基于曲柄摇杆式的马桶蹲坐起身辅助装置设计*

蔺 用,张 柄

(西京学院 机械工程学院,陕西 西安 710123)

0 引言

现代社会人们生活水平日益提高,不论是公共场所还是居家生活,都离不开马桶。马桶虽然使用方便、舒适,但其设计初衷并没有考虑到一些特殊人群,例如高龄老人、残疾人士或一些有骨质疏松、腰间盘突出疾病的患者,他们在使用马桶中蹲坐、起身都比较困难。针对这类人群,如果在马桶上增加一种蹲坐起身辅助装置,以此作为攀扶工具,就可以让使用者能独自在马桶上蹲坐与起身,这将彻底解决他们在生活中的困扰。目前国内外市场针对这一类型的起身辅助装置很少,大都是采用一些简易设施简单固定在马桶上,有的还导致马桶盖无法闭合,严重影响体验效果[1-2]。

1 设计方案

本装置设计围绕“安全、便捷、环保、高效”的理念,彻底解决特殊人群安全入厕的难题。与传统的马桶相比,该装置能更加有效地保证使用者人身安全,提高舒适感,对使用者的帮助更切合实际需求[3],操作既可以遥控,也可以手动。

基于曲柄摇杆式的马桶蹲坐起身辅助装置设计方案包括:机械结构设计、机械运动设计、控制系统设计三部分。充分运用机械原理、机械设计与机械制造知识[4],把机械运动中的杠杆原理、弹簧弹性形变原理、曲柄摇杆机构应用到实际生活。通过采用精密高效的机械传动部件,配合精准的控制系统,保证了装置设计的客观性[5]。达到帮助老人独立入厕、辅助蹲坐和起身的目的。

1.1 机械结构设计

本装置机械结构主要采用铝合金型材,配备托手一对、压缩弹簧一对、精密轴承若干,动力采用一副电动推杆和两个减速电机提供。让使用者能轻松蹲坐与起身,达到辅助、借力的效果。还设置了弹簧减震装置,遇到突然断电和紧急情况也能保证装置的稳定性和安全性,其结构如图1所示。

图1 曲柄摇杆机械辅助装置结构图

1.1.1 扶手升降

本装置左右两扶手升降动作要求精准、同步运行,所以推杆机构必须采用两个同型号、同规格、同参数的低转速、大扭矩电动推杆,其参数见表1。

表1 电动推杆参数

电动推杆的作用是将左右两个扶手进行平稳的举升与下降,其中各连接部位均采用精密轴承过渡(图2),采用精密轴承作用是减小扶手杆与支架之间的旋转摩擦力,同时也减小了推杆电机的运行负载。在推杆电机推移过程中,与扶手存在从动关系的活动关节能根据机构运动特性自适应角度,左扶手外侧设置扶手上升和下降两个按钮,右扶手外侧设置托手打开和闭合两个按钮。

图2 精密轴承和弹簧

1.1.2 曲柄摇杆机构

本设计中扶手、滑块、托手连接杆之间采用曲柄摇杆原理设计。扶手作为曲柄,是主动件且绕后支撑座做等速转动,托手连接杆作为摇杆是从动件,绕前支撑座轴承部位作变速往返转动,滑块为连杆,沿立柱做上下平面往复运动[6]。扶手与电动推杆在杠杆原理的作用下,能用一个较小的力来克服人的体重。该装置在省力的同时又能增加托手回转范围和电动推杆的举升高度。在该装置中滑块安装在立柱上(图2),一端连接扶手,另一端连接托手连接杆,采用四套精密法兰轴承,分两组安装配合工作,扶手升降能带动托手连接杆绕滑块做旋转运动,托手连接杆以前支撑座上一组法兰轴承组为圆心做偏摆动作。运行过程中滑块利用弹簧的回弹力能减小推杆电机的初始负载,也能减小重力冲击,增强舒适性。

1.1.3 托手旋转与定位

托手旋转是通过旋转机构和旋转电机配合完成,左右托手分别配备一个同型号的减速电机,连接部位采用导向性较好的滚动轴承,减小旋转阻力和电机运行负载。运行时旋转电机带动托手完成打开/闭合动作,考虑到光电传感器的不稳定性,经研究决定采用机械式限位开关(图3)。

图3 托手旋转机构及限位开关控制

机械式限位开关对托手旋转动作到位进行停止限制。旋转电机带动托手转至固定位置后在限位开关的作用下实现自动停止,托手旋转角度也能调节。托手撞击到限位开关触发限位信号,信号传到主控硬件中,控制系统发出停止指令,电机停止转动,托手停止运动。之后两侧顶头上的机械弹簧装置将托手弹开1～2 mm,限位开关实现复位,复位信号传递到主控系统,为下次运行作好准备[7]。

1.1.4 适配马桶

基于曲柄摇杆式的马桶蹲坐起身辅助装置设计能完美适配各类型马桶,还能搭配简易储物架。外观尺寸可根据马桶大小任意调节,金属架构各部位用六角螺栓连接,适配后效果如图4所示。

图4 完美适配各类马桶

1.2 机械运动过程设计

本装置中机械运动过程主要分为辅助蹲坐和辅助起身两个过程,配备机械按钮开关,也可配备遥控器代替按钮操作。下面以按钮操作为例,其工作过程如下。

辅助蹲坐时,按下扶手右侧的托手打开按钮,主体支架左右两侧托手电机同步旋转90°(一正一反),带动左右两侧托手同步向马桶内侧伸出,触碰到限位开关后,电机停止转动;待人坐在托手上之后按下降按钮,固定在主支架两侧的电动推杆同步缓慢缩回,整个机构将带动托手和人体臀部一起缓慢落下,直到跟马桶边缘贴合,推杆电机停止运动,入厕蹲坐动作完成。此时,要是感觉臀部不舒服也可以按下托手闭合按钮,主体支架左右两侧托手电机同步反向旋转90°(一正一反),带动左右两侧托手同步向马桶外侧收回(图5),到位后托手电机停止,此时人臀部可以完全坐在马桶垫上入厕。

图5 托手闭合

当入厕完毕辅助起身时,按下托手打开按钮,主体支架左右两侧托手电机同步旋转90°(一正一反),带动左右两侧托手同步向马桶内侧伸出,托手触碰到限位开关后,电机停止转动,此过程人可以适当调节坐姿,待托手完全托住自己臀部;按扶手的上升按钮,两侧推杆电机同步缓慢伸出,利用机械杠杆原理,带动连接杆在支撑杆作用下实现托手上举的动作,整个机构将人体臀部一起缓慢上举,直到人的身体可以直立起来能站稳的高度,推杆电机停止运动,辅助起身动作完成。

1.2.1 扶手升降运动设计

装置在使用过程中扶手就是攀附和固定身体的作用,同时考虑对身体的适应性和身体运动的一致性。经过综合分析,决定采用铝合金支架,不但有足够刚性可以承受较大重量,而且在潮湿环境下也不易生锈[7]。扶手一端通过旋转轴承固定在后支撑座上和旋转关节一起形成旋转副,另一端跟随立式电动推杆进行升降(类似于匝刀式),使机械运动更加灵活[8]。使用者攀附位置设定在另一端根部,同时采用折弯处理,以此增大举升范围。

1.2.2 托手开合运动设计

托手的主要作用就是使用者在下蹲时未坐到马桶之前先托住臀部,这样在蹲坐时会更安全。等臀部下降到马桶时,使用者可以选择是否收起托手。到起身时,托手再打开并托住臀部跟随扶手做托举上升运动。因此托手运动设计主要考虑因素就是开合过程和托举臀部时角度与适应问题。经过分析,决定在开合时采用低压直流减速电机驱动,同时对旋转到位停止进行控制上的优化。在适应臀部角度时,通过托手连接杆自身径向旋转来实现,为了安全考虑连接杆径向最大旋转角为45°,角度到位后限制继续旋转。这样使用者身体能始终垂直于地面。

1.2.3 曲柄摇杆运动设计

曲柄摇杆在本装置中是一个联动机构,它跟随扶手通过推杆电机驱动。在扶手的带动下通过滑块带动曲柄一起运动,为了扶手运动的稳固性和减少旋转阻力,与扶手连接部位均采用法兰轴承组连接,其他所有旋转部位采用高精密滚珠轴承,这样机构运动过程会更加流畅[9]。

1.3 控制系统设计

该装置控制系统主控电路是以Arduino单片机为核心,外接电机驱动模块、电源主电路和限位控制开关、信号接收装置等硬件组成。配备市场上常见的大功率推杆电机、减速旋转电机和常用单片机控制器件。首先确定控制过程中的关键问题[10],再绘制控制原理图,最后进行硬件连接和功能测试,其控制系统原理如图6所示。

图6 控制原理图

控制单元采用基于Arduino单片机,可升级配备遥控装置来代替按钮操作。控制过程主要涉及两部分,一是控制两个推杆电机同步升降,二是控制两个减速电机实现托手打开/闭合动作。

当两电机串联时功率小,可以保护驱动器,但电机工作电压会折半,一般24 V电机都是10～48 V就可以驱动,但低压输出状态扭矩会变小,造成电机力量不够,因此不能满足要求。并联驱动器时输出功率会翻倍,但需要配备调节拨码和注意负载设置[11]。当两台步进电机并联,为了适配驱动器输出电流会加倍,但电流不能超过驱动器的上限,否则会烧掉驱动器。这种两个电机同步运行设计方法只适合两电机负载大小一致、电机参数一致的情况,如果负载或参数不一样,就可能会出现其中一台电机先丢步[12],此时两电机动作就不同步了。

1.3.1 控制两个推杆电机同步升降

DTL电动推杆配备的是步进电机。本装置要求实现两台步进电机同步运行,动作要求保持一致,电机参数相同,所以选择并联就可以。考虑到经济成本,当两个步进电机参数相同,电机接线长度相近时,也可以用一个驱动器驱动两个并联的步进电机。因此只需要设置合理的转速,控制器调节合适,控制算法一致,那么就能实现转速同步,即使两台电机的负载扰动不同,也能在一定时间内恢复稳态[13],保持转速同步,恢复稳态的时间可以通过PD调节去调整恢复时间的长短,这种控制方法一般被称为主令并行控制。若电机两边负载不同,就很难通过这种方式去控制电机同步转动。经过市场调查后,本装置决定采用DNC456D驱动器(图7)。

图7 DNC456D驱动器驱动两个步进电机

1.3.2 控制两个减速电机实现托手打开/闭合

该部分控制原理跟控制两个推杆电机同步升降相似,不同之处就是托手采用的是直流减速电机,采用外置安装,因此启停要考虑工作环境。经过实际测试,减速电机驱动托手旋转到位精准控制,采用光电传感器布线过程较复杂,使用时环境干扰比较大,经过权衡后采用机械式弹性限位器,该控制方式能满足控制需求且工作可靠,不受环境的影响,能达到预期效果。

2 动画仿真模拟

在设计后期,对装置的各项运动过程进行动画仿真模拟,其仿真效果如图8所示。经模拟测试,扶手能升降,托手能开合,马桶盖和马桶圈使用不受影响,水箱使用正常,同时对安装位置进行模拟测量,尺寸也符合要求。

图8 动画仿真模拟效果图图9 制作出的用于测试的实物模型

产品加工制作实施前,应先对装置设计进行模拟仿真测试,不但能发现设计中出现的问题,而且能减少制造过程中的返工与改进次数,可以有效提高制作效率[14],所以,曲柄摇杆式马桶蹲坐起身辅助装置在实施前先进行动画仿真模拟很有必要。

3 使用效果测试

经过设计与加工,最终制作出实物模型(图9)。经实际测试,这款基于曲柄摇杆的马桶蹲坐起身辅助装置能对使用者在使用马桶入厕时起到有效的辅助,其工作过程平稳,电动推杆举升动作有力,下降动作轻柔。托手开合动作流畅,同时能对不同身高的使用者自适应臀部角度,经使用者反馈,体验效果良好。

经实物模型测试,这款基于曲柄摇杆的马桶蹲坐起身辅助装置的工作参数如表2所示。

表2 工作过程测试参数

由表2可以看出,这款马桶蹲坐起身辅助装置各项技术指标均符合居家生活环境标准,工作响应速度快、动力足,能适用于肥胖患者,同时占地空间小,工作噪音也符合要求。

4 结论

这款基于曲柄摇杆的机械辅助装置能有效辅助使用者实现蹲坐、起身动作,跟马桶配合使用能充分利用卫生间有限空间,为特殊人群提供可靠、便捷的服务。能把机械设计与制造、机电控制知识相融合,同时大量采用标准件和成品铝合金型材,具有成本低、易安装、可拆卸的特点。曲柄摇杆式机械结构运用科学合理,装置从结构设计到建模仿真、从零件加工到样机制作,都经过无数次改进与优化。经过多次测试体验效果良好,最终成功解决特殊人群入厕难的问题,该研究成果具有推广价值[15]。