老年人如厕智能辅助装置的设计

张 幻，谢永智

（桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林 541004）

0 引言

随着社会的发展，中国的老龄化也日益加重，在中国人口中，老年人所占的比例越来越大，而其中生活部分自理或完全不能自理的老年人约占老年人总数的1/3[1]。对他们来说，吃饭、洗澡、上厕所，过上最简单的生活都是十分困难的。而他们的子女大多因为工作繁忙不能时刻陪在他们的身旁。所以在没有他人照顾的情况下，解决老年人的生活问题，提高老年人的生活质量，是整个社会共同关注的问题[2]。

目前已有不少辅助老年人生活的装置。曾翔[3]设计了一种性能良好的轮椅，与传统的轮椅相比，主要开发的是一种智能轮椅，该轮椅配有多种传感器，包括红外线碰撞警告以及摄像头等等，实现了自动避障、自动行走等一系列智能操作，属于一种高智能化的助老助残机器人，但操作略显繁琐，且价格不低。刘坤等[4]设计了一种辅助型如厕轮椅的坐站式机械结构，主要通过变杆长以及变杆位实现辅助人体站起和坐下的功能。李兆亮等[5]主要是为了解决由于老年人蹲起较为困难使得如厕不方便的问题，设计了一种能辅助老年人如厕的装置，介绍了该装置机械结构的设计以及硬件部分的设计，操作简单，但功能较为单一。

基于目前的调查，类似的辅助装置有些价格过于昂贵，操作不便，有些功能过于单一，不能根本上满足老年人的需求。通过对问题的深入分析，设计了一种主要帮助老年人如厕的智能辅助装置，该装置通过曲柄滑块机构来实现如厕功能，通过双摇杆机构和棘轮系统来实现老年人下肢位的调整，装置最大的创新之处是对老年人如厕后的清洁问题进行了系统设计。该装置旨在没有额外人力的情况下，帮助老年人满足自己的生活需求，提高老年人独立生活的能力以及生活质量。

1 设计目的

（1）在轮椅上解决大小便。设计一种靠机械控制的排便门，由曲柄滑块机构实现。当人的身体向后靠时，排便门打开；当靠背返回原位时，排便门也能随之关闭。座椅的排便处要与下面的盛便器相连接，这样，排便结束后可以避免气味的散发。

（2）下肢位姿的调整。通过手来控制双摇杆机构结构，使得下肢位置进行调整。当调整到合适的位置时，要能够实现下肢定位的功能，可在摇杆上加上棘轮系统。

（3）如厕后的清洁。这也是目前市场上的普通轮椅所不具备的。当老人在轮椅上解决完大小便问题后，身体的清洁也是一个不可忽略的部分。可以参照目前自动清洁马桶的工作方式，分离出其中的自动清洁方法，并将其进行一定的改进，应用在轮椅上，让轮椅实现自动清洁的功能。

2 设计方案

2.1 如厕功能

该功能可由曲柄滑块机构实现。如图1所示，滑块C用连杆BC 与靠背相连。当靠背向后靠时，即连杆AB 运动，带动滑块C向后运动，滑块C用连杆DE与排便门相连，从而带动排便门向后运动，如图2所示，排便门沿斜面向下运动，与人身体分离。滑块C 与下面的盛便器密封连接，能使气味不外溢。人的身体向后靠，此时靠背向后运动，带动滑块C 向后，从而打开排便门，然后进行方便，方便之后穿好裤子，坐起，将靠背拉起，这时排便门随之复位，同时盛便器封闭。

图1 排便门关闭位置

图2 排便门开启位置

2.2 下肢位姿调整

该功能可由双摇杆机构和棘轮系统实现。如图3 所示，连杆AD 是用来放脚的，手通过连杆BC来使AD转动。利用双摇杆机构来实现运动的传递，在节点C处加装棘轮系统，实现对摇杆位置的控制。当对摇杆BC 施加转矩，鱼洞通过连杆CD 传递到支撑腿部的连杆AD。并且通过棘爪和连杆CD 上的形齿组成的棘轮系统控制位置，可使摇杆AD 停留在任何位置。当需要上下摆动摇杆时，只需使棘爪与棘轮脱开即可。可用弹簧将棘爪拉住，上装一个凸轮，利用凸轮的两个稳定位置，凸轮左转或右转都会使得弹簧拉长，因此这两个位置是稳定的。

图3 摇杆AD的极限位置

2.3 清洁功能

清洁系统可分为水路部分、电路控制部分、机构及加热器部分等3部分[6]。清洁功能的系统框图如图4所示[7]。

图4 清洁功能系统框图

2.3.1 水路部分

水路部分主要包括稳压阀、流量计、即热组件、空气泵、换向阀和冲洗组件等。

（1）稳压阀

稳压阀是一个将一定区域内的介质保持在一定压力范围内的设备。

（2）流量计

流量计用于监测水的流量，并将信息实时反馈。

（3）即热组件

即热组主要包括加热管、温控开关、温度传感器、水位开关等。该组件能够对冷水进行加热，确定所需的水温。

（4）空气泵

空气泵是从一个封闭空间排除空气或从封闭空间添加空气的一种装置。其能够压缩空气，并将空气传递至换向阀，使水和空气进行混合，从而让清洗的力度加强。

（5）换向阀组件

换向阀组件实现不同人群的功能切换，并且能够控制清洁的流量大小。

（6）冲洗组件

冲洗组件主要包括电机、齿轮组和喷头组等。通过电机使齿轮组运动，然后与喷头组啮合，从而带动喷头组做往返运动，进行冲洗。

2.3.2 电路控制部分

电路控制部分主要包括电源板、主控板、即热控制板、按键板等。

（1）电源板

电源板是控制系统的重要组成部分，负责控制电路的电源方面，提供足够的驱动电压，保持电路工作时有稳定的输出电流。

（2）主控板

主控板是系统的控制中心，包括各种器件的驱动电路，能对空气泵、冲洗电机、烘干电机等进行控制。

（3）即热控制板

即热控制板能够控制即热组件中的加热管，从而控制水加热的温度、时间以及功率等。

（4）按键板

按键板由按键和状态显示LED组成。

2.3.3 机构及加热器部分

机构及加热器部分主要包括烘干组件、齿轮箱组件、除臭组件等。

（1）齿轮箱组件

齿轮箱组件主要是实现机构中功能的传递，如自动冲洗、自动翻盖等。

（2）烘干组件

烘干组件主要包括云母加热器、鼓风机、温度传感器和风道盖，实现冲洗后的皮肤烘干功能。

（3）除臭组件

除臭组件主要包括活性碳、吸风机等，能够将如厕后产生的臭气吸入活性炭中，进行空气的清洁[8]。

4 结束语

该老年人如厕智能辅助装置的设计，通过曲柄滑块机构的设计，解决了老年人自行在轮椅上的大小便问题。利用连杆机构实现运动的传递，通过加装棘轮系统实现对摇杆位置的控制，从而让使用者实现下肢位置的调整，清洁控制系统的设计采用PLC 为控制器，实现对水路、电路、加热器部件的控制。该装置功能实用、操作简单、安全可靠，能对老年人的生活能力以及生活质量做出明显的改善。