老年人身體清潔系統(tǒng)設計

唐智誠 ， 丁 頌 ， 方國順 ， 陳 鵬

（長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032）

改革開放以來，我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，社會醫(yī)療水平逐步改善，人均壽命顯著增長[1-2]。2018年，中國60歲以上人口所占比重已達17.88%，已經(jīng)進入較嚴重的老齡化社會。黨中央、國務院高度重視養(yǎng)老問題，不斷深化養(yǎng)老政策，切實解決老有所養(yǎng)、老有所醫(yī)的問題。同時，積極應對人口老齡化，構建養(yǎng)老、敬老政策體系和社會環(huán)境。根據(jù)國家“9073工程”，絕大多數(shù)老人將采取以家庭為基礎的居家養(yǎng)老[3]。居家養(yǎng)老中，老人的飲食、起居是養(yǎng)老過程中的重難點。目前，面向居家養(yǎng)老服務的機械產(chǎn)品，多以機器人等形式存在，用于老人洗浴的產(chǎn)品種類較少，同時存在人工操作復雜，清洗過程繁瑣等問題，無法滿足居家養(yǎng)老的需求[4]。老年人身體清潔系統(tǒng)是一款半自動化洗澡裝置，適應養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)需求，能較好解決居家養(yǎng)老中老年人的洗浴問題。

1 總體設計方案

老年人身體清潔系統(tǒng)如圖1所示，由背部清潔裝置1、升降裝置2、小腿清潔裝置3組成。升降裝置鉸接在座椅底部，小腿清潔裝置安裝在升降裝置前方、椅座下方，背部清潔裝置安裝在椅背上。該系統(tǒng)的主要零部件由履帶式清洗器、控制器、旋轉(zhuǎn)器、滑移器、搓洗器、升降器、傳感器、噴頭底座、人工控制端等組成。該系統(tǒng)采用模塊化設計，由程序控制，實現(xiàn)預定功能[5-6]。

系統(tǒng)進行清潔工作時，老人位于椅座上，觸發(fā)座椅底部的壓力傳感器。由電機提供驅(qū)動力，通過絲杠將老人整體向上抬升，運動觸碰升降裝置上端限位開關時，電機停止。小腿清潔裝置中支架頂部電機，通過轉(zhuǎn)臺帶動履帶式清潔機構繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°，支架底部電機，通過齒輪齒條將履帶式清潔機構推出，包覆老人小腿部位，履帶式清潔機構中電機動力經(jīng)過減速箱輸出到履帶，帶動履帶運動，實現(xiàn)對老人小腿的清洗。程序控制電磁閥的開通，通過氣壓作用控制氣筒的伸縮，可調(diào)節(jié)小腿在垂直平面內(nèi)相對位置。系統(tǒng)清洗小腿時，同步啟動背部清洗裝置，通過齒輪齒條帶動絲杠上下移動，控制絲杠導軌帶動搓洗器的水平移動。通過按鈕控制椅坐與椅背連接處電機啟停，調(diào)節(jié)靠背與座凳的夾角。

圖1 老年人身體清潔系統(tǒng)

圖2 升降裝置

2 結構設計

2.1 升降裝置設計

升降結構如圖2所示，由支架1、絲杠2、電機3、蝸輪蝸桿4、限位開關5組成。蝸輪固定在絲杠導軌末端，蝸桿與電機輸出軸相連，支架插接在絲杠螺母側(cè)面，支架上端鉸接在椅坐背面。當老人坐在座凳上，控制器啟動電機，通過絲杠傳動將老人向上抬升，運動觸碰上端行程開關時，電機停止，蝸輪蝸桿形成自鎖。絲杠行程可根據(jù)老人身高進行調(diào)整，提高系統(tǒng)適用性[7-8]。

2.2 小腿清潔裝置

小腿清潔裝置如圖3所示，由轉(zhuǎn)臺1、支架2、限位開關3、齒條4、氣筒5、履帶式清潔機構6、電機7組成。轉(zhuǎn)臺分為上轉(zhuǎn)臺以及下轉(zhuǎn)臺，上轉(zhuǎn)臺固定在椅坐背面，下轉(zhuǎn)臺與支架插接，下轉(zhuǎn)臺邊緣有齒輪，通過齒輪嚙合傳動，帶動支架旋轉(zhuǎn)。支架承載上方轉(zhuǎn)臺，下方與齒條、限位開關插接，并鉸接履帶式清洗機構。該裝置工作時，電機動力傳遞至下轉(zhuǎn)臺，帶動支架和履帶式清洗機構旋轉(zhuǎn)180°，履帶式清潔機構移動至小腿下方，支架底部電機提供驅(qū)動力，推出鉸接在齒輪箱的履帶式清潔機構，將小腿包裹，程序控制電磁閥的閉合，通過氣壓作用控制氣筒的伸縮，調(diào)節(jié)履帶式清潔機構繞鉸接點旋轉(zhuǎn)的角度。可根據(jù)老人洗浴體驗調(diào)整電機參數(shù)，改變履帶式清潔機構清洗速度。完成清潔工作后，支架頂部電機經(jīng)過減速箱輸出動力，通過下轉(zhuǎn)臺帶動支架和履帶式清洗機構旋轉(zhuǎn)180°，到達座椅正下方，收納小腿清潔裝置，降低空間占有率。

圖3 小腿清潔裝置

2.3 背部清潔裝置

背部清潔裝置如圖4所示，主要零部件由限位開關1、齒條2、電機3、齒條齒輪箱4、電機5、齒輪6、合頁7、絲杠8、搓洗器9組成。合頁9由上合頁以及下合頁組成，上合頁插接在椅背，下合頁插接在椅坐，齒條插接在椅背正面。該裝置工作時，電機的動力經(jīng)過減速箱傳遞至齒輪，齒輪固定在絲杠中心軸，絲杠轉(zhuǎn)動，帶動搓洗器水平移動，運動觸碰行程開關時，電機反轉(zhuǎn)；齒條表面電機，提供驅(qū)動力，通過輸出軸傳遞至齒條齒輪箱，絲杠底座與電機插接，帶動絲杠上下移動。齒輪6固定在中心軸，上合頁固定在中心軸，下合頁鉸接在中心軸。通過按鈕控制電機5啟停，從減速箱輸出動力，傳遞到齒輪，帶動上合頁繞齒輪中心軸轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)椅背角度。

圖4 背部清潔結構

3 程序設計

老年人身體清潔系統(tǒng)升降程序如圖5所示、小腿清潔程序如圖6所示、背部清潔程序如圖7所示。

圖5 升降裝置程序

升降程序開始判斷主板I1開關狀態(tài)，當老人坐在座椅上時，觸發(fā)壓力傳感器，I1閉合，電機M1、M2正轉(zhuǎn)，當運動觸碰到開關I2時，電機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)系統(tǒng)抬升功能；延遲1s后，電機M3、M4轉(zhuǎn)動，當運動觸碰I4且電位動作五次，M3、M4停止，實現(xiàn)小腿清潔裝置從座椅底部，旋轉(zhuǎn)180°到達老人小腿下方,進入小腿清潔裝置程序。

小腿清潔程序由電機M3、M4停止后進入，延遲1s，EM1 M1、M2正轉(zhuǎn)，當運動觸碰開關EM1 I1時，電機EM1 M1、M2停止，實現(xiàn)對將履帶式清潔機構沿齒條推出，與老人小腿相接觸。延時1s，電機EM1 M3、M4轉(zhuǎn)動，帶動履帶式清潔結構清潔老人小腿部位，進入背部清潔裝置程序。

圖6 小腿清潔裝置程序

背部清潔程序由電機EM1 M3、M4轉(zhuǎn)動后進入，電機EM2 M1為安裝在齒條表面電機，通過程序控制上下移動，電機EM2 M2為滑移機構電機，通過程序控制帶動搓洗器左右移動，開關EM2 I2、I3分別為電機EM2 M1左右限位開關，開關EM2 I5、I4分別為電機EM2 M2上下限位開關。程序開始時，延時2s，EM2 M1、M2正轉(zhuǎn)開關I5閉合狀態(tài)由老人控制，處于開路狀態(tài)時，電機EM2 M1正轉(zhuǎn)驅(qū)動搓洗器向I3移動，電機EM2 M2正轉(zhuǎn)帶動絲杠向I5移動，判斷開關EM2 I3以及EM2 I5狀態(tài)，當運動觸碰I3時，電機EM2 M1停止并反轉(zhuǎn)，電機EM2 M2保持正轉(zhuǎn)，此時電機EM2 M1驅(qū)動搓洗器向開關EM2 I2移動。根據(jù)背部清潔裝置程序圖7，此時判斷EM2 I4、I5、I2狀態(tài)，當運動觸碰I5時，電機EM2 M2停止，電機ME2 M1、M2反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)絲杠向開關EM2 I4移動，判斷開關EM2 I4、I2狀態(tài)；當運動觸碰EM2 I4時，電機EM2 M2停止，并正轉(zhuǎn)，電機EM2 M1反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機EM2 M1帶動絲杠向開關EM2 I5移動，判斷開關EM2 I5、EM2 I2狀態(tài)；當運動觸碰開關EM2 I2時，電機EM2 M1停止并正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)搓洗器向開關EM2 I3移動，判斷開關I5狀態(tài)，如老人沒有閉合開關I5，程序判斷開關EM2 I3、I5狀態(tài)，當搓洗器運動觸碰EM2 I5時，程序運行原理和觸碰開關EM2 I3時相同。當老人按下開關I5時，電機EM2 M1、M2以及EM1 M3、M4停止，實現(xiàn)背部清潔裝置、履帶式清潔裝置停止運行，電機EM1 M1、M2反轉(zhuǎn)，當運動觸碰EM1 I1時停止，實現(xiàn)收回履帶式清潔裝置，電機M3、M4反轉(zhuǎn)，開關I4電位由0到1跳變兩次，電機M3、M4停止，實現(xiàn)小腿清潔裝置旋轉(zhuǎn)180°，移動至椅坐正下方，電機M1、M2反轉(zhuǎn)，當運動觸碰I6時，電機停止，實現(xiàn)椅坐下降，此時，完成清洗全部過程。電機參數(shù)、延時可根據(jù)個人需求進行調(diào)整，達到橫向或縱向搓洗的目的。

圖7 背部清潔裝置程序

4 結語

老年人身體清潔系統(tǒng)幫助老年人獨自完成身體清潔，解決了老人洗澡過程中易摔倒、清洗不到位等難題，提高居家養(yǎng)老身體清洗效率，提升居家養(yǎng)老服務水平，符合養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)需求。此半自動化清潔系統(tǒng)能更好為老人提供洗浴服務，有效提高老人晚年生活質(zhì)量。