一种多功能老人洗浴椅的设计

晋 猛 林 馨 董彦龙 贾龙涛 林 翔

（河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳471003）

1 项目背景

随着我国老龄化问题地日渐突出，老年人群体逐渐壮大，对于大部分老人来说，洗澡变得越来越困难，然而洗澡又是保障身体清洁、健康不可或缺的。与此同时，多年来市场上大部分的洗浴器械，却并非针对老人的疑难而开发，所以解决老人洗浴难的问题是十分必要的。本产品便是以解决老人洗浴难为核心，综合解决老人因洗浴带来的一系列的困扰。

2 洗浴椅概况

如图1，该多功能洗浴椅主体为金属框架，主要用于帮助老人洗浴，提升老人生活自理能力。椅背上搓澡浴花结构可自适应背部弯度，浴花可自动进行左右移动并旋转，手动操作扶手旁边的手柄控制上下移动。抬腿部分用按钮控制电机使老人腿部抬起一定的高度，使老人无需弯腰就可以搓到自己的腿部。在老人洗完澡后，轻轻按压扶手便可使椅子坐垫后部抬起一定的角度，老人便获得一个辅助站立的力，轻松完成从洗浴到起身的全过程。多功能老人洗浴椅整体设计如图2。

图1 多功能老人洗浴椅设计图

2.1 半自动搓背的控制方式

在洗浴椅的左侧扶手之外设计了手柄，在背部侧面加装了连杆机构，用以实现通过手柄转动较小角度来完成从肩到腰部的整个背部的纵向洗浴，如图3。浴花部分固定于丝杠和光杆上，通过伺服电机控制丝杠的正反转来控制浴花自动进行左右移动。伺服电机转速设置为恒定中速，也即浴花左右的横向运动速度恒定。丝杠和光杆的密封方式为不锈钢平椭管包覆于其上，在管的外平面对应丝杠和光杆的位置均开槽，使得浴花能够左右移动。此外，为防止漏电短路，在槽的顶部曲面内做出隔离夹层，线路通过夹层进行连接；为防止管内积水，在该管状槽的底部曲面上开放水槽。

图2 多功能老人洗浴椅设计框图

图3 背部搓澡结构

2.2 自适应浴花设计

浴花部分结构如图4，其减速直流电机机身使用塑料外壳与外界隔绝，外壳则与丝杠和光杆连接。与丝杠和光杆连接的壳壁的内侧面固定直流电机，电机转子套上一个弹性模量很大的粗扭簧。扭簧一端固定在转子上，另一端固定在聚四氟乙烯管的外壁，长度与转子被套住部分相等。连接扭簧的聚四氟乙烯管经由塑料外壳的孔与外部的浴花相连接，孔内垫有橡胶圈进行密封。浴花为球状的真空棉，可拆卸搓洗和更换。洗浴时，后背给予浴花一定的压力，使得粗扭簧压缩从而使得浴花收缩；撤去部分压力，则粗扭簧恢复部分形变，浴花弹出。如此，无论身形如何，浴花都能贴合人体进行洗浴，实现自适应的功能要求，同时老人还能靠背获得休息。

图4 自适应浴花

2.3 Arduino 的腿部升降控制

Arduino Nano 是一款基于ATmega 168 或ATmega328 的8位微控制芯片，构建于开放原始码simple I/O 介面版，可以使用C 语言、Java 编程的单片机智能硬件开发板。洗浴椅右侧扶手上设计有防水按钮，其两端通过线路分别与下方Arduino Nano 的5V 和相连。

Arduino Nano 通过A4988 驱动与步进电机相连，步进电机的转子上的齿轮与抬腿装置的杆的末端的齿啮合。Arduino Nano 读取按钮输入端高低电平，控制步进电机转动的角度便可控制腿部的升降，使得老人无需费力地大幅度弯腰便可进行腿部的搓洗，所用程序主要函数如图5。前挡板上设计为弧形凹槽，老人可以根据自身情况选择踩到挡板上或者放在弧形槽上。将挡板的内侧面贴上按摩垫，使得老人在洗浴的同时能够享受足疗按摩。

图5 腿部升降主要程序

2.4 辅助站立设计

辅助站立是由扶手、差速齿轮组、凸轮、转轴四部分组成。老人起身时会向扶手施加斜向下的力，由于扶手的杠杆机构，使得下压力转化为弯矩端的力，从而推动差速齿轮组转动，并具有一定的放大作用。差速齿轮组进一步对下压力进行放大，并将凸轮抬起，经转轴转化为坐垫倾斜抬起的力，给予了老人辅助站立的力。如图6，将老人手上较小的力转换为托起老人辅助站立的较大的力。

洗浴椅机架全部采用空心铝型材，线路在其中的空心部分延申连接。腿部升降的电机和辅助站立的差速齿轮组、凸轮等机构同样进行密封设计，避免洗浴时水流的浸泡侵蚀。

图6 辅助站立机构

3 结论

本研究的创新点是运用电机自动+摇杆手动的半自动控制方式，使得无论使用者身形如何，浴花都能贴合人体进行洗浴，实现自适应的等自动化功能要求的同时，给予老人们自己掌控的空间，更好地去适应大众的需求，提高产了品的实用性、普适性。该产品的程序为基于C 语言的arduino 单片机控制，大大简化了程序的编写，其中arduino 库函数使机器的编程变得更加简单，提高了程序的可运行性和稳定性。并且与国内同类型产品相比价格较低且适用范围广，可应用于家庭个人使用，澡堂、养老院规模性使用，亦可以在酒店等场所使用，更大程度的使助老器械惠及广大群众。本产品轻便简洁，体型娇小，占用空间小；结构简洁、低耗能，技术相对成熟；功能齐全，满足了洗澡前到洗澡后整个过程中老人的需求；适用场所广泛，可操作性好。