自動升降助老型坐式馬桶支架設計＊

萬筠錢，敏曉騰，袁文濤，萬宏強

（西安工業大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

中國已經全面進入老齡化社會，中國的城市化發展未能充分考慮人口老齡化、已有生活居住環境和基礎設施難以滿足老齡社會的要求。現如今助老輔助設施是補民生短板的必要舉措[1]。老年人在如廁過程中需要起坐，很容易出現因為腿部或者腰部力量不足導致起坐失敗，甚至如廁后站立困難而摔倒的情況。廁所助老支架的推廣，將幫助老年人如廁后站立，并且大幅降低老年人在如廁蹲起時摔倒的概率，保障老年人的生命安全[2-4]。圖1 為現在市面上最常見的幾種輔助老年人如廁后起身的產品，老年人輔助起身的馬桶支架主要由結構鋼管連接而成，除此之外，有些公共衛生間的馬桶采用的只是1 根扶手，這些馬桶支架不僅結構不穩定，而且需要老年人依靠自身腿部、臂部力量及手臂力量起身，如果自身手臂、腿部力量不足，很容易造成老年人摔傷[5-6]。

圖1 目前市面上已有的馬桶支架

因此，針對目前的市場情況以及狀態，為了減少老年人如廁時摔傷的概率，基于人機工程學原理，通過對老年人如廁時起坐過程助力方式、姿勢變化、人機距離的觀察，分析起坐過程的人體受力特點，發現老年人在空間內活動時產生的各種需求，設計一種以電機作為驅動，預設軌道，通過曲柄搖桿機構將人抬起的馬桶支架，減少老年人依靠自身力量起身的情況。

1 總體設計

自動升降助老型坐式馬桶支架總體設計如圖2 所示，其主要由馬桶坐墊、電動機、傳動機構、支撐板4部分組成，主體框架采用鋁合金材質，主體尺寸為長700 mm、寬500 mm、高400 mm，整體質量30 kg，框架使用鋁型材結構拼接。

圖2 馬桶支架實物

如廁時打開開關電機驅動曲柄搖桿機構使馬桶座圈上升，等待馬桶坐墊升高后，坐在馬桶坐墊上，按下降按鈕，通過電機反轉，下降到馬桶座圈最低點；起身時，先使馬桶坐墊升高到雙腳能夠站立的高度，起身后將坐墊調至最低。馬桶支架結構如圖3 所示。

圖3 馬桶支架結構圖

2 主要機構設計

2.1 雙四桿機構

圖4 為雙四桿機構，由曲柄、連接桿和活動桿組成，連接桿和活動桿通過螺栓連接，在工作時以曲柄為主動件，在工作過程中由電機帶動曲柄等速旋轉，曲柄帶動連接桿作為從動件做變速往復擺動，活動桿做平面復合運動。根據支撐板尺寸得出各桿尺寸，如AB=67 mm，BC=253 mm，CD=DE=160 mm。根據曲柄存在性條件得AB+BC≤CD+AD，條件成立，設計合理。

圖4 雙四連桿機構

2.2 馬桶坐墊設計

該部分由扶手、馬桶墊以及滑塊組成，四連桿機構推動滑塊，控制馬桶坐墊升降。馬桶座蓋的設計在綜合考慮現有馬桶的尺寸下，在座圈下部增加了滑軌，并且在扶手與馬桶座圈之間進行焊接，另外為了更加方便老年人起身，增設了靠背，使老年人在如廁時更加舒服。馬桶坐墊的三維模型如圖5 所示。

圖5 馬桶坐墊三維模型

2.3 支撐板設計

支撐板作為最主要的支撐結構，在設計過程中綜合考慮現有馬桶的尺寸、高度，以及老年人自身身體結構的特殊性，支撐板整體質量為10 kg，曲柄滑塊機構、電機、滑軌均固定在支撐板上，滑軌通過嵌套的方式在滑槽內滑動，抬升或者降低馬桶座圈。支撐板三維圖如圖6 所示。

圖6 支撐板三維圖

根據國家體育總局發布的2019 年國民體質監測公報顯示，中國老年人平均身高在167.2 cm，體重在69.1 kg，老年人半蹲的身高約為1 300 mm，通常馬桶的高度為700 mm，因此支撐板的高度設為600 mm。綜上，設計支撐板尺寸分別為高600 mm、長700 mm、寬100 mm。

3 有限元分析

在該設備中，由于受力最大的為支撐板和曲柄，曲柄受到連接電動機一端的扭矩，又受連接連接桿的壓力，支撐板受來自馬桶墊的壓力以及老年人身體的質量，這2 個部件受力較多，一旦損壞，將會對老年人造成難以治療好的骨折之類的摔傷，因此，應對曲柄和支撐板的最大許用應力以及最大形變進行分析。

3.1 曲柄校核

使用ANSYS 軟件對曲柄進行有限元分析，并進行網格劃分，設置材料為45 號鋼，得到曲柄的形變圖。從等效應力分布的角度來看，曲柄所受最大應力為40 MPa，最大應力小于其材料許用應力（120 MPa），所以曲柄的強度滿足設計要求，如圖7 所示。從變形云圖角度可以看出上端蓋的最大總變形量為2.230 6×10-7mm，應變量較小，最大應力為9.633 MPa，如圖8所示。

圖7 曲柄變形云圖

圖8 曲柄等效應力云圖

3.2 支撐板校核

使用ANSYS 軟件對支撐板進行有限元分析，并進行網格劃分，設置材料為45 號鋼，得到支撐板的形變圖。從等效應力分布的角度來看，支撐板所受最大應力為70 MPa，最大應力小于其材料許用應力（120 MPa），所以支撐板的強度滿足設計要求，如圖9 所示。從變形云圖角度可以看出上端蓋的最大總變形量為1.265×10-8mm，應變量較小，最大應力為0.016 608 MPa，如圖10 所示。

圖9 支撐板變形云圖

圖10 支撐板等效應力云圖

3.3 桶座圈校核

在助老型馬桶支架的設計過程中，馬桶座圈作為重要的承載部分之一，為支撐老年人起身和坐下的主要支撐部件，在實際使用過程中，與馬桶座圈的實踐工況進行對比，對比結果顯示的設計可以滿足實際使用需求。

負載和夾具如圖11 所示，計算結果如圖12 所示。

圖11 負載和夾具

圖12 馬桶座圈校核

4 結論

本文對自動升降助老型坐式馬桶支架進行了結構設計，該裝置采用模塊化設計方法，各個模塊獨立設計，組合安裝，可以實現老年人如廁起身的便捷。本裝置結構及其設計方法，可推廣應用于家庭以及公共廁所等場合。

目前市場上還沒有大規模生產的老年助力機器，對升降助老型坐式馬桶支架的研究也不成熟，因此開發和研究新型老年人助力機械前景廣闊。該設計是由四連桿機構、曲柄滑塊機構、馬桶坐墊等組成馬桶支架，達到便捷快速地升降并能夠為起坐助力的效果，具有廣闊的應用市場。