一種如廁坐立輔助裝置的結構設計

侯俊宇，許津閣，呂寧，李志強，鄭立偉

（天津理工大學中環信息學院 機械工程系，天津 300380）

0 引言

如廁坐立輔助裝置是近年來機械設計、工業設計、現代家居、醫療護理、訓練康復等領域的研究熱點，研究旨在解決身體機能衰退的老齡人、下肢運動輕度障礙的殘疾人、運動損傷者、意外受傷者、大齡產婦等人群面臨的獨立如廁困難問題。

從市場來看，國內外市場關于如廁坐立輔助產品主要為簡易扶手裝置和帶助力的輔助裝置。簡易扶手裝置的使用方法是將扶手固定安裝在如廁坐便器兩側，在如廁就座起身的過程中用上肢撐住扶手，然后緩慢就座或起身，此類產品結構簡單，但是對如廁困難的人獨立完成如廁過程的幫助比較有限。近兩年，市場上陸續出現了以電機或液壓缸驅動的如廁坐立輔助裝置，優點在于外觀造型較好，但是售價較高，對安裝空間有一定的要求，質量和體積上還有進一步優化的空間。如何在有限的衛生間區域，設計出質量輕、體積小、工作可靠的機械裝置，以達到對如廁過程中對坐立姿態轉換的正確輔助，是亟待解決的問題。

1 原理分析

從如廁坐立輔助裝置的功能出發，在完成就座和起身的動作中，座椅必須能夠占據如圖1所示的兩個位置（位置1和位置2），并且座椅在上述兩位置之間能夠連續往復運動，根據機械原理的相關理論，能夠實現這樣運動規律的機構有凸輪機構、連桿機構、齒輪齒條機構以及復合機構[1]。綜合考慮空間、加工制造成本等因素，采取連桿機構實現此運動是最為適合的。

2 機構設計與結構實現

根據四桿機構的設計理論，已知兩個活動鉸鏈各自占據兩位置，設計四桿機構，可知兩固定鉸鏈位置在連桿兩位置連線的中垂線上，為方便在一條立柱上安裝固定鉸鏈，確定固定鉸鏈時，將兩個固定鉸鏈確定在一條豎直線上（如圖1），求解出兩固定鉸鏈的位置?？紤]節省空間的要求，鉸鏈的水平位置應不超過座椅的兩端。根據查閱的潔具標準以及市場上常見坐便器的尺寸，坐便器座位上表面距地面高度為400-440mm，因此確定了座椅處于位置1時，座椅距地面高度為450mm，處于位置2時，座椅最前端提升高度為200mm。

圖1 連桿和固定鉸鏈位置示意圖

為保證能在結構上實現所設計的四桿機構的運動，保證如廁坐立輔助裝置的正確運動，特在SolidWorks軟件中進行零件的三維設計、裝配和運動仿真，驗證各部件在運動過程中不發生干涉[2-3]。驅動部分選擇體積小，質量輕的推桿電機，支撐部分選用鋁型材，底座部分安裝帶剎車萬向輪，方便整個裝置的移動和固定,如廁坐立輔助裝置的三維圖如圖2所示。

圖2 如廁坐立輔助裝置三維圖

3 有限元分析

隨著市場競爭的加劇，產品更新周期愈來愈短，企業對新技術的需求更加迫切，而有限元分析可以在產品制造之前預先發現潛在的問題，是提升產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的一種有效手段[4-5]。因此在本裝置設計完成后，使用SolidWorks中的有限元計算模塊對主要承重零件進行強度和剛度的校核分析，計算結果如圖3、圖4所示。從圖中可以看出零件的強度極限為206.8Mpa，實際最大等效應力為139.1Mpa，因此強度符合要求。實際應變為0.00036，與零件本身尺寸相比，形變可忽略不計，因此剛度也符合要求。

圖3 應力云圖

圖4 應變云圖

4 結語

本文從如廁坐立輔助裝置的功能出發，分析其運動原理，確立了實現其功能的運動方案，并在SolidWorks軟件中實現了設計和運動仿真，并進行了強度和剛度校核，為解決當前市場如廁坐立輔助裝置相關產品成本高，種類少的問題，提供了一種可參考的實施方案。