智能坐便椅設計研究

周晶晶，李坤倫，諸葛德明，閆佳琪，董桂馥

（大連大學，遼寧 大連 116622）

中國老齡人口達2.6 億，老年人的隊伍越來越龐大，解決老年人如廁難的問題對于提高老年人的晚年生活幸福指數具有重要意義。當前市面上出現了各種類型的坐便椅，例如普通坐便椅、蹲便變成坐便的馬桶椅以及起輔助功能的如廁助力架等，不論是哪種坐便椅都存在優缺點，很難滿足所有老年人的需求。隨著智能化技術的發展，AI 語音可移動恒溫全自動智能馬桶逐漸受到老年人年青睞，但是有些老年人的普通話不標準或者因為某種疾病導致發音不清晰，都會導致智能語音馬桶無法流暢工作，所以研究一款新型智能坐便椅就顯得尤為重要[1]。

為此，針對老年人不能熟練使用智能化產品的行動缺陷和目前市面上眾多坐便椅可知，應除去AI 語音以及其他老年人需要動手操作的功能，除此之外，還應加入如腳蹬、可調節扶手和夜用燈等人性化設計；而當今大部分坐便椅只考慮了如廁這一環節，沒有考慮到老年人的安全問題。于是，應在現有坐便椅基礎上結合助力架理念、智能化元素和便捷程度綜合思考新型智能坐便椅的整體框架。

1 整體模型分析及智能化

1.1 模型設計

首先，新型智能坐便椅最基本結構組成部分應包括市面上已有的：①底座為圓柱體外觀，減少磕碰；②椅子正后方有靠背防止后仰摔倒；③2 側有可固定可拆卸的扶手；④2 側有紙巾和其他物品的放置區域；⑤底部后方有使坐便椅可便攜移動的滾輪。整體外觀基礎上要主打人性化設計，其中防異味措施是室內坐便椅一大重點關注問題，在考慮大眾經濟條件下不應有過多的制作過程，可在內桶方面進行創新改良。同時依據市場痛點，其自動化建模方面要包含紅外開合坐便蓋結構，坐便起落裝置，可調整坐便椅高度的升降裝置。

其坐便椅外觀的人性化設計要著重考慮到夜間如廁、舒適性、異味處理及置物，應分別設計夜間如廁時所需熒光燈條，2 側使排便更加舒適的腳蹬，2側功能置物區（左側區域可放報紙、紙巾、除臭劑；右側可放手機等雜物）；利用搖桿可調節高度，鎖緊滑塊進行高度固定，內筒采用隔斷設計能進一步隔絕異味。

經資料查找，18～44 歲中國男性平均身高169.7 cm，中國女性平均身高158.0 cm[2]，隨著年齡的增加平均會變矮3～8 cm，嚴重的甚至會比年輕時矮10 cm 以上[3]。故老年人平均身高約為男性161.7～166.7 cm，女性150～155 cm，但鑒于老年人變矮主要原因為骨質疏松和腰間盤老化，變矮的部位主要在脊柱即上半身，對坐便椅設計的影響較小[4]。由人體比例可得，小腿的長度為身高的1/4。基于以上老年人們的身高大致介于150～169.7 cm，故37.5～42.425 cm 為合適的調節范圍。如果計算鞋子的厚度，適當增加1 cm 左右。

電商平臺上大部分坐便椅高度都在40 cm，高度調節最高到45 cm。根據以上數據，我們可以適當降低最低高度；淘寶上馬桶圈寬度大部分為42～50 cm，可以取最大值；扶手高低都有，7～17 cm，高的扶手便于支撐用力。從安全和舒適角度，老年人臥室宜設置坐便器，并且要照顧到下肢障礙的老年人。其高度需參考輪椅坐面的高度，以370～390 mm 為宜，其設計草圖如圖1 所示。

圖1 新型智能坐便椅三視圖

2.2 力學分析

通過實踐發現，老年人在坐便椅上的動作為按壓扶手，老年人被便圈撐起。因此坐便椅受力主要為扶手被壓、便圈被壓2 部分，采用塑料ABS 作為坐便椅材料。扶手的力學分析（為方便顯示清晰，這里的色塊順序會根據分析變化作相應調整，故不統一，便圈同理），如圖2 所示。

圖2 扶手等效應圖

由圖2 可知，色塊由黑變白表示應力由大到小，其最大應力為1.340 4 MPa，在其與下方平面接觸的2側靠邊緣位置；最小應力為2.228 9×10-5MPa，在支座處。根據1 MPa=106Pa，1 千克力/平方厘米=10 牛頓/10-4平方米=105牛頓/平方米=105Pa，所以1 MPa=10千克力/平方厘米，也就是所說的10 kg 壓力可得，扶手所受的最大壓力即為13.404 kg。在實驗中測試的5 次壓 力 分 別 為10.90、12.50、15.30、11.35、14.30 （單位：kg），其平均壓力為12.87 kg，若除去一個最大值和一個最小值，則平均壓力變為12.72 kg，符合其設計標準。

在進行土木、機械等工程設計時，為了防止因材料的缺陷、工作的偏差、外力的突增等因素引起的后果，工程的受力部分實際上能夠擔負的力必須大于其容許擔負的力，二者之比叫做安全系數，即極限應力與許用應力之比，也指做某事的安全、可靠程度。此處的許用應力為2.45 MPa，安全系數是評定設計好壞的一個參數，此椅扶手的最小安全系數為2.45/1.340 4≈1.827 8。大多數結構鋼和鋁合金等塑性材料的應力－應變曲線有明顯的屈服，故規定由塑性材料制成的零件或構件的失效應力為屈服極限，這稱為屈服準則。鑄鐵和高強鋼等脆性材料的應力－應變曲線沒有明顯的屈服，故規定由脆性材料制成的零件或構件的失效應力為強度極限，這稱為斷裂準則。在疲勞強度設計中，失效應力采用疲勞極限，安全系數在很大程度上根據設計經驗來確定。一般來說，標準工程規定通常要求安全系數為1.5 或更大。任何位置的安全系數，小于1.0 意指這個位置的材料已降伏，等于1.0 意指這個位置的材料開始屈服，大于1.0 意指這個位置的材料尚未屈服。材料不同其安全系數也就不同，如鑄鋼和鑄鐵差別就大了，鑄鐵起碼要3.0 或者更大，鑄鋼1.5～2.0 就可以了。由于此扶手的最小安全系數為1.827 8，其結果大于1.5，符合設計標準。安全余量與應力比不作為重點評定標準，故此處不再贅述。

其便圈被壓的力學分析如下，老年人在站起時便圈會給予老年人斜向前的力[5]，將此力正交分解后即為平行于便圈向前的力與垂直于便圈向下的力，與扶手分析同理，這里以便圈抬到最大角度的瞬時靜態為主要研究對象。如圖3 所示，其最大應力為1.847 2×10-2MPa（色塊最深即為最大應力），最小應力為1.000 1×10-5MPa，即便圈所能承受的最大壓力為0.184 72 kg，此處數值很小是因為老年人有一部分是需要關節借力站起的，省掉了便圈一部分力[5]；最小安全系數為0.03/1.847 2×10-2MPa≈1.624，大于1.5，符合設計標準。

圖3 便圈等效應力圖

1.3 整體智能化

首先，老年人如廁整體流程是：靠近坐便椅到達指定范圍坐便蓋開啟，老年人坐下，進行如廁，起來時需要輔助站起；在如廁設定時間內起來則不報警，超過則報警。

則智能化過程應為：老年人靠近坐便椅時，設計2種開合坐便蓋方式，一種是一般情況下老年人觸發坐便椅前部的紅外感應器，坐便蓋開啟；另一種是老年人從側面轉動扶手，從側面觸發紅外感應器；若此時紅外感應器無反應，也可直接手動打開坐便蓋。如廁時通過便圈上壓感裝置記錄其如廁時間以免超時，保證安全，若超時則坐便椅右側的報警裝置報警并發送給子女端的微信小程序以提醒[6]。正常情況下在老年人如廁完之后，起身時手部按壓扶手，觸發起落傳導機構，幫助老年人解決腿麻時不方便起身的困難，同時顯示屏顯示本次如廁時間與小程序同步監測及時調整檢查老年人身體狀況。完成起落后，紅外感應器有熱量減小時，觸發坐便蓋使其合上。如果老年人覺得如廁時的高度不舒適，可讓子女手搖坐便椅左側下方的搖桿調節圈數以達到最佳如廁高度。

綜上，智能化設計方案是紅外開合結構，適當的感應范圍內自動開合蓋（包括紅外感應器，舵機及其轉軸，坐便蓋）；坐便起落裝置，如廁之后傾斜一定角度幫助老年人站起（包括扶手上壓感裝置，蝸輪蝸桿機構，電機，連桿機構）；升降裝置，調節如廁所需的合適高度（由搖桿連接凸輪機構及其鎖緊滑塊組成）；顯示屏，與小程序（子女端）聯動，單向語音功能，來報告老年人健康情況（包括前側液晶顯示及后側蜂鳴報警器）。

STM32F103RCT6 單片機作為主控芯片對多個傳感器數據的采集和處理。接下來利用熱釋電紅外感應原理，內置于坐便椅前側的紅外感應模塊通過收集紅外能量變化觸發感應器動作，開合坐便蓋動作的完成需要用位于坐便椅右側扶手內部的ESP32 單片機來控制舵機實現。

為使得坐便椅上老年人如廁狀況表示出來，還應在便圈表面布置HX710A 壓力傳感器，來記錄老年人的入廁時間和頻率，即如廁之后老年人起身時通過按壓扶手上的壓力感應器來響應便圈[7]，抬起老年人。在保證安全的前提下，在單片機上設置個人的如廁設定最大時間，超過此時間范圍則提示警報狀態。此步驟可使用藍牙收發裝置藍牙發送數據，將其安裝在坐便椅右側扶手內部，針對于老年人應對智能化元素的生疏性，在小程序共享方面應做2 種方案：①由于藍牙模塊HC06 與具備串口通信功能的ESP32 單片機相連，智能手機可以通過藍牙連接傳輸指令和數據，故可以發送數據到微信小程序，與微信朋友圈的共享同理，子女端會看到老年人如廁的情況；②老年人只有老年機時，利用WiFi（YX-WF-12V-2）將如廁信息上傳到小程序，子女端直接用手機或其他設備終端查看小程序中老年人的如廁信息[8]。為進一步保障老年人安全在扶手右側設置手動警報按鈕，老年人可主動向家人推送，記錄保留在小程序上。

2 小程序的人機交互

2.1 界面的初步設想

目前智能家居都是個人遠程單方面操作，對于人與人的操控，其解決方案可為子女、老年人分別設計對應的小程序，保證監控同步，通過老年人端小程序的操作來以此區分是哪一個人正在如廁，從而同步信息；由單片機記錄每個使用者每日如廁次數上傳到終端，即小程序，從而使子女端可查看；警報時需要有相應界面的警報提醒，而未報警時可顯示為待機狀態，二者樣式有所區分；老年人端字體要更大及排版要更簡潔，老年人若可較為熟練使用智能機，可發送給子女自己本次的如廁信息；對于無智能機的老年人，需有所記號標識，使其醒目從而在子女端錄入。綜上，內外互聯就完成了，因此將小程序初步設置為4 個界面（1 主3 副）。

2.2 原型設計

小程序的人性化也是十分重要的一環，在設計原型時，將子女端可能會為老年人購買物品及老年人端與子女端切換模式時的誤觸情況考慮進去，余下的部分則對上述兩種情況進行展開，如健康提示彈窗、切換模式彈窗，購買保健品的一系列流程界面、養生食譜等。

那么在上述基礎上進行原型設計的交互過程如下：點擊主頁面的健康提示按鈕會出現彈窗顯示是否進入養生區，若點擊即可進入副界面“養生”，里面包含“逛逛好物”和“天天食譜”，這兩處主要是方便子女從子女端為老年人的健康保駕護航，并且可以在“逛逛好物”子界面進行購物，包括商品詳情，購物車，消息列表；在老年人模式的主界面下設置了“發送給”選項，可將本次如廁信息有選擇性地發給想要發送的人，并在本界面的下方設置是否切換為子女模式的按鈕（子女模式下的切換按鈕在最上方），方便模式的轉換，若老年人誤觸此按鈕則會跳出彈窗進一步確認，點擊確定則跳轉，在跳轉后若還想回到老年人模式界面，可點擊子女模式主界面最上方“子女模式”4 個字旁邊的切換按鈕跳回老年人模式，不點擊則回到老年人模式原界面；最后為子女模式下的個人中心副界面（為防止老年人對智能機運用不熟練，只有子女模式有個人中心）。

3 結論

本研究通過對市場坐便椅的行情及目前出售的坐便椅樣式進行了系統分析，在理解了智能家居領域的具體內容后從機械、自動化、小程序方面做出了相應的革新設計與創意優化，并得到了如下結論：①由Workbench 進行力學分析可知，扶手的最小安全系數為1.827 8，其結果大于1.5；便圈最小安全系數為1.624，大于1.5。2 者均符合設計標準。②對市場上現有坐便椅進行外觀人性化升級設計：熒光燈條、腳蹬、兩側的置物區、搖桿可調節高度、鎖緊滑塊的高度固定、內筒隔斷設計。③建模方面利用SOLIDWORKS 設計紅外開合結構、坐便起落裝置、升降裝置、顯示屏及外殼做出整體架構。④智能化部分利用紅外感應模塊通過收集能量變化，使單片機來控制舵機實現開啟蓋子；老年人起身時通過按壓扶手上壓力感應器被便圈抬起；在達到設定時間的最大值時，藍牙收發裝置藍牙發送數據；老年人無智能機時，利用WiFi 將如廁信息上傳到小程序上，子女端可直接查看小程序中老年人的如廁信息。⑤小程序的UI 界面包括子女端與老年人端，為方便老年人的健康從而設計包含購物、食譜、每日推薦等；在人性化方面將切換模式雙重提醒，以防誤觸。