一種助老機械裝置的設計與結構分析

黃兵 孔程程

【摘? 要】針對目前國內老年群體的安全問題越來越受到重視這一現象，基于機械裝置優化的方法，設計了一種新型沐浴如廁輔助裝置[1]。論文重點從輔助老人洗浴、如廁和順利起身這三個動作相結合的機械裝置進行創新設計，并利用三維軟件繪制了三維圖，并對關鍵部件的結構強度進行了分析。與目前市面上大多數的輔助裝置相比，這套裝置具有整體可折疊，占用空間小，適用范圍廣和成本低等優點。

【關鍵詞】機械裝置;輔助起身;沐浴;如廁;折疊

【Abstract】In view of the phenomenon that the safety problems of the elderly groups in China are getting more and more attention， a new type of auxiliary device for bathing and toileting is designed based on the optimization method of mechanical devices [1]. Focusing on the innovative design of the mechanical device that combines the three actions of assisting the elderly in bathing， toileting and getting up smoothly， the paper uses three-dimensional software to draw three-dimensional drawings and analyzes the structural strength of key components. Compared with most of the auxiliary devices currently on the market， this device has the advantages of being integrally foldable， occupying a small space， having a wide range of application and low cost.

【Keywords】mechanical devices; assisted devices; bathing; toileting; folding

1 引言

中國人口老齡化越來越嚴重，到2030年，中國人口結構將呈現老年多于青年的倒金字塔結構。老年人人身安全也越來越受到重視，據調查統計，七成老年人以居家養老為中心，社區養老為依托[2]。但無論是居家，還是敬老院，淋浴跟如廁都是必不可少的。淋浴時，老年人由于自身機能下降，難以長時間站立，且由于浴室地面較滑，容易摔傷。如廁時，許多老人常出現起不來的情況，需要緩慢起身以緩解起身過程中身體各個部位的不適感，因此上廁所也成了老年人最大的煩惱之一。而絕大多數老人又是居家養老，并且中小家庭廁所以蹲坑為主。為了淋浴和如廁的問題可以同時解決，設計一個安全可靠的輔助沐浴如廁機械裝置是必不可少的，這對于提高老年人的生活質量具有重要意義。

本文設計了一種能有效解決這些問題的機械裝置，并使用SolidWorks 和CATIA兩個軟件繪制了整個裝置的三維模型。同時，為了驗證其機械結構的合理性，利用SolidWorks做了關鍵部件的結構強度分析。

2 助老機械裝置方案設計

2.1 機械裝置總體設計

考慮到大多數老年人的需求和使用時的安全與便捷，該沐浴如廁輔助器的結構主要是由起身輔助機構、座板翻折機構、高度調節機構、收放式手扶機構四部分組成。整體結構簡圖如圖1所示。

①起身輔助機構：用電動推桿作為動力輸出，電動推桿兩端都是轉動副，通過推桿伸長對板有一個向上的推力，鉸接使得板與推桿頂端發生相對轉動，綜合作用使板發生傾斜，使得板與水平線的傾角變大，從而達到起身的目的。②座板翻折機構：在背靠的板下面用一個轉動副，限制轉動副的轉動角度就可以在豎直和水平方向之間轉動，讓前面的部分可以在不使用的時候翻上去。③高度調節機構：用手轉動蝸桿，蝸桿帶動蝸輪旋轉，蝸輪里面有螺紋，然后蝸輪帶動裝置整體在兩根絲桿上移動。④收放式手扶機構：兩個扶手用轉動副連接在背靠的背板里面，可以自由使用，在起身的時候可以承受來自手比較大的力，提高老人起身時的安全性。

2.2 機械結構設計與分析

高度調節是選用蝸輪蝸桿傳動方式來實現垂直方向的直線運動，中間的絲桿傳動可以讓左右兩邊同步運動，通過手轉動蝸桿帶動兩邊的蝸輪旋轉，蝸輪與絲桿配合傳動。而且絲桿其自身能夠自鎖，如果蝸桿的螺旋角沒有齒輪間的當量摩擦角大時，蝸桿傳動就會啟動自鎖，也就是說只有蝸桿帶動蝸輪，蝸輪是不可以帶動蝸桿的，以此來提高安全性能。此裝置結構緊湊，傳動噪聲小且振動小，可以根據使用者的個人需求完美調節合適的高度。蝸輪蝸桿內部細節如圖2所示。

座板整體可通過轉動副進行90°旋轉，目的是在不使用此裝置的時候可以節省廁所的空間。在背板平面單獨設置一個轉動副來實現扶手的收縮功能，背板兩邊都有開槽以保證在不使用時對空間的占用量足夠小，滿足對空間最大利用的使用要求，不影響他人的其他需求。

輔助起身機構的電動推桿的伸長端鉸接在中間板，尾端鉸接在底板上，隨著電動推桿的伸長，底板保持不動，底板以上的部位以最前端端面下底邊為旋轉軸進行旋轉，通過安裝在扶手上的控制裝置來操控電動推桿的伸長量來人為控制傾斜角度，滿足不同使用者個體對輔助起身時角度的不同需求[4]。

3 裝置結構強度分析

本節對裝置的兩個主要部分下部承重裝置和背板進行分析。下部承重裝置設計要求的最大變形量為6mm、背板設計要求的最大變形量為3mm。以下皆為理想模型。

3.1 下部承重裝置分析

將下板兩塊板和后面的主懸臂梁和到一起分析，板長330mm，寬400mm，厚分別為5mm和10mm，板面中央330mmX400mm的區域內承受1000N的力。假設后面的梁截面完全固定，所有材料為AISI 321 退火不銹鋼 （SS），屈服強度234.422 N/mm2，張力強度620 N/mm2。用solidworks simulation分析此桌子的變形及受力情況是否滿足設計要求。分析結果如圖3所示。從位移云圖中可知，在紅色的部分產生最大位移，從云圖中可以讀出下部承重裝置所受到的最大位移為4.755mm，小于設計要求的最大變形量3mm，因此設計合理。

3.2 背板分析

將背板和扶手梁和到一起分析，板長400mm，寬400mm，厚15mm，板面中央400mmX400mm的區域內承受500N的力，扶手的懸臂梁受300N的力，假設下面的支撐梁截面完全固定，所有材料為6061-O （SS）鋁合金，屈服強度62.0528 N/mm2，張力強度125 N/mm2。用solidworks simulation分析此桌子的變形及受力情況是否滿足設計要求。分析結果如圖4所示。從位移云圖中可知，在紅色的部分產生最大位移。從云圖中可以讀出上板所受到的最大位移為1.972mm，小于設計要求的最大變形量5mm，因此設計合理。

4 結語

本文系統而簡略地介紹了一種新的助老機械裝置，其主要由起身輔助機構、座板翻折機構、高度調節機構、收放式手扶機構四部分組成。該裝置操作簡單、整體成本較低、安裝便捷，非常適用于許多普通家庭，該裝置的使用可以很大程度上提高老年人的生活質量。助老器械已成為助老服務中要解決的一個重大問題，研制和生產適合老年人切實需求的助老裝置已成為一項重要任務[5]。

【參考文獻】

【1】秦建軍，姚燕安，劉永峰.基于可拓邏輯的機械裝置概念設計[J].哈爾濱工業大學學報，2006（07）：1199-1204.

【2】郭杰，劉大為，王淦，等.輔助站立裝置的研究現狀與發展趨勢[J].機械研究與應用，2019，32（06）：196-201

【3】張安，胡碧強，向詩豪.立式自行車循環停車機械裝置的設計[J].科技風，2019（28）：182

【4】王琳.一種多功能清掃裝置機械結構設計與研究[J].機械工程師，2013（08）：54-56.

【5】涂志澳，李曉東，謝有浩.家用助老智能機械產品設計研究[J].中國新技術新產品，2019（22）：73-74.