一种助老机械装置的设计与结构分析

    黄兵 孔程程

    

    

    

    【摘? 要】针对目前国内老年群体的安全问题越来越受到重视这一现象，基于机械装置优化的方法，设计了一种新型沐浴如厕辅助装置[1]。论文重点从辅助老人洗浴、如厕和顺利起身这三个动作相结合的机械装置进行创新设计，并利用三维软件绘制了三维图，并对关键部件的结构强度进行了分析。与目前市面上大多数的辅助装置相比，这套装置具有整体可折叠，占用空间小，适用范围广和成本低等优点。

    【关键词】机械装置;辅助起身;沐浴;如厕;折叠

    【Abstract】In view of the phenomenon that the safety problems of the elderly groups in China are getting more and more attention， a new type of auxiliary device for bathing and toileting is designed based on the optimization method of mechanical devices [1]. Focusing on the innovative design of the mechanical device that combines the three actions of assisting the elderly in bathing， toileting and getting up smoothly， the paper uses three-dimensional software to draw three-dimensional drawings and analyzes the structural strength of key components. Compared with most of the auxiliary devices currently on the market， this device has the advantages of being integrally foldable， occupying a small space， having a wide range of application and low cost.

    【Keywords】mechanical devices; assisted devices; bathing; toileting; folding

    1 引言

    中國人口老龄化越来越严重，到2030年，中国人口结构将呈现老年多于青年的倒金字塔结构。老年人人身安全也越来越受到重视，据调查统计，七成老年人以居家养老为中心，社区养老为依托[2]。但无论是居家，还是敬老院，淋浴跟如厕都是必不可少的。淋浴时，老年人由于自身机能下降，难以长时间站立，且由于浴室地面较滑，容易摔伤。如厕时，许多老人常出现起不来的情况，需要缓慢起身以缓解起身过程中身体各个部位的不适感，因此上厕所也成了老年人最大的烦恼之一。而绝大多数老人又是居家养老，并且中小家庭厕所以蹲坑为主。为了淋浴和如厕的问题可以同时解决，设计一个安全可靠的辅助沐浴如厕机械装置是必不可少的，这对于提高老年人的生活质量具有重要意义。

    本文设计了一种能有效解决这些问题的机械装置，并使用SolidWorks 和CATIA两个软件绘制了整个装置的三维模型。同时，为了验证其机械结构的合理性，利用SolidWorks做了关键部件的结构强度分析。

    2 助老机械装置方案设计

    2.1 机械装置总体设计

    考虑到大多数老年人的需求和使用时的安全与便捷，该沐浴如厕辅助器的结构主要是由起身辅助机构、座板翻折机构、高度调节机构、收放式手扶机构四部分组成。整体结构简图如图1所示。

    ①起身辅助机构：用电动推杆作为动力输出，电动推杆两端都是转动副，通过推杆伸长对板有一个向上的推力，铰接使得板与推杆顶端发生相对转动，综合作用使板发生倾斜，使得板与水平线的倾角变大，从而达到起身的目的。②座板翻折机构：在背靠的板下面用一个转动副，限制转动副的转动角度就可以在竖直和水平方向之间转动，让前面的部分可以在不使用的时候翻上去。③高度调节机构：用手转动蜗杆，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮里面有螺纹，然后蜗轮带动装置整体在两根丝杆上移动。④收放式手扶机构：两个扶手用转动副连接在背靠的背板里面，可以自由使用，在起身的时候可以承受来自手比较大的力，提高老人起身时的安全性。

    2.2 机械结构设计与分析

    高度调节是选用蜗轮蜗杆传动方式来实现垂直方向的直线运动，中间的丝杆传动可以让左右两边同步运动，通过手转动蜗杆带动两边的蜗轮旋转，蜗轮与丝杆配合传动。而且丝杆其自身能够自锁，如果蜗杆的螺旋角没有齿轮间的当量摩擦角大时，蜗杆传动就会启动自锁，也就是说只有蜗杆带动蜗轮，蜗轮是不可以带动蜗杆的，以此来提高安全性能。此装置结构紧凑，传动噪声小且振动小，可以根据使用者的个人需求完美调节合适的高度。蜗轮蜗杆内部细节如图2所示。

    座板整体可通过转动副进行90°旋转，目的是在不使用此装置的时候可以节省厕所的空间。在背板平面单独设置一个转动副来实现扶手的收缩功能，背板两边都有开槽以保证在不使用时对空间的占用量足够小，满足对空间最大利用的使用要求，不影响他人的其他需求。

    辅助起身机构的电动推杆的伸长端铰接在中间板，尾端铰接在底板上，随着电动推杆的伸长，底板保持不动，底板以上的部位以最前端端面下底边为旋转轴进行旋转，通过安装在扶手上的控制装置来操控电动推杆的伸长量来人为控制倾斜角度，满足不同使用者个体对辅助起身时角度的不同需求[4]。

    3 装置结构强度分析

    本节对装置的两个主要部分下部承重装置和背板进行分析。下部承重装置设计要求的最大变形量为6mm、背板设计要求的最大变形量为3mm。以下皆为理想模型。

    3.1 下部承重装置分析

    将下板两块板和后面的主悬臂梁和到一起分析，板长330mm，宽400mm，厚分别为5mm和10mm，板面中央330mmX400mm的区域内承受1000N的力。假设后面的梁截面完全固定，所有材料为AISI 321 退火不锈钢 （SS），屈服强度234.422 N/mm2，张力强度620 N/mm2。用solidworks simulation分析此桌子的变形及受力情况是否满足设计要求。分析结果如图3所示。从位移云图中可知，在红色的部分产生最大位移，从云图中可以读出下部承重装置所受到的最大位移为4.755mm，小于设计要求的最大变形量3mm，因此设计合理。

    3.2 背板分析

    将背板和扶手梁和到一起分析，板长400mm，宽400mm，厚15mm，板面中央400mmX400mm的区域内承受500N的力，扶手的悬臂梁受300N的力，假设下面的支撑梁截面完全固定，所有材料为6061-O （SS）铝合金，屈服强度62.0528 N/mm2，张力强度125 N/mm2。用solidworks simulation分析此桌子的变形及受力情况是否满足设计要求。分析结果如图4所示。从位移云图中可知，在红色的部分产生最大位移。从云图中可以读出上板所受到的最大位移为1.972mm，小于设计要求的最大变形量5mm，因此设计合理。

    4 结语

    本文系统而简略地介绍了一种新的助老机械装置，其主要由起身辅助机构、座板翻折机构、高度调节机构、收放式手扶机构四部分组成。该装置操作简单、整体成本较低、安装便捷，非常适用于许多普通家庭，该装置的使用可以很大程度上提高老年人的生活质量。助老器械已成为助老服务中要解决的一个重大问题，研制和生产适合老年人切实需求的助老装置已成为一项重要任务[5]。

    【参考文献】

    【1】秦建军，姚燕安，刘永峰.基于可拓逻辑的机械装置概念设计[J].哈尔滨工业大学学报，2006（07）：1199-1204.

    【2】郭杰，刘大为，王淦，等.辅助站立装置的研究现状与发展趋势[J].机械研究与应用，2019，32（06）：196-201

    【3】张安，胡碧强，向诗豪.立式自行车循环停车机械装置的设计[J].科技风，2019（28）：182

    【4】王琳.一种多功能清扫装置机械结构设计与研究[J].机械工程师，2013（08）：54-56.

    【5】涂志澳，李晓东，謝有浩.家用助老智能机械产品设计研究[J].中国新技术新产品，2019（22）：73-74.