張嘉晟，馬麗心，靳 瑜，馬予健，陳思偉，黃德池，黃志維

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523000）

0 引言

根據(jù)國家衛(wèi)健委老齡健康司發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截止至2020年11月1日，全國60周歲及以上老年人口占總?cè)丝跀?shù)為18.7%。失能老人在生活上不能完全自理、或者被人照顧過程中人格尊嚴(yán)受到抑制，農(nóng)村中的失能老人因受傳統(tǒng)觀念以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平因素制約，更多是以家庭照顧為主[1]，在生理需求上往往得不充分的滿足。本研究從洗浴座椅功能需求角度出發(fā)，總結(jié)出失能老人在獨立洗浴需求的難點為操作不便、洗浴體驗差、安全性不高，因此急需一款多功能洗浴座椅能解決以上痛點[4]。

常見的洗浴座椅有無靠背獨立淋浴座椅、有靠背獨立淋浴座椅以及掛壁式座椅。在市場上款式最多為無靠背獨立淋浴座椅，但該款座椅無靠背，不能帶來良好的舒適性與安全性；有靠背獨立座椅會在洗浴過程中存在腿腳不穩(wěn)定，容易在起身借力椅子的時候腿腳打滑，出現(xiàn)跌倒的情況；掛壁式座椅缺少靠背。現(xiàn)有的洗浴家具通常只考慮“坐”的問題[2]，在尺寸結(jié)構(gòu)上沒有參考現(xiàn)有老年人體型參數(shù)，功能單一缺乏舒適性。

基于現(xiàn)有市場上洗浴座椅存在的問題[7]，本文設(shè)計一款多功能洗浴座椅，靠背處能提供搓澡功能、在扶手處能載物以及控制搓澡，從而解決失能老人洗澡難的問題[5]。

1 設(shè)計思路

洗浴座椅設(shè)計成可折疊，材料采用塑料材質(zhì)。塑料不僅可以滿足輕便、低價、防水、易于生產(chǎn)制造等特點，還具有溫和的視覺與觸覺特性，適合洗浴輔助器具類產(chǎn)品[3]。

使用前，座椅與靠背、座椅與支腳處于合并狀態(tài)，關(guān)節(jié)處采用同心軸機(jī)構(gòu)，以控制裝置的開合，并且在閉合狀態(tài)下減少衛(wèi)生間的占地空間。使用時將座椅放下，固定好座椅腿，借助扶手的支撐坐下，靠背是固定在墻面處，座椅腿采用塑料管材質(zhì)，并且利用三角結(jié)構(gòu)增加了穩(wěn)定性。坐墊面設(shè)計為弧形結(jié)構(gòu)，讓使用者感到舒適，材料采用防滑橡膠材料減少安全隱患。坐墊處設(shè)計有排便口，使用者可在洗浴過程中如廁，不用中途起身，提高便捷性的同時提高舒適性，同時排便口能解決使用過程中遇到的坐墊積水問題。在左側(cè)扶手處設(shè)計有一個凹槽，方便使用者放置洗浴用品，扶手頂部還設(shè)置花灑的支架，使用者可以在不需要花灑的時候?qū)⒒覓煸诜鍪痔?，出水開關(guān)和調(diào)節(jié)水溫按鈕設(shè)計在右扶手處。

靠背處最大的創(chuàng)新點在于設(shè)計有搓澡裝置，靠背設(shè)計有兩個滾筒，通過電機(jī)帶動鉸鏈機(jī)構(gòu)使?jié)L筒轉(zhuǎn)動，搓澡巾安裝在滾筒上，可通過扶手處的按鈕啟動，解決了使用者不能自己搓背的問題，增加使用者的洗浴體驗感。洗澡結(jié)束后可借助扶手幫助下站立，將座椅折疊放好。本設(shè)計以坐姿洗澡的方式代替站立洗澡。本研究基于此對座椅式洗浴裝置展開了研究。如圖1所示。

圖1 多功能輔助洗浴座椅示意圖

考慮到安裝以及使用的便捷性與可靠性，本設(shè)計在固定上利用了三角形支撐原理，將靠背以固定的方式安裝在垂直墻面上，底座支撐抵于墻面處，支腿和墻面構(gòu)成三角結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)動軸結(jié)構(gòu)以控制支腿的收放，能讓洗浴座椅在使用時不發(fā)生移動，防止造成意外。老人起身與坐下時，在扶手處獲得一個支撐面，緩慢坐下，借力起身。收置時扶手和坐墊可以往上方轉(zhuǎn)動90°至豎直，豎直方向上轉(zhuǎn)動軸處軌道變窄，用于卡穩(wěn)扶手和坐墊，支座腳只需往坐墊方向推動緊貼即可。放置時把扶手和坐墊稍微用力往下拉動，轉(zhuǎn)動軸脫離窄軌道，扶手和坐墊會順勢往下轉(zhuǎn)動，水平方向上轉(zhuǎn)動軸設(shè)有卡口限制，讓扶手和坐墊在水平處固定。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 靠背結(jié)構(gòu)

圖2所示為靠背外觀，采用掛壁式結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)穩(wěn)固性和減少安裝位置的限制，有效緩解洗浴間面積狹窄的問題?？紤]到人體平均肩寬：男性約42 cm、女性約36 cm[8]，且需要安放扶手等設(shè)備，靠背的尺寸定為50 cm×50 cm，預(yù)留厚度10 cm，內(nèi)部留有熱水器管道以及布線空間，方便后期升級優(yōu)化。與傳統(tǒng)輔助洗浴設(shè)備不同，除了解決基本的洗浴問題外，帶來更加舒適的感受。

圖2 靠背設(shè)計

2.1.1 靠背功能

本設(shè)計的靠背具有搓背功能，通過坐在坐墊上，背靠靠背實現(xiàn)搓背。具體分為上下搓背式如圖2（a）以及優(yōu)化后的滾動搓背式如圖2（b），使用者可以根據(jù)自身需求添加對應(yīng)的配件實現(xiàn)兩種模式的轉(zhuǎn)換。上下搓背式：滑塊可安裝毛巾，通過固定軌道上下滑動摩擦背部，模擬搓背動作達(dá)到搓背效果。滾動搓背式：在原先的基礎(chǔ)上，由滑塊改為4根滾筒，滾筒上可安裝毛巾，通過滾筒旋轉(zhuǎn)摩擦背部達(dá)到智能搓背效果，可根據(jù)個人需求調(diào)節(jié)扶手處的按鈕控制滾筒的旋轉(zhuǎn)速度來滿足不同的智能搓背體驗。靠背的接觸面改為弧形結(jié)構(gòu)，讓靠背能更好地貼合背部，增加使用者的舒適感與安全感。

2.1.2 靠背電機(jī)選擇

關(guān)于搓澡電機(jī)的選擇選用36 V/50 W的可調(diào)節(jié)永磁直流電動機(jī)，電動機(jī)作為洗澡椅的核心動力部件，其質(zhì)量好壞直接影響到產(chǎn)品的使用與安全。隨著JB/T 11355-2013《按摩椅用永磁直流電動機(jī)通用技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實施，對規(guī)范按摩器具行業(yè)的生產(chǎn)、銷售及行業(yè)檢測，提高行業(yè)技術(shù)水平將起到引導(dǎo)和推動作用。JB/T 11355-2013規(guī)定,用于按摩椅的永磁直流電動機(jī)額定電壓為24 V、36 V、48 V、60 V、96 V、110 V；額定轉(zhuǎn)矩為0.15～0.4 N·m；額定轉(zhuǎn)速為1200～3000 r/min；額定電流0.6～2.5 A。按摩器具之所以廣泛采用直流電動機(jī),是由于直流電動機(jī)有優(yōu)良的調(diào)速特性。而老年人在使用洗澡椅上的搓澡裝置時轉(zhuǎn)速要求便是在可以清理身體的同時保證機(jī)器的力度不會過大對老年人造成傷害，故采用小功率電機(jī)，電壓為12 V、24 V、36 V、46 V及60 V不等，并且最大功率在50 W左右，同時應(yīng)該滿足傳動精度高、力矩大、質(zhì)量輕、能耗低、壽命長等特點。

2.2 座椅舒適型設(shè)計

根據(jù)人體工程學(xué)分析[10]，人脊柱與腰椎間盤在不同坐姿下的受力圖得出以下結(jié)論：當(dāng)靠背角為90°時無腰部支撐，這時腰椎間盤壓力最大，靠背角仍為90°但加有腰部支撐，此時壓力減小，當(dāng)靠背角增大為110°雖然沒有腰部支撐但靠背分擔(dān)了一部分體重，腰椎間盤壓力仍有所下降。當(dāng)在靠背角為110°的基礎(chǔ)上加上適當(dāng)?shù)难恐?，腰椎間盤壓力有了明顯下降。當(dāng)把腰間的支撐加到胸背部位，支撐點的不恰當(dāng)導(dǎo)致腰椎間盤的壓力反而增大了。而老年人隨著年齡的增長脊柱出現(xiàn)不同程度的彎曲，椅子上最舒服的坐姿應(yīng)當(dāng)是靠背與水平面成100°～110°夾角，并可在腰部安裝支撐。

2.3 座墊結(jié)構(gòu)

座墊是連接靠背和支座腳的中間部分，由轉(zhuǎn)動軸連接，可轉(zhuǎn)動實現(xiàn)洗浴座椅的收放。收置時僅需把座墊往上推動，座墊會緊緊貼合靠背與其形成平行，不需使用時能節(jié)省空間，放置時，也只需往下拉動，座墊會在支座腳的支撐下緩緩平衡。座墊整體為矩形，與傳統(tǒng)的平面座墊不同，表面采用了弧形結(jié)構(gòu)并帶有凹槽，兩側(cè)微微凸起，方便老人使用時可以調(diào)整坐姿，接近于座墊的中心位置，提高舒適度，并能讓洗浴廢水不在坐墊處停留。凹槽為“+”型兩端是半圓，形狀貼合人體臀部符合生理需求[9]，坐著舒適。凹槽可作為坐便器使用，可輔助洗浴的同時還能解決方便問題。底下可以加裝儲污筒，能為有需要的老年人充當(dāng)簡易廁所，實現(xiàn)多功能價值。

2.4 扶手結(jié)構(gòu)

扶手設(shè)計于靠背兩側(cè)，如圖3所示。扶手長30 cm、寬10 cm、高5 cm的立方體，根據(jù)左右扶手功能不同有著具體差異。扶手采用轉(zhuǎn)動軸連接靠背，可以向上收置，節(jié)省空間。

圖3 扶手結(jié)構(gòu)

右扶手是控制扶手，如圖4所示，裝有調(diào)節(jié)水閥、控制按鈕以及U型花灑支架。調(diào)節(jié)水閥裝在扶手的右側(cè)端，可避免影響扶手支撐老年人起坐，調(diào)節(jié)水閥通過連接熱水器的冷熱閥口以及花灑，形成“熱水器—調(diào)節(jié)水閥—花灑”的單向控制達(dá)到調(diào)節(jié)水溫、流速的效果，使用時將調(diào)節(jié)水閥前端往外扳動，可以控制水流開關(guān)，上下轉(zhuǎn)動可以調(diào)節(jié)水溫，往上為熱水，往下為冷水，操作簡單，便于老年人使用。扶手前端置有U型花灑支架，可以懸掛花灑，支架能往下轉(zhuǎn)動90°，用于扶手收置時懸掛花灑。扶手上表面有一大一小兩按鈕，分別為強(qiáng)度切換按鈕和搓背開關(guān)按鈕，為了防止使用者誤觸，等級切換按鈕設(shè)置在前端，搓背開關(guān)按鈕則靠中間，使用者起坐需要扶手借力時，容易觸碰到前端的等級切換按鈕，而等級切換按鈕由搓背開關(guān)按鈕控制，未開啟搓背功能時等級切換按鈕不響應(yīng)，避免誤觸帶來安全隱患。搓背開關(guān)按鈕按一次為開啟搓背功能，下一次則為關(guān)閉搓背功能；開啟搓背功能后等級切換按鈕按一次轉(zhuǎn)輪啟動速度慢，按兩次速度提升至中，按3次速度提升至快，然后依次循環(huán)，整體流程為“開—慢—中—快—關(guān)”。不同的轉(zhuǎn)速以模擬搓背力度，提升使用者的洗浴體驗。

圖4 右扶手設(shè)計

左扶手是儲物扶手，如圖5所示，設(shè)有儲物槽和儲液盒。扶手中間是一個長10 cm、寬6 cm、深3 cm的凹槽，可以方便老年人放置一些肥皂、護(hù)膚品等洗浴用品，內(nèi)側(cè)裝有排水孔，槽內(nèi)不易形成積水，有異物殘留時，用水沖洗即可。扶手下方內(nèi)側(cè)有卡槽，卡槽呈現(xiàn)“L—倒T—反L”型，用于安裝固定儲液盒。儲液盒由按壓器、儲存盒和密封蓋3部分組成，儲存盒為長10 cm、寬7 cm、高7 cm的立方體，內(nèi)壁厚0.2 cm，下端帶有2 cm圓角，上端一側(cè)設(shè)有卡槽，卡槽成“T—T”型，與扶手下方的卡槽相對應(yīng)，另一側(cè)為開口，以便倒入沐浴露或者洗發(fā)水。開口上方為密封蓋，密封蓋內(nèi)部帶有防水橡膠圈，蓋緊后能夠保護(hù)內(nèi)部液體不會外漏和受外部污染。按壓器在儲存盒卡槽側(cè)下方，按壓時會流出一定量內(nèi)部液體。安裝時用儲液盒卡槽對準(zhǔn)扶手卡槽，往扶手方向推至卡槽觸頂即可，扶手最多只能安裝兩個儲液盒。儲液盒是基于老年人在洗浴座椅時不便獲取沐浴露、洗發(fā)水（如無法彎腰拿、夠不著、附近無法放置洗浴用品等）的情況，而設(shè)計的方便老年人獲取洗浴用品的裝置，采用可拆卸結(jié)構(gòu)，在不需要其輔助時也可以拆卸掉，并不會影響輔助洗浴座椅的正常使用。

圖5 左扶手裝置設(shè)置

2.5 支座腳結(jié)

支座腳為兩個簡單的T型杠，采用轉(zhuǎn)動軸連接，用于支撐坐墊平衡。支座腳、坐墊和墻面構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，使坐墊平穩(wěn)，確保整體的穩(wěn)定性與安全性。

2.6 各結(jié)構(gòu)尺寸

此款座椅考慮到人體結(jié)構(gòu)及使用方便等，均采用合理的數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計[9]，如表1所示。

表1 多功能輔助洗浴座椅各部分尺寸

2.7 其他設(shè)計

座椅靠背的結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到了用電部分，需要從何處通電以及防止使用時因為水流導(dǎo)電產(chǎn)生的安全問題，于是決定采用具有漏電保護(hù)器的安全插頭，防止使用時漏電并及時采取必要的斷電措施；靠背處的搓澡巾使用多次難免會有細(xì)菌的滋生為了保證使用者的干凈衛(wèi)生和洗浴體驗，需要定期更換靠背處的搓澡巾，為了便于拆卸搓澡巾采用了魔術(shù)膠的粘合方式，滿足既牢固又便捷的安裝方式。

3 測試驗證與結(jié)果分析

3.1 扶手仿真分析

扶手處主要需要支撐起老人所施加的握力以及推力，以及靠背中洗浴裝置工作時給予扶手左右的力。本文在參考不同年齡組高齡老人握力變化趨勢等相關(guān)數(shù)據(jù)[9]，得出70～90歲年齡段老年人握力在320～100 N在實驗中取320 N進(jìn)行實驗。參考老年人體重相關(guān)數(shù)據(jù)[12]通過類比人體推力為體重的1/2～2/3。利用老年人平均體重來推算老年人推力大小約為375 N。利用SolidWorks Simulation將老人的握力與推力的數(shù)據(jù)施加在扶手零件上，將扶手與靠背的連接處看成剛體去研究，并且選取PVC塑料作為測試材料，生成扶手處von Mises應(yīng)力圖，如圖6所示，圖6（a）為左扶手應(yīng)力圖，圖6（b）為右扶手應(yīng)力圖，扶手表面的受力變形情況由圖可見在于靠背的連接處受力較大，并且在力的作用下發(fā)生變形。

圖6 扶手應(yīng)力分析

3.2 坐墊仿真分析

坐墊的整體裝置是重要的承重構(gòu)件，它承載著老人的體重，防止老人跌落。是保證老人洗浴安全的重要部分。其次坐墊的設(shè)計采用模仿人體“臀部”的弧形結(jié)構(gòu)而設(shè)計的，使用戶在使用時更加貼合坐墊，增加在洗浴時的舒適感，確保老人可以在一個比較舒適的姿勢下進(jìn)行洗浴，并且坐墊的設(shè)計符合人體生物力學(xué)的特性。利用電腦軟件SolidWorks中的Simulation算例對坐墊的受力進(jìn)行分析，在計算機(jī)上生成在一定承載下坐墊零件的性能狀態(tài)，生成von Mises應(yīng)力圖，圖7所示為坐墊應(yīng)力圖，將零件圖中夾具設(shè)為剛體狀態(tài)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，考慮到老人在座椅上的穩(wěn)定性，在坐墊的平面施加均勻載荷為750 N，觀察零件變形受力狀況。由圖7可知在坐墊與靠背連接處受力較大。

圖7 坐墊應(yīng)力分析

4 結(jié)束語

本文針對已有洗浴座椅中存在的問題進(jìn)行分析，通過SolidWorks軟件對所設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行研究，主要對座椅靠背和坐墊等關(guān)鍵部件進(jìn)行安全化、人性化及合理化設(shè)計和仿真，并且在扶手的受力變形和儲物槽設(shè)計、花灑配置及安放、搓背裝置的滾筒設(shè)計等部件的細(xì)節(jié)上給予充分考慮，并且對產(chǎn)品進(jìn)行實物制作，進(jìn)一步對各部件尺寸參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，同時考慮了坐墊的承重性，做出了承重重量下的坐墊應(yīng)力圖，從整體結(jié)構(gòu)的美觀到支腳的三角安全設(shè)計、花灑的懸掛取放、洗浴用品的方便使用以及搓滾的舒適度等進(jìn)行細(xì)節(jié)完善。使洗浴座椅實現(xiàn)了安全性、舒適性和可操作性的多功能需求。