黃詩(shī)展，余裕浩，楊瀚林，姜 峰

(華僑大學(xué)制造工程研究院，福建 廈門 361021)

1 研究背景

老年人坐便椅是老齡用品的一種，是為解決如廁困難人群而設(shè)計(jì)的一種兼具坐便器與椅子功能的輔助性器械。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)在售的老年人坐便椅大多只具有基本功能，對(duì)人機(jī)工效考慮較少，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)不佳。老人坐便椅可根據(jù)折疊與否、高度能否調(diào)節(jié)、便桶取出方式等進(jìn)行分類[1]。市面上無靠背和扶手的簡(jiǎn)易坐便椅較為常見，但隨著生活質(zhì)量不斷提高，將逐漸被淘汰。折疊的坐便椅將設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在了坐便椅的收納功能上，如專利CN210810759U所述的一種兩用折疊坐便椅[2]，然而對(duì)于長(zhǎng)期需要如廁輔助的老人來說沒必要收納。專利CN106235945A所述的一種智能助力坐便椅[3]，依靠前設(shè)電機(jī)控制座位板的升降，可給老人一個(gè)起身的助力，然而對(duì)老人上半身沒有支撐作用，若老人腿部力量不足，由于自身重力，身體可能會(huì)往下滑，因此還需要老人有足夠的手臂力量，否則容易造成事故。專利CN210433391U所述的一種便于老年人使用的坐便椅裝置[4]，設(shè)計(jì)了升降柱與扶手以提供輔助支撐，便捷實(shí)用，但依然需老人有足夠的手臂力量才能起身，創(chuàng)新點(diǎn)單一。通過分析相關(guān)文獻(xiàn)[5-12]，結(jié)合目前市場(chǎng)上坐便椅產(chǎn)品進(jìn)行深入的對(duì)比分析可知，多數(shù)產(chǎn)品主要存在以下問題：1)功能單一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；2)對(duì)老人的安全性考慮不充分；3)適用于老人獨(dú)自居家生活的產(chǎn)品很少；4)對(duì)人機(jī)工效考慮較少，老人體驗(yàn)不佳；5)生產(chǎn)成本較高，價(jià)格昂貴，普通家庭無法承受等。

本文運(yùn)用機(jī)械原理知識(shí)并結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，設(shè)計(jì)了一款適用于輔助老人獨(dú)自居家生活、簡(jiǎn)單方便、安全性高的多功能坐便椅。

2 功能實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)

2.1 坐便椅設(shè)計(jì)參數(shù)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB24436—2009規(guī)定[13]，椅凳類家具的座面高度可以有400 mm、420 mm、440 mm 3種規(guī)格，椅子座深尺寸范圍350～400 mm，靠背的高度480～630 mm，寬度350～480 mm。休息扶手高度一般取200～230 mm，兩扶手的間距可取500～600 mm。

普通的家用馬桶尺寸如圖1所示。

圖1 普通馬桶尺寸

綜合考慮座椅國(guó)標(biāo)和普通馬桶尺寸，坐便椅座面高度取460 mm，座寬取420 mm，座深取420 mm。兩腋托間距選取410 mm，坐便時(shí)腋托到座面距離為(470±50)mm，站立時(shí)腋托距離地面為(1 310±50)mm，坐便時(shí)雙腳抬起160 mm。

2.2 動(dòng)力源選擇

考慮輔助老人起立和坐下過程中，座位板需要推力完成折疊和展開功能，故選用電動(dòng)推桿電機(jī)。電動(dòng)推桿電機(jī)是一種將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置，可作為執(zhí)行機(jī)械用于各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的工藝流程中，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動(dòng)控制。

根據(jù)椅子的參數(shù)，綜合考慮一般人的質(zhì)量、老人的安全保障和椅子模型的搭建效果，選擇工作電壓為12 V、空載速度為10 mm/s、最大推力為900 N、行程為400 mm的電動(dòng)推桿電機(jī)。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坐便椅產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維圖如圖2所示。坐便椅設(shè)計(jì)整體由以下幾個(gè)部分組成：支架1、腋下機(jī)構(gòu)2、腳踏機(jī)構(gòu)3、電動(dòng)推桿4、四邊形連桿機(jī)構(gòu)5、座位板6、靠背7及腋下-腳踏聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1—支架；2—腋下機(jī)構(gòu)；3—腳踏機(jī)構(gòu)；4—電動(dòng)推桿；5—四邊形連桿機(jī)構(gòu)；6—座位板；7—靠背圖2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維圖

1)上下身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

上下身機(jī)構(gòu)由靠背、座位板、電動(dòng)推桿、平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)等組成。在靠背的兩側(cè)，通過一旋轉(zhuǎn)軸連接桿的兩端裝配腋下機(jī)構(gòu)?？勘撑c座位板垂直連接，隨座位板作動(dòng)。

電動(dòng)推桿電機(jī)通過三角支撐板和鉚釘固定在座椅的兩側(cè)，作為整個(gè)裝置的唯一動(dòng)力源。利用電動(dòng)推桿電機(jī)可雙向分段運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，其既能夠推座位板作動(dòng)，也能推腳踏連接桿作動(dòng)。

為方便老人安全使用坐便椅，座位板兩側(cè)還裝有扶手，以提高穩(wěn)定性和安全性。座位板兩側(cè)設(shè)計(jì)兩組平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，利用平行四邊形容易變形的原理，實(shí)現(xiàn)座椅的展開和折疊功能。平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)由4根連桿和4個(gè)鉸鏈依次連接而成。

2)變胞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

利用電動(dòng)推桿可雙向分段運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，通過約束其自由度的變化，構(gòu)成變胞機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)腳踏板和座板先后順序工作的功能。當(dāng)坐便椅處于圖3中的第三種狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)推桿處于原始狀態(tài)，為零伸縮量。當(dāng)使用者按下電源后推桿將伸長(zhǎng)，推桿兩端都處于自由無約束的狀態(tài)，但由于使用者與座板的自身重力載荷遠(yuǎn)大于腳踏連接桿對(duì)推桿的作用力，因此推桿上端作動(dòng)被限制，優(yōu)先推動(dòng)下方的連桿，腳踏板向下運(yùn)動(dòng)至觸地。此時(shí)地面對(duì)連桿的反作用力遠(yuǎn)大于人體的自身重力載荷，于是推桿開始反向推動(dòng)座板和靠背，使老人站立。在此過程中，推桿的自由度由2變成了1，其全程狀態(tài)變化如圖3所示。

圖3 使用過程作品的狀態(tài)變化

3)腋下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為減輕老人如廁時(shí)坐下和起身過程中克服自身重力的負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)了腋下機(jī)構(gòu)。腋下機(jī)構(gòu)由死點(diǎn)機(jī)構(gòu)、腋下支撐等組成。另外，在老人完全坐下后，已不再需要腋下支撐，因此設(shè)計(jì)腋下機(jī)構(gòu)可自行回收，當(dāng)需要用時(shí)再?gòu)棾觯桓缮胬先嘶顒?dòng)，從而提高座椅的舒適度。

死點(diǎn)機(jī)構(gòu)為平面四連桿機(jī)構(gòu)，如圖4所示，長(zhǎng)連桿(a1)可與機(jī)架(a2)一起繞點(diǎn)d旋轉(zhuǎn)、與短連桿一起繞點(diǎn)b旋轉(zhuǎn)，腋托桿(a4)可與機(jī)架(a2)一起繞點(diǎn)a旋轉(zhuǎn)、與短連桿(a3)一起繞點(diǎn)c旋轉(zhuǎn)。當(dāng)長(zhǎng)連桿(a1)旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)時(shí)，短連桿(a3)恰好也豎直，則b,c,d三點(diǎn)共線，處于死點(diǎn)位置，腋托桿(a4)受力后長(zhǎng)連桿(a1)不可旋轉(zhuǎn)。

圖4 腋下死點(diǎn)機(jī)構(gòu)

彈片套筒通過腋下支撐固定在腋托桿(a4)上，腋下支撐通過彈片固定在套筒里面。采用彈片實(shí)現(xiàn)腋下支撐高度可調(diào)節(jié)，使坐便椅適用于不同身高的老人，提高裝置的適用性。

4)腳踏機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為提高老人如廁時(shí)的利便效果，考慮在老人坐下時(shí)將腳抬起，為此設(shè)計(jì)了腳踏機(jī)構(gòu)。腳踏機(jī)構(gòu)由腳踏板、腳踏靠板和滑軌等組成，如圖5所示。腳踏機(jī)構(gòu)通過腳踏板與靠板垂直連接。靠板與裝置之間設(shè)置有滑軌，以實(shí)現(xiàn)腳踏板升降功能。該功能使老人排便時(shí)，更容易產(chǎn)生排便反射，肛直角更大，直腸前突深度更小，會(huì)陰下降程度更大，從而改善排便意愿[14]，不同體位對(duì)排便的影響如圖6所示。

圖5 腳踏機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 不同體位對(duì)排便的影響

在腳踏連接桿上設(shè)置滑槽，滑槽通過滑桿與腳踏板固定連接，滑桿置于滑槽內(nèi)，可以自由移動(dòng)。電動(dòng)推桿通過三角支撐板與腳踏連接桿固定，推桿可拉動(dòng)腳踏連接桿運(yùn)動(dòng)，通過滑桿在滑槽內(nèi)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腳踏板的升降功能。

5)腋下-腳踏聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為充分體現(xiàn)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，巧妙設(shè)計(jì)了腳踏-腋下聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過柔性連接，將鋼絲繩的兩端分別固定在腋下連接桿和腳踏上，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

當(dāng)腋下支撐由豎直狀態(tài)變換為水平狀態(tài)時(shí)，聯(lián)動(dòng)腳踏板下降，順應(yīng)老人起身過程；當(dāng)腋下支撐由水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)時(shí)，聯(lián)動(dòng)腳踏上升，順應(yīng)老人坐下過程。

6)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

推桿電機(jī)作為本裝置的唯一動(dòng)力源，在左右扶手上分別設(shè)置座椅的啟動(dòng)按鈕，為推桿電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)。左手按鈕為座椅的展開開關(guān)，即起身輔助作動(dòng)；右手按鈕為座椅的折疊開關(guān)，即坐下輔助作動(dòng)。采用點(diǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，可隨時(shí)急停，保證坐便椅使用時(shí)的安全性，電路圖如圖7所示。

圖7 電路圖

完整作品的三維圖如圖8所示。

圖8 作品模型

3 設(shè)計(jì)計(jì)算與校核

3.1 總體尺寸設(shè)計(jì)

本裝置的最大特點(diǎn)在于坐便和站立兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此只有設(shè)計(jì)好結(jié)構(gòu)尺寸才能合理、協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)其功能。坐便椅設(shè)計(jì)參數(shù)見2.1節(jié)。該參數(shù)可適用于絕大多數(shù)老年人及市面上絕大部分馬桶，且從坐便切換至站立無尺寸不適。

3.2 最大載重計(jì)算

坐便椅原動(dòng)件為兩根相同的電動(dòng)推桿，原長(zhǎng)400 mm，行程300 mm，通電后速度v=10 mm/s，推桿以恒速率伸長(zhǎng)，最大推力F推=900 N。

機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9所示，數(shù)學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10所示。由于推桿以恒速率伸長(zhǎng)，故機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。忽略機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的摩擦力，得

2F推L1=GL2

式中：F推為電動(dòng)推桿的推力；G為最大的老人載重；L1和L2分別為F推、G對(duì)點(diǎn)B的力臂長(zhǎng)度。

利用SolidWorks軟件測(cè)得BC=207 mm；BA=571.3 mm；∠DBA= 64.7°。

圖9 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖10 數(shù)學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖

坐便椅最大載重計(jì)算過程如下：

∠A=90°-∠ACD-∠DBA=25.3°+∠DCB-∠ACB

設(shè)∠DCB=x,得

3.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算

式中：△l1為腳踏放下時(shí)電動(dòng)推桿的長(zhǎng)度變化量。

完全站立所需時(shí)間t2：

式中：△l2為從腳踏放下到電動(dòng)推桿完全伸出的長(zhǎng)度變化量。則從坐便到站立所需時(shí)間t：

t=t1+t2=30 (s)

3.4 電池續(xù)航能力計(jì)算

本坐便椅搭載12 V、5 600 mAh鋰電池，機(jī)構(gòu)原動(dòng)件為兩根額定功率P為30 W的電動(dòng)推桿。電池續(xù)航能力計(jì)算公式如下：

式中：n為一次充電裝置的使用次數(shù)；U為電動(dòng)推桿的額定功率；P為電動(dòng)推桿的額定功率；C為鋰電池容量。因此，一次充電可供使用134 次。

3.5 主要承力桿強(qiáng)度校核

座椅的支架所采用材料為6063-T5鋁型材，截面如圖11所示，其屈服極限為σ0=145 MPa。通過三維軟件分析，座椅的主要受力部位為座位板和腳踏起重桿，座位板的最大承重已由3.2節(jié)所述，此處校核腳踏起重桿是否安全。

圖11 鋁型材橫截面

腳踏起重桿的裝配示意簡(jiǎn)圖如圖12所示，取人的體重為80 kg，單邊推桿電機(jī)以拉力F作用在起重桿上。按我國(guó)男性青年體質(zhì)分布計(jì)算，小腿及足的質(zhì)量約占體重的4.5%[15]。則腳踏單邊桿受力F2為

The optical transmittance, T, can be obtained from the general formula[16–18],

圖12 腳踏起重桿的轉(zhuǎn)配示意圖

起重桿離地的瞬間為最大承力狀態(tài)，受力簡(jiǎn)圖如圖13所示。圖中L1=173 mm,L2=257 mm,L3=43 mm。

圖13 受力簡(jiǎn)圖

由力矩關(guān)系可知：

FL1-F2(L1+L2)=0

由此可得：

利用AutoCAD軟件的面域功能，計(jì)算得到桿的截面慣性矩Iz=7 449 mm4。

通過力學(xué)分析，可知最大危險(xiǎn)截面位于F作用點(diǎn)處，由正應(yīng)力計(jì)算公式得

式中：σ1為該點(diǎn)處的正應(yīng)力；M為該截面上的彎矩；y為該點(diǎn)到中性軸的距離。

取安全系數(shù)為1.5[16]，則

故腳踏起重桿滿足安全校核。

4 操作流程

在使用坐便椅時(shí)，首先根據(jù)使用者的身高，按下腋下彈珠，調(diào)節(jié)合適的腋下高度。如圖14所示，裝置開始狀態(tài)為站立姿勢(shì)，使用者站到腳踏板16上，雙臂自然放在腋下支撐2上，手握在扶手28上。

1—金屬?gòu)椘淄玻?—腋下支撐；3—靠背；4—腋下支撐連桿；5— 腋下機(jī)構(gòu)；6,7,8,15,20—支架連接桿； 9,24—座位板起重桿；10— 電動(dòng)推桿；11—腳踏起重桿；12,22,23,26,27—連接鉸鏈；13—三角 板；14—銷釘；16—腳踏板；17—腳踏背板；18,19—滑軌；21—座位 板；25—四連桿機(jī)構(gòu)；28—扶手圖14 作品三維裝配圖

使用者手握扶手，左手大拇指按動(dòng)左扶手上的啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)推桿10開始作動(dòng)，拉動(dòng)座位板起重桿，平行四邊形開始變形，座位板21向下翻轉(zhuǎn)，直至座位板處于水平狀態(tài)，使用者完全坐下，座位板限位制動(dòng)，電動(dòng)推桿開始反向向上拉動(dòng)腳踏起重桿11，腳踏板16上升，將使用者的腿部抬高，由于腳踏機(jī)構(gòu)與腋下機(jī)構(gòu)5聯(lián)動(dòng)，此時(shí)腋下機(jī)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，腋下支撐垂下收回，不干涉使用者如廁，至此使用者坐下過程結(jié)束，進(jìn)行如廁。

如廁完畢，使用者起身過程如下：雙手握住扶手28，右手大拇指按動(dòng)右扶手上的啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)推桿10開始作動(dòng)，由于人體重力載荷，推動(dòng)座位板21需要的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于推腳踏起重桿11的力，因此電動(dòng)推桿首先推動(dòng)腳踏起重桿11向下作動(dòng)，腳踏板16下降，此時(shí)腋下機(jī)構(gòu)5逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并慢慢到達(dá)死點(diǎn)位置，直至腳踏起重桿11和腳踏板16都著地，由于受到地面的反向作用力，電動(dòng)推桿開始反向推動(dòng)座位板起重桿9，平行四邊形變形，座位板向上翻轉(zhuǎn)，和靠背一起推著使用者起身，直至完全站立，使用者離開，整個(gè)使用過程結(jié)束。

5 創(chuàng)新性和應(yīng)用前景

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

1)折疊功能實(shí)現(xiàn)巧妙。利用兩組平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)座位板的旋轉(zhuǎn)和靠背的移動(dòng)，座椅展開和折疊靈活順暢，互不干涉。

2)將各部件之間進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，動(dòng)力源唯一。僅用一對(duì)推桿電機(jī)作為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的功能。其中，設(shè)計(jì)了巧妙的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將座板、腳踏、靠背、腋下有機(jī)結(jié)合在一起，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)功能，且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，耗材少、成本低。

3)利用柔性連接實(shí)現(xiàn)腳踏和腋下的遠(yuǎn)距離聯(lián)動(dòng)。將鋼絲繩的兩頭分別固定在腋下連接桿和腳踏上，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)腋下支撐由豎直狀態(tài)變換為水平狀態(tài)時(shí)，聯(lián)動(dòng)腳踏板下降，順應(yīng)老人起身過程；當(dāng)腋下支撐由水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)時(shí)，聯(lián)動(dòng)腳踏上升，順應(yīng)老人坐下過程。

4)腋下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)死點(diǎn)機(jī)構(gòu)，安全性能高。腋下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了死點(diǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)腋下支撐處于水平狀態(tài)時(shí)，形成“三點(diǎn)一線”的死點(diǎn)機(jī)構(gòu)，這時(shí)候使用者上半身質(zhì)量基本由腋下機(jī)構(gòu)支撐，充分保障了腋下機(jī)構(gòu)的承載能力和座椅的安全性能。

5)腋下支撐高度可調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍廣。將彈片套筒固定在腋托桿(圖4中a4)上，支撐塊通過彈片固定在套筒里面。采用彈片實(shí)現(xiàn)腋下支撐高度可調(diào)節(jié)，適用于不同身高的老人，提高了裝置的適用性。

6)利用變胞機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的先后順序。利用推桿電機(jī)可雙向運(yùn)動(dòng)的功能，結(jié)合裝置的自由度分析，使推桿電機(jī)先后作用于座位板和底下連接桿，驅(qū)動(dòng)坐便椅實(shí)現(xiàn)所有聯(lián)動(dòng)功能。

5.2 應(yīng)用前景

隨著我國(guó)人口老齡化的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)老人的關(guān)注度不斷提升，市場(chǎng)上對(duì)老年人用品的需求也日益旺盛。然而我國(guó)對(duì)于智能坐便椅的研究尚處于摸索階段，因此坐便椅具有良好的應(yīng)用前景。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的一些幫助老人如廁的產(chǎn)品無法做到比較全面的功能實(shí)現(xiàn)。與市面上現(xiàn)有的坐便椅產(chǎn)品相比，本文設(shè)計(jì)的多功能坐便椅憑借以下優(yōu)點(diǎn)具有更為良好的應(yīng)用前景：

1)輔助程度高?？蓭椭先霜?dú)立居家生活，輔助如廁坐下和站立的完整過程。

2)安全性高。腋下機(jī)構(gòu)具有死點(diǎn)位置，足以支撐老人的身體，防止摔倒。

3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。原動(dòng)件少，傳動(dòng)為連桿傳動(dòng)，后續(xù)維修難度小。

4)應(yīng)用范圍廣。適用于不同身高、不同年齡的老人，與市面上的馬桶適配。

5)操作簡(jiǎn)單。老人僅需操作左右兩個(gè)開關(guān)即可。

6)人性化設(shè)計(jì)。抬高了老人雙腳，解決了老人使用馬桶排便難的問題。