羅廣權(quán)，韓雪松，謝東津，丁 勇

(1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，廣西 南寧 530023；2.廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西 崇左 532200；3.貴州理工學(xué)院航空航天工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，我國老年人口逐年增多，自2000年邁入老齡化社會之后，我國人口老齡化的程度持續(xù)加深。到2022年左右，中國65歲以上人口將占到總?cè)丝诘?4%，實現(xiàn)向老齡社會的轉(zhuǎn)變。老年人的下蹲、站立能力嚴重下降，生活自理能力逐漸退化，尤其在如廁時，由于膝蓋不能受力、腿腳不夠靈活，出現(xiàn)下蹲、起身困難的問題，且用力不當易發(fā)生滑倒摔跤的意外，給家庭和個人造成不好的影響。關(guān)愛老年人，提高生活質(zhì)量，實現(xiàn)健康老齡化，為老年人提供安全舒適的產(chǎn)品和服務(wù)，己成為衡量社會進步和科技發(fā)展水平的重要標志[1]。當人口老齡化社會到來，為適應(yīng)年齡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的影響，將會重點研究應(yīng)對老年人生活需求的適老產(chǎn)品、教育和衛(wèi)生系統(tǒng)、城市基礎(chǔ)實施等方面[2]。

1 輔助如廁產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外許多專家針對老年人下蹲、站立困難的問題提供了許多輔助產(chǎn)品來幫助老年人。

傳統(tǒng)輔助如廁產(chǎn)品包括助力扶手、坐便椅，如圖1所示。適用于腿部肌肉退化，下肢力量不足，使用上肢力量來輔助站立，但是隨著年齡的增長，老年人全身肌肉力量衰退，如果過度使用上肢力量，同樣會導(dǎo)致肩膀疼痛以及其他并發(fā)癥狀[3]。

圖1 傳統(tǒng)輔助如廁產(chǎn)品

為此，一些專家學(xué)者研究了如廁產(chǎn)品。美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的三自由度輔助站起穿戴式機器人[4]，結(jié)構(gòu)簡單，但只輔助起身動作，不能輔助就座。德國海德堡大學(xué)研究的輔助站起系統(tǒng)，助力訓(xùn)練者完成站起動作[5]，但設(shè)備昂貴，一般普通家庭無法承受。李遠利等[6]提出了一種新的坐立運動軌跡，設(shè)計了一款如廁輔助裝置，但該裝置使用電機驅(qū)動，設(shè)備較昂貴。梁艷瓊等[7]設(shè)計了新型升降式坐便器，較好地解決了老年人如廁時遇到的問題，但設(shè)計產(chǎn)品并未能投入生產(chǎn)使用。李兆亮等[8]研究設(shè)計了一種老年人如廁輔助裝置，該裝置使用伺服電機驅(qū)動，在潮濕的浴室對于用電安全有更高要求，線路的布置需重新設(shè)計，通用性不夠強。劉坤等[9]通過分析確定站起過程中人體運動學(xué)參數(shù)，設(shè)計了多功能坐站輔助型如廁輪椅機械結(jié)構(gòu)，但是該裝置同樣使用伺服電機驅(qū)動，衛(wèi)生間需要改造線路，有一定的用電安全隱患。

因此，市場急需一款可以幫助特殊人群在如廁過程中輕松起身站立、下蹲，不需要重新布置電線路，無需安裝電源插座，可以在潮濕的環(huán)境中安全使用，且成本經(jīng)濟、使用方便的坐便器升降輔助裝置。本文針對各類輔助如廁裝置的缺點和不足，研制一款新型水壓升降如廁輔助裝置，獨立于已裝好的馬桶結(jié)構(gòu)，無需改造衛(wèi)生間，且裝置結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。

2 水壓升降如廁輔助裝置運動方案設(shè)計

參考前人學(xué)者的研究站立運動評價方法，站立運動主要依靠下肢力量完成從坐位到站立的過程。而老年人因肌肉機能退化、肌力不足的原因?qū)е抡玖⒗щy或失敗。通過觀察分析中青年、老年人自然站立過程，分析人體起立過程的運動軌跡，站立運動從開始的靜止平衡狀態(tài)，到下肢發(fā)力，身體前傾產(chǎn)生慣性力帶動髖關(guān)節(jié)離開座椅，下肢起支撐作用，直至人體完全站直。人體坐立轉(zhuǎn)換簡化模型如圖2所示?？蓪⑷梭w站立過程分為3個階段：第1階段為髖關(guān)節(jié)活動，上身前傾，重心向前，如圖2a和圖2b所示；第2階段為臀部與座位分離，膝關(guān)節(jié)活動，腿部肌肉收縮，重心向上向前，如圖2c所示；第3階段為身體在各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合下運動，重心到達最高點，并實現(xiàn)站穩(wěn)，如圖2d所示[10]。

圖2 人體坐立轉(zhuǎn)換簡化模型

而人在如廁過程也是坐與站立2種狀態(tài)的改變，因此，如廁輔助裝置需要滿足坐與站立2種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的要求，即輔助裝置有能實現(xiàn)將使用者抬升和前翻的功能。為測定輔助裝置所需要的動力大小，對人體進行從坐姿到自然站立的實驗測試，測試站立過程所需要的推力，從而分析確定水壓升降如廁輔助裝置所需要的動力，建立如廁輔助裝置的運動設(shè)計方案。

實驗選取12名無身體缺陷的老年人作為實驗對象，受測者平均體重60 kg，平均身高166 cm。通過人體自然站立實驗來記錄分析足底壓力情況，用于設(shè)計如廁輔助裝置的推力驅(qū)動參數(shù)。假設(shè)受測者主要承力腳為右腳，測試效果如圖3所示，通過實驗儀器記錄測試者足底壓力情況F。每組實驗測試3次記錄數(shù)據(jù)，取平均值得到如圖4所示受測者右腳壓力變化趨勢。因人從坐姿到站立，腳對采集器的壓力會增大，即F隨著時間的增加逐漸增大并到一定階段達到最大值，且該值比人的重力值大，也從側(cè)面反映了人在站立過程小腿發(fā)力，身體前傾產(chǎn)生慣性力帶動髖關(guān)節(jié)離開座椅。通過該實驗得到右腳壓力變化趨勢情況，為后續(xù)選取動力支撐機構(gòu)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

圖3 測試實驗效果

圖4 受測者右腳壓力變化趨勢

為實現(xiàn)坐姿到站立2種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的功能要求，給輔助裝置添加動力支撐機構(gòu)。經(jīng)上述分析的運動模式，只需給輔助裝置提供直線的運動即滿足要求。目前，市場上較常見的機構(gòu)有電動推桿、液壓和氣壓推桿等，而使用較廣的是電動推桿機構(gòu)。雖然電動推桿結(jié)構(gòu)簡單、使用較方便，但是市場需要一款不需要重新布置電線路，無需安裝電源插座，可以在潮濕的環(huán)境中安全使用的成本經(jīng)濟、使用方便的坐便器升降輔助裝置。因此，本裝置采用自研液壓推桿，操作簡單，安全可靠，裝置的具體設(shè)計方案原理如圖5所示。

圖5 輔助裝置運動設(shè)計方案原理

3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)運動設(shè)計分析可知，輔助裝置要實現(xiàn)坐墊椅的抬升和翻轉(zhuǎn)輔助使用者推起和站立的功能。裝置的機械機構(gòu)包括可升降支撐機架、驅(qū)動裝置和扶手支撐機構(gòu)。參考人機工程學(xué)的人體尺寸數(shù)據(jù)[11]，裝置設(shè)計的整體組裝如圖6所示?？缮抵螜C架具有一定高度，配合家庭馬桶使用，不用改變原裝馬桶結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定支撐的作用，可即插即用，方便快捷。且考慮到了產(chǎn)品安裝方便性問題，各個部件間主要采取螺栓連接，拆卸方便。驅(qū)動裝置主要由2個水壓缸和驅(qū)動開關(guān)組成，采用自來水作動力源，實現(xiàn)裝置的升降功能。扶手支撐機構(gòu)用于提高升降裝置的穩(wěn)定性，保證使用者的人身安全，起輔助坐穩(wěn)的作用。

圖6 水壓升降輔助裝置整體組裝效果

3.2 水壓控制設(shè)計

為滿足采用自來水作為動力源，實現(xiàn)升降控制功能，需對裝置進行水壓管路進出水方式的控制設(shè)計，包括水壓管路和三通球閥驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計。具體設(shè)計原理如圖7和圖8所示。衛(wèi)生間中引出自來水管，與節(jié)流閥連接，節(jié)流閥控制流量大小，接上L型三通球閥左接口；節(jié)流閥中間接口用水管連接水壓缸；節(jié)流閥右接口用水管連接馬桶水箱。用L型三通球閥實現(xiàn)對水流的控制，將閥芯旋轉(zhuǎn)到a位置，水壓缸接通自來水管，水壓推動活塞伸出；將閥芯旋轉(zhuǎn)到b位置，水壓缸接通馬桶水箱，在外力作用下推動活塞收回，缸體內(nèi)的水排出到馬桶水箱，可以節(jié)約用水。將閥芯旋轉(zhuǎn)到c或d位置，可以實現(xiàn)壓力保持。

圖7 水壓管路連接原理

圖8 L型三通球閥工作原理

3.3 有限元結(jié)構(gòu)強度分析

根據(jù)上述設(shè)計方案，對圖6結(jié)構(gòu)的整機模型適當簡化，進行有限元結(jié)構(gòu)強度分析校核，支架、連桿使用Q235鋼材料，許用應(yīng)力[σ]=235 MPa，整個裝置額定承載量80 kg，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

按最大承載量80 kg在有限元分析軟件ABAQUS中對裝置機械結(jié)構(gòu)進行強度分析校核，裝置受應(yīng)力分析如圖9所示，整個運動過程的應(yīng)力變化曲線如圖10所示。根據(jù)仿真分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力最大值σmax=140.9 MPa<[σ]，且整個運動過程的應(yīng)力曲線均保持在合理的范圍內(nèi)。因此，整個結(jié)構(gòu)的強度符合設(shè)計要求，滿足下一步研制方案的實施，進行實際樣機試制驗證。

圖9 有限元仿真應(yīng)力云圖

圖10 應(yīng)力最大5個區(qū)域運動過程的應(yīng)力變化曲線

4 樣機研制

根據(jù)設(shè)計方案和有限元仿真結(jié)果，對整機模型進行樣機研制，成品如圖11所示。目前，已完成12臺小批量設(shè)備的生產(chǎn)，并進入周邊社區(qū)、小區(qū)和部分家庭安裝試用。

圖11 樣機研制成品測試

根據(jù)樣機的實驗情況，進駐社區(qū)、醫(yī)院和小區(qū)等，邀請年齡50歲以上的老人50例體驗如廁輔助裝置。采用李克特量表5級法進行滿意度測評，檢測裝置的實用性、舒適性，打分原則為5分非常滿意，4分滿意，3分一般，2分不滿意，1分非常不滿意。體驗者對如廁輔助裝置的滿意度李克特量表如表2所示，其中表格中的數(shù)字表示樣本數(shù)中選擇的使用滿意度情況。

表2 體驗者對如廁輔助裝置的滿意度李克特量表

由表2看出，裝置得到較好的評價，具有較好的平穩(wěn)性，確實能改善老人的如廁過程，提高老人的生活水平。裝置的操作簡便、使用安全獲得一致好評。對于產(chǎn)品的外觀、重量和尺寸大小，仍有改善空間，對于部分老人覺得有點偏重。對于產(chǎn)品的購買性，因初步制定的價格，沒有做好市場規(guī)劃，導(dǎo)致老人考慮購買該產(chǎn)品的可能性不高，后續(xù)針對市場調(diào)研后制定合理的價格。

5 結(jié)束語

本文裝置是利用自來水壓進行升降驅(qū)動的坐便器輔助裝置，解決高齡老人由于腿部骨骼功能退化，老人如廁起立、下蹲困難的問題，協(xié)助高齡老人如廁起身站穩(wěn)、下蹲坐穩(wěn)的動作。是一款貼合高齡老人需求的裝置，能安裝在普通家庭的衛(wèi)生間內(nèi)，避免衛(wèi)生間線路需重新布置，無觸電風(fēng)險，解決了目前國內(nèi)產(chǎn)品穩(wěn)定性差、存在安全隱患等實際問題，為他們的日常生活提供便利。

本產(chǎn)品在理論和實踐層面均驗證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，且產(chǎn)品榮獲2021年第七屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽高職組國賽銀獎，產(chǎn)品具有良好的可推廣性，對于提高老年人的生活質(zhì)量和促進社會的和諧發(fā)展具有重要的意義。但是產(chǎn)品在外觀設(shè)計方面還有提升空間，后續(xù)將根據(jù)老年人的品味需求進行美觀設(shè)計，并做好結(jié)構(gòu)的封裝包裹，進一步推向市場化。