盧衛(wèi)子，陳傳偉，王世新，周茂軍，耿新英，馮怡然

（大連工業(yè)大學(xué)a.機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院；b.教育教學(xué)評(píng)價(jià)中心，遼寧 大連 116034）

0 引言

目前,中國(guó)已經(jīng)處于老齡化社會(huì),隨著老年人的人口數(shù)量不斷增多,以及老齡化程度的加劇，中國(guó)的養(yǎng)老系統(tǒng)的壓力越來(lái)越重, 在目前護(hù)理人員不足和護(hù)理工作強(qiáng)度大的情況下, 就需要大量的護(hù)理設(shè)備來(lái)輔助我們完成護(hù)理工作,以改善老年人的生活質(zhì)量。根據(jù)調(diào)查顯示，受各種慢性病影響，老年人最先喪失的是洗浴能力[1]。根據(jù)國(guó)內(nèi)老年人護(hù)理需求調(diào)查，在出行護(hù)理、清潔護(hù)理、起居護(hù)理、排泄護(hù)理、飲食護(hù)理這5項(xiàng)指標(biāo)中，清潔護(hù)理需求人數(shù)占比13.1%，位居第二,經(jīng)與社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)組織的工作員工進(jìn)行的半結(jié)構(gòu)式訪談和登門(mén)拜訪調(diào)查中可以看出，分散布局在家庭中的重度家庭殘疾老人的護(hù)理現(xiàn)狀不是很理想，這些老人的住所環(huán)境不佳、對(duì)他們護(hù)理不充分，隨之造成褥瘡、糖尿病等癥狀[2]。類(lèi)似情況，針對(duì)敬老院的無(wú)法自理的老人日間護(hù)理的時(shí)間和內(nèi)容的實(shí)地調(diào)研結(jié)果可知，在生活中關(guān)愛(ài)照料無(wú)法自理的老人所花費(fèi)的時(shí)間是最長(zhǎng)的，這里面輔助洗澡要花費(fèi)時(shí)間是（39.39±18.53）min，這個(gè)時(shí)間段占據(jù)每天敬老院護(hù)理人員正常工作時(shí)間的8.21%。與此同時(shí)，因?yàn)榫蠢显号鋫涞南嚓P(guān)人員崗位不充分及其洗澡沐浴的裝備有待加強(qiáng)，難以滿(mǎn)足敬老院老人的洗浴需求[3]。在護(hù)理人員操縱護(hù)理儀器的過(guò)程中,有時(shí)會(huì)因?yàn)樽o(hù)理設(shè)備的設(shè)計(jì)不足及人機(jī)工程學(xué)研究與設(shè)計(jì)的不足,讓人體產(chǎn)生不適，甚至?xí)?dǎo)致事故的發(fā)生。合理運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的助老設(shè)備研究具有重要意義[4]。

針對(duì)老年人獨(dú)自洗浴易發(fā)生危險(xiǎn)的相關(guān)問(wèn)題，本文研發(fā)了一種輔助老年人洗浴的民用水力驅(qū)動(dòng)的折疊洗浴床。該洗浴床采用自來(lái)水壓驅(qū)動(dòng)、六桿機(jī)構(gòu)、床板可拆卸并折疊的設(shè)計(jì)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)尺寸，簡(jiǎn)化了老年人洗浴流程，降低老年人洗浴易發(fā)生危險(xiǎn)的概率，兼顧經(jīng)濟(jì)因素且增強(qiáng)了環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)滿(mǎn)足了降低建設(shè)成本、簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、減少空間占用的需求。該裝置對(duì)解決獨(dú)居老人洗浴困難的問(wèn)題提出了相對(duì)具有建設(shè)性的意見(jiàn)，能切實(shí)地為人們的生活提供便利。

針對(duì)老年人洗浴困難、獨(dú)自洗浴易發(fā)生危險(xiǎn)的相關(guān)問(wèn)題，設(shè)備主要針對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)：1）使用自來(lái)水水壓驅(qū)動(dòng)的方式，結(jié)合六桿機(jī)構(gòu)，提高運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性，縮減建造成本；2）合理設(shè)計(jì)折疊方式，增加空間利用率，不占用過(guò)多空間，簡(jiǎn)化折疊過(guò)程；3）確定洗浴流程，并選用洗浴輔助裝置簡(jiǎn)化洗浴流程；4）參考人機(jī)工程學(xué)相關(guān)知識(shí)[5]，合理設(shè)計(jì)坐高、扶手等相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸；5）以自來(lái)水為介質(zhì)的液壓傳動(dòng)缸的設(shè)計(jì)；6）進(jìn)行有限元分析，校核重要零部件強(qiáng)度。

1工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)介紹本洗浴床主體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分，分別為折疊床板、

支撐框架、折疊收納柜。

1.1.1 折疊床板設(shè)計(jì)方案

折疊床板結(jié)構(gòu)如圖1所示，小腿板1與大腿板3通過(guò)合頁(yè)17連接，且大腿板3與座板4和靠背板6通過(guò)折彎合頁(yè)13連接，扶手5通過(guò)角件安裝于靠背板6中部，肩部花灑7與頭枕8分別安裝于靠背板6的上部與頂部，腿部花灑2安裝于大腿板3側(cè)邊，折疊腿14安裝于大腿板3及座板4下端。

圖1 折疊床板結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 支撐框架設(shè)計(jì)方案

支撐框架為焊接組合結(jié)構(gòu)，部分連接方式如圖2所示，其中：支撐框架后段11上安裝有兩個(gè)膠輪10，支撐框架后段11與支撐框架中段23通過(guò)聯(lián)軸器連接，且支撐框架中段23上安裝有卡扣支撐板22，可卡住支撐框架后段11，支撐框架中段23上有兩個(gè)膠輪10，用于在折疊收納柜9上滾動(dòng)；支撐框架前段24上安裝有4個(gè)膠輪10與地面接觸，且在前端安裝有和小腿板1連接的前叉18，在后段中間位置與水壓缸12連接，支撐框架前段24和支撐框架中段23通過(guò)聯(lián)軸器連接。底部連桿運(yùn)用交錯(cuò)分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，收納連桿時(shí)可完全折疊至一個(gè)平面。

圖2 支撐框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.3 折疊收納柜設(shè)計(jì)方案

如圖3所示，折疊收納柜前端安裝有8個(gè)收納卡扣19（用于收納支撐框架部分），前端中間部分安裝有旋轉(zhuǎn)擋片21（用于收納水壓缸）；收納床板后，可將床板立于折疊柜上方，并可將收納后的折疊支撐架卡在卡扣上，嵌入折疊柜完全折疊，并防止床板向下傾倒。

圖3 折疊收納柜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 洗浴床驅(qū)動(dòng)方式及管道排布

熱水經(jīng)肩部淋浴頭、扶手、側(cè)腿板分流后從肩部和側(cè)面噴出，噴口排布如圖4所示，箭頭指向?yàn)闊崴鞒龇较?，分別對(duì)應(yīng)前半身、頭部、四肢設(shè)置多個(gè)熱水流出點(diǎn)，以保證洗浴時(shí)人體各部分均勻受熱。

自來(lái)水壓力轉(zhuǎn)化為洗浴床靠背驅(qū)動(dòng)力方式如圖5所示，換向閥上P為自來(lái)水進(jìn)水口，為防止自來(lái)水中雜質(zhì)及水垢進(jìn)入換向閥和水壓缸，需要在進(jìn)水口安裝Y型過(guò)濾器或其他過(guò)濾設(shè)備；A、B為驅(qū)動(dòng)水壓缸的工作口；P、S為排水口，排水口連接圖4中3、6管道，作為洗浴用水再次利用。

圖4 出水口示意圖

圖5 自來(lái)水壓力驅(qū)動(dòng)方式

1.3 操控及運(yùn)行方式

本裝置選用相對(duì)適合老年人使用的機(jī)械操作方式，手動(dòng)控制手板換向機(jī)械閥，從而控制水壓缸工作，進(jìn)而調(diào)節(jié)水床靠背升降；并可通過(guò)扳動(dòng)機(jī)械式水流開(kāi)關(guān)控制全身熱水口閉合；在洗浴時(shí)可隨時(shí)控制靠背板升降，幫助老年人進(jìn)行坐起的動(dòng)作；并可控制屈膝動(dòng)作輔助下半身洗浴。且整個(gè)洗浴床可折疊收納，折疊流程如圖6所示。

圖6 折疊收納流程

1.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

支撐框架的設(shè)計(jì)思想基于六桿機(jī)構(gòu)，桿5作為主動(dòng)件由水壓缸驅(qū)動(dòng)；折疊床板固定在支架的對(duì)應(yīng)桿件上，通過(guò)構(gòu)件5的前后移動(dòng)帶動(dòng)構(gòu)件1、2、3完成洗浴時(shí)床板的升降和洗浴后床板的折疊收納。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

機(jī)構(gòu)中共有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，A、E、F、G處的小滾子為局部自由度，與相鄰構(gòu)件以高副接觸，其余各構(gòu)件間以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。把局部自由度進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度：

可得出本機(jī)構(gòu)僅需一個(gè)原動(dòng)件便可得到唯一確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 設(shè)計(jì)與分析

2.1 人機(jī)工程學(xué)計(jì)算

1）人體測(cè)量。

人類(lèi)群體中個(gè)體與個(gè)體之間都存在著身體尺寸的差異。測(cè)量人體得到的數(shù)據(jù)一般使用百分比P作為閾值，如P50為50%的人口數(shù)據(jù)值具有大于或小于這個(gè)數(shù)值[7]。伴隨老人歲數(shù)變大及老年人身體機(jī)能越來(lái)越弱，他們身體各個(gè)部位的大小都會(huì)在一定程度上產(chǎn)生縮小[8]。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的結(jié)論，以我國(guó)成年人的體型基準(zhǔn)根據(jù)2.8%進(jìn)行計(jì)算[9]，目的是確定相對(duì)應(yīng)的老年人體尺寸：

式中：HL為中國(guó)老年人身不同地方的尺寸；HC為中國(guó)正常成年人機(jī)體不同地方大小。因此可求出老年人身體各部分尺寸。

2）坐高設(shè)計(jì)合成。設(shè)X為人體坐高，可求平均值u：

坐高Y=u+ΔL。式中ΔL為修正量。

由上述分析人機(jī)關(guān)系可知，應(yīng)對(duì)座高采用取中原則，為照顧到身材較矮的女性使用者及折疊設(shè)計(jì)限制，修正量取84 mm，所以坐高設(shè)計(jì)為300 mm，去除坐墊后，座板高度應(yīng)為276 mm，為老年人常使用的馬扎的高度，設(shè)計(jì)可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)座高，以滿(mǎn)足多數(shù)人的使用需求[10]。

3）床板尺寸設(shè)計(jì)。

當(dāng)大腿與小腿角度成90°時(shí)，人體背部成弓形，人體的重心可能會(huì)產(chǎn)生失衡[11]，因此折彎角度應(yīng)介于90°～100°之間。

靠背板用于輔助老年人進(jìn)行屈膝動(dòng)作，若靠背板過(guò)低，不利于輔助老年人坐起進(jìn)行搓浴動(dòng)作，根據(jù)體壓分布實(shí)驗(yàn)總結(jié)出，人體在坐姿時(shí)，靠背傾角接近108°時(shí)最為合適[12]，故靠背傾角設(shè)計(jì)最小角度為108°。

2.2 水介質(zhì)液壓傳動(dòng)缸設(shè)計(jì)

由于本洗浴床應(yīng)用于醫(yī)院、養(yǎng)老院及家庭浴室，以水介質(zhì)液壓傳動(dòng)缸作為本洗浴床的驅(qū)動(dòng)裝置可以解決傳統(tǒng)液壓油缸所存在的泄漏問(wèn)題[13]，并且自來(lái)水經(jīng)過(guò)換向閥直接接入水壓缸，動(dòng)力來(lái)自于自來(lái)水水壓，無(wú)需外接液壓泵或空氣泵，安全且使用便捷。以水作為介質(zhì)，會(huì)增加對(duì)液壓缸的腐蝕，因此如何設(shè)計(jì)水介質(zhì)液壓傳動(dòng)缸及如何解決液壓缸的腐蝕問(wèn)題是本洗浴床的研發(fā)重點(diǎn)。

2.2.1 水壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)中國(guó)家庭自來(lái)水水壓標(biāo)準(zhǔn)，水壓缸水源壓力為0.3～0.7 MPa，考慮特殊情況對(duì)于設(shè)備輸入水壓的影響，最小水源壓力為0.25 MPa，流量為0.2 L/s；根據(jù)實(shí)測(cè)情況，活塞桿完全伸出運(yùn)行位置時(shí)人體對(duì)水壓缸的最大作用力F=535 N，選取系統(tǒng)額定壓力Pn=0.7 MPa。

水壓缸推力計(jì)算公式為

式中：P為最小驅(qū)動(dòng)水壓；A為無(wú)桿腔活塞最小面積，A=2.14×10-3m2。

圖8 水壓缸樣機(jī)圖

2.2.2 水壓缸的材料選擇

在液壓部件中，運(yùn)動(dòng)零件與水直接接觸，并且因?yàn)樗旧淼母g性，所以液壓缸材料的選擇對(duì)液壓缸的性能和壽命有很大影響。選擇材料的標(biāo)準(zhǔn)[14]為：1）耐水腐蝕特征，涵蓋化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定；2）在水介質(zhì)或高速重載條件下具有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性能，同時(shí)具有低磨損率和低摩擦因數(shù)；3）優(yōu)良的成型加工性能；4）足夠的力學(xué)強(qiáng)度與剛度，高抗疲勞腐蝕性能；5）良好的抗侵蝕和抗氣蝕性能；6）熱膨脹系數(shù)不大，規(guī)格穩(wěn)定性良好；7）購(gòu)買(mǎi)容易，材料不貴；8）良好的熱穩(wěn)定特征。

根據(jù)加工工藝及經(jīng)濟(jì)性要求，選擇馬氏體不銹鋼作為水壓缸的主要材料。馬氏體的耐腐蝕性不好，但是可以借助表面熱處理手段來(lái)強(qiáng)化，以進(jìn)一步提高表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性能和抗腐蝕性能。經(jīng)滲碳熱處理后的碳鋼表面可以得到較大的硬度，強(qiáng)化了材料的耐磨性、耐腐蝕性，適用于過(guò)摩擦副的材料。在全面分析研究材料特性的背景下，水壓缸原型的材料選擇如表1所示。

表1 水壓缸材料選擇

2.3 靜態(tài)荷載分析

靠背板是本次設(shè)計(jì)浴床的主要易變形部分，這關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的安全性和舒適性。本節(jié)主要分析其應(yīng)力和位移。使用SolidWorks Simulation進(jìn)行分析時(shí)，首先簡(jiǎn)化復(fù)雜模型，并忽略焊接的強(qiáng)度及焊縫的高度影響；定義靠背板材料屬性[15]，如表2所示。

表2 材料屬性

限制靠背板的固定位置表面自由度。在最大載荷條件下分析靠背板的應(yīng)力與變形。

取人體質(zhì)量最大為100 kg，并根據(jù)背部對(duì)靠背板的受力進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得出靠背板的最大應(yīng)力為13.08 MPa。考慮到老年人在使用時(shí)會(huì)遇到突發(fā)情況，將承受力乘以3倍沖擊系數(shù)，加載于靠背板上。參照靠背板和鉸鏈及皮帶滑輪支撐件的連接條件，可以估算出靠背板的表面和滾輪的軌道受到自由度的限制。

設(shè)置零件的材料屬性，自動(dòng)計(jì)算和分析零件并生成計(jì)算示例的結(jié)果。靠背輸出的應(yīng)力與位移變形如圖9所示。從應(yīng)力圖和位移圖可以看出，最大值出現(xiàn)在靠背板的側(cè)面。從計(jì)算示例的結(jié)果中可以清楚地看到分析的主要數(shù)據(jù)。

圖9 靠背板輸出位移與應(yīng)力

有限元分析計(jì)算得出靠背板結(jié)果：最大變形為0.5298 mm，最大應(yīng)力為13.08 MPa，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足材料的許用強(qiáng)度，因此可以保證靠背板在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的強(qiáng)度與剛度。在此理論基礎(chǔ)上，1∶1建立原型樣機(jī)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

3樣機(jī)測(cè)試

樣機(jī)測(cè)試實(shí)際工作環(huán)境及運(yùn)行情況如表3所示。模型樣機(jī)測(cè)試如圖10所示，測(cè)試折疊及展開(kāi)過(guò)程中，收卷過(guò)程簡(jiǎn)單便捷，無(wú)管道外露及纏繞打結(jié)情況；在實(shí)際測(cè)試運(yùn)行過(guò)程無(wú)零件干涉，體感溫度適宜，水壓缸運(yùn)行穩(wěn)定并準(zhǔn)確運(yùn)行至預(yù)定位置，材料無(wú)明顯形變且運(yùn)行無(wú)故障出現(xiàn)。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

表3 測(cè)試環(huán)境

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著中國(guó)老齡化問(wèn)題的加重，當(dāng)今社會(huì)對(duì)于助老裝置的研發(fā)與生產(chǎn)有很大的需求，因此作為其基礎(chǔ)的助老設(shè)備得到了大力發(fā)展；本折疊洗浴床主要針對(duì)老年人及殘障人士洗浴困難的問(wèn)題，通過(guò)水力驅(qū)動(dòng)，可完全折疊的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了老年人洗浴流程，降低了老年人洗浴可能發(fā)生危險(xiǎn)的可能，增加了空間利用率。通過(guò)對(duì)折疊洗浴床進(jìn)行的人體測(cè)量學(xué)分析、有限元分析等完成了對(duì)洗浴床的設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行實(shí)物的制作與大量實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，水力驅(qū)動(dòng)折疊洗浴床的負(fù)載強(qiáng)度、運(yùn)行穩(wěn)定性均達(dá)到預(yù)期要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，性?xún)r(jià)比高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合推廣使用。