn)后實物圖

按下折合鉸鏈的觸發(fā)機關(guān)，使擦背模塊向前翻折90°。拉動拉桿，使椅子支撐腿上收。折疊后椅子長500 mm、寬640 mm、高490 mm。如圖14所示。

圖14 折疊后實物圖

5 結(jié)語

該助老椅大大降低了老人在沐浴時的滑倒風(fēng)險及如廁后站起時老人肌肉損傷的風(fēng)險，同時本產(chǎn)品也提供了較為便捷的擦背模塊及折疊模塊，可攜帶于室內(nèi)以外的公眾場合使用。隨著老齡化的到來，公共場所等也可以普及使用，應(yīng)用前景較為廣闊，具有較大的推廣價值。