水压升降如厕辅助装置的研制

罗广权，韩雪松，谢东津，丁 勇

(1.广西水利电力职业技术学院机电工程系，广西 南宁 530023；2.广西民族师范学院数理与电子信息工程学院，广西 崇左 532200；3.贵州理工学院航空航天工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

随着社会的发展，我国老年人口逐年增多，自2000年迈入老龄化社会之后，我国人口老龄化的程度持续加深。到2022年左右，中国65岁以上人口将占到总人口的14%，实现向老龄社会的转变。老年人的下蹲、站立能力严重下降，生活自理能力逐渐退化，尤其在如厕时，由于膝盖不能受力、腿脚不够灵活，出现下蹲、起身困难的问题，且用力不当易发生滑倒摔跤的意外，给家庭和个人造成不好的影响。关爱老年人，提高生活质量，实现健康老龄化，为老年人提供安全舒适的产品和服务，己成为衡量社会进步和科技发展水平的重要标志[1]。当人口老龄化社会到来，为适应年龄结构转变产生的影响，将会重点研究应对老年人生活需求的适老产品、教育和卫生系统、城市基础实施等方面[2]。

1 辅助如厕产品现状

目前，国内外许多专家针对老年人下蹲、站立困难的问题提供了许多辅助产品来帮助老年人。

传统辅助如厕产品包括助力扶手、坐便椅，如图1所示。适用于腿部肌肉退化，下肢力量不足，使用上肢力量来辅助站立，但是随着年龄的增长，老年人全身肌肉力量衰退，如果过度使用上肢力量，同样会导致肩膀疼痛以及其他并发症状[3]。

图1 传统辅助如厕产品

为此，一些专家学者研究了如厕产品。美国加州大学伯克利分校研发的三自由度辅助站起穿戴式机器人[4]，结构简单，但只辅助起身动作，不能辅助就座。德国海德堡大学研究的辅助站起系统，助力训练者完成站起动作[5]，但设备昂贵，一般普通家庭无法承受。李远利等[6]提出了一种新的坐立运动轨迹，设计了一款如厕辅助装置，但该装置使用电机驱动，设备较昂贵。梁艳琼等[7]设计了新型升降式坐便器，较好地解决了老年人如厕时遇到的问题，但设计产品并未能投入生产使用。李兆亮等[8]研究设计了一种老年人如厕辅助装置，该装置使用伺服电机驱动，在潮湿的浴室对于用电安全有更高要求，线路的布置需重新设计，通用性不够强。刘坤等[9]通过分析确定站起过程中人体运动学参数，设计了多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构，但是该装置同样使用伺服电机驱动，卫生间需要改造线路，有一定的用电安全隐患。

因此，市场急需一款可以帮助特殊人群在如厕过程中轻松起身站立、下蹲，不需要重新布置电线路，无需安装电源插座，可以在潮湿的环境中安全使用，且成本经济、使用方便的坐便器升降辅助装置。本文针对各类辅助如厕装置的缺点和不足，研制一款新型水压升降如厕辅助装置，独立于已装好的马桶结构，无需改造卫生间，且装置结构简单，安全可靠。

2 水压升降如厕辅助装置运动方案设计

参考前人学者的研究站立运动评价方法，站立运动主要依靠下肢力量完成从坐位到站立的过程。而老年人因肌肉机能退化、肌力不足的原因导致站立困难或失败。通过观察分析中青年、老年人自然站立过程，分析人体起立过程的运动轨迹，站立运动从开始的静止平衡状态，到下肢发力，身体前倾产生惯性力带动髋关节离开座椅，下肢起支撑作用，直至人体完全站直。人体坐立转换简化模型如图2所示。可将人体站立过程分为3个阶段：第1阶段为髋关节活动，上身前倾，重心向前，如图2a和图2b所示；第2阶段为臀部与座位分离，膝关节活动，腿部肌肉收缩，重心向上向前，如图2c所示；第3阶段为身体在各关节协调配合下运动，重心到达最高点，并实现站稳，如图2d所示[10]。

图2 人体坐立转换简化模型

而人在如厕过程也是坐与站立2种状态的改变，因此，如厕辅助装置需要满足坐与站立2种状态转换的要求，即辅助装置有能实现将使用者抬升和前翻的功能。为测定辅助装置所需要的动力大小，对人体进行从坐姿到自然站立的实验测试，测试站立过程所需要的推力，从而分析确定水压升降如厕辅助装置所需要的动力，建立如厕辅助装置的运动设计方案。

实验选取12名无身体缺陷的老年人作为实验对象，受测者平均体重60 kg，平均身高166 cm。通过人体自然站立实验来记录分析足底压力情况，用于设计如厕辅助装置的推力驱动参数。假设受测者主要承力脚为右脚，测试效果如图3所示，通过实验仪器记录测试者足底压力情况F。每组实验测试3次记录数据，取平均值得到如图4所示受测者右脚压力变化趋势。因人从坐姿到站立，脚对采集器的压力会增大，即F随着时间的增加逐渐增大并到一定阶段达到最大值，且该值比人的重力值大，也从侧面反映了人在站立过程小腿发力，身体前倾产生惯性力带动髋关节离开座椅。通过该实验得到右脚压力变化趋势情况，为后续选取动力支撑机构提供一定的数据参考。

图3 测试实验效果

图4 受测者右脚压力变化趋势

为实现坐姿到站立2种状态转换的功能要求，给辅助装置添加动力支撑机构。经上述分析的运动模式，只需给辅助装置提供直线的运动即满足要求。目前，市场上较常见的机构有电动推杆、液压和气压推杆等，而使用较广的是电动推杆机构。虽然电动推杆结构简单、使用较方便，但是市场需要一款不需要重新布置电线路，无需安装电源插座，可以在潮湿的环境中安全使用的成本经济、使用方便的坐便器升降辅助装置。因此，本装置采用自研液压推杆，操作简单，安全可靠，装置的具体设计方案原理如图5所示。

图5 辅助装置运动设计方案原理

3 装置结构设计

3.1 机械结构设计

经运动设计分析可知，辅助装置要实现坐垫椅的抬升和翻转辅助使用者推起和站立的功能。装置的机械机构包括可升降支撑机架、驱动装置和扶手支撑机构。参考人机工程学的人体尺寸数据[11]，装置设计的整体组装如图6所示。可升降支撑机架具有一定高度，配合家庭马桶使用，不用改变原装马桶结构，具有稳定支撑的作用，可即插即用，方便快捷。且考虑到了产品安装方便性问题，各个部件间主要采取螺栓连接，拆卸方便。驱动装置主要由2个水压缸和驱动开关组成，采用自来水作动力源，实现装置的升降功能。扶手支撑机构用于提高升降装置的稳定性，保证使用者的人身安全，起辅助坐稳的作用。

图6 水压升降辅助装置整体组装效果

3.2 水压控制设计

为满足采用自来水作为动力源，实现升降控制功能，需对装置进行水压管路进出水方式的控制设计，包括水压管路和三通球阀驱动机构设计。具体设计原理如图7和图8所示。卫生间中引出自来水管，与节流阀连接，节流阀控制流量大小，接上L型三通球阀左接口；节流阀中间接口用水管连接水压缸；节流阀右接口用水管连接马桶水箱。用L型三通球阀实现对水流的控制，将阀芯旋转到a位置，水压缸接通自来水管，水压推动活塞伸出；将阀芯旋转到b位置，水压缸接通马桶水箱，在外力作用下推动活塞收回，缸体内的水排出到马桶水箱，可以节约用水。将阀芯旋转到c或d位置，可以实现压力保持。

图7 水压管路连接原理

图8 L型三通球阀工作原理

3.3 有限元结构强度分析

根据上述设计方案，对图6结构的整机模型适当简化，进行有限元结构强度分析校核，支架、连杆使用Q235钢材料，许用应力[σ]=235 MPa，整个装置额定承载量80 kg，主要技术参数如表1所示。

表1 装置结构参数

按最大承载量80 kg在有限元分析软件ABAQUS中对装置机械结构进行强度分析校核，装置受应力分析如图9所示，整个运动过程的应力变化曲线如图10所示。根据仿真分析结果显示，结构的等效应力最大值σmax=140.9 MPa<[σ]，且整个运动过程的应力曲线均保持在合理的范围内。因此，整个结构的强度符合设计要求，满足下一步研制方案的实施，进行实际样机试制验证。

图9 有限元仿真应力云图

图10 应力最大5个区域运动过程的应力变化曲线

4 样机研制

根据设计方案和有限元仿真结果，对整机模型进行样机研制，成品如图11所示。目前，已完成12台小批量设备的生产，并进入周边社区、小区和部分家庭安装试用。

图11 样机研制成品测试

根据样机的实验情况，进驻社区、医院和小区等，邀请年龄50岁以上的老人50例体验如厕辅助装置。采用李克特量表5级法进行满意度测评，检测装置的实用性、舒适性，打分原则为5分非常满意，4分满意，3分一般，2分不满意，1分非常不满意。体验者对如厕辅助装置的满意度李克特量表如表2所示，其中表格中的数字表示样本数中选择的使用满意度情况。

表2 体验者对如厕辅助装置的满意度李克特量表

由表2看出，装置得到较好的评价，具有较好的平稳性，确实能改善老人的如厕过程，提高老人的生活水平。装置的操作简便、使用安全获得一致好评。对于产品的外观、重量和尺寸大小，仍有改善空间，对于部分老人觉得有点偏重。对于产品的购买性，因初步制定的价格，没有做好市场规划，导致老人考虑购买该产品的可能性不高，后续针对市场调研后制定合理的价格。

5 结束语

本文装置是利用自来水压进行升降驱动的坐便器辅助装置，解决高龄老人由于腿部骨骼功能退化，老人如厕起立、下蹲困难的问题，协助高龄老人如厕起身站稳、下蹲坐稳的动作。是一款贴合高龄老人需求的装置，能安装在普通家庭的卫生间内，避免卫生间线路需重新布置，无触电风险，解决了目前国内产品稳定性差、存在安全隐患等实际问题，为他们的日常生活提供便利。

本产品在理论和实践层面均验证了产品结构设计的可行性，且产品荣获2021年第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛高职组国赛银奖，产品具有良好的可推广性，对于提高老年人的生活质量和促进社会的和谐发展具有重要的意义。但是产品在外观设计方面还有提升空间，后续将根据老年人的品味需求进行美观设计，并做好结构的封装包裹，进一步推向市场化。