毕业设计（论文）-老年人辅助站立沐浴座椅设计

本科生毕业设计题目 老年人辅助站立沐浴座椅专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 指导教师 机械工程学院目录摘要4Abstract51 绪论61.1研究背景及意义61.1.1老龄化的趋势61.1.2老龄化的产业及老年人辅助站立沐浴产品设计的必要性71.2 国内外现状研究81.3 设计研究思路和结构111.3.1设计研究思路111.3.2设计研究结构112 老年人辅助站立沐浴座椅整体设计132.1 老年人沐浴座椅的结构设计132.2沐浴座椅框架的材料选择152.3 沐浴座椅框架的安装153 生物力学与人机工程学理论163.1 生物力学分析与研究163.1.1 生物力学启示实验163.1.2生物力学实验结论183.2 人机工程学理论和工业设计理论213.2.1老年人人体模型尺寸213.2.2座椅设计细则234 电动液压推杆的设计244.1 液压缸的选择244.1.1 液压缸主要尺寸的确定244.1.2 液压泵的选择264.2 电动推杆的结构274.2.1 球铰链的选择274.2.2 铁盒子的简单设计284.3 电动机的选择284.4 压力传感器和控制系统284.4.1压力传感器284.4.2 控制系统294.5 小结305 可控角度旋转靠背功能的设计315.1摩擦式棘轮机构的设计315.1.1摩擦式棘轮机构的材料315.1.2摩擦式棘轮机构结构尺寸315.1.3 弹簧的选择315.2 小结326 可安装拐杖扶手的设计326.1 可安装拐杖扶手机构示意图326.1.1 安装拐杖的扶手的设计326.1.2 方案的选择326.2滑道+拐杖可能出现的问题及解决方案336.3 小结337 其他连接附件的设计和选用347.1螺栓的选择347.2 小结348 总结与展望359 致谢3610 参考文献37全套图纸加扣3012250582老年人辅助站立沐浴设备设计摘要老龄人口的快速增长已经成为本世纪中国人口增长的重要特点，老年热辅助产品的设计和服务问题将成为老龄人口的重点和难点，特别是迅速增长的“空巢”、高龄和带病老年人的服务需求。站立（sit-to-stand，STS）是影响老年人日常生活活动独立性至关重要的因素。尤其对于那些需要家人或者护工照顾的老年人，帮助老年人洗澡，需要劳动力极多，耗费的人为体力和精力会比较多，给家庭和社会造成巨大的负担。本文研究的目的正是为了解决生活不能自理的老年人在洗澡时洗全身的问题，设计一款方便辅助老年人沐浴的沐浴座椅。设计首先通过三维运动捕捉系统对老年人和年轻人站立运动的生物力学的不同特征进行对照实验分析，发现老年人站立困难的主要原因是由于老年人下肢肌肉力量的衰退导致膝关节力矩不足。其次针对实验的结论提出了针对膝关节力矩补偿的老年人辅助座椅设计。坚持人机工程学的研究方法，使辅助座椅的设计符合老年人的运动轨迹，并且改变传统的手动辅助方式，采用自动控制的辅助方式，让老年人能够通过推杆的力量使座椅翻转帮助老年人站立；并通过拐杖在扶手的滑道上滑到一定位置固定作为拐杖和椅子的组合体；另外靠背的旋转角度可以使老年人靠着靠背完成洗头和洗背的动作。老年人辅助站立可旋式座椅的设计有效地解决了老年人洗澡不易、照护人员工作量大的问题，提高了老年人的沐浴效果和生活质量。关键词：老年人，STS，补偿力矩，辅助座椅，人机工程，旋转靠背，沐浴，滑道，拐杖AbstractThe rapid growth of the ageing population has become the important characteristics of this century Chinas population growth, aging heat assisted the design of the product and service problems will become the key and difficult point for an ageing population, especially the rapid growth of empty nest, old age and service requirements of the old. In spite of Stand (sit - to - stand, STS) is the factors affecting independence is critical to the elderly daily life activities. Especially for those who need family and care to take care of the elderly, help the elderly to take a bath, need Labour, cost of human strength and energy will be more, poses a great burden to family and society. The purpose of this study is to solve the life cannot provide for oneself, the elderly in the shower to wash the body problem, design a convenient auxiliary the old bath the bath chair. Paper first through the 3 d motion capture system for the elderly and young people stand movement of comparing the different characteristics of biomechanics of experimental analysis, found the old stand difficulties due to the elderly is the major cause of the lower limb muscle strength recession lead to knee joint torque. Secondly according to the experimental conclusion is put forward in view of the knee joint torque compensation of elderly supporting seat design. Insist on ergonomics research methods, make the auxiliary seat design conforms to the motion trajectory of the elderly, and change the traditional way of manual assistance, by the aid of automatic control way, allow the elderly to make seat to flip through the power of push rod stand to help old people; And use the cane to slide on the slippery armrest at a certain location is fixed as a crutch and chair of the assembly; And back of a chair rotation Angle can make old people against the back of a chair finish to wash and wash back action. The elderly auxiliary stand can be rotating seat design effectively solves the elderly bathe not easy, care staff workload big problems, raised the old bath effect and quality of life. Keywords：Old people, STS, compensation torque, booster seats, man-machine engineering, revolving chair, bath, slide, cane1 绪论1.1研究背景及意义1.1.1老龄化的趋势人口老龄化是世界人口普遍的趋势，也是人类在21世纪面临的重大社会和经济问题。自改革开放以来经济繁荣，人民生活水平不断提高以及医学卫生事业发展，致使我国人口平均寿命延长，老年人口在总人口中所占的比例日渐升高。据第五次人口普查资料显示，2000年我国65岁以上老年人口已达到8811万人，占人口总数的6.96%。2005年底全国1%人口抽样显示，我国总人口数达到130756万人，其中65岁以上人口达到10055万人，占总人口数的7.7%。依照联合国人口年龄结构的标准，我国一经进入了老龄化国家的行列。今后一个时期，我国老年人口还将以较快速度增长。预计到2015年我国老龄人口将超过2亿，大约占总人口的14%，到21世纪中叶我国老年人口比例将达到25%。图为我国老年人口增长趋势：（a）为我国老年人口数量变化趋势；（b）为我国老年人口占全国总人口数的百分比变化趋势法国老年人社会学家保罗帕伊亚曾说：“人口老龄化是20世纪末最突出的社会现象，因为它产生了多方面的各种各样的和深远的影响”。老龄人口辅助产品的设计和服务问题将成为老龄人口的重点和难点。1.1.2老龄化的产业及老年人辅助站立沐浴产品设计的必要性随着年龄的增加，慢性疾病患病率、残疾病人和生活不能自理的比例逐步增加，老年人对辅助产品的需求也随之而来。辅助产品的设计为老年人延续健康、独立的晚年生活创造了一定的条件，迎合了老龄化社会的实际需求。同时随着我国经济的发展，人民生活水平提高，老年人的消费意识逐渐加强，市场需求量也在逐年增大。全国老龄工作委员会办公室常务副主任李本公在首届中国老龄产业前沿论坛指出在2010年，中国老年人口消费规模将超过1.4万亿元，到2020年将接近4.3万亿元，到2030年将达到13万亿元。有专家称。“老年经济”将是继“假日经济”后社会又一个新的经济增长点。在国外，老龄产业被称为“银色产业”和“金色市场”，已经有相当成熟的机制，成为老龄化社会中最具有活力、最有发展前途的产业之一，但是在国内，老年人产品仍未真正形成产业化。虽然老年人的需求十分庞大，但是在另一方面老龄产业滞后于人口老龄化发展的趋势，特别是专门针对老年人的辅助产品的设计与开发还很欠缺。根据全国老龄工作委员会提供 的数据，目前我国老年人市场需求为6000亿元，2010年将达到1万亿，而目前我国每年为老年人提供的产品不足1000亿元，供需之间存在巨大的商机。同时中国的老年人群，在不同地区、不同年龄、不同性别、不同健康状况等方面都存在着很大的差异性，客观上造成了老年产品市场所具有的复杂化和多样化的特点。随着我国社会经济结构的不断发展和完善，老年人产品的研究与设计必将成为一个值得社会、高校和研究机构共同关注和努力的问题。 在中年到老年的衰老过程中，存在着关节运动幅度减小以及韧带弹性和绝对肌力下降等现象。研究表明，老年人的摔倒中大约有53%是由于行走或站立的不稳定所造成，而摔倒又是造成损伤、引发其他疾病的重要原因。老年人行动不便，生活自理能力削弱，导致生活困难或者限制日常生活活动，降低老年人的生活质量，有害老年人的身心健康。老年人的生理机能变化和心理变化是不平衡的，不同的年龄阶段，性别的差异和身体健康的差别等因素都决定了老年人生理和心理变化的不均衡性，致使改善功能障碍的辅助产品也要因人而异多样化。作为康复工程产品之一的辅助器具，为充分发挥其作用来提高功能代偿的效果，就必须先对老年人衰退功能进行评估，再进行核实的辅助产品的设计与研究。老年人站立困难对老年人造成了生活上的许多不便，站立是影响老年人日常生活活动独立性至关重要的因素。VL等认为站立运动是主要依靠人体下肢肌肉力量，人体重心从静止的位置到动态平衡的连续运动的过程。对老年人而言，行动尚且不便，沐浴成为一项很奢侈的事情。老年人存在站立困难往往需要他人的照顾和服务，由于我国人口的急速老龄化，老年人的护理者和监护者的不足，单个护理者工作负荷过重，尤其是我国老人的护理者大部分是中年以上的女性，有些工作包括一些较强的体力劳动，对女性护理者而言，问题就更为严重。因此，研究和设计适合老年人辅助老年人站立的沐浴产品是势在必行的课题，而且具有重大的现实意义。1.2 国内外现状研究关爱老年人，提高生命质量，实现健康老龄化，为老年人提供安全舒适的产品和服务，已成为衡量社会进步和科技发展水平的重要标志。国内外许多专家针对老年人站立困难的问题提出了许多辅助产品来帮助老年人站立以及从事其他一些日常生活活动，改善了老年人的生活自理能力，体现了对老年人等特殊人群的关怀。1999年10月，由中华人民共和国建设部、民政部制订的老年人建筑设计规范（JGJ122-99）正式颁布实施，在第103条中明确指出：专供老年人使用的居住建筑和公共建筑，应为老年人使用提供方便设施和服务。在全国范围内的公共场合，设置了残疾人专用的轮椅坡道、不锈钢栏杆以及人行道上的盲道等设施。无障碍设施的完善，充分考虑了具有不同程度生理伤残缺陷者（残疾人）和正常活动能力衰退者（老年人）的使用需求，为他们日常生活活动提供了方便。图为北京地铁车厢内的座椅扶手设计，不仅造型大方美观，而且方便老年人站立，使老年人走出家门也能够畅通无阻地参与社会，营造一个充满爱与关怀、方便、舒适的现代生活环境。图为方便老年人如厕的座椅设计。图为老年人无障碍卫生间、这些专门设计的卫浴设备以“老年人独立操作”为设计宗旨,在某种程度上可以代替人对老年人提供帮助。老年人在站立过程中使用上肢力量来辅助站立是十分常见的现象，上述产品一定程度上解决了老年人因为下肢肌肉力量衰退导致站立困难的问题，但是随着年龄的增长，老年人全身机头力量衰退，如果过度使用上肢力量，同样会导致肩膀疼痛及其他一些症状。图为国外Pride公司为老年人设计和生产的辅助座椅，采用手动控制方式，智能化程度不够。图1.5 Pride公司生产的老年人辅助座椅这些对老年人形成帮助的设备对老年人沐浴设备的设计相当的具有借鉴性。随着科学技术的发展，不仅加快了社会经济的发展，同时也给老年人辅助产品的设计提供了新的思路和方法。国外一些国家对老年人辅助产品研究近十年来有了很大的发展，许多研究机构和企业开始研究多功能的智能轮椅设计，不仅可以上下楼梯，还可以帮助下肢肌无力的老年人和残疾人进行站立训练等。尽管智能轮椅的研究已经有相当长的时间，但是基本上是为残疾人设计，而老年人属于自然的生理退化，尚未构成残疾，更不是患者，而且只能轮椅由于价格昂贵，并没有被广大用户接受。老年人辅助站立沐浴设备针对生理退化的有一定运动功能的老年人而设计，旨在轻松帮助老年人沐浴。在老年人辅助站立沐浴座椅的设计过程中，必须体现人性化设计和对老年人关爱的设计思想和原则，使辅助产品真正走入老年人的生活，延缓他们老化速度，改善他们的生存质量。1.3 设计研究思路和结构1.3.1设计研究思路本设计基于方便照护人员帮助老年人洗浴，按照人机工程的要求，制定基本设计思路：辅助站立沐浴座椅主要功能有两个方面，即辅助站立功能及可控角度靠背旋转功能。辅助站立功能的目的是方便照护人员帮助老年人洗浴全身，冲洗全身，减少看护人员过多的体力消耗；可控角度靠背旋转功能的目的是帮助老年人舒适洗头，另外在转动角度后可以让老年人在坐姿下洗背；两者的共同目的为节省时间，提高工作效率。辅助站立功能的设计运用电动机带动液压缸运动使推杆帮助老年人站立和滑道与拐杖组合成的扶手扶持老年人站立的原理；可控角度靠背旋转功能的设计则参照运用棘轮机构的卡槽扣住椅背。1.3.2设计研究结构2 老年人辅助站立沐浴座椅整体设计老年人沐浴过程可分为上身、下身，上身分为前后。辅助站立沐浴座椅把洗澡分成了站着洗的部分和坐着洗的部分。当老年人坐着时，照护人员可以把上身的前部洗好，调整靠背的一个角度到老年人最舒适的位置把头放在靠背上，可以帮老年人洗头；再调整一个大点的角度空出老年人和靠背之间的距离，帮老年人洗后背。洗完上身之后，我们需要使老年人站立起来，帮助老年人洗下身。这个时候，我们把拐杖沿着滑道滑到需要的位置，同时启动电动机，带动液压推杆推动座椅上升，帮助老年人站立，老年人站立后立马扶住拐杖，完成站立和稳定站立。此时照护人员帮老年人洗下身。洗完之后可以直接擦干，完成沐浴过程。因此，本设计中的框架是一个多功能座椅。功能性突出辅助的特性，减轻照护人员的过多的体力消耗。2.1 老年人沐浴座椅的结构设计老年人辅助座椅本体结构设计采用椅面翻转的形式，用椅面提供起立过程中膝关节辅助力矩，有效的针对老年人站立运动过程中膝关节力矩不足的原因进行辅助，从而帮助老年人站立，减轻其膝关节力矩。整个框架采用焊接方式成为一个整体，其他的部件分别在各自的位置与其进行装配。由棘轮演变而来的定位轮子安装在椅背的侧面，卡子装在靠背杆的侧面，卡进一个卡槽就可以固定住一个角度的靠背的位置，卡子的末端是活动的，用弹簧一端连接靠背，一端装在可以活动的卡子末端，成为一种顺着齿的方向转动时，弹簧刚好放开束缚直到卡进卡槽就会被卡住，当靠背要回到原来位置时，直接用手拨动弹簧使其脱离可以被卡住的位置。两侧是对称存在的，保证平衡性；扶手是实心的板，装拐杖的卡槽在实心的板上，在拐杖的侧面装上一个与卡槽可以进行配合的扣子，当需要站立时，沿着滑道将拐杖滑进固定位置就可以装上拐杖，不用这个功能时，拐杖可以卸下来单独使用；座椅的翻转是通过电动机带动液压推杆运动，为保证翻转平稳，我们设置两个液压推杆，这个过程需要选择合适的电动机和液压缸。图为基本的沐浴座椅的框架：图为老年人辅助站立沐浴座椅工作过程：老年人辅助座椅的工程尺寸严格按照老年人人体测量的尺寸进行设计，符合老年人人体曲线设计，满足大部分老年人的要求。简图的尺寸见下图：2.2沐浴座椅框架的材料选择材料的刚性要足够大到承受一个200公斤重量的老年人，而且，为了给洗下身留出足够的空间，扶手要比座椅更突出，方便拐杖安装得比座椅最外端还突出，那么，拐杖的安装位置很有可能会带来重心不稳的情况，导致整个座椅翻车状况，因而，在材料的选择上，我们选择一种密度比较大，下盘比较稳的材料。另外，由于沐浴座椅是被固定在比较潮湿的地方，因而，选择一种不易生锈的材料十分重要。考虑到此类原因，本设计选择45号钢作为框架的主体材料。2.3 沐浴座椅框架的安装为了提高椅子的便捷度，不能把座椅设计成一个很笨重的机器，因而，我们可以把椅子设计成分解的可以自行组装拆卸的各个部件。包括座椅、电动机盒子、靠背、定位靠背的轮子、扶手板子、拐杖。选择了在椅子下方安装一个密封性良好并且防水的盒子，在盒子里可以装上电动机和一些必要的电路，家庭安装这个框架的时候，产品应该是框架和盒子分离的，框架上留有安装这个盒子的位置，独立搬运可以减弱安装的难度。由于现在很多的家庭的性质决定了地板不方便打孔，直接采用吸盘固定在地面上。3 生物力学与人机工程学理论3.1 生物力学分析与研究老年人辅助站立的过程是本设计中座椅设计的难点和重点，老年人站立过程中的生物力学特征也就最值得分析与研究。通过实验来提供辅助站立功能的理论依据。实验的目的是通过三维动作捕捉系统对老年人和年轻人站立运动过程进行实时捕捉和数字解析，分析老年人和年轻人站立过程中不同的生物力学特征，探讨老年人下肢力量衰退对站立运动的影响，揭示老年人站立运动的限制关节，从中得到设计启示。3.1.1 生物力学启示实验A:实验准备STS运动是一种可行而有效的老年人下肢功能状态和平衡功能等的评价方法。站立运动主要依靠人体下肢力量从座位起立的运动过程，其中存在着复杂的生物力学和运动学的变化。国内外的许多学者通过研究发现影响站立运动的主要因素有：（1）座椅的高度。使用相对高的座椅有利于减少膝关节的力矩，同事如果相应降低椅子的高度在站立过程中则会增加动量的产生。随着椅子高度的降低，站立的难度随之增加。 等研究发现38cm高度的椅子，老年人进行站立运动将变得十分吃力，Deam等研究发现不同的座高时对STS测量结果有影响。（2）使用或不使用扶手（手臂支助）。研究发现在站立运动过程中使用扶手能更加方便的进行站立运动，同时有利于减少膝关节和髋关节的力矩，使用扶手还有利于维持身体姿势的稳定性。（3）老年人自身主观的原因。在站立过程中需要协调能力、平衡能力以及足够的关节活动度和肌肉力等。随着年龄的增长，老年人肌肉量流失和肌力不足是共同的特征以及平衡能力的下降都会导致老年人站立失败或者困难。 同时国内外有很多学者通过站立速度的快慢以及规定时间内的坐立次数等的实验方法对老年人站立运动过程的生物力学特征进行分析和研究。为简化模型，我们做了一些假设：（1）站立运动是对称的；（2）关节角度变化取值的正负，根据生物力学研究领域的惯例设定：躯体围绕某一关节弯曲，则代表该关节两个相邻骨骼之间角度下降，关节角度取负值；躯体围绕某关节伸展，则该关节两个相邻骨骼之间的角度增加，关节角度取正值.如图示：B：实验对象选择10名65岁以上的老年人作为实验组，平均年龄为687.48岁，平均身高为164.64.72cm，平均体重为66.26.49kg。另选择9位年轻人作为对照组，平均年龄为232.64岁，平均身高为175.24.9cm，平均体重为68.77.48kg。两组人员均未患有神经精神系统疾病和有影响运动系统功能的严重损伤，经查访，两组人员均同意接受本研究测试。实验研究对象基本情况见表如下：C：实验过程运用运动捕捉技术可以捕捉人体动作，便于进行量化分析，结合人体生理学、物理学原理，研究改进的方法，使产品设计摆脱纯粹的依靠经验的状态，进入理论化、数字化的时代。根据检测的图像数据，采用MATLAB编程环境进行数据处理，获得各关节的角度、关节力矩、足底压力变化等信息。两组对象均按要求顺利完成站立实验。老年人组的站立时间与年轻人组相比明显延长。老年人由于年龄的增长生理机能的衰退，脚力不够等原因，老年人往往在站立运动过程中需要更长的时间，而且发现老年人所需时间长的还有一个重要的原因是老年人害怕站立运动过程中身体速度过快失去平衡摔倒。3.1.2生物力学实验结论据数据分析，站立运动过程可以分为四个阶段如图所示：图2.3站立运动的四个阶段第一阶段：人在座位上，处于一种静止的平衡状态；第二阶段：身体前倾，产生一个向上和向前的动力；第三阶段：身体离开椅面，直到髋、膝关节角度达到最大值；第四阶段：身体完全之力，处于站立平衡状态。第二和第三阶段是站立运动过程中的重要阶段。髋、膝关节角度的分析在站立运动过程中第二阶段的时候，受试者身体前倾，产生一个动力，在离开椅面的时候转换为向上和向前的动力。无论对年轻人还是老年人来说，在进行站立运动时身体都有一种向前倾的趋势以补偿下肢肌肉力量的不足。一般来说，在站立过程中身体前倾有利于减少膝关节的负重，而且对由于生理机能衰退导致肌力不足的老年人特别有用。图2.4 老年人关节角度变化上图为老年人在起立过程中，髋关节、膝关节角度变化。其中膝关节和髋关节角度没有归零，是由于部分老人不能完全直立导致。图2.5 年轻人关节角度变化上图为年轻人在起立过程中，膝关节和髋关节角度变化。其中髋关节角度超过零值，是由于部分年轻人运动速度过快、同时身体柔韧性较好，导致髋部向前弯曲，没有保持垂直站立姿态。另外，对比两图中髋关节角度变化对比可知，部分老年人在站立运动过程中身体前倾的角度较年轻人大，有利于补偿老年人由于生理衰退的原因导致下肢肌肉力量的不足的情况。髋、膝关节力矩的分析以下是老年人组合年轻人组站立过程中膝、髋关节力矩变化图。为便于对比分析，横坐标表示站立动作完成率，纵坐标便是规整后的关节力矩。图2.6 老年人站立过程中关节力矩变化图2.7 年轻人站立过程中关节力矩变化S为站立动作的完成率，t表示当前时间，t1表示完成站立运动所需时间S=tt1 (2.1)对比老年人和年轻人关节力矩变化可知，老年人髋关节力矩最大值较早出现，基本在未离开椅面的时候已经达到最大。同时由图可知，无论老年人还是年轻人，在站立过程中膝关节力矩占据完成站立所需下肢关节力矩的大部分。足底压力分析在STS运动过程中，当人体上身微微向前倾时，由于重心的移动以及受力点位置的变化，足前与足后的压力产生了变化。设左足足前的压力为F1,右足足后压力为F2。由XSensor压力分布系统可得分布测试。得到右足足前，左足足后的压力变化趋势如下。通过一组老年人和年轻人站立运动过程中生物力学特征的对比实验分析，发现老年人由于下肢肌肉力量的衰退导致膝关节力矩不足时老年人站立困难的主要原因，需要对老年人膝关节力矩进行辅助，从而增加力矩的输出，帮助其进行站立运动，减轻膝关节负重。3.2 人机工程学理论和工业设计理论通过上节老年人和年轻人站立过程中生物力学的不同特征的实验分析，发现老年人在站立过程中存在着膝关节力矩不足的特点，为老年人辅助座椅的设计提供了理论支持，但由于老年人自身生理和心理的复杂性，仅仅从单方面研究与分析往往存在不足，必须以综合分析为基础，对老年人的生活方式和社会文化背景等做全面的评估，进行全方位、多层次的研究，把“人机环境”作为一个统一的整体，综合考虑各方面的因素。使产品不仅在解剖上，并且在生理与心理都能取得最佳匹配，使辅助座椅的设计能更好弥补老年人弱化的功能，成为老年人身体的一部分。以及坚持人机工程学的研究方法，充分考虑老年人生理和心理的特征，强调产品的舒适性、便利性和安全性，设计出功能合理、品质优良的辅助产品，提高老年人的生活质量。座椅是老年人辅助座椅设计的基础，研究老年人坐姿的身体尺寸和座椅的设计细则具有重要的意义。3.2.1老年人人体模型尺寸人体尺寸是人体工程学最基本的资料之一，特别是在特定姿势或动态下的数据。老年人体模型是老年人辅助座椅设计的基本设计依据。老年人由于代谢机能的降低，身体各部分产生相对的萎缩，最明显的是表现在身高上的矮缩。据老年医学研究，人在28-30岁时身高最大，35-40岁之后逐渐出现衰减趋势。一般老年人在70岁时身高比年轻时降低2.5%-3%，女性的缩减有时最大可达6%。因此运用老年人身高降低率可以近似推算出老年人身高各部位大致的基本尺寸。以建筑设计资料中国成年男性和成年女性尺度为基准降低2.8%推算，可确定老年人一般人体尺寸。设中国成年男性和成年女性尺度为H，老年人人体尺寸为H1，计算公式为 H1=H*（100-2.8）%图为我国老年男性人体尺寸：图为我国老年女性人体尺寸：3.2.2座椅设计细则座椅设计直接影响老年人的舒适性、健康等，且影响座椅舒适度的因素很多，如椅面高度、椅面的水平羊角和扶手高度，以及椅面、椅背硬度等。表为老年人坐姿人体尺寸：老年人辅助座椅的设计比粗以人体工程学为指导思想，不仅要使辅助座椅与人体接触部分对人体产生的压力与人体的生理特性相匹配，而且要使他们与人体的自然姿势及其几何尺寸等取得良好的匹配。（1）好的座椅设计应当令使用者上半身的中心落在臀部的骼上，以人的座位基准点为准则设定座椅的高度。老年人座椅的高度要和膝盖以下腿部高度相当，即坐着的时候，脚正好可以平放在地面。（2）座深主要是指座面的前沿指后沿的肌力。座面过深，超过大腿水平程度，人体背部挨上座椅靠背后产生很大的倾斜度，腰部缺乏支撑点而悬空，加剧了腰部肌肉的活动强度而使疲劳产生。同时座面过深，还会使膝窝处产生麻木的反应，难以起立。座深应能保证臀部得到全部支撑，要和老人的臀部到膝盖的长度相当，使靠背方便的支持腰椎部位，同时前缘部分过渡平滑，以避免其余大腿接触英气不舒适感。（3）座宽，即座椅座面的左右距离、座宽要满足臀部横宽所需要的尺度。臀部宽度最宽部分水平尺寸决定了坐垫的宽度。尽量减少机头的静态施力，因为肌肉在静态工作情况下消耗的能量要比在机械运动情况下消耗的能量要多得多。研究表明，使臀部与座面的接触面积增大能改善压力集中的现象，从而减缓坐骨下肌肉的疲劳。（4）椅子的设计必须有靠背和扶手。扶手主要支持手臂的力量以减轻肩膀负担，增加舒适感，扶手还可以帮助老年人就坐、起坐等；靠背必须能让人体的腰部与椅子背紧贴，面积大且结实；同时必须符合人体脊柱的弯曲曲线，而且能支撑住老人的头部和肩膀，靠背使支撑点和支撑角度从一个增加到两个，使老年人感到舒适。（5）椅垫能使老年人采取一种较稳定的姿势。坐姿材料的选择要适当，注意材料的柔软性，太软的椅子容易令使用者弯曲身体，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛的现象产生；同时应增加材料的渗透性和透气性等，避免对老年人身体“体腔”的压迫。现代科学技术的发展，生物力学、机械、人工智能以及美学等学科的高速发展，为辅助产品的设计提供了新的解决思路。4 电动液压推杆的设计老年人辅助站立沐浴座椅样机主要由电动推杆、压力传感器以及数据处理设备和控制电路等组成，且辅助座椅能承受100kg的人体重量。上升的方式有凸轮机构，螺纹连接、弹簧等方式，为了保证老年人在被辅助站立的过程中平稳上升，而不是被冲飞出去，我们选择比较平稳的液压缸。因而，液压缸的选择成为了我们设计的主体部分。4.1 液压缸的选择液压缸是电动推杆的设计主体部分，现根据实际情况，对设计参数给予初步假设：液压缸系统供油P=6.3Mpa;液压缸最大推力为Fmax=1200N；缸的最大行程L=300mm。4.1.1 液压缸主要尺寸的确定1、液压缸的工作压力的确定液压缸的工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的额压力范围不同。根据负载F=1500N，查附表8-7可知液压缸的工作压力为0.8-1MPa，由附表1确定液压缸的工作压力P=0.8MPa。2、液压缸缸筒内径D和活塞杆径d的计算根据已知条件，工作最大负载F=1200N，工作压力P=0.8Mpa(机械效率)可得液压缸内径D和活塞杆直径d的确定：已知F=1500N，P=1.6Mpa， 查表得：查表得：则无杆腔实际有效面积 有杆腔的实际有效面积 3、液压缸壁厚的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布材料规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。按所设计的参数，此液压系统属于低压系统，缸体壁厚可以按经验值选取，但如果设计缸体材料选无缝钢管时，其壁厚可以按如下公式计算， 式中： Py=（1.25-1.5）Pp,取Py=1.5 Pp Py=1.51.6=2.4 Mpa =100-110Mpa（无缝钢管），取=100Mpa由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小，使缸体的刚度不够，如在切削加工过程中的变形，安装变形等引起液压缸工作过程中的卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚：=5mm4、缸体外径尺寸的计算缸体外径D1=50+2x5=60mm查机械手册表：外径D1取65mm5、液压缸工作行程的确定由于在液压缸工作时要完成如下循环动作：慢速上升定时保压快速下降 即可根据执行机构实际工作的最大长度确定。由上述动作可知工作行程为250mm。6、缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度，按轻度要求可用下式进行近似计算：t无孔时 有孔时 式中：D缸盖止口内径（mm） t缸盖有效厚度（mm） d缸盖孔直径经计算可得无孔盖厚度7、最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为H，称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足：H式中：L液压缸的最大行程（mm） D液压缸内径（mm）取H=40mm8、活塞宽度B的确定活塞的宽度B一般取B=（0.6-1.0）D即B=（0.6-1.0）50=（30-50）mm取B=60mm9、缸体长度的确定液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程与活塞宽度的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径的20-30倍。缸体和端盖采用螺纹连接，用内六角螺栓。即：缸体内部长度250+55=305mm 缸体长度即取缸体长度为300mm10、液压缸进、出油口尺寸的确定液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上，进、出油口处的流速不大于5m/s,油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接根据液压缸螺纹连接的油口尺寸系列（摘自GB/T2878-93）及16Mpa小型系列单杆（GB/T2878-93）及16Mpa小型系列单杆液压缸油口安装尺寸（ISO8183-1986）确定。进出油口的尺寸为M161.5。连接方式为螺纹连接。4.1.2 液压泵的选择差动进给： P q=v()=50.0016=0.008 P=工进1：P =0.80.003=0.0024 P=工进2： =1.20.003=0.0036 P=快退： P q=50.0014=0.007 P=液压泵的参数计算：取进油路总压力损失为 因此泵的额定压力可取快进时泵的流量为 工进1时泵的流量为： 工进2时泵的流量为： 根据上面计算的压力和流量，查产品样本，选用YBN-A*M型的限压式变量叶片泵，排量为15Ml/r，该泵的压力调节范围为（1.4-3.5）MPa,额定转速1100r/min。4.2 电动推杆的结构为了使老年人能够更平稳的上升，我们采用两个对称的液压推杆起到支承的作用。液压推杆的上端连接一个滚珠，控制液压推杆的上升方向，下端则连接一个铁盒子，将线路和控制系统装在里面，并且与其连接使液压推杆有了上升的支承点。压力感应器与铁盒子相连。4.2.1 球铰链的选择球铰链可沿槽自由摆动，它由球头杆、球铰端盖、球铰座以及轴承组成。球头杆颈部（球头杆与球头的过渡段）由总体方案给定为。球头直径：由尺寸之间的协调性，球头适宜直径为120-130mm，本设计中取适中直径126mm；球铰转轴轴颈直径和长度：由轴承尺寸和铰链体积适宜性确定球铰转轴轴颈直径为80mm;由轴承宽度和圆螺母厚度确定球铰转轴轴颈长度为60.5mm。球铰转轴颈部取为锥面，这样可增加壁厚，克服球铰转轴过渡处（调查资料显示，该处易发生断裂），强度薄弱结构，为使刚度最大，长度取最短，最终易得球铰转轴的轴向长度为77mm；球头杆颈部轴向长度: 球头杆、球铰端盖、球铰转轴和球铰座四者刚好不发生干涉时，即球头杆颈部长度取最小值时，对此杆强度及刚度削弱最小。资料显示，球头杆颈部长度为29.3276m时，为刚好不发生干涉的临界状态，故该最佳设计值取29.4mm;球铰链槽的形状：对球铰链槽的要求为1、避免因球头杆轴线与球铰转轴轴线产生奇异；2、由于存在摩擦力矩，避免因过于靠近奇异位置出现卡死的现象；3、刀具无论达工作空间任何位置，球铰链均不发生任何干涉；4、开槽最小，经几何关系，当球头杆轴线与球铰端盖轴线大于5度时，可避免卡死现象。4.2.2 铁盒子的简单设计方形，空出放控制系统和线路的空间，其他是实心的。4.3 电动机的选择根据以上计算，知道快进时功率最大，故按快进时估算电机功率。差动快进时，压力油经三位四通阀，二位二通阀1和二位二通阀2进入液压缸大腔，大腔压力，由已知条件知，于是泵的出口压力为，总效率。 查手册，选用Y90S-4型电动机，其额定功率为1.1KW，额定转速为1400r/min。满足驱动液压推杆。4.4 压力传感器和控制系统4.4.1压力传感器选用压力传感器具有测量精度高，温度性能好；抗过载、偏载能力强，工作稳定；结构紧凑，工艺精湛，防护等级高；安装简便，适用性强等功能和特色。能有效的对老年人站立过程中足底压力的微小变化作出反应。压力传感器外壳必须高度防水，才能在沐浴设备中发挥功用。表为CL-YB-11型压力传感器尺寸参数图为CL-YB-11型压力传感器参考图4.4.2 控制系统整个控制系统分为如下几个功能模块：（1）压力数据采集模块 经过压力传感器对使用者足底压力进行采集，便于后期通过A/D转换器将模拟信号转换成电信号。图为压力数据分析（2）足前足后压力数据对比 通过电路的设计，对采集的压力数据放大后，进行比较。图为压力数据处理：（3）电机控制 信号输出驱动电机的运转，用足前足后的压力差值，对电机进行切换控制。 图为压力数据输出控制 4.5 小结（1）老年人辅助座椅本体结构设计采用椅面翻转的形式，用椅面提供起立过程中膝关节辅助力矩；（2）利用压力传感器采集起立过程中的右脚足前足后压力数据，并作差值运算作为起立动作的意图预测，同时控制电机运行；（3）液压推杆要在保证平稳的情况下能够帮助老年人站立。5 可控角度旋转靠背功能的设计靠背的存在，不方便照护人员帮助老年人搓背，因而设计一个可以翻转一定角度的折叠靠背对于帮助老年人洗背是有很大的作用的。考虑到靠背需要做间歇分度转位，那么要实现间歇转位，就是要把连续的摆动运动转换成单向步进回转运动。可用棘轮机构、摩擦式棘轮机构、超越离合器等等。由于此设计中的间歇转位负载并不大，只是对老年人给予轻度的背部扶持。故而，选择简单直接的摩擦式棘轮机构足以满足条件。由于角度只需要在180度方位内固定两个，故设计一个由棘轮机构演变而来的简单的定位机构（卡子卡住卡槽）即可。5.1摩擦式棘轮机构的设计5.1.1摩擦式棘轮机构的材料通常，摩擦式棘轮机构的工作表面都要求HRC=60左右的高硬度，材料多选用轴承钢、碳素工具钢或渗碳钢。5.1.2摩擦式棘轮机构结构尺寸由椅子靠背的三次定位可知摇杆摆角为90度，设棘轮每齿所对的角度为20度，则棘轮的齿数为18，对应棘轮运动的齿数为5.选取棘轮标准模数为4，则顶圆直径为，则棘轮相应的有关参数如下表所示：名称符号计算公式名称符号计算公式模数m选取标准4齿高h4齿数Z18根圆直径64顶圆直径72齿宽b8周节P12.56齿顶厚4棘爪长度L25.125.1.3 弹簧的选择根据标准，选择不锈钢丝扭转式弹簧规格，选择挠度为120度的弹簧，左方向。如图所示为示意图。 5.2 小结 摩擦棘轮机构成为支承靠背定位的一个很重要的部分。没有它的存在，靠背将无法固定在想要的位置。无法实现椅子的功能。6 可安装拐杖扶手的设计老年人在电动推杆的作用下通过补偿力矩站立起来后，只有站稳才有可能顺利帮助其洗下身。为了解决这一问题，方案一可以将扶手改成可伸缩的外杆套内杆的形式，方案二可以直接将扶手改成滑道形式，直接在滑道内安装一个可装卸的现成拐杖。两者都可以达到自带扶杆的结果，只是方案一的内杆套外杆方式使得全身力量都压在椅子上，无法保证稳定性。然而方案二因为拐杖接触地面将有一部分力量由地面分担，减少椅子的负担，另外我们只需要在自家拐杖上安装一个可扣进滑道的扣子即可完成这项功能，减少成本，易于实现。故本设计选用方案二。6.1 可安装拐杖扶手机构示意图6.1.1 安装拐杖的扶手的设计 目的是能安装一个固定良好的扶手，帮助老年人站立后的稳定。6.1.2 方案的选择 方案一：滑道的设计滑道可以实现的功能：1. 固定住安装在滑道上面的拐杖；2. 当两边的拐杖滑至最左端时，我们用螺母将拐杖固定，此时沐浴装置可以让老年人站立起来，拐杖的作用就凸现出来了；当拐杖滑至轨道最右端时，就与座椅的靠背位置重合了，此时也不会影响到其正常运转；3、我们通过三个螺栓将轨道固定在座椅两端扶手下侧，同时也能自如的拆除。如图所示：方案二：套筒式 直接装入拐杖。即可以实现方案一所述功能，而且还可以保证稳定性，减少制造过程中的繁复程度。如图所示：显然，方案二更简洁更加实用，故选择方案二。6.2滑道+拐杖可能出现的问题及解决方案1、拐杖滑至最左端时，由于尺寸比座椅扶手长度还要长，我们将拐杖下端与地面齐平，同时也可以在座椅后面配重，避免因为质量不平衡而使座椅向前倾翻。2