助老如厕车的结构设计与运动仿真分析

1、    助老如厕车的结构设计与运动仿真分析    鲁智谦 李冬林 张忠瀚【摘  要】基于现如今缺少集助行与辅助如厕功能于一体的助老器械的现状，本文提出一种助老如厕车的设计方案，根据对老年人身体参数变化的一些研究与调查，确定了助老如厕车车体的主要尺寸。同时，就目前助行车所不具有的功能从而提出运用电动推杆辅助老年人坐立以完成辅助如厕的方案，并运用adams对辅助如厕机构运转情况进行仿真，得出运动情况良好的结论。【关键词】助行车;辅助如厕;结构设计;运动仿真分析引言助行工具对于腿脚不便的老人来说是生活中不可或缺的生活伴侣。受众为老年人的助行工具一般具

2、有结构简单、质量较小以及方便易折叠的优点，这使它能够很好的辅助老年人的自由出行。目前市场上有各种各样的助行类产品。根据结构和功能的不同，大体可将其分为三类：其一为无动力助行器，其二为功能性电刺激助行器，其三为动力式助行器。世界各国由于科学水平与经济条件的差异，其对应的助行器产品也有所不同。瑞典trust care公司致力于老人助行产品行业，它拥有欧洲顶尖的设计师，设计出了世界上一流的产品，为老年人的生活带来便利。trust care公司对助行产品的设计研究十分考究，该公司设计出的“lets go”系列全新的助行产品赢得了世界各国人士的青睐。目前我国老年助行产品的研发仍处于初级阶段，企业对该类产

3、品的研发相对较弱，而且该类产品在我国使用普及率较低，与发达国家存在一定差距。目前，电动轮椅车已在中国医学会投入研究并已经得到一部分了老年人的使用，反馈效果相当好;清华大学、上海交通大学等科研院所也各自开展了老年人助行产品的设计和开发，涵盖了助行器的各种结构样式;江南大学和浙江大学主要针对老年人助行产品的无障碍设计和辅助站立座椅设计。本研究主要着力于带有辅助如厕功能助行器的结构设计，并对辅助如厕功能进行运动模拟，从而判断该机构的合理性。1.助老如厕车的尺寸分析根据我国60岁以上老年人的人体尺寸分析，确定助老如厕车的一些关键尺寸如：扶手及把手的长度与距离座面的高度、座面的宽度和距离地面的高度以及靠

4、背的宽度。（1）扶手及把手的长度与距离座面的高度。把手是手掌直接接触的部位，而扶手是传递身体重量并把控方向的，所以其高度和两扶手之间的距离在一定程度上影响着助行器的舒适性，把手的尺寸应该适用于不同性别、年龄的人群。故將扶手距离座面的高度设置为300-450mm，扶手长度为400mm，且扶手之间的距离为400mm左右，把手的长度设置为110mm，直径为25mm;（2）座面的宽度和距离地面的距离。座面高度过高不利于如厕的顺利进行，过低易使身体进入疲劳状态，适当的座面高度有利于如厕的顺利进行。参考不同的坐姿膝高尺寸、坐姿臀宽尺寸和座深尺寸，将座面距地面高度设置为470-550mm，座面宽度设置为40

5、0mm;（3）靠背的宽度。靠背的宽度根据腰围的尺寸来确定，故将靠背的宽度定为400mm。2.助老如厕车的结构设计2.1支撑架设计助老如厕车支撑架中，车轮水平方向的连接杆被设计成弧形造型，既能够使老人手扶时的力均匀地施加在四个轮子上，保持如厕车重心平稳，并且给与人流畅的视觉感官，同时中间设置一横柱（如图1、图2），来加强支撑架稳固性。2.2如厕坐具设计如厕坐具的设计如图3、图4所示。参考目前已知马桶尺寸，同时将衣服的厚度尺寸考虑其中，将座面宽度设置为400mm左右，长度设置为350mm左右。在座面板中间挖去一短半径为100mm左右，长半径为130mm左右的半椭圆孔，以便老人在如厕时能够顺利进行如

6、厕行为。2.3扶手与把手设计在支撑行走时，助老如厕车的扶手应有较大的接触面积，并有一定的防滑措施，设置操作把手直径为25mm，长度为110mm左右。同时在把手外侧缠绕防滑胶套，当旋转把手时能够对助老如厕车进行调速，并在把手上设置减速和急停按钮，能够在电动情况下及时刹车与急停，以保障老人行走安全。为使操纵手刹时更便捷，将手刹钮安置在把手拇指处，便于及时、方便的按下。当老人如厕时，为方便老人如厕，将扶手设置成符合人体手臂曲线的曲面，如图5、图6所示。2.4车轮设计助老如厕车的前轮设置成能够横向转动，这样方便对车体方向的操控，车轮边缘橡胶凸起能够减缓震动和噪音（如图7）;后轮为主要驱动轮，为能够与特

7、定轨道卡死的电梯轮，后轮与电机同轴进行驱动（如图8）。3.adams运动仿真分析在辅助如厕机构中选用的动力为二级推杆所提供的直线运动，设置第一级推杆的直线运动速度为25mm/s，第二级运动推杆的直线运动速度为30mm/s，并利用adams对机器关节运动进行仿真优化，其运动过程如图9所示。辅助坐立功能其重点为背部靠垫与坐垫绕z轴运动情况的稳定性，因为这不仅有关人体姿势的舒适度，更影响到老年人如厕时的安全性问题。因此在运动情况的模拟中，将着重研究助行车部件绕z轴转动的一系列运动参数。如图10所示，坐垫质心转动的角度和角速度都与近似呈线性关系，可以证明此辅助如厕机构的运动具有一定的平滑性，且较为平稳

8、。由角度时间曲线可知，在4s左右机构达到所能运动到的极限位置，其与机架的夹角约为32.75°。根据身体健康、平均年龄为68岁的老年人的从坐姿到站姿的时间统计，所需时间为（2.14±0.57）s。由此可知虽然仿真所得的到的时间稍大于实际，但是考虑到上述统计未将腿脚不便的老年人算入其中，故时间有一定的裕量是合情合理的。虽然在运动的初期角加速度曲线有一段不规则振荡区域，但是在轻载低载荷的情况下，稍有振荡对整体运动规律并无影响。对于上述角加速度在运动初期有一振荡阶段，初步分析为坐垫与靠垫铰接处有摩擦引起。故对铰接处作进一步运动参数分析。如图11所示，铰接处的一系列运动参数变化都较为

9、平稳。故坐垫质心初期的角加速度振荡现象就不是坐垫与靠垫铰接处有摩擦引起，具体产生原因还需进一步理论分析与验证。虽然坐垫质心初期角加速度存在振荡，但是由于上述两处绕z轴运动参数变化情况是影响辅助如厕机构辅助老年人坐立最关键的两点因素，且这两个因素的运动情况都较为平稳。故可以认为设计的机构安全可靠的。4.结语根据现如今缺少集助行与辅助如厕功能于一体的助老器械的现状，本文提出了一种助老如厕车的方案。然后根据对老年人身体参数的变化进行的一系列研究和调查，大致确定了助行车一些主要参数;其次对助行车各个部分的尺寸进一步确定，并在solidworks中对助行车的各个零部件进行建模，而后进行装配;最后，将整个助行车的模型导入到adams软件中对辅助如厕部分运动参数进行分析与验证，得出设计安全可靠的结论。本文的研究为设计出具有多种功能的助行车提供了一定的参考价值。参考文献1李斌.基于关怀理念的介0助老人产品设计研究d.南京艺术学院，2012.2田霞.膝关节屈伸肌力变化对平衡能力的影响d.苏州大学，2011.3赵思思. 老年人助行器的设计与研究d.华北电力大学.4龚渊博，高筠.老年户外交通工具设计研究j. 决策与信息（下旬刊），