智能電動(dòng)升降馬桶設(shè)計(jì)

陳海倫，陳民弟，高 路，李向鵬，張 寧，劉先凱，孫 燦，何安軍

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

隨著我國老齡人口增加，老年人如廁裝置及輔助老年人如廁裝置的研發(fā)具有廣闊的市場前景，其發(fā)展有以下兩種：一是老年人如廁助力裝置，能夠幫助老年人如廁時(shí)站立和下蹲，不需要老人腿腳使勁，防止老人如廁時(shí)發(fā)生意外，結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、價(jià)位適中；二是老年人智能如廁助力裝置，在輔助老年人如廁時(shí)站立和下蹲的同時(shí)，加入其他人性化功能[1].基于這些考慮，根據(jù)功能合理性、簡潔安全性、易用、共用和主動(dòng)性原則[2]，設(shè)計(jì)了一款能輔助老年人開關(guān)坐便蓋和如廁時(shí)坐起，同時(shí)可在任何位置遙控沖廁的智能電動(dòng)升降馬桶，方便老年人獨(dú)自如廁，減少對他人的依賴，減輕家人負(fù)擔(dān).

1 設(shè)計(jì)方案

老年人彎腰最好不要超過70°，避免由于頭部下低幅度大，會(huì)導(dǎo)致血壓升高，發(fā)生意外，同時(shí)避免由于體位恢復(fù)正常，血液快速流向軀干，導(dǎo)致腦部發(fā)生貧血，兩眼發(fā)黑，站立不穩(wěn)而摔倒[3].基于此，本產(chǎn)品在馬桶蓋的轉(zhuǎn)軸處安裝12 V直流電機(jī)，通過開關(guān)和調(diào)速旋鈕實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)的馬桶蓋自動(dòng)開閉；通過人因工程學(xué)及相關(guān)資料，人體腿部膝蓋彎曲最適起身圓弧角度為33°，采用弧形軌道和弧形滑塊的圓弧滑塊機(jī)構(gòu)，通過電動(dòng)推桿推動(dòng)弧形滑塊沿固定到支架上的弧形軌道完成馬桶蓋33°角的開閉；采用小型電動(dòng)推桿固定在馬箱沖水箱蓋上面，電動(dòng)推桿頭部配備頂帽與水箱的沖水按鈕接觸，通過遙控器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖水；外配51單片機(jī)，通過ADC模塊、PWM模塊、LCD1602接口、五線四項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)、DS1302模塊、矩陣按鍵模塊等觀測室內(nèi)溫度與播放音樂；在馬桶一側(cè)安裝報(bào)警器，用于老人突發(fā)情況下的報(bào)警或找人幫助；在馬桶蓋內(nèi)側(cè)，安放小米生態(tài)小達(dá)馬桶殺菌除味器，UVC紫外線LED燈，IPX4防水，臭氧凈化消毒；支架用差動(dòng)螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)長度可調(diào)節(jié)，底座安裝螺紋實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)節(jié)，以滿足市場不同規(guī)格馬桶需要；采用可鎖緊的萬向輪，方便支架的移動(dòng)和固定.如圖1所示.

圖1 智能電動(dòng)馬桶

由于市場馬桶尺寸規(guī)格不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長度和高度分別可調(diào).產(chǎn)品參數(shù)見表1.

表1 產(chǎn)品參數(shù)表

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 馬桶蓋開閉設(shè)計(jì)

馬桶蓋開閉角度按最大角度120°(2π/3)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用直流電機(jī).電機(jī)參數(shù)見表2.

表2 ZYTD-520直流電機(jī)參數(shù)

2.2 弧形傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.2.1 主要組成部分

用于實(shí)現(xiàn)馬桶坐便圈升降的弧形傳動(dòng)裝置，由主體框架、動(dòng)力傳輸和行程路線控制3部分構(gòu)成，如圖2所示.

圖2 弧形滑道圖

主體框架由支架、支撐底座、馬桶坐便墊、連接墊片、扶手連接塊和扶手組成；動(dòng)力傳輸由2個(gè)電動(dòng)推桿及支座組成；行程路線控制由弧形滑道、弧形滑塊和緊固擋板組成.支架為30×30 mm2鋁合金型材；底座、坐便墊、連接墊片材料為2 mm的Q235鋼；扶手連接塊材料為2 mm的304鋼；弧形滑道材料為30 mm的酚醛樹脂板；弧形滑塊材料為15 mm的尼龍66.

2.2.2 弧形滑道設(shè)計(jì)

正常人小腿高約為400 mm(百分位數(shù)占比95%+修正尺寸)，根據(jù)人體工程學(xué)，設(shè)計(jì)以膝蓋為圓心，最大圓弧角為33°的弧形滑道，與弧形滑塊相對運(yùn)動(dòng)，通過電動(dòng)推桿帶動(dòng)馬桶座便圈實(shí)現(xiàn)角度可調(diào)、最大圓弧角為33°的弧形往復(fù)擺，順應(yīng)老人起身時(shí)的彎曲弧度，減輕老人的膝蓋負(fù)擔(dān)，協(xié)助老年從坐到起.人體功效學(xué)常用人體測量數(shù)據(jù)[4]見表3.

表3 人體測量數(shù)據(jù)

馬桶外壁到馬桶坑中心距離約為260 mm，人坐到馬桶上膝蓋距離馬桶外壁距離約為230 mm，以膝蓋為圓心，以坐深為半徑畫弧.坐便隨液壓桿的伸縮抬起角度范圍在0°～36°最便于老人起身[5].通過不同身高老人試驗(yàn)，當(dāng)坐便圓弧角為30°～36°時(shí)，是老年人最易起身位置.因此本設(shè)計(jì)采用最大圓弧角為33°.分別以430 mm、510 mm為半徑做內(nèi)、外弧線，圓弧角為48°[6](保證滑道與滑塊有15°的重合部分)設(shè)計(jì)工程圖[7]，如圖3所示.

(a)設(shè)計(jì)圖

(b)實(shí)物圖圖3 弧形滑道設(shè)計(jì)

為保證滑道與滑塊運(yùn)動(dòng)的可靠性，在滑道上加固定擋板，如圖4所示.

圖4 滑道與滑塊組件

2.2.3 弧線運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

選用2個(gè)位移可控的電動(dòng)推桿帶動(dòng)弧形滑塊與滑道相對運(yùn)動(dòng).弧形滑塊與坐便蓋用2個(gè)M8螺栓連接，電動(dòng)推桿通過支撐座與墊片用2個(gè)M6螺栓連接，如圖5所示.電動(dòng)推桿由22 V電源做動(dòng)力，主要參數(shù)見表4.

(a)設(shè)計(jì)圖

(b)實(shí)物圖圖5 弧線運(yùn)動(dòng)連接設(shè)計(jì)

表4 電動(dòng)推桿的主要參數(shù)

扶手與連接塊用3個(gè)M8螺栓連接.為滿足座椅的可移動(dòng)要求，連接塊與坐椅架通過U型滑板用2個(gè)M8螺栓連接，通過拆卸螺栓，使扶手連接塊組件與U型滑板間左右各有最大行程為30 mm的滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格坐便最大長度尺寸差為50 mm的可調(diào)功能.如圖6所示.

(a)連接塊

(b)U型滑板

(c) 連接組件圖6 扶手與坐椅連接實(shí)物圖

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 馬桶坐便蓋設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1.1 受力分析與計(jì)算

對馬桶坐便圈進(jìn)行受力分析.視為中間受集中載荷作用的簡支梁，如圖7所示.馬桶座圈材料為Q235鋼，材料參數(shù)及尺寸參數(shù)[8]見表5.支撐點(diǎn)的距離為L=445～500 mm，中間承重按F=100 kg計(jì)算.

表5 坐圈整體材料參數(shù)及尺寸參數(shù)

截面D處作用有集中載荷，F(xiàn)=100 kg.

由平衡方程ΣMA=ΣMB=0,得FAy=FBy=490 N；

由FS1=FAy(0

CB段選B點(diǎn)為原點(diǎn)：

FS2=-FBy(0

圖7 馬桶坐便圈力學(xué)模型

由圖7的彎矩圖可知截面D處彎矩最大，MMAX=FS·1/2=122.5 N·m.

由于C-C處截面小，且有開孔，因此此處為危險(xiǎn)截面.

強(qiáng)度校核：

校核合格.

3.1.2 有限元分析

通過SOLIDWORKS對坐便蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并化簡.在Ansys Workbench平臺(tái)4選取Solid226高階六面體單元，由Hypermesh開啟曲率控制函數(shù)對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，單元數(shù)目為66 089[10]，如圖8所示.

(a) 網(wǎng)格

(b) 安全系數(shù)

(c) 最小安全系數(shù)

(d) 彈性變形

(e) 等效

(f) 等效

(g) 最大等效應(yīng)圖8 有限元分析圖

有限元分析結(jié)果表明，該部件承受100 kg力時(shí)所受的最大等效應(yīng)力為64.272 MPa，遠(yuǎn)低于Q235鋼的屈服強(qiáng)度.

通過強(qiáng)度校核與有限元分析，結(jié)果一致，強(qiáng)度滿足要求.

3.2 差動(dòng)螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算

采用M8×30的左旋和右旋螺桿中間用螺母連接，形成反向差動(dòng)螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)支架長度可調(diào)，如圖9所示.螺旋傳動(dòng)相關(guān)參數(shù)[11]見表6.

由于此差動(dòng)螺旋傳動(dòng)用于靜止不動(dòng)的框架，且框架為超靜定結(jié)構(gòu)，差動(dòng)螺旋傳動(dòng)的最大行程為50 mm，支承間距不大.因此，螺旋所受的軸向力很小，耐磨性、剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度不進(jìn)行計(jì)算，能滿足要求[12].

圖9 差動(dòng)螺旋傳動(dòng)

表6 螺旋傳動(dòng)參數(shù)

3.3 馬桶蓋開閉時(shí)間設(shè)計(jì)計(jì)算

馬桶蓋開閉角度按1 200(2π/3)設(shè)計(jì)：

按此計(jì)算，馬桶蓋開閉時(shí)間為1～1.25 s.考慮馬桶蓋開閉時(shí)間過快，采用最大值為125 kΩ可調(diào)電阻式逆變器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)馬桶蓋開閉時(shí)間的可控制.

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)產(chǎn)品可使座便圈開閉可在0°～33°可調(diào)，順應(yīng)老人起身時(shí)膝蓋彎曲弧度，減輕膝蓋負(fù)擔(dān)，協(xié)助老人起坐，具有一鍵自動(dòng)沖水、馬桶蓋開閉等功能.具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格便宜、功能多、智能化等特點(diǎn).市場化批量生產(chǎn)單件價(jià)格1 500元左右.可以適用于家庭、賓館、養(yǎng)老院和機(jī)場、商場、公園等公共場所衛(wèi)生間，方便老年人如廁，具有很大的實(shí)用價(jià)值、使用價(jià)值和推廣價(jià)值.