老年人智能如厕辅助装置设计

李兆亮，陈玉海

老年人智能如厕辅助装置设计

李兆亮，陈玉海*

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

伴随着老龄化社会的到来，人们需要更多的智能装置来提升老龄化社会带来问题的应对能力。为了提高老年人的生活质量，解决老年人如厕困难的问题，研究设计了一种老年人如厕辅助装置，帮助老年人完成弯腰、下蹲起身和脱下衣等动作。装置主要包括机械结构设计和控制与驱动硬件设计两部分，其中机械结构设计主要包括底座、剪式升降机构、旋转座圈机构和脱下衣模块；控制与驱动硬件设计包括控制器，伺服电缸的驱动，触摸屏上位机的设计，并且设计了整个装置的软件部分。相较于市场上常见的在墙壁上安装助力扶手，此装置操作简单，动作安全可靠，而且具有可移动的特点，能更有效地解决老年人行动不便如厕困难的问题。

老年人；厕所；辅助装置；伺服电缸

截至2017年底，中国60岁及以上老年人口有2.41亿，占总人口的17.3%。随着中国社会老龄化的日益加重，老年人在中国人口中所占比例也越来越大，老年人作为社会上的弱势群体，一直受到社会的广泛关注，如何帮助老年人提高生活质量安享晚年，是整个社会共同关注的话题。

随着年龄的增长，老年人生理机能不断衰减，其关节的灵活性与动作的协调性不断下降，导致腿脚不便、行动困难等问题。这种情况在老年群体中普遍存在，几乎成为所有老年人的困扰，对其日常生活产生较大影响，需要额外的人力对其进行照顾。然而，当今社会中的常态是，老年人独居或仅与配偶居住，子女大多因工作繁忙、养育下一代，没有时间照顾父母。那么，如何在不需要额外人力照顾的情况下，满足老年人的特殊需求，提高他们的独立生活能力与生活质量就变得尤为重要。

为了解决上述问题，并基于对当前市面上已有的类似辅助装置功能过于单一而根本不能满足老年人的实际需求或者是功能全面但是产品价格过于昂贵等问题的深入分析，设计了一种帮助老年人如厕的智能辅助装置。相较于市面上存在的辅助抓手等装置，该装置具有使用便捷、安全可靠、功能全面、成本更加合理等优点。同时具有一定的舒适性，能够帮助老年人完成弯腰、下蹲及起身的动作，为其提供可靠的助力，解决老年人在如厕过程中，因关节老化磨损造成的行动费力、疼痛的问题，有效预防老年人在蹲起过程中发生意外或摔倒，给老年人的日常生活带来便利。

1 机械结构设计

文中主要研究设计了一种老年人如厕辅助装置，旨在解决老年人蹲起困难的问题。该装置可分为机械结构设计与硬件设计两部分，其中机械结构设计主要包括底座、剪式升降机构、旋转座圈机构和脱下衣机构，老年人如厕辅助装置立体图如图1所示，老年人如厕辅助装置侧视图如图2所示，旋转座圈机构结构如图3所示，脱衣机构结构如图4所示。

1.1 底座

底座类似U形，符合实际工作环境，底座上有滑轨，供剪式机构滑动。底座下安装有滑轮，实现了整个装置的可移动性，方便移动，增强该装置的灵活性。同时，滑轮带自锁装置，在正常使用状态下，可将滑轮自锁固定，提高稳定性与安全性。

1—旋转座圈机构；2—行程放大机构；3—行程控制机构；4—伸缩扶手机构；5—类剪式机构；6—剪式升降机构；7——底座；8—电动缸；9—脱衣机构；12—滑轮。

8—电动缸；10—扶手；11—套管；13—弧形导向板；14—滑动板；15—电推杆；16—连接板；17—直线导向板。

18—座圈；19—U型座板；20—摇杆滑块机构；21—座圈滑块。

22—球铰链；23—圆柱滑槽。

1.2 剪式升降机构

剪式升降机构对称安装于底座上方，采用一边两组剪式机构其下侧的一端与底座固定连接，另一端通过滑块与滑轨连接。剪式机构顶端同样有滑块在上底盘滑道中移动，在上升到一定高度后与旋转座圈机构的滑块接触实现联动第二级剪式结构的中间销钉与伺服电缸铰接。伺服电缸带动剪式机构在滑轨上移动，实现该装置上升、下降运动。剪式升降机构具有升降平稳、承载力较强的优点，在市面上较常见。

本文设计的剪式升降机构共有两组，两组剪式升降机构的存在，提升了升降的可靠性，每组剪式机构中间加入伺服电缸，能有效减少剪式机构本身机构原因而引起的不稳定，提高整个装置的使用安全性。

1.3 旋转座圈机构

座圈设计为可旋转的结构，原理为摇杆滑块机构、剪式机构上底盘滑块带动座圈旋转滑块移动，从而使座圈旋转，

使座圈的旋转安全可靠，通过对初始高度两接触滑块之间的距离设计可使整体上升到一定高度后，上底盘的上升和座圈的旋转才实现联动，从而缩短了滑轨行程和摇杆的长度。同时可旋转的结构设计使该装置在使用时更加方便。座圈侧面安装有压力传感器，用于检测使用情况。座圈的表面符合人体工学设计，提升了使用的舒适性。

1.4 类剪式机构

类剪式机构两端与上端剪式机构通过销钉铰接，中部销钉与扶手连接，实现装置整体上升的同时扶手可以在套筒中移动，同过对杆长的设计，能够使扶手以比整体更快的速度上升。剪式机构的上升与扶手的上升联动，减少了动力源的需求，更有整体性。

1.5 脱下衣模块

脱下衣模块由3个部分组成，分别为行程放大机构、行程控制机构和脱下衣机构。

1.5.1 行程放大机构

行程放大机构包括弧形导向板和行程控制机构。行程控制机构与弧形导向板滑动连接且与伸缩扶手机构转动连接。行程放大机构可将扶手上升下降的距离放大，从而使脱衣机构动作完成。通过杠杆放大的原理，放大更精确可控。同时与扶手升降联动，减少了动力源，使之更具有整体性。

1.5.2 行程控制机构

行程控制机构包括连接板、滑动板和电推杆，连接板的一端与套管铰接，连接板另一端通过合页与滑动板相连，滑动板连接电推杆，当使用者脱到舒适位置时，可使电推杆收缩，此时滑动板和连接板的连接处就会出现弯折，脱衣机构的球铰链会停在滑道的位置上不再变动。电推杆收缩后脱衣机构位置不再随整体下降而改变，连接板与扶手的竖直段铰接。此设计方法巧妙地实现了脱衣动作，并且能更人性化地满足需求。

1.5.3 脱下衣机构

通过行程放大机构使脱衣机构沿弧形导向板的导向槽移动。脱下衣机构包括球铰链、与球铰链相连的圆柱滑槽和与圆柱滑槽相连的夹子（夹子是现有结构，通过手动打开）。球铰链与圆柱滑槽结合，能够更方便用夹子夹好裤腰。

2 控制与驱动硬件部分设计

装置硬件部分由伺服电缸、控制器与触摸屏等组成，其系统结构如图5所示。

图5 控制系统框图

硬件部分中控制器选用带脉冲输出控制的PLC，用以控制伺服电缸。相较于普通电缸，伺服电缸精度高、可靠性高，起停平稳响应快，且价格较低，性价比高。PLC与伺服电缸之间通过驱动器控制连接。选用脉冲控制可以提高运动控制的精确性，同时步进电机的选择，在安全可靠完成升降动作的前提下，有效降低了成本，增加了该装置的经济实用性。

触摸屏与PLC之间采用RS232通讯，通讯建立后，可通过触摸屏对伺服电缸进行控制。同时，针对老年人视力减退、反应不够灵敏等特殊的需求，设计的触摸屏屏幕较大，显示清晰，简单适用，操作方便。压力传感器用于监测装置的使用情况，在装置正常使用时，压力传感器受到压力发出信号，驱动器控制伺服电缸。

3 结语

本文研究的老年人如厕辅助装置，从机械结构和控制系统部分两方面着手，设计了安全可靠的装置。机械结构方面，通过支撑身体某部位受力的方式，缓解主要受力部位的不适感，能在日常生活中帮助老年人完成下蹲与起身等动作，减轻老年人因腿脚不便带来的生活上的不便，提高老年人的日常生活质量。硬件部分采用PLC为控制器，触摸屏为上位机，实现对伺服电缸的控制。相较于市场上常见的在墙壁上安装助力扶手，该装置有可移动的优点，操作简单易上手，动作安全可靠，提升老年生活幸福感，这不仅是社会老龄化发展的需要，也是人们需要不断努力的方向。

［1］孙东明，董为民，李珊.对称驱动的重载剪式升降平台的设计［J］.机械设计与制造，2006（6）：23-24.

［2］赵新虎，李成群.一种轻型电动剪叉式升降平台结构设计与分析［J］.机械工程与自动化，2018（2）：110-111，114.

［3］张攀，王太勇，赵江波，等.剪叉式举升机构刚柔耦合振动特性分析［J］.机械设计与制造，2019（7）：92-95.

［4］赵海霞，赵晓，谭鹏，等.基于ANSYS Workbench的剪叉式升降台关键零件拓扑优化［J］.机械设计与制造工程，2017，46（6）：37-40.

［5］文广，周桂源，王娟，等.基于有限元法的试验机转轴动力学分析［J］.机械设计与制造，2013（7）：137-139.

［6］张凯成，李舜酩，孙明杰.钢铝材料结合的商用车车架多工况轻量化优化设计［J/OL］.中国机械工程，［2019-11-16］.http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1294. TH.20191111.1721.014.html.

［7］陈伟，何飞，温卫东.基于结构参数化的有限元分析方法［J］.机械科学与技术，2003（6）：948-950.

TP202

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.019

2095－6835（2019）24－0048－03

李兆亮（1998—），男，武汉理工大学本科生，研究方向为机电研究。陈玉海（1998—），男，武汉理工大学本科生，研究方向为机电研究。

＊对本文贡献等同于第一作者

〔编辑：严丽琴〕