基于老年用户的助老如厕马桶盖装置设计研究

宋菲菲，程小兵

（浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江 宁波 315012）

随着社会的发展，中国的老龄化也日益加重，在中国人口中，老年人所占的比例越来越大。根据联合国2019 年的预测，2035 年时中国65 岁及以上人口占比会达到20.68%。根据上述数据可知，中国目前处于老龄化的过程中，且在未来的十多年里有可能会进入超老龄社会[1]。在日常生活中，65 岁以上的老年人中生活部分自理或完全不能自理的老年人约占老年人总数的1/3[2]。他们在吃饭、洗澡、行走时会因为身体原因而不能过上最简单的生活，特别是如厕时，在坐下或离开马桶时，会存在严重安全隐患：①随着年龄增加，疾病随之而来，如高血压患者在排便时血压升高，极可能会发生意外；②如果老年人排便时间过长，可能会双腿麻木，难以站立，此时极易产生危险。因此，辅助老年人如厕装置的设计和研发显得尤为重要。

1 国内外研究现状

当前市面上辅助老人如厕的装置分为2 类，如图1所示：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；另一类为在马桶边安装扶手。将椅子改装虽然结构上考虑最简单，但是没有考虑美观性；在马桶边安装扶手，以双手用力代替了双脚用力，最终还是要靠老年人自身体力来支撑身体的重量来如厕。

图1 国内常用老年人辅助如厕装置

虽然目前有研究人员研究出可升降的马桶盖，但是结构也较为复杂，占地面积大。刘坤等[3]设计了一种辅助型如厕轮椅的坐站式机械结构，主要通过变杆长以及变杆位实现辅助人体站起和坐下的功能。李兆亮等[4]为了解决由于老年人蹲起较为困难导致如厕不方便的问题，设计了一种能辅助老年人如厕的装置，介绍了该装置机械结构的设计以及硬件部分的设计，操作简单，但功能较为单一。张幻等[5]设计的如厕智能辅助装置虽然增加了清洗等人文关怀服务功能，但是它的基本结构还是椅子。

2 研究内容与流程

研究人员设计的是一种集成式智能马桶盖，该设计在原有智能马桶盖功能的基础上，增加辅助扶手组件、靠背等附件，采用连杆机构加滑道控制起身的运动轨迹，以电机作为顶起动力源，使马桶盖顶起倾斜一定角度，辅助老人更便捷安全地坐到马桶上，如厕完也能借助动力源马桶盖，安全地帮助其起身。除此功能外，还贴合老年人需求提供更舒适更人性化的服务，增加马桶盖加热、冲洗等控制功能，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，还增加了人文化的服务功能，也减小了医疗化的外观带给使用者的巨大心理压力。集成式智能马桶盖如图2 所示。

图2 集成式智能马桶盖

2.1 设计依据

该设计以目前市面上马桶座的高度400 mm 为设计基础，以GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》为参考。通过街头调研、亲友询问、走访养老院等形式进行体重数据统计。

2.2 设计原则

功能性原则：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。

关怀性原则：老年的生理需求必须体现在产品上，外观要体现柔和感，从而减少对老年人的心理暗示。另外老年人的自尊心很强，担心受到他人的另眼相待，不希望得到别人的帮助，所以老年辅助如厕马桶盖在设计方面需要保护老年人的自尊心。

人体工程学原则：从人体工程学角度考虑了辅助站立和坐立的稳定性和可调节性，操作简单化、方便化，提高老年人的自理能力。

2.3 工作流程

工作流程如图3 所示。

图3 工作流程

2.4 运动机构

在研究过程中，研究人员参考了诸多资料和文献，最终决定采用丝杠连接连杆结构控制起身的运动轨迹，以电机作为顶起动力源。电机连杆三维结构如图4所示。电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动上面的2 个滑块滑动，滑块1 带动连杆1 驱动马桶盖顶起倾斜一定角度，可控制为30°；滑块2 带动连杆2 进而带动安装在马桶盖上的滑道装置，滑道装置可让运动形式更加确定，在达到30°角度后弹簧弹出固定在上滑道块上，增加刚度。

图4 电机连杆三维结构

在马桶盖返回水平位置时，压缩弹簧，滑道沿原路返回，滑块1 和滑块2 分别带动连杆1 和连杆2 返回到原来位置。

3 主要结构

3.1 马桶盖

在智能马桶盖的马桶盖与马桶垫之间施加阻尼结构。阻尼结构可控制马桶盖在倾斜一定角度时也不会自动翻下。

3.2 升降结构

所设计的马桶盖升降结构包括电机、丝杠、连杆、固定板、马桶盖、金属滑道、滑轨。使用者通过电机控制滑杆在滑道内的移动，推动实现整个机构的升降。

3.3 辅助服务结构

设计的马桶盖内置了与普通智能马桶盖类似的结构，包括了可冲洗功能、马桶盖加热功能、烘干功能、除臭组件。

4 动力学仿真分析

为保证该结构能实现所设计的理想运动状态，在SolidWorks 软件中进行了零件的运动仿真，验证各部件和零件在运动过程中没有发生干涉现象。

运动学仿真结束之后，在本软件中又进行了静力学分析。有限元产品分析可以在产品制造之前预先发现潜在的问题，验证结构设计，缩短设计周期，提升产品质量和竞争力。因此在本结构设计完成之后直接在本软件中做了静力学仿真分析，主要是对承重零部件和结构进行了强度和刚度的校核，所有零部件均选择了不锈钢材料，喷涂为白色，与原有马桶融为一体。

计算后的应力、应变及位移云图如图5 所示。

图5 应力、应变及位移云图

从图中可以看出，零件的强度极限为206.8 MPa，实际最大等效应力为71.1 MPa，因此强度方面符合要求；应变为0.000 19，与零件本身尺寸相比，形变可忽略不计，因此刚度方面也符合要求。

5 结束语

研究人员从国内外研究现状出发，将基于老年用户的助老如厕马桶盖装置设计从研究内容与流程、主要结构2 个方面分析了运动原理，确定了实现特定功能的运动方案，丝杠连杆滑块带动马桶垫倾斜一定角度，又通过滑块滑道装置保证运动的准确性，安装了扶手装置，保证老年人身体支撑和受力；从人文关怀角度考虑了马桶外观的美观性和实用性，能使老年人的生活质量得到提升；最后在SolidWorks 软件中从动力学仿真分析方面实现了设计和运动仿真，并进行了强度和刚度的校核，为解决该结构强度刚度方面提供了一种可参考的实施方案。