老年人如廁智能輔助裝置的設計

張 幻，謝永智

（桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西桂林 541004）

0 引言

隨著社會的發展，中國的老齡化也日益加重，在中國人口中，老年人所占的比例越來越大，而其中生活部分自理或完全不能自理的老年人約占老年人總數的1/3[1]。對他們來說，吃飯、洗澡、上廁所，過上最簡單的生活都是十分困難的。而他們的子女大多因為工作繁忙不能時刻陪在他們的身旁。所以在沒有他人照顧的情況下，解決老年人的生活問題，提高老年人的生活質量，是整個社會共同關注的問題[2]。

目前已有不少輔助老年人生活的裝置。曾翔[3]設計了一種性能良好的輪椅，與傳統的輪椅相比，主要開發的是一種智能輪椅，該輪椅配有多種傳感器，包括紅外線碰撞警告以及攝像頭等等，實現了自動避障、自動行走等一系列智能操作，屬于一種高智能化的助老助殘機器人，但操作略顯繁瑣，且價格不低。劉坤等[4]設計了一種輔助型如廁輪椅的坐站式機械結構，主要通過變桿長以及變桿位實現輔助人體站起和坐下的功能。李兆亮等[5]主要是為了解決由于老年人蹲起較為困難使得如廁不方便的問題，設計了一種能輔助老年人如廁的裝置，介紹了該裝置機械結構的設計以及硬件部分的設計，操作簡單，但功能較為單一。

基于目前的調查，類似的輔助裝置有些價格過于昂貴，操作不便，有些功能過于單一，不能根本上滿足老年人的需求。通過對問題的深入分析，設計了一種主要幫助老年人如廁的智能輔助裝置，該裝置通過曲柄滑塊機構來實現如廁功能，通過雙搖桿機構和棘輪系統來實現老年人下肢位的調整，裝置最大的創新之處是對老年人如廁后的清潔問題進行了系統設計。該裝置旨在沒有額外人力的情況下，幫助老年人滿足自己的生活需求，提高老年人獨立生活的能力以及生活質量。

1 設計目的

（1）在輪椅上解決大小便。設計一種靠機械控制的排便門，由曲柄滑塊機構實現。當人的身體向后靠時，排便門打開；當靠背返回原位時，排便門也能隨之關閉。座椅的排便處要與下面的盛便器相連接，這樣，排便結束后可以避免氣味的散發。

（2）下肢位姿的調整。通過手來控制雙搖桿機構結構，使得下肢位置進行調整。當調整到合適的位置時，要能夠實現下肢定位的功能，可在搖桿上加上棘輪系統。

（3）如廁后的清潔。這也是目前市場上的普通輪椅所不具備的。當老人在輪椅上解決完大小便問題后，身體的清潔也是一個不可忽略的部分。可以參照目前自動清潔馬桶的工作方式，分離出其中的自動清潔方法，并將其進行一定的改進，應用在輪椅上，讓輪椅實現自動清潔的功能。

2 設計方案

2.1 如廁功能

該功能可由曲柄滑塊機構實現。如圖1所示，滑塊C用連桿BC 與靠背相連。當靠背向后靠時，即連桿AB 運動，帶動滑塊C向后運動，滑塊C用連桿DE與排便門相連，從而帶動排便門向后運動，如圖2所示，排便門沿斜面向下運動，與人身體分離。滑塊C 與下面的盛便器密封連接，能使氣味不外溢。人的身體向后靠，此時靠背向后運動，帶動滑塊C 向后，從而打開排便門，然后進行方便，方便之后穿好褲子，坐起，將靠背拉起，這時排便門隨之復位，同時盛便器封閉。

圖1 排便門關閉位置

圖2 排便門開啟位置

2.2 下肢位姿調整

該功能可由雙搖桿機構和棘輪系統實現。如圖3 所示，連桿AD 是用來放腳的，手通過連桿BC來使AD轉動。利用雙搖桿機構來實現運動的傳遞，在節點C處加裝棘輪系統，實現對搖桿位置的控制。當對搖桿BC 施加轉矩，魚洞通過連桿CD 傳遞到支撐腿部的連桿AD。并且通過棘爪和連桿CD 上的形齒組成的棘輪系統控制位置，可使搖桿AD 停留在任何位置。當需要上下擺動搖桿時，只需使棘爪與棘輪脫開即可。可用彈簧將棘爪拉住，上裝一個凸輪，利用凸輪的兩個穩定位置，凸輪左轉或右轉都會使得彈簧拉長，因此這兩個位置是穩定的。

圖3 搖桿AD的極限位置

2.3 清潔功能

清潔系統可分為水路部分、電路控制部分、機構及加熱器部分等3部分[6]。清潔功能的系統框圖如圖4所示[7]。

圖4 清潔功能系統框圖

2.3.1 水路部分

水路部分主要包括穩壓閥、流量計、即熱組件、空氣泵、換向閥和沖洗組件等。

（1）穩壓閥

穩壓閥是一個將一定區域內的介質保持在一定壓力范圍內的設備。

（2）流量計

流量計用于監測水的流量，并將信息實時反饋。

（3）即熱組件

即熱組主要包括加熱管、溫控開關、溫度傳感器、水位開關等。該組件能夠對冷水進行加熱，確定所需的水溫。

（4）空氣泵

空氣泵是從一個封閉空間排除空氣或從封閉空間添加空氣的一種裝置。其能夠壓縮空氣，并將空氣傳遞至換向閥，使水和空氣進行混合，從而讓清洗的力度加強。

（5）換向閥組件

換向閥組件實現不同人群的功能切換，并且能夠控制清潔的流量大小。

（6）沖洗組件

沖洗組件主要包括電機、齒輪組和噴頭組等。通過電機使齒輪組運動，然后與噴頭組嚙合，從而帶動噴頭組做往返運動，進行沖洗。

2.3.2 電路控制部分

電路控制部分主要包括電源板、主控板、即熱控制板、按鍵板等。

（1）電源板

電源板是控制系統的重要組成部分，負責控制電路的電源方面，提供足夠的驅動電壓，保持電路工作時有穩定的輸出電流。

（2）主控板

主控板是系統的控制中心，包括各種器件的驅動電路，能對空氣泵、沖洗電機、烘干電機等進行控制。

（3）即熱控制板

即熱控制板能夠控制即熱組件中的加熱管，從而控制水加熱的溫度、時間以及功率等。

（4）按鍵板

按鍵板由按鍵和狀態顯示LED組成。

2.3.3 機構及加熱器部分

機構及加熱器部分主要包括烘干組件、齒輪箱組件、除臭組件等。

（1）齒輪箱組件

齒輪箱組件主要是實現機構中功能的傳遞，如自動沖洗、自動翻蓋等。

（2）烘干組件

烘干組件主要包括云母加熱器、鼓風機、溫度傳感器和風道蓋，實現沖洗后的皮膚烘干功能。

（3）除臭組件

除臭組件主要包括活性碳、吸風機等，能夠將如廁后產生的臭氣吸入活性炭中，進行空氣的清潔[8]。

4 結束語

該老年人如廁智能輔助裝置的設計，通過曲柄滑塊機構的設計，解決了老年人自行在輪椅上的大小便問題。利用連桿機構實現運動的傳遞，通過加裝棘輪系統實現對搖桿位置的控制，從而讓使用者實現下肢位置的調整，清潔控制系統的設計采用PLC 為控制器，實現對水路、電路、加熱器部件的控制。該裝置功能實用、操作簡單、安全可靠，能對老年人的生活能力以及生活質量做出明顯的改善。