智能坐便椅设计研究

周晶晶，李坤伦，诸葛德明，闫佳琪，董桂馥

（大连大学，辽宁 大连 116622）

中国老龄人口达2.6 亿，老年人的队伍越来越庞大，解决老年人如厕难的问题对于提高老年人的晚年生活幸福指数具有重要意义。当前市面上出现了各种类型的坐便椅，例如普通坐便椅、蹲便变成坐便的马桶椅以及起辅助功能的如厕助力架等，不论是哪种坐便椅都存在优缺点，很难满足所有老年人的需求。随着智能化技术的发展，AI 语音可移动恒温全自动智能马桶逐渐受到老年人年青睐，但是有些老年人的普通话不标准或者因为某种疾病导致发音不清晰，都会导致智能语音马桶无法流畅工作，所以研究一款新型智能坐便椅就显得尤为重要[1]。

为此，针对老年人不能熟练使用智能化产品的行动缺陷和目前市面上众多坐便椅可知，应除去AI 语音以及其他老年人需要动手操作的功能，除此之外，还应加入如脚蹬、可调节扶手和夜用灯等人性化设计；而当今大部分坐便椅只考虑了如厕这一环节，没有考虑到老年人的安全问题。于是，应在现有坐便椅基础上结合助力架理念、智能化元素和便捷程度综合思考新型智能坐便椅的整体框架。

1 整体模型分析及智能化

1.1 模型设计

首先，新型智能坐便椅最基本结构组成部分应包括市面上已有的：①底座为圆柱体外观，减少磕碰；②椅子正后方有靠背防止后仰摔倒；③2 侧有可固定可拆卸的扶手；④2 侧有纸巾和其他物品的放置区域；⑤底部后方有使坐便椅可便携移动的滚轮。整体外观基础上要主打人性化设计，其中防异味措施是室内坐便椅一大重点关注问题，在考虑大众经济条件下不应有过多的制作过程，可在内桶方面进行创新改良。同时依据市场痛点，其自动化建模方面要包含红外开合坐便盖结构，坐便起落装置，可调整坐便椅高度的升降装置。

其坐便椅外观的人性化设计要着重考虑到夜间如厕、舒适性、异味处理及置物，应分别设计夜间如厕时所需荧光灯条，2 侧使排便更加舒适的脚蹬，2侧功能置物区（左侧区域可放报纸、纸巾、除臭剂；右侧可放手机等杂物）；利用摇杆可调节高度，锁紧滑块进行高度固定，内筒采用隔断设计能进一步隔绝异味。

经资料查找，18～44 岁中国男性平均身高169.7 cm，中国女性平均身高158.0 cm[2]，随着年龄的增加平均会变矮3～8 cm，严重的甚至会比年轻时矮10 cm 以上[3]。故老年人平均身高约为男性161.7～166.7 cm，女性150～155 cm，但鉴于老年人变矮主要原因为骨质疏松和腰间盘老化，变矮的部位主要在脊柱即上半身，对坐便椅设计的影响较小[4]。由人体比例可得，小腿的长度为身高的1/4。基于以上老年人们的身高大致介于150～169.7 cm，故37.5～42.425 cm 为合适的调节范围。如果计算鞋子的厚度，适当增加1 cm 左右。

电商平台上大部分坐便椅高度都在40 cm，高度调节最高到45 cm。根据以上数据，我们可以适当降低最低高度；淘宝上马桶圈宽度大部分为42～50 cm，可以取最大值；扶手高低都有，7～17 cm，高的扶手便于支撑用力。从安全和舒适角度，老年人卧室宜设置坐便器，并且要照顾到下肢障碍的老年人。其高度需参考轮椅坐面的高度，以370～390 mm 为宜，其设计草图如图1 所示。

图1 新型智能坐便椅三视图

2.2 力学分析

通过实践发现，老年人在坐便椅上的动作为按压扶手，老年人被便圈撑起。因此坐便椅受力主要为扶手被压、便圈被压2 部分，采用塑料ABS 作为坐便椅材料。扶手的力学分析（为方便显示清晰，这里的色块顺序会根据分析变化作相应调整，故不统一，便圈同理），如图2 所示。

图2 扶手等效应图

由图2 可知，色块由黑变白表示应力由大到小，其最大应力为1.340 4 MPa，在其与下方平面接触的2侧靠边缘位置；最小应力为2.228 9×10-5MPa，在支座处。根据1 MPa=106Pa，1 千克力/平方厘米=10 牛顿/10-4平方米=105牛顿/平方米=105Pa，所以1 MPa=10千克力/平方厘米，也就是所说的10 kg 压力可得，扶手所受的最大压力即为13.404 kg。在实验中测试的5 次压 力 分 别 为10.90、12.50、15.30、11.35、14.30 （单位：kg），其平均压力为12.87 kg，若除去一个最大值和一个最小值，则平均压力变为12.72 kg，符合其设计标准。

在进行土木、机械等工程设计时，为了防止因材料的缺陷、工作的偏差、外力的突增等因素引起的后果，工程的受力部分实际上能够担负的力必须大于其容许担负的力，二者之比叫做安全系数，即极限应力与许用应力之比，也指做某事的安全、可靠程度。此处的许用应力为2.45 MPa，安全系数是评定设计好坏的一个参数，此椅扶手的最小安全系数为2.45/1.340 4≈1.827 8。大多数结构钢和铝合金等塑性材料的应力－应变曲线有明显的屈服，故规定由塑性材料制成的零件或构件的失效应力为屈服极限，这称为屈服准则。铸铁和高强钢等脆性材料的应力－应变曲线没有明显的屈服，故规定由脆性材料制成的零件或构件的失效应力为强度极限，这称为断裂准则。在疲劳强度设计中，失效应力采用疲劳极限，安全系数在很大程度上根据设计经验来确定。一般来说，标准工程规定通常要求安全系数为1.5 或更大。任何位置的安全系数，小于1.0 意指这个位置的材料已降伏，等于1.0 意指这个位置的材料开始屈服，大于1.0 意指这个位置的材料尚未屈服。材料不同其安全系数也就不同，如铸钢和铸铁差别就大了，铸铁起码要3.0 或者更大，铸钢1.5～2.0 就可以了。由于此扶手的最小安全系数为1.827 8，其结果大于1.5，符合设计标准。安全余量与应力比不作为重点评定标准，故此处不再赘述。

其便圈被压的力学分析如下，老年人在站起时便圈会给予老年人斜向前的力[5]，将此力正交分解后即为平行于便圈向前的力与垂直于便圈向下的力，与扶手分析同理，这里以便圈抬到最大角度的瞬时静态为主要研究对象。如图3 所示，其最大应力为1.847 2×10-2MPa（色块最深即为最大应力），最小应力为1.000 1×10-5MPa，即便圈所能承受的最大压力为0.184 72 kg，此处数值很小是因为老年人有一部分是需要关节借力站起的，省掉了便圈一部分力[5]；最小安全系数为0.03/1.847 2×10-2MPa≈1.624，大于1.5，符合设计标准。

图3 便圈等效应力图

1.3 整体智能化

首先，老年人如厕整体流程是：靠近坐便椅到达指定范围坐便盖开启，老年人坐下，进行如厕，起来时需要辅助站起；在如厕设定时间内起来则不报警，超过则报警。

则智能化过程应为：老年人靠近坐便椅时，设计2种开合坐便盖方式，一种是一般情况下老年人触发坐便椅前部的红外感应器，坐便盖开启；另一种是老年人从侧面转动扶手，从侧面触发红外感应器；若此时红外感应器无反应，也可直接手动打开坐便盖。如厕时通过便圈上压感装置记录其如厕时间以免超时，保证安全，若超时则坐便椅右侧的报警装置报警并发送给子女端的微信小程序以提醒[6]。正常情况下在老年人如厕完之后，起身时手部按压扶手，触发起落传导机构，帮助老年人解决腿麻时不方便起身的困难，同时显示屏显示本次如厕时间与小程序同步监测及时调整检查老年人身体状况。完成起落后，红外感应器有热量减小时，触发坐便盖使其合上。如果老年人觉得如厕时的高度不舒适，可让子女手摇坐便椅左侧下方的摇杆调节圈数以达到最佳如厕高度。

综上，智能化设计方案是红外开合结构，适当的感应范围内自动开合盖（包括红外感应器，舵机及其转轴，坐便盖）；坐便起落装置，如厕之后倾斜一定角度帮助老年人站起（包括扶手上压感装置，蜗轮蜗杆机构，电机，连杆机构）；升降装置，调节如厕所需的合适高度（由摇杆连接凸轮机构及其锁紧滑块组成）；显示屏，与小程序（子女端）联动，单向语音功能，来报告老年人健康情况（包括前侧液晶显示及后侧蜂鸣报警器）。

STM32F103RCT6 单片机作为主控芯片对多个传感器数据的采集和处理。接下来利用热释电红外感应原理，内置于坐便椅前侧的红外感应模块通过收集红外能量变化触发感应器动作，开合坐便盖动作的完成需要用位于坐便椅右侧扶手内部的ESP32 单片机来控制舵机实现。

为使得坐便椅上老年人如厕状况表示出来，还应在便圈表面布置HX710A 压力传感器，来记录老年人的入厕时间和频率，即如厕之后老年人起身时通过按压扶手上的压力感应器来响应便圈[7]，抬起老年人。在保证安全的前提下，在单片机上设置个人的如厕设定最大时间，超过此时间范围则提示警报状态。此步骤可使用蓝牙收发装置蓝牙发送数据，将其安装在坐便椅右侧扶手内部，针对于老年人应对智能化元素的生疏性，在小程序共享方面应做2 种方案：①由于蓝牙模块HC06 与具备串口通信功能的ESP32 单片机相连，智能手机可以通过蓝牙连接传输指令和数据，故可以发送数据到微信小程序，与微信朋友圈的共享同理，子女端会看到老年人如厕的情况；②老年人只有老年机时，利用WiFi（YX-WF-12V-2）将如厕信息上传到小程序，子女端直接用手机或其他设备终端查看小程序中老年人的如厕信息[8]。为进一步保障老年人安全在扶手右侧设置手动警报按钮，老年人可主动向家人推送，记录保留在小程序上。

2 小程序的人机交互

2.1 界面的初步设想

目前智能家居都是个人远程单方面操作，对于人与人的操控，其解决方案可为子女、老年人分别设计对应的小程序，保证监控同步，通过老年人端小程序的操作来以此区分是哪一个人正在如厕，从而同步信息；由单片机记录每个使用者每日如厕次数上传到终端，即小程序，从而使子女端可查看；警报时需要有相应界面的警报提醒，而未报警时可显示为待机状态，二者样式有所区分；老年人端字体要更大及排版要更简洁，老年人若可较为熟练使用智能机，可发送给子女自己本次的如厕信息；对于无智能机的老年人，需有所记号标识，使其醒目从而在子女端录入。综上，内外互联就完成了，因此将小程序初步设置为4 个界面（1 主3 副）。

2.2 原型设计

小程序的人性化也是十分重要的一环，在设计原型时，将子女端可能会为老年人购买物品及老年人端与子女端切换模式时的误触情况考虑进去，余下的部分则对上述两种情况进行展开，如健康提示弹窗、切换模式弹窗，购买保健品的一系列流程界面、养生食谱等。

那么在上述基础上进行原型设计的交互过程如下：点击主页面的健康提示按钮会出现弹窗显示是否进入养生区，若点击即可进入副界面“养生”，里面包含“逛逛好物”和“天天食谱”，这两处主要是方便子女从子女端为老年人的健康保驾护航，并且可以在“逛逛好物”子界面进行购物，包括商品详情，购物车，消息列表；在老年人模式的主界面下设置了“发送给”选项，可将本次如厕信息有选择性地发给想要发送的人，并在本界面的下方设置是否切换为子女模式的按钮（子女模式下的切换按钮在最上方），方便模式的转换，若老年人误触此按钮则会跳出弹窗进一步确认，点击确定则跳转，在跳转后若还想回到老年人模式界面，可点击子女模式主界面最上方“子女模式”4 个字旁边的切换按钮跳回老年人模式，不点击则回到老年人模式原界面；最后为子女模式下的个人中心副界面（为防止老年人对智能机运用不熟练，只有子女模式有个人中心）。

3 结论

本研究通过对市场坐便椅的行情及目前出售的坐便椅样式进行了系统分析，在理解了智能家居领域的具体内容后从机械、自动化、小程序方面做出了相应的革新设计与创意优化，并得到了如下结论：①由Workbench 进行力学分析可知，扶手的最小安全系数为1.827 8，其结果大于1.5；便圈最小安全系数为1.624，大于1.5。2 者均符合设计标准。②对市场上现有坐便椅进行外观人性化升级设计：荧光灯条、脚蹬、两侧的置物区、摇杆可调节高度、锁紧滑块的高度固定、内筒隔断设计。③建模方面利用SOLIDWORKS 设计红外开合结构、坐便起落装置、升降装置、显示屏及外壳做出整体架构。④智能化部分利用红外感应模块通过收集能量变化，使单片机来控制舵机实现开启盖子；老年人起身时通过按压扶手上压力感应器被便圈抬起；在达到设定时间的最大值时，蓝牙收发装置蓝牙发送数据；老年人无智能机时，利用WiFi 将如厕信息上传到小程序上，子女端可直接查看小程序中老年人的如厕信息。⑤小程序的UI 界面包括子女端与老年人端，为方便老年人的健康从而设计包含购物、食谱、每日推荐等；在人性化方面将切换模式双重提醒，以防误触。