自动升降助老型坐式马桶支架设计＊

万筠钱，敏晓腾，袁文涛，万宏强

（西安工业大学机电工程学院，陕西 西安 710021）

中国已经全面进入老龄化社会，中国的城市化发展未能充分考虑人口老龄化、已有生活居住环境和基础设施难以满足老龄社会的要求。现如今助老辅助设施是补民生短板的必要举措[1]。老年人在如厕过程中需要起坐，很容易出现因为腿部或者腰部力量不足导致起坐失败，甚至如厕后站立困难而摔倒的情况。厕所助老支架的推广，将帮助老年人如厕后站立，并且大幅降低老年人在如厕蹲起时摔倒的概率，保障老年人的生命安全[2-4]。图1 为现在市面上最常见的几种辅助老年人如厕后起身的产品，老年人辅助起身的马桶支架主要由结构钢管连接而成，除此之外，有些公共卫生间的马桶采用的只是1 根扶手，这些马桶支架不仅结构不稳定，而且需要老年人依靠自身腿部、臂部力量及手臂力量起身，如果自身手臂、腿部力量不足，很容易造成老年人摔伤[5-6]。

图1 目前市面上已有的马桶支架

因此，针对目前的市场情况以及状态，为了减少老年人如厕时摔伤的概率，基于人机工程学原理，通过对老年人如厕时起坐过程助力方式、姿势变化、人机距离的观察，分析起坐过程的人体受力特点，发现老年人在空间内活动时产生的各种需求，设计一种以电机作为驱动，预设轨道，通过曲柄摇杆机构将人抬起的马桶支架，减少老年人依靠自身力量起身的情况。

1 总体设计

自动升降助老型坐式马桶支架总体设计如图2 所示，其主要由马桶坐垫、电动机、传动机构、支撑板4部分组成，主体框架采用铝合金材质，主体尺寸为长700 mm、宽500 mm、高400 mm，整体质量30 kg，框架使用铝型材结构拼接。

图2 马桶支架实物

如厕时打开开关电机驱动曲柄摇杆机构使马桶座圈上升，等待马桶坐垫升高后，坐在马桶坐垫上，按下降按钮，通过电机反转，下降到马桶座圈最低点；起身时，先使马桶坐垫升高到双脚能够站立的高度，起身后将坐垫调至最低。马桶支架结构如图3 所示。

图3 马桶支架结构图

2 主要机构设计

2.1 双四杆机构

图4 为双四杆机构，由曲柄、连接杆和活动杆组成，连接杆和活动杆通过螺栓连接，在工作时以曲柄为主动件，在工作过程中由电机带动曲柄等速旋转，曲柄带动连接杆作为从动件做变速往复摆动，活动杆做平面复合运动。根据支撑板尺寸得出各杆尺寸，如AB=67 mm，BC=253 mm，CD=DE=160 mm。根据曲柄存在性条件得AB+BC≤CD+AD，条件成立，设计合理。

图4 双四连杆机构

2.2 马桶坐垫设计

该部分由扶手、马桶垫以及滑块组成，四连杆机构推动滑块，控制马桶坐垫升降。马桶座盖的设计在综合考虑现有马桶的尺寸下，在座圈下部增加了滑轨，并且在扶手与马桶座圈之间进行焊接，另外为了更加方便老年人起身，增设了靠背，使老年人在如厕时更加舒服。马桶坐垫的三维模型如图5 所示。

图5 马桶坐垫三维模型

2.3 支撑板设计

支撑板作为最主要的支撑结构，在设计过程中综合考虑现有马桶的尺寸、高度，以及老年人自身身体结构的特殊性，支撑板整体质量为10 kg，曲柄滑块机构、电机、滑轨均固定在支撑板上，滑轨通过嵌套的方式在滑槽内滑动，抬升或者降低马桶座圈。支撑板三维图如图6 所示。

图6 支撑板三维图

根据国家体育总局发布的2019 年国民体质监测公报显示，中国老年人平均身高在167.2 cm，体重在69.1 kg，老年人半蹲的身高约为1 300 mm，通常马桶的高度为700 mm，因此支撑板的高度设为600 mm。综上，设计支撑板尺寸分别为高600 mm、长700 mm、宽100 mm。

3 有限元分析

在该设备中，由于受力最大的为支撑板和曲柄，曲柄受到连接电动机一端的扭矩，又受连接连接杆的压力，支撑板受来自马桶垫的压力以及老年人身体的质量，这2 个部件受力较多，一旦损坏，将会对老年人造成难以治疗好的骨折之类的摔伤，因此，应对曲柄和支撑板的最大许用应力以及最大形变进行分析。

3.1 曲柄校核

使用ANSYS 软件对曲柄进行有限元分析，并进行网格划分，设置材料为45 号钢，得到曲柄的形变图。从等效应力分布的角度来看，曲柄所受最大应力为40 MPa，最大应力小于其材料许用应力（120 MPa），所以曲柄的强度满足设计要求，如图7 所示。从变形云图角度可以看出上端盖的最大总变形量为2.230 6×10-7mm，应变量较小，最大应力为9.633 MPa，如图8所示。

图7 曲柄变形云图

图8 曲柄等效应力云图

3.2 支撑板校核

使用ANSYS 软件对支撑板进行有限元分析，并进行网格划分，设置材料为45 号钢，得到支撑板的形变图。从等效应力分布的角度来看，支撑板所受最大应力为70 MPa，最大应力小于其材料许用应力（120 MPa），所以支撑板的强度满足设计要求，如图9 所示。从变形云图角度可以看出上端盖的最大总变形量为1.265×10-8mm，应变量较小，最大应力为0.016 608 MPa，如图10 所示。

图9 支撑板变形云图

图10 支撑板等效应力云图

3.3 桶座圈校核

在助老型马桶支架的设计过程中，马桶座圈作为重要的承载部分之一，为支撑老年人起身和坐下的主要支撑部件，在实际使用过程中，与马桶座圈的实践工况进行对比，对比结果显示的设计可以满足实际使用需求。

负载和夹具如图11 所示，计算结果如图12 所示。

图11 负载和夹具

图12 马桶座圈校核

4 结论

本文对自动升降助老型坐式马桶支架进行了结构设计，该装置采用模块化设计方法，各个模块独立设计，组合安装，可以实现老年人如厕起身的便捷。本装置结构及其设计方法，可推广应用于家庭以及公共厕所等场合。

目前市场上还没有大规模生产的老年助力机器，对升降助老型坐式马桶支架的研究也不成熟，因此开发和研究新型老年人助力机械前景广阔。该设计是由四连杆机构、曲柄滑块机构、马桶坐垫等组成马桶支架，达到便捷快速地升降并能够为起坐助力的效果，具有广阔的应用市场。