一種多功能老人洗浴椅的設計

晉 猛 林 馨 董彥龍 賈龍濤 林 翔

（河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽471003）

1 項目背景

隨著我國老齡化問題地日漸突出，老年人群體逐漸壯大，對于大部分老人來說，洗澡變得越來越困難，然而洗澡又是保障身體清潔、健康不可或缺的。與此同時，多年來市場上大部分的洗浴器械，卻并非針對老人的疑難而開發，所以解決老人洗浴難的問題是十分必要的。本產品便是以解決老人洗浴難為核心，綜合解決老人因洗浴帶來的一系列的困擾。

2 洗浴椅概況

如圖1，該多功能洗浴椅主體為金屬框架，主要用于幫助老人洗浴，提升老人生活自理能力。椅背上搓澡浴花結構可自適應背部彎度，浴花可自動進行左右移動并旋轉，手動操作扶手旁邊的手柄控制上下移動。抬腿部分用按鈕控制電機使老人腿部抬起一定的高度，使老人無需彎腰就可以搓到自己的腿部。在老人洗完澡后，輕輕按壓扶手便可使椅子坐墊后部抬起一定的角度，老人便獲得一個輔助站立的力，輕松完成從洗浴到起身的全過程。多功能老人洗浴椅整體設計如圖2。

圖1 多功能老人洗浴椅設計圖

2.1 半自動搓背的控制方式

在洗浴椅的左側扶手之外設計了手柄，在背部側面加裝了連桿機構，用以實現通過手柄轉動較小角度來完成從肩到腰部的整個背部的縱向洗浴，如圖3。浴花部分固定于絲杠和光桿上，通過伺服電機控制絲杠的正反轉來控制浴花自動進行左右移動。伺服電機轉速設置為恒定中速，也即浴花左右的橫向運動速度恒定。絲杠和光桿的密封方式為不銹鋼平橢管包覆于其上，在管的外平面對應絲杠和光桿的位置均開槽，使得浴花能夠左右移動。此外，為防止漏電短路，在槽的頂部曲面內做出隔離夾層，線路通過夾層進行連接；為防止管內積水，在該管狀槽的底部曲面上開放水槽。

圖2 多功能老人洗浴椅設計框圖

圖3 背部搓澡結構

2.2 自適應浴花設計

浴花部分結構如圖4，其減速直流電機機身使用塑料外殼與外界隔絕，外殼則與絲杠和光桿連接。與絲杠和光桿連接的殼壁的內側面固定直流電機，電機轉子套上一個彈性模量很大的粗扭簧。扭簧一端固定在轉子上，另一端固定在聚四氟乙烯管的外壁，長度與轉子被套住部分相等。連接扭簧的聚四氟乙烯管經由塑料外殼的孔與外部的浴花相連接，孔內墊有橡膠圈進行密封。浴花為球狀的真空棉，可拆卸搓洗和更換。洗浴時，后背給予浴花一定的壓力，使得粗扭簧壓縮從而使得浴花收縮；撤去部分壓力，則粗扭簧恢復部分形變，浴花彈出。如此，無論身形如何，浴花都能貼合人體進行洗浴，實現自適應的功能要求，同時老人還能靠背獲得休息。

圖4 自適應浴花

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，構建于開放原始碼simple I/O 介面版，可以使用C 語言、Java 編程的單片機智能硬件開發板。洗浴椅右側扶手上設計有防水按鈕，其兩端通過線路分別與下方Arduino Nano 的5V 和相連。

Arduino Nano 通過A4988 驅動與步進電機相連，步進電機的轉子上的齒輪與抬腿裝置的桿的末端的齒嚙合。Arduino Nano 讀取按鈕輸入端高低電平，控制步進電機轉動的角度便可控制腿部的升降，使得老人無需費力地大幅度彎腰便可進行腿部的搓洗，所用程序主要函數如圖5。前擋板上設計為弧形凹槽，老人可以根據自身情況選擇踩到擋板上或者放在弧形槽上。將擋板的內側面貼上按摩墊，使得老人在洗浴的同時能夠享受足療按摩。

圖5 腿部升降主要程序

2.4 輔助站立設計

輔助站立是由扶手、差速齒輪組、凸輪、轉軸四部分組成。老人起身時會向扶手施加斜向下的力，由于扶手的杠桿機構，使得下壓力轉化為彎矩端的力，從而推動差速齒輪組轉動，并具有一定的放大作用。差速齒輪組進一步對下壓力進行放大，并將凸輪抬起，經轉軸轉化為坐墊傾斜抬起的力，給予了老人輔助站立的力。如圖6，將老人手上較小的力轉換為托起老人輔助站立的較大的力。

洗浴椅機架全部采用空心鋁型材，線路在其中的空心部分延申連接。腿部升降的電機和輔助站立的差速齒輪組、凸輪等機構同樣進行密封設計，避免洗浴時水流的浸泡侵蝕。

圖6 輔助站立機構

3 結論

本研究的創新點是運用電機自動+搖桿手動的半自動控制方式，使得無論使用者身形如何，浴花都能貼合人體進行洗浴，實現自適應的等自動化功能要求的同時，給予老人們自己掌控的空間，更好地去適應大眾的需求，提高產了品的實用性、普適性。該產品的程序為基于C 語言的arduino 單片機控制，大大簡化了程序的編寫，其中arduino 庫函數使機器的編程變得更加簡單，提高了程序的可運行性和穩定性。并且與國內同類型產品相比價格較低且適用范圍廣，可應用于家庭個人使用，澡堂、養老院規模性使用，亦可以在酒店等場所使用，更大程度的使助老器械惠及廣大群眾。本產品輕便簡潔，體型嬌小，占用空間小；結構簡潔、低耗能，技術相對成熟；功能齊全，滿足了洗澡前到洗澡后整個過程中老人的需求；適用場所廣泛，可操作性好。