基于助残扶老用途的可升降马桶盖马桶圈机构设计

翟经纬?乐咏琪?李港?刘子蔚?陈嘉欣

摘 要：当前，我国的老龄化程度越来越高，给社会带来了一定的压力。中国有大多数老人都是独自生活，在生活中存在诸多不便，其因身体机能衰弱，往往需要借助特殊的辅具或者其他外力来进行生活。但是，针对老年人群体使用的产品质量良莠不齐，难以满足其生活需求。例如，当前，多数老年人存在如厕困难的问题，例如，难以独自顺利地坐到马桶上，在如厕完毕后，由于长时间的坐姿导致老年人起身困难。由此，研究者根据自身所学的内容，设计了一种可升降马桶盖马桶圈机构，该机构能帮助老人安全地坐到马桶上，如厕完能安全起身。

关键词：老龄化;马桶;升降结构

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）05-0069-03

Abstract： At present， the aging degree of our country is higher and higher， which brings some pressure to the society. Most of the old people in China live alone， and there are many inconveniences in their life. Because of their weak physical function， they often need special aids or other external forces to live. However， the quality of products used for the elderly group is uneven， which is difficult to meet their living needs. For example， at present， most of the elderly have the problem of difficulty in going to the toilet. For example， it is difficult to sit on the toilet alone and smoothly. After going to the toilet， it is difficult for the elderly to get up because of the long-time sitting posture. Therefore， according to what they have learned， the researchers designed a kind of mechanism that can lift the toilet cover and toilet ring， which can help the elderly sit on the toilet safely and get up safely after going to the toilet.

Keywords： aging;toilet;lifting structure

當前市面上辅助老人如厕的装置分为两类：一类是将椅子改装成简单且固定的承载机构作为辅助老人如厕的装置;另一类则较为复杂，是数字化、智能化的可升降马桶辅助装置，缺点是占地面积大，占地面积是马桶自身的两倍。由此，本文设计了一种集成式马桶圈升降机构，这种升降机构不仅可以保证老人正常如厕，而且兼顾了老人如厕时的舒适性与安全性。

1 升降结构对比

1.1 传统升降结构

在采用传统升降结构的马桶中，使用者通过开关控制电机的启停。电机运转使得两侧的金属支撑臂增压，支撑臂连接马桶圈和双摇杆机构，双摇杆机构作为从动件连接执行机构马桶圈，使用者在支撑臂的托举和双摇杆机构的支撑下完成整个使用过程[1-9]。传统升降结构如图1所示。

1.2 集成式马桶圈升降机构

集成式马桶圈升降结构如图2所示。集成式马桶圈包括步进电机、螺纹杆、螺纹杆固定架、马桶圈、金属支撑杆、承重横梁、U型滑轨、承重底座。使用者通过电机控制承重横梁的升降，金属支撑杆沿滑轨的滑动，推动实现整个机构的升降。集成式马桶圈升降结构如图2所示。

2 马桶圈结构设计

2.1 设计原则

①适用性设计原则：产品的设计必须坚持以人为本的原则，因此，该产品必须要满足老年人的基本需求，提升产品基础功能的使用效率。

②情感性设计原则：老年人的孤独感是我国老年群体常见的心理问题之一，因此，产品外观要体现柔和感，从而缓解老年人的孤独感。

③尊重性设计原则：老年人的自尊心很强，大致表现为不服老，害怕受到他人的另眼相待等。所以，老年人辅助产品的设计要尊重老年人的自尊心。

2.2 集成式可升降机构设计

在设计期间，研究者试验了多种升降角度、金属支撑杆的长度、集成方式、电机转速等数据，最终计算出最佳升降角度，并用使用MATLAB对人体坐起过程的臀部运动轨迹进行最小二乘法拟合，对得到的轨迹曲线进行整合。当确立基础数据后，研究者确定后期零配件加工方式及所需材料的数量。为了使该机构达到足够的刚度，研究者利用CATIA有限元分析模块进行强度校核后对模型进行优化，完成后的模型如图3所示。

从图3可以看出，马桶圈与承重横梁连接在一起，承重横梁的两端圆孔具有内螺纹，圆孔的内螺纹与螺纹杆的螺纹相互啮合。步进电机带动螺纹杆转动，螺纹杆的旋转运动转化为承重横梁的竖直运动，承重横梁上升。承重横梁的上升将带动马桶圈上升。金属支撑杆带动承重底座沿着U型滑轨滑动。金属支撑杆推动马桶圈运动。反向重复上述运动，可以实现马桶圈的下降。

2.3 CATIA有限元静应力分析

为了判断所采用的材料是否能承受成年人的强度和刚度要求，在CATIA中进行了有限元分析。有限元计算输出结果有多种，常用的有米塞斯等效应力分布图及位移图。采取静应力分析后的米塞斯等效应力分布图如图4所示。由图4可知，马桶圈位置和承重底座位置应力最为集中，应特别加固这一部分。

3 集成式马桶圈升降机构测试

为了对实物进行测试，研究者通过多组人员的试用测试，证明了本文所设计的集成式马桶圈升降机构能顺利完成马桶圈升降，满足承载能力强、运动过程平稳、占地面积小等要求。由于男性成年人的体重与女性成年人的体重在数值上差异较大，研究者通过多组不同体重的人员进行多次试用实验，详细记录实验的整个过程。从使用人员与马桶圈升降机构接触开始，到实验人员离开马桶圈升降机构结束，该机构都能实现升降马桶完整的功能。

4 应用前景

该设计能帮助老人更安全地坐到马桶上，如厕完能安全地帮助其起身。相比市场上的竞品来说，这款产品体积更小，外观更加接近马桶原本的造型，减小医疗化的外观带给使用者的巨大心理压力。

5 结语

整个集成式马桶圈升降机构设计过程特别复杂，在设计时需要忽略部分因素，建立理想化的模型，主要借助软件的仿真验证可行性，求最佳值。本次设计主要以CATIA软件为工具，建立三维模型，并进行应力分析和预装配，完成后检查各个零件与其他零件的位置关系是否发生干涉、配合是否合理，最终实现完整设计。整个模型制作完成后，通过实验证明集成式升降机构的可行性。

参考文献：

[1]张纯，许勇军，包瑞，等.基于CATIA的气盾坝坝板参数化建模与静力分析[J].农业装备技术，2019（5）：52-55.

[2]涂志澳，李晓东，谢有浩.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.

[3]郭英，周国芳，高建红.一种医用马桶的设计与应用[J].护理管理杂志，2019（8）：559.

[4]金宇航，杨玉维，陈世明.液压助力马桶装置设计[J].天津理工大学学报，2018（6）：15-19.

[5]边佳思，胡文杰，韩志伟.基于系统论的老年人如厕助力产品创新设计研究[J].工业设计，2020（4）：76-78.

[6]王赛，陶涛.基于单片机的可升降智能马桶设计与实现[J].扬州工业职业技术学院论丛，2019（4）：35-38.

[7]敬菲菲.老年人無动力助行器研究与设计[D].成都：西南交通大学，2009：45.

[9]姬广如.基于用户体验的老年助行产品设计研究[D].上海：华东理工大学，2013：36.