一种助老如厕装置创新设计与运动仿真分析

王顺祥 邓岭

【摘要】针对目前国内老年人口的不断增加，老年人如厕困难这一越来越受社会关注的热点话题，设计了一种助老如厕装置，来解决老年人在没有提供扶持栏杆的私人或公共厕所中如厕困难的问题。论文重点从辅助老年人如厕时平稳蹲坐与起身的机械装置进行创新设计，运用SolidWorks软件进行装置的三维实体建模和运动仿真分析，模拟助老如厕装置的工作过程。

【关键词】助老如厕装置  创新设计  运动仿真

近些年来，老年人口数一直处于不断增加的趋势。截止2019年，我国60岁及以上老年人口数量已经达2.53亿，约占人口总数的18.1%。据预测，未来30年，中国老龄人口将进一步增加。现如今老年人独居或仅与配偶居住已经成为一种普遍现象，子女们大多由于工作繁忙等原因，而不能花费太多时间照顾父母的生活起居。另外，老年人随着年龄的增长，其生理机能不断衰减，关节的灵活性与动作的协调性也不断下降，且这些老年人因胃肠道渐渐衰弱，如厕时间比正常人要更久，从而导致老年人在如厕过程中，会因关节的老化磨损而在弯腰、下蹲及起身等行动时感到费力、疼痛，甚至在起立的过程中发生晕厥或摔倒，后果不堪设想。而目前我国公用或私人的厕所中很少会提供扶持的装置，时常需要人在旁搀扶才能安全顺利地如厕，这给老年人生活带来极大的不便。

基于这种情况的普遍存在，本文设计了一种助老如厕装置，可有效解决以上出现的问题，使得老年人在没有额外人力照顾的情况下，既能满足老年人的特殊需求，又能提高他们的独立生活能力与生活质量，有效解决老年人每天面临的如厕实际问题，提升老年人生活获得感、幸福感和安全感。

一、功能分析与创新方案设计

（一）功能分析

由于助老装置功能不同，其解决老人行动不便的方式也有不同。常见的助老方式有辅助老人洗浴，行走，如厕，拿取物品等，本文研发的则是辅助老人如厕装置，相较于其他几种装置，该装置的核心功能则是辅助老人起立与蹲坐。

（二）创新方案设计

1.设计流程

根据以上功能分析，为实现操作简单，易于实现，根据已有条件进行计算机辅助设计，总体设计流程如图1所示。

2.设计方案

由于本装置面向老年人，设计初始就考虑到本装置除了要满足老人最基本的如厕需求，还要保证使用时的安全与便捷，该助老如厕装置的结构主要是由上框架、撑杆、顶部推杆、底架、底部推杆、滑轨、万向轮、支架、坐垫及其他零部件组成，整体结构如图2所示。

二、工作原理分析

该助老如厕装置借助了平面四边形结构的平稳性和受力稳定性，来辅助老人起立以及坐下。首先，设置在马桶上方的坐垫9两侧分别铰接有一组连杆支架8，该连杆组包括起铰接作用的连杆与起移动作用的连杆，其铰接连杆上端与坐垫9铰接，底端与底架4铰接;移动连杆上端与坐垫9铰接，底端与滑轨6连接，按下启动开关，移动连杆由底部推杆5驱动在滑轨上前后移动，同时带动坐垫9上下移动，坐垫、连杆组、底部推杆和滑轨组成了一个稳定的升降装置，辅助老人下身的起身与蹲坐。如厕后老人可先将双臂放在两边的横杆，即上框架1的上面，待身体平衡后，再按下启动开关，撑杆2由顶部推杆3驱动绕铰链在一定的角度范围转动，从而通过两侧的二组撑杆带动上框架1以及身后的靠背上下弧形平动。如此以电动推杆作为动力来源的辅助升降装置便可安全稳定的辅助老人的上身起立与坐下。

三、结构设计

（1）辅助起立与辅助蹲坐装置设计。该助老如厕装置以金属框架为基本支架，分为上下两部分。上半部分为辅助起立装置，包括由四个连接长杆和四边形连杆机构通过活动铰链组装而成的支撑部分、由靠背和腋窝支撑结构通过固定连接件连接在四边形连杆机构的辅助部分以及由两组电动推杆提供动力的动力部分。下半部分为辅助蹲坐装置，包括由四个导槽、八个支架和中间掏空的坐垫组成的支撑部分、由两组电动推杆组成的动力部分。

（2）滑轨设计。滑轨装置的两侧有纵向的槽，用于引导、固定升降装置，同时滑轨装置还承受了升降装置和人体的重量以及减少了升降装置与固定支架的摩擦，有效的降低了不必要的能源损耗。所以，滑轨装置在整体结构中是必不可少的。

（3）动力装置设计。在整体装置进行升起和下降运动时，由于要保證升降装置的平稳与安全，老人给与装置的外力须小于或等于电动推杆的推力。故本装置选用了电压24V，推力1000N，速度为12mm/s，行程为250mm的电动推杆电机。且该装置没有噪声，不会让老人感到不适。

（4）其他零件设计。此类零件主要是由万向轮、铝合金撑杆、内六角螺母、垫圈、销轴、螺栓、铰链等组成，这些都属于标准件或常用件，做到合理选择即可。

四、运动仿真分析

SolidWorks自带运动仿真插件Motion可以对装配体进行精确模拟和运动单元分析，通过图形、数据等方式显示运动轨迹、位移、速度、加速度、作用力等。

在软件中完成零件建模和装配后，打开Motion，单击运动算例，把动画模拟时间轴拉到18秒的位置。在助老如厕装置装配体中，单击虚拟马达，弹出马达类型对话窗，选择线性马达，然后单击电动推杆，为推杆轴添加一个虚拟马达，同时将推杆设置为10mm/s的匀速运动。然后按下从头播放动画，观察上框架、撑杆、底座、支架的运动情况，输出动画结果。

运行过程模拟：模拟过程分别以上框架为活动部件，底架为固定部件;坐垫为活动部件，滑轨为固定部件;撑杆为活动部件，底架为固定部件;支架为活动部件，底架为固定部件得出线性位移、角速度的仿真图来分析整体装置的运行情况。运行过程模拟情况如图3所示。

对于建立的助老如厕装置，在没有考虑摩擦的情况下，通过虚拟马达模拟运动后，顶部电动推杆能支撑撑杆使得上框架匀速向上或向下运动;同时底部推杆能支撑支架使得坐垫匀速向上或向下运动。通过观察运动轨迹得出整体装置满足辅助老人起立和蹲坐的要求。

参考文献：

[1]郭杰，刘大为，王淦，崔佳琦，邹今洛，赵鹏洋. 辅助站立装置的研究现状与发展趋势 [J]. 机械研究与应用， 2019，32（164）， 06 199-204.

[2]黎书文，杨海诚，陆玉雪. 基于SolidWorks的手持式花椒采摘器结构设计及运动仿真 [J]. 贵州农机化， 2019，No.328 04 6-9.

作者简介：王顺祥（1999-），男，山东菏泽人;通讯作者：邓岭（1985-），女，汉族，湖南娄底人，硕士，助教，研究方向：机械优化设计。