多方位助力式老年人如厕辅助装置设计与测试

常青青, 陈 坚, 蒋正忠

(南宁学院 智能制造学院,南宁 530200,E-mail:changqing_1989@163.com )

随着年龄增长,人体各项机能不断下降,尤其是老年人,膝关节均发生不同程度的退行性变化,腿部肌肉功能减弱。因此,生活中很多看似简单的事情变得极为困难,如上下床、洗澡、如厕等。尤其是如厕,老人下蹲、起立比较困难,如厕时间较久,腿部发麻,难以站立,甚至一个不小心,会造成跌倒、摔伤、骨折等事故,严重影响老年人的身心健康[1-4]。

为了解决这一问题,很多学者展开了关于老年人如厕辅助装置的研究。其中,刘坤、吉硕等人[5]设计了一种多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构,通过变杆长及变杆位的线性联动设计实现辅助人体坐、站动作,其推广使用仍需进一步证实;史小华、卢浩等人[6]设计了一种兼具代步和如厕功能的如厕智能轮椅,通过平面两自由度并联机构设计实现了坐、站姿态调节及高度调节,但体积庞大,无法直接置于坐便器上使用;李远利、涂细凯等人[7]设计了一种基于人体坐立转换运动轨迹的如厕辅助装置,实现了如厕过程中坐立姿态的转换,但助力功能比较单一。

因此,为解决老年人如厕困难问题,本文设计了一种从臀部、腋部、腕部不同方位助力的老年人如厕辅助装置,该装置可折叠存放,减小占用空间,并且能够直接放置于坐便器或蹲便器上使用,无需安装,适用范围广。

1 老年人如厕过程分析与总体方案设计

1.1 老年人如厕过程分析

老年人如厕过程中面临的的主要问题就是站姿与坐姿的转换,即如厕时可以独立的由站姿转换为坐姿,如厕完毕后可以独立的由坐姿转换为站姿。因此,对老人如厕过程进行模拟[7-8],如图1所示,可知整个如厕过程涉及的动作主要包括行走、弯腰、下蹲、起身、站立。

图1 老人如厕过程动作分析

1.2 总体方案设计

通过对人体由站至坐以及逆过程的行为进行观察分析,为老年人如厕助力装置提出设计需求和功能需求[9],针对设计需求和功能需求分析,确定了老年人如厕辅助装置设计方案,如图2所示。该方案通过设计z向扶手运动机构实现对老人腋部助力,辅助完成下蹲、站立动作;通过设计坐垫升降机构实现对老人臀部助力,辅助完成弯腰、起身动作;通过设计y向运动机构对老人手腕部助力,辅助完成行走、转身动作。

图2 老年人如厕辅助装置设计方案

2 主要机械结构设计

根据设计方案,该装置总体结构设计如图3所示,主要由z向扶手运动机构、y向扶手运动机构、坐垫升降机构、折叠机构、支撑总成组成。

图3 整体结构

2.1 折叠机构

折叠机构主要由坐垫板分离杆、z向折叠杆和y向折叠杆组成,如图3所示,y向和z向折叠杆两端通过螺栓连接支撑框架,中间通过销轴连接,与销轴配合的中间孔的轴线相互垂直,分别与y向、z向平行,实现对支撑框架的连接锁紧。分离杆连接两块坐垫板,可绕一端转动,实现坐垫向下折叠,同时y向折叠杆和z向折叠杆分别通过绕y轴和z轴转动使两边的结构向中间对称聚拢,实现了整个机械装置的折叠。折叠后整个机械装置更加紧凑,便于收纳存放,如图4所示。

图4 整体结构折叠状态

2.2 z向扶手运动机构

z向扶手运动机构主要由T形扶手、螺杆、齿轮、电机等组成,如图3所示,螺杆与从动齿轮同轴连接,通过齿轮传动将电机提供的动力传递给螺杆,带动T形扶手上下运动。使用时将两手臂跨在两个T形扶手上,T形扶手托住人体腋部,实现对腋部助力,辅助老人下蹲或起立。

2.3 y向扶手运动机构

y向扶手运动机构主要由y向扶手、支撑杆、y向导轨、连杆、y向运动滑块组成,如图5所示,其中连杆两端分别与转动杆2和y向运动滑块连接。动力通过坐垫升降机构传递,由电机提供,可以实现对老人的手腕部助力,即当电机工作时,动力传递给坐垫升降机构,坐垫升降机构的转动杆2转动时通过连杆驱动y向运动滑块沿y向导轨直线运动,从而带动y向扶手前后运动,实现对老人的自动搀扶,防止老人在从卫生间门口行至便池过程中意外滑倒。

图5 y向扶手与坐垫升降机构

2.4 坐垫升降机构

坐垫升降机构主要由连接滑块、齿条、转动杆1、导轨、导向板、坐垫、转动杆2组成(见图5),齿条与从动齿轮啮合传递动力,动力由电机提供。当齿条通过连接滑块沿导轨y向前后运动时,整个机构托住老人臀部上下前后运动,实现对老人臀部助力。坐垫升降机构与y向扶手运动机构通过平面机构连接形成联动机构,其机构运动简图如图6所示。

图6 y向扶手与坐垫升降机构运动简图

其中杆AB对应转动杆2,杆BC对应坐垫,杆CD对应导向板,杆CE对应转动杆1,滑块E对应齿条滑块,杆BF对应连杆,滑块F对应y向运动滑块,则计算该平面机构的自由度:

F=3n-2pl-ph=3×7-2×10=1

(1)

其中滑块E为主动件,当电机通过齿轮传动驱动滑块E向前运动时,该联动机构从初始位置ABCDEF运动到AB′C′DE′F′,则坐垫从BC位置上升前行至B′C′位置,y向扶手从F移至F′。

由图6知,该机构运动简图可分解为平行四杆机构ABCD、偏置摇杆滑块机构ABF和偏置曲柄滑块机构DCE。对偏置曲柄滑块机构DCE进行优化设计,滑块行程H=600 mm,行程速比系数K=1.48,杆CD、杆CE、偏心距e1分别用设计变量x1、x2、x3表示,最小传动角γmin出现在图6中杆CD与滑块导路垂直的位置。在连杆机构中常以最小传动角γmin衡量机构的传力性能,传动角γ越大,对机构的传力越有利,分析得出:

(2)

(3)

以最小传动角γmin为目标函数,优化设计中,目标函数简化为:

(4)

对曲柄滑块进行运动分析,当滑块处于两个极限位置时可推导出以下约束条件:

(5)

利用MATLAB优化工具箱中的fmincon求解器进行优化求解[10-12],得出x1=270.798 7 mm、x2=507.606 6 mm、x3=176.214 7 mm,当滑块向前移动时,坐垫前移和上升的行程分别用H1和H2表示,杆CD与水平面初始夹角为30°,则

(6)

同理,对偏置摇杆滑块机构ABF进行尺寸优化设计,BF=118 mm,e2=116 mm,e3=168 mm,y向扶手前移的行程用H3表示,杆BF与水平面初始夹角为16°,则

(7)

3 工作原理

系统机械结构共用一处动力来源,由伺服电机提供,通过齿轮传动将动力传递给齿条,由连接滑块沿导轨滑动带动坐垫升降机构上下前后运动以及y向扶手运动机构前后直线运动,同时通过齿轮啮合控制z向扶手运动机构中的螺杆转动完成z向扶手上下伸缩运动。以坐姿状态为起始状态,当老人行至卫生间门口时,通过伺服电机传动驱动z向扶手向上运动,y向扶手向前运动,坐垫升高并向前运动,老人通过伸长的y向扶手搀扶缓慢行至便池,并通过搀扶z向扶手转身,同时腋部跨在z向扶手上,老人轻微弯腰下蹲,臀部就能到达坐垫,实现对臀部、腋部的支撑助力,电机反向转动,便可以通过驱动机械结构辅助老人完成下坐动作,起身过程相反。老人如厕时,辅助装置的助力机构与老人腋部、臀部、手腕部的接触中心位置分别用a、b、c三点表示,如图5所示,其运动轨迹符合人体运动自然规律,如图7中轨迹①、②、③所示。

图7 助力装置运动轨迹

4 整体结构有限元分析

坐垫板是整个机械系统的主要受力部件,变形过大或断裂会严重影响老人健康,因此需要对其变形大小、抗弯强度进行分析,以确保该装置的安全性。设定坐垫板托起的人体重量极限为150 kg,则坐垫板承受的重力为1 500 N,动力由电机提供,通过齿轮传动带动整个机械系统运行,各传动机构设计满足要求。现对整体机械结构进行有限元分析[13-14],以坐垫板承受的重力作为它的工作载荷。首先建立如厕助力装置的三维数字模型,然后将模型导入ANSYS Workbench中进行有限元分析,在分析过程中对模型结构进行简化处理,如齿轮齿条简化为接触连接、螺杆化为光杆等。

具体步骤如下:首先在ANSYS Workbench中进行三维数字模型前置处理,建立静力学关系流程图,并导入如厕助力装置的三维数字模型,然后在Engineering Data中添加Q235结构钢材质作为整体结构的仿真材料,并设置材料的相关属性,其弹性模量E为200 GPa,泊松比μ为0.3,质量密度ρ为7.85E+03 kg/m3,屈服强度为235 MPa。如图8所示,对导入的模型进行网格划分,在Mechanical中设置单位为Metric(mm,kg,N,s,mV,mA),在Mesh中进行自动网格划分,模型所划分的网格节点数和单元数分别为40 748、20 643。坐垫板结构对称,每个坐垫板承受的作用力为750 N,对坐垫板施加750 N的力,方向竖直向下,最后进行后处理分析,添加EquivalentStress和TotalDeformation两种显示结果,求解之后查看结果,得到总变形云图和等效应力云图,分别如图9和图10所示。

图8 网格划分

图9 总变形云图

图10 等效应力云图

由图9和图10的分析结果可知,如厕助力装置的等效应力值最大为70.479 MPa,在材料允许的许用应力范围之内,最大变形量为0.514 53 mm,属于小变形,总体来说如厕助力装置的设计满足要求。

5 样机制作与测试

根据前文结构设计,按照实际尺寸制作该装置的实物样机,并对装置助力过程的运行时间进行10次重复测试试验。试验过程如图11所示,邀请体重为65 kg的实验人员模拟前文图1中如厕过程动作,其中行至便池—转身站立—弯腰前倾—下蹲为前段如厕动作,起身—弯腰前倾—站立—离开便池为后段如厕动作,利用计时秒表记录该装置完成助力动作的时间,测试数据如表1所示。

图11 试验场景

表1 试验测试数据

结果表明,当电机转速为600 r/min时,y向扶手移动机构移动速度为0.02 m/s,z向扶手升降速度约为0.03 m/s,设备传动平稳,功能达到了预期效果,其中前段如厕所用时间为23.9 s,后段如厕所用的时间为21.1 s,整体运行时间为45 s。样机测试实验直接反应了老年人如厕助力装置方案设计的的可行性,一定程度上验证了该助力装置的安全性、稳定性和实用性等各项性能,其各项参数指标如表2所示。

表2 实物样机测试的各项参数指标

6 结论

在研究目前老人生活需求和老年人如厕产品优缺点的基础上,针对老人如厕产品结构复杂、占用空间、适用范围小等问题进行深入分析,设计了一种多方位助力的老年人如厕助力装置。该装置具有以下特点:

(1) 通过设计不同的助力机构进行多方位助力,实现了如厕过程中对老人臀部、腋部、手腕部助力,能够辅助完成弯腰、下蹲、起身、站立、行走动作。

(2) 所有助力机构共用一处动力来源,降低了机械系统复杂性,节约成本。

(3) 通过设计折叠机构实现了整个机械装置的对称折叠,便于收纳存放,节约空间,不影响其他人使用便池。

(4) 结构简单,直接放置便池之上使用,无需改造便池结构,对坐便器或蹲便器皆可适用。