基于民用水驅動的殘障人士折疊洗浴床的研發

盧衛子，陳傳偉，王世新，周茂軍，耿新英，馮怡然

（大連工業大學a.機械工程與自動化學院；b.教育教學評價中心，遼寧 大連 116034）

0 引言

目前,中國已經處于老齡化社會,隨著老年人的人口數量不斷增多,以及老齡化程度的加劇，中國的養老系統的壓力越來越重, 在目前護理人員不足和護理工作強度大的情況下, 就需要大量的護理設備來輔助我們完成護理工作,以改善老年人的生活質量。根據調查顯示，受各種慢性病影響，老年人最先喪失的是洗浴能力[1]。根據國內老年人護理需求調查，在出行護理、清潔護理、起居護理、排泄護理、飲食護理這5項指標中，清潔護理需求人數占比13.1%，位居第二,經與社區衛生服務組織的工作員工進行的半結構式訪談和登門拜訪調查中可以看出，分散布局在家庭中的重度家庭殘疾老人的護理現狀不是很理想，這些老人的住所環境不佳、對他們護理不充分，隨之造成褥瘡、糖尿病等癥狀[2]。類似情況，針對敬老院的無法自理的老人日間護理的時間和內容的實地調研結果可知，在生活中關愛照料無法自理的老人所花費的時間是最長的，這里面輔助洗澡要花費時間是（39.39±18.53）min，這個時間段占據每天敬老院護理人員正常工作時間的8.21%。與此同時，因為敬老院配備的相關人員崗位不充分及其洗澡沐浴的裝備有待加強，難以滿足敬老院老人的洗浴需求[3]。在護理人員操縱護理儀器的過程中,有時會因為護理設備的設計不足及人機工程學研究與設計的不足,讓人體產生不適，甚至會導致事故的發生。合理運用人機工程學的助老設備研究具有重要意義[4]。

針對老年人獨自洗浴易發生危險的相關問題，本文研發了一種輔助老年人洗浴的民用水力驅動的折疊洗浴床。該洗浴床采用自來水壓驅動、六桿機構、床板可拆卸并折疊的設計，結合人機工程學設計尺寸，簡化了老年人洗浴流程，降低老年人洗浴易發生危險的概率，兼顧經濟因素且增強了環境適應性，同時滿足了降低建設成本、簡化設備結構、減少空間占用的需求。該裝置對解決獨居老人洗浴困難的問題提出了相對具有建設性的意見，能切實地為人們的生活提供便利。

針對老年人洗浴困難、獨自洗浴易發生危險的相關問題，設備主要針對以下幾點進行研發：1）使用自來水水壓驅動的方式，結合六桿機構，提高運行安全性、穩定性，縮減建造成本；2）合理設計折疊方式，增加空間利用率，不占用過多空間，簡化折疊過程；3）確定洗浴流程，并選用洗浴輔助裝置簡化洗浴流程；4）參考人機工程學相關知識[5]，合理設計坐高、扶手等相關結構的尺寸；5）以自來水為介質的液壓傳動缸的設計；6）進行有限元分析，校核重要零部件強度。

1工作原理

1.1 結構介紹本洗浴床主體結構分為3個部分，分別為折疊床板、

支撐框架、折疊收納柜。

1.1.1 折疊床板設計方案

折疊床板結構如圖1所示，小腿板1與大腿板3通過合頁17連接，且大腿板3與座板4和靠背板6通過折彎合頁13連接，扶手5通過角件安裝于靠背板6中部，肩部花灑7與頭枕8分別安裝于靠背板6的上部與頂部，腿部花灑2安裝于大腿板3側邊，折疊腿14安裝于大腿板3及座板4下端。

圖1 折疊床板結構示意圖

1.1.2 支撐框架設計方案

支撐框架為焊接組合結構，部分連接方式如圖2所示，其中：支撐框架后段11上安裝有兩個膠輪10，支撐框架后段11與支撐框架中段23通過聯軸器連接，且支撐框架中段23上安裝有卡扣支撐板22，可卡住支撐框架后段11，支撐框架中段23上有兩個膠輪10，用于在折疊收納柜9上滾動；支撐框架前段24上安裝有4個膠輪10與地面接觸，且在前端安裝有和小腿板1連接的前叉18，在后段中間位置與水壓缸12連接，支撐框架前段24和支撐框架中段23通過聯軸器連接。底部連桿運用交錯分布的結構設計，收納連桿時可完全折疊至一個平面。

圖2 支撐框架結構示意圖

1.1.3 折疊收納柜設計方案

如圖3所示，折疊收納柜前端安裝有8個收納卡扣19（用于收納支撐框架部分），前端中間部分安裝有旋轉擋片21（用于收納水壓缸）；收納床板后，可將床板立于折疊柜上方，并可將收納后的折疊支撐架卡在卡扣上，嵌入折疊柜完全折疊，并防止床板向下傾倒。

圖3 折疊收納柜結構示意圖

1.2 洗浴床驅動方式及管道排布

熱水經肩部淋浴頭、扶手、側腿板分流后從肩部和側面噴出，噴口排布如圖4所示，箭頭指向為熱水流出方向，分別對應前半身、頭部、四肢設置多個熱水流出點，以保證洗浴時人體各部分均勻受熱。

自來水壓力轉化為洗浴床靠背驅動力方式如圖5所示，換向閥上P為自來水進水口，為防止自來水中雜質及水垢進入換向閥和水壓缸，需要在進水口安裝Y型過濾器或其他過濾設備；A、B為驅動水壓缸的工作口；P、S為排水口，排水口連接圖4中3、6管道，作為洗浴用水再次利用。

圖4 出水口示意圖

圖5 自來水壓力驅動方式

1.3 操控及運行方式

本裝置選用相對適合老年人使用的機械操作方式，手動控制手板換向機械閥，從而控制水壓缸工作，進而調節水床靠背升降；并可通過扳動機械式水流開關控制全身熱水口閉合；在洗浴時可隨時控制靠背板升降，幫助老年人進行坐起的動作；并可控制屈膝動作輔助下半身洗浴。且整個洗浴床可折疊收納，折疊流程如圖6所示。

圖6 折疊收納流程

1.4 機構運動設計

支撐框架的設計思想基于六桿機構，桿5作為主動件由水壓缸驅動；折疊床板固定在支架的對應桿件上，通過構件5的前后移動帶動構件1、2、3完成洗浴時床板的升降和洗浴后床板的折疊收納。機構運動簡圖如圖7所示。

圖7 機構運動簡圖

機構中共有5個活動構件，A、E、F、G處的小滾子為局部自由度，與相鄰構件以高副接觸，其余各構件間以轉動副連接。把局部自由度進行簡化處理后計算機構自由度：

可得出本機構僅需一個原動件便可得到唯一確定的運動軌跡。

2 設計與分析

2.1 人機工程學計算

1）人體測量。

人類群體中個體與個體之間都存在著身體尺寸的差異。測量人體得到的數據一般使用百分比P作為閾值，如P50為50%的人口數據值具有大于或小于這個數值[7]。伴隨老人歲數變大及老年人身體機能越來越弱，他們身體各個部位的大小都會在一定程度上產生縮小[8]。根據相關學者的結論，以我國成年人的體型基準根據2.8%進行計算[9]，目的是確定相對應的老年人體尺寸：

式中：HL為中國老年人身不同地方的尺寸；HC為中國正常成年人機體不同地方大小。因此可求出老年人身體各部分尺寸。

2）坐高設計合成。設X為人體坐高，可求平均值u：

坐高Y=u+ΔL。式中ΔL為修正量。

由上述分析人機關系可知，應對座高采用取中原則，為照顧到身材較矮的女性使用者及折疊設計限制，修正量取84 mm，所以坐高設計為300 mm，去除坐墊后，座板高度應為276 mm，為老年人常使用的馬扎的高度，設計可在一定范圍內調節座高，以滿足多數人的使用需求[10]。

3）床板尺寸設計。

當大腿與小腿角度成90°時，人體背部成弓形，人體的重心可能會產生失衡[11]，因此折彎角度應介于90°～100°之間。

靠背板用于輔助老年人進行屈膝動作，若靠背板過低，不利于輔助老年人坐起進行搓浴動作，根據體壓分布實驗總結出，人體在坐姿時，靠背傾角接近108°時最為合適[12]，故靠背傾角設計最小角度為108°。

2.2 水介質液壓傳動缸設計

由于本洗浴床應用于醫院、養老院及家庭浴室，以水介質液壓傳動缸作為本洗浴床的驅動裝置可以解決傳統液壓油缸所存在的泄漏問題[13]，并且自來水經過換向閥直接接入水壓缸，動力來自于自來水水壓，無需外接液壓泵或空氣泵，安全且使用便捷。以水作為介質，會增加對液壓缸的腐蝕，因此如何設計水介質液壓傳動缸及如何解決液壓缸的腐蝕問題是本洗浴床的研發重點。

2.2.1 水壓缸結構設計計算

根據中國家庭自來水水壓標準，水壓缸水源壓力為0.3～0.7 MPa，考慮特殊情況對于設備輸入水壓的影響，最小水源壓力為0.25 MPa，流量為0.2 L/s；根據實測情況，活塞桿完全伸出運行位置時人體對水壓缸的最大作用力F=535 N，選取系統額定壓力Pn=0.7 MPa。

水壓缸推力計算公式為

式中：P為最小驅動水壓；A為無桿腔活塞最小面積，A=2.14×10-3m2。

圖8 水壓缸樣機圖

2.2.2 水壓缸的材料選擇

在液壓部件中，運動零件與水直接接觸，并且因為水本身的腐蝕性，所以液壓缸材料的選擇對液壓缸的性能和壽命有很大影響。選擇材料的標準[14]為：1）耐水腐蝕特征，涵蓋化學腐蝕和電化學腐蝕、化學性能穩定；2）在水介質或高速重載條件下具有優良的自潤滑性能，同時具有低磨損率和低摩擦因數；3）優良的成型加工性能；4）足夠的力學強度與剛度，高抗疲勞腐蝕性能；5）良好的抗侵蝕和抗氣蝕性能；6）熱膨脹系數不大，規格穩定性良好；7）購買容易，材料不貴；8）良好的熱穩定特征。

根據加工工藝及經濟性要求，選擇馬氏體不銹鋼作為水壓缸的主要材料。馬氏體的耐腐蝕性不好，但是可以借助表面熱處理手段來強化，以進一步提高表面硬度、強度、耐磨性能和抗腐蝕性能。經滲碳熱處理后的碳鋼表面可以得到較大的硬度，強化了材料的耐磨性、耐腐蝕性，適用于過摩擦副的材料。在全面分析研究材料特性的背景下，水壓缸原型的材料選擇如表1所示。

表1 水壓缸材料選擇

2.3 靜態荷載分析

靠背板是本次設計浴床的主要易變形部分，這關系到整個設備的安全性和舒適性。本節主要分析其應力和位移。使用SolidWorks Simulation進行分析時，首先簡化復雜模型，并忽略焊接的強度及焊縫的高度影響；定義靠背板材料屬性[15]，如表2所示。

表2 材料屬性

限制靠背板的固定位置表面自由度。在最大載荷條件下分析靠背板的應力與變形。

取人體質量最大為100 kg，并根據背部對靠背板的受力進行計算，進而得出靠背板的最大應力為13.08 MPa。考慮到老年人在使用時會遇到突發情況，將承受力乘以3倍沖擊系數，加載于靠背板上。參照靠背板和鉸鏈及皮帶滑輪支撐件的連接條件，可以估算出靠背板的表面和滾輪的軌道受到自由度的限制。

設置零件的材料屬性，自動計算和分析零件并生成計算示例的結果。靠背輸出的應力與位移變形如圖9所示。從應力圖和位移圖可以看出，最大值出現在靠背板的側面。從計算示例的結果中可以清楚地看到分析的主要數據。

圖9 靠背板輸出位移與應力

有限元分析計算得出靠背板結果：最大變形為0.5298 mm，最大應力為13.08 MPa，設計滿足材料的許用強度，因此可以保證靠背板在實際運行過程中的強度與剛度。在此理論基礎上，1∶1建立原型樣機并進行現場測試。

3樣機測試

樣機測試實際工作環境及運行情況如表3所示。模型樣機測試如圖10所示，測試折疊及展開過程中，收卷過程簡單便捷，無管道外露及纏繞打結情況；在實際測試運行過程無零件干涉，體感溫度適宜，水壓缸運行穩定并準確運行至預定位置，材料無明顯形變且運行無故障出現。

圖10 現場測試圖

表3 測試環境

4 結語

伴隨著中國老齡化問題的加重，當今社會對于助老裝置的研發與生產有很大的需求，因此作為其基礎的助老設備得到了大力發展；本折疊洗浴床主要針對老年人及殘障人士洗浴困難的問題，通過水力驅動，可完全折疊的設計簡化了老年人洗浴流程，降低了老年人洗浴可能發生危險的可能，增加了空間利用率。通過對折疊洗浴床進行的人體測量學分析、有限元分析等完成了對洗浴床的設計，同時進行實物的制作與大量實驗，試驗結果表明，水力驅動折疊洗浴床的負載強度、運行穩定性均達到預期要求，結構簡單可靠，性價比高，環境適應性強，適合推廣使用。