一种如厕坐立辅助装置的结构设计

2021-06-22侯俊宇许津阁吕宁李志强郑立伟

电子元器件与信息技术 2021年3期

侯俊宇，许津阁，吕宁，李志强，郑立伟

（天津理工大学中环信息学院机械工程系，天津 300380）

0 引言

如厕坐立辅助装置是近年来机械设计、工业设计、现代家居、医疗护理、训练康复等领域的研究热点，研究旨在解决身体机能衰退的老龄人、下肢运动轻度障碍的残疾人、运动损伤者、意外受伤者、大龄产妇等人群面临的独立如厕困难问题。

从市场来看，国内外市场关于如厕坐立辅助产品主要为简易扶手装置和带助力的辅助装置。简易扶手装置的使用方法是将扶手固定安装在如厕坐便器两侧，在如厕就座起身的过程中用上肢撑住扶手，然后缓慢就座或起身，此类产品结构简单，但是对如厕困难的人独立完成如厕过程的帮助比较有限。近两年，市场上陆续出现了以电机或液压缸驱动的如厕坐立辅助装置，优点在于外观造型较好，但是售价较高，对安装空间有一定的要求，质量和体积上还有进一步优化的空间。如何在有限的卫生间区域，设计出质量轻、体积小、工作可靠的机械装置，以达到对如厕过程中对坐立姿态转换的正确辅助，是亟待解决的问题。

1 原理分析

从如厕坐立辅助装置的功能出发，在完成就座和起身的动作中，座椅必须能够占据如图1所示的两个位置（位置1和位置2），并且座椅在上述两位置之间能够连续往复运动，根据机械原理的相关理论，能够实现这样运动规律的机构有凸轮机构、连杆机构、齿轮齿条机构以及复合机构[1]。综合考虑空间、加工制造成本等因素，采取连杆机构实现此运动是最为适合的。

2 机构设计与结构实现

根据四杆机构的设计理论，已知两个活动铰链各自占据两位置，设计四杆机构，可知两固定铰链位置在连杆两位置连线的中垂线上，为方便在一条立柱上安装固定铰链，确定固定铰链时，将两个固定铰链确定在一条竖直线上（如图1），求解出两固定铰链的位置。考虑节省空间的要求，铰链的水平位置应不超过座椅的两端。根据查阅的洁具标准以及市场上常见坐便器的尺寸，坐便器座位上表面距地面高度为400-440mm，因此确定了座椅处于位置1时，座椅距地面高度为450mm，处于位置2时，座椅最前端提升高度为200mm。

图1 连杆和固定铰链位置示意图

为保证能在结构上实现所设计的四杆机构的运动，保证如厕坐立辅助装置的正确运动，特在SolidWorks软件中进行零件的三维设计、装配和运动仿真，验证各部件在运动过程中不发生干涉[2-3]。驱动部分选择体积小，质量轻的推杆电机，支撑部分选用铝型材，底座部分安装带刹车万向轮，方便整个装置的移动和固定,如厕坐立辅助装置的三维图如图2所示。

图2 如厕坐立辅助装置三维图

3 有限元分析

随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元分析可以在产品制造之前预先发现潜在的问题，是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一种有效手段[4-5]。因此在本装置设计完成后，使用SolidWorks中的有限元计算模块对主要承重零件进行强度和刚度的校核分析，计算结果如图3、图4所示。从图中可以看出零件的强度极限为206.8Mpa，实际最大等效应力为139.1Mpa，因此强度符合要求。实际应变为0.00036，与零件本身尺寸相比，形变可忽略不计，因此刚度也符合要求。