基于人體工程的多功能智能坐式沐浴裝置設計

陳 靜，唐黔湘，王亦可，彭 法，陳文科，何童彤

（湖南文理學院，湖南 常德 415000）

0 引言

在全球老齡化問題日益加劇的情況下，國內外提出了各類助老產品，輔助沐浴裝置便是其中一類。其設計不僅要滿足用戶對產品的功能需求，還要求具有較高的性價比。到目前為止，國內外尚未有理想的沐浴裝置，已經研發出來的產品多為臥式布局，需要兩人以上使用，不適合單個老年人使用，且對沐浴者姿勢約束大，體積也大，價格昂貴，不符合我國人口基數大、經濟發展不平衡的國情，難以推廣。基于上述原因，本文針對坐式沐浴裝置的特點和沐浴過程的特定需求，嘗試設計了一款基于人體工程學的多功能智能坐式沐浴裝置，尤其適用于老年人，殘疾人解決自主沐浴困難的問題。

1 坐式沐浴裝置總體設計

1.1 坐式沐浴裝置設計

設計的多功能智能坐式沐浴裝置，包括S 形搓背機構、輔助坐立機構、輔助搓腳機構及智能控制系統，如圖1 所示。S 形搓背機構，采用對心曲柄滑塊，和直線導軌配合實現X、Y方向合成S 形搓背運動軌跡，實現輔助搓背功能；輔助坐立機構由鉸鏈四桿機構與電動推桿配合，實現輔助坐、立功能；輔助搓腳機構，是指采用齒條棘輪機構，利用棘爪調節腳踏板的位置，同時配有搓腳刷，實現輔助老年人搓腳的功能；智能控制可實現自動控制鉸鏈四桿機構。該裝置還采用紅外感應，實現沐浴液自動噴涂，且借鑒百葉窗提升機構原理、配合搓背機構，實現輔助背部凈干功能。

圖1 坐式沐浴裝置總體結構

1.2 坐式沐浴的操作過程

坐式沐浴裝置操作過程如下：啟動沐浴裝置，按下升降開關（或呼叫“小杰”便可自動調節裝置高度），使沐浴人處于較為舒適的位置，再進行調溫，達到沐浴最適溫度，打開淋浴開關，初次清洗全身，關閉淋浴開關，通過紅外感應噴涂洗發露和沐浴液，同時啟動背部S 形機構搓背，實現深度清洗，再打開淋雨開關，進行清洗，直線往復運動進行腳部清洗，清洗完畢后，背部形機構和滾珠鏈傳動機構進行背部凈干，按動椅子升降開關，輔助老年人站立，沐浴完畢，關閉總電源。

1.3 自動淋浴機總體外形設計計算

隨著年齡的增加，老年人的脊柱椎間盤會萎縮變薄，身高會降低。但生活條件的改善，使得我國的老年肥胖者漸漸增多。于是我們初步設定座椅承受重量為250 kg。根據對中國老年男性，老年女性的人體平均尺寸分析以及對老年人身體各部分尺寸資料歸納得出靠背寬度可設定為480 mm[1]。由于自動淋浴機增加了搓背，擦干的功能，淋浴椅靠背高度需要適當的增加，最終靠背高度設定為1100 mm，靠背角度95° 。通過參考圖2，老年人手臂高度數值分析，知扶手高度略低于老年人手高度時舒適感最佳。最終設定扶手的高度為210 mm，扶手間距尺度為430 mm。綜上所述，最終我們確定自動淋浴座椅的外形尺寸為：660 mm（長）× 830 mm（寬）× 1100 mm（高）。

圖2 中國老年男性和女性平均人體尺寸

2 主要機構設計

2.1 搓背機構的設計

以電機為動力源，通過曲柄和連桿將電機的動力傳遞至滑塊，滑塊帶動搓背刷子移動，實現輔助搓背功能。利用對心曲柄滑塊，和直線導軌配合實現X、Y方向合成S 形搓背運動軌跡。如圖3 所示。

2.2 輔助坐立機構設計

圖4 為輔助坐立機構初始位置和坐墊成75°示意圖。機構以電機為動力源，通過電動推桿和鉸鏈四桿機構相配合，將動力傳至坐墊，坐墊以緩慢變化的角度上升直至成。老年人扶住裝置上的把手坐下，坐墊緩慢下降直至水平，實現輔助沐浴者進行立、坐姿態的調整[2]。

2.3 腳部清洗機構設計

腳部清洗機構采用自行車手剎原理控制位移的進行和停止，使齒條棘輪機構可在直線運動中的任何位置鎖死，實現輔助沐浴者自行清洗足部，具有較高的安全系數，如圖5 所示。

圖5 腳部清洗機構結構

3 控制系統

控制系統主要是基于STM32 單片機的推桿升降系統的主要程序設計。該程序使用了三個按鍵、超聲波模塊、語音模塊，實現了對推桿升降的控制。程序的主要特點包括按鍵的定時器消抖和中斷功能、串口與語音模塊的通信以及超聲波模塊的距離檢測。此外，還定義了不同模塊的中斷優先級，確保系統能夠響應不同事件并按照要求執行。如圖6 所示。

圖6 控制系統流程

3.1 按鍵設計

按鍵是用戶與系統互動的主要方式，因此需要考慮按鍵的穩定性和可靠性。在本設計中，按鍵采用了定時器消抖和中斷功能。按鍵的中斷優先級被設置為最高，以確保及時響應用戶的輸入。程序會監測按鍵狀態，并根據按鍵的不同組合來控制推桿升降和暫停操作。例如，當按鍵1 被按下時，推桿升高；按鍵2 被按下時，推桿降低；按鍵3 被按下時，推桿停止。如圖7 所示。

3.2 超聲波模塊的距離檢測

超聲波模塊用于測量用戶腳部距離并相應地控制推桿的升高以使產品達到令用戶滿意的高度。當用戶距離其小于等于5 cm 時，系統將升高推桿，以調整坐姿，遠離后則相應停止。其檢測不依賴于定時器或中斷，而是在主循環中定期執行，確保能夠實時檢測距離并控制推桿的運動。如圖7 所示。

3.3 主循環

主循環中不斷監測各個模塊的狀態，并根據條件執行相應的操作。當按鍵按下時，按鍵中斷會優先執行相應操作；其次如果串口接收到數據，串口通信則會執行對應操作；最后當超聲波模塊檢測到距離小于等于5 cm 時，系統也會相應地控制推桿。如圖7 所示。

4 運動學分析與理論設計計算

4.1 搓背機構運動學分析

搓背機構我們采用的是對心式曲柄滑塊結構。由電機驅動曲柄旋轉，曲柄帶動連桿滑塊運動，滑塊做直線運動，刷子相對滑塊做直線運動，同時在背板的S 型凸輪里滑動，從而實現搓背動作。其運動簡圖如圖8 所示。

圖8 搓背機構運動簡圖

4.2 滑塊的速度和曲柄轉角的關系

根據三角函數幾何定理，直角三角形特性[3]，可知：

得S=R[1 - cosα] +λ（1 - cos2α）

式中，S為滑塊行程（從下死點算起）；α為曲柄轉角，從下死點算起，與曲柄旋轉方向相反者為正；R為曲柄半徑（R= 215.5）；L為連桿長度（當可調時取最短時數值）（L= 412.5）；λ為連桿系數λ代表連桿系數且= λ，已知R= 215.5，L= 412.5，所以λ= 215.5/412.5 = 0.52。

將位移s對時間t求導數就可求得到滑塊的速度v即：

所以：V= 0.105nR（sinα+λsin2α），滑塊的速度V是隨曲柄轉角角度變化的。在α= 0 時V= 0，α角增大時V隨之顯著增大；但當α取75 ～90°時，V的變化很小，而數值最大。因此常常近似取曲柄轉角α= 90°的滑塊的速度當作最大速度。查閱資料了解到，在自動淋浴椅設計中，曲柄轉一周搓背機構往復運動次。搓背機構每分鐘需要往復10 次。所以曲柄轉數n= 10 r/mm，搓背機構最大運動速度用Vmax的算式為：

5 實物研制與試驗

根據以上設計，制作了物理樣機如圖10 和圖11所示。

圖10 樣機正面

圖11 樣機側面

該樣機通過實驗，實現了本文設計的多功能智能坐式沐浴裝置的設計要求，在實際測試中具有較高的可靠性與一定的適應性，解決了老人彎腰困難、搓背困難、蹲廁困難、長期站立困難等主要問題，同時也解決了現有產品體積大、難以移動、操作復雜、價格昂貴等缺點問題。并且該設備體型適當，功能強大，價格便宜、使用方便，適合居家老人以及一般人群，因此具有很廣泛的應用前景。

6 結語

本研究設計了一款多功能坐式沐浴裝置，整個裝置結構簡單，易于制造和使用。采用智能控制系統，利用曲柄滑塊機構解決了搓背難的問題，選用推桿、四連桿機構實現使用者坐姿的調整，站立的輔助。制作出物理樣機并進行實際實驗，最終能完成輔助沐浴的整個過程，具有安全便利，功能強大，性價比高的特點。