侯俊宇，許津閣，呂寧，李志強(qiáng)，鄭立偉

（天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 機(jī)械工程系，天津 300380）

0 引言

如廁坐立輔助裝置是近年來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、現(xiàn)代家居、醫(yī)療護(hù)理、訓(xùn)練康復(fù)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，研究旨在解決身體機(jī)能衰退的老齡人、下肢運(yùn)動(dòng)輕度障礙的殘疾人、運(yùn)動(dòng)損傷者、意外受傷者、大齡產(chǎn)婦等人群面臨的獨(dú)立如廁困難問(wèn)題。

從市場(chǎng)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)關(guān)于如廁坐立輔助產(chǎn)品主要為簡(jiǎn)易扶手裝置和帶助力的輔助裝置。簡(jiǎn)易扶手裝置的使用方法是將扶手固定安裝在如廁坐便器兩側(cè)，在如廁就座起身的過(guò)程中用上肢撐住扶手，然后緩慢就座或起身，此類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)如廁困難的人獨(dú)立完成如廁過(guò)程的幫助比較有限。近兩年，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)了以電機(jī)或液壓缸驅(qū)動(dòng)的如廁坐立輔助裝置，優(yōu)點(diǎn)在于外觀造型較好，但是售價(jià)較高，對(duì)安裝空間有一定的要求，質(zhì)量和體積上還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。如何在有限的衛(wèi)生間區(qū)域，設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕、體積小、工作可靠的機(jī)械裝置，以達(dá)到對(duì)如廁過(guò)程中對(duì)坐立姿態(tài)轉(zhuǎn)換的正確輔助，是亟待解決的問(wèn)題。

1 原理分析

從如廁坐立輔助裝置的功能出發(fā)，在完成就座和起身的動(dòng)作中，座椅必須能夠占據(jù)如圖1所示的兩個(gè)位置（位置1和位置2），并且座椅在上述兩位置之間能夠連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)機(jī)械原理的相關(guān)理論，能夠?qū)崿F(xiàn)這樣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)構(gòu)有凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)以及復(fù)合機(jī)構(gòu)[1]。綜合考慮空間、加工制造成本等因素，采取連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)此運(yùn)動(dòng)是最為適合的。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，已知兩個(gè)活動(dòng)鉸鏈各自占據(jù)兩位置，設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，可知兩固定鉸鏈位置在連桿兩位置連線的中垂線上，為方便在一條立柱上安裝固定鉸鏈，確定固定鉸鏈時(shí)，將兩個(gè)固定鉸鏈確定在一條豎直線上（如圖1），求解出兩固定鉸鏈的位置。考慮節(jié)省空間的要求，鉸鏈的水平位置應(yīng)不超過(guò)座椅的兩端。根據(jù)查閱的潔具標(biāo)準(zhǔn)以及市場(chǎng)上常見(jiàn)坐便器的尺寸，坐便器座位上表面距地面高度為400-440mm，因此確定了座椅處于位置1時(shí)，座椅距地面高度為450mm，處于位置2時(shí)，座椅最前端提升高度為200mm。

圖1 連桿和固定鉸鏈位置示意圖

為保證能在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，保證如廁坐立輔助裝置的正確運(yùn)動(dòng)，特在SolidWorks軟件中進(jìn)行零件的三維設(shè)計(jì)、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證各部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生干涉[2-3]。驅(qū)動(dòng)部分選擇體積小，質(zhì)量輕的推桿電機(jī)，支撐部分選用鋁型材，底座部分安裝帶剎車萬(wàn)向輪，方便整個(gè)裝置的移動(dòng)和固定,如廁坐立輔助裝置的三維圖如圖2所示。

圖2 如廁坐立輔助裝置三維圖

3 有限元分析

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品更新周期愈來(lái)愈短，企業(yè)對(duì)新技術(shù)的需求更加迫切，而有限元分析可以在產(chǎn)品制造之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一種有效手段[4-5]。因此在本裝置設(shè)計(jì)完成后，使用SolidWorks中的有限元計(jì)算模塊對(duì)主要承重零件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核分析，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖中可以看出零件的強(qiáng)度極限為206.8Mpa，實(shí)際最大等效應(yīng)力為139.1Mpa，因此強(qiáng)度符合要求。實(shí)際應(yīng)變?yōu)?.00036，與零件本身尺寸相比，形變可忽略不計(jì)，因此剛度也符合要求。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)語(yǔ)

本文從如廁坐立輔助裝置的功能出發(fā)，分析其運(yùn)動(dòng)原理，確立了實(shí)現(xiàn)其功能的運(yùn)動(dòng)方案，并在SolidWorks軟件中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，并進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核，為解決當(dāng)前市場(chǎng)如廁坐立輔助裝置相關(guān)產(chǎn)品成本高，種類少的問(wèn)題，提供了一種可參考的實(shí)施方案。