智能助老如厕代步装置设计说明书

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智能助老如厕代步装置设计说明书

设计者：杨某某，梁某某，张某某，任高某某，吴某某

***机械工程系

2020年8月目录

第1章研究背景 1

第2章设计方案 2

2.1 整体结构 2

2.2 底盘选型方案比较 3

2.2.1 底盘尺寸的确定 4

2.3 升降机构 4

2.3.1 升降机构方案比较 4

2.3.2 升降电机的选型 6

2.4 驱动轮系 7

2.4.1 驱动轮系方案比较 7

2.4.2 行走电机的选型 8

2.5 电控系统设计 11

2.5.1 电路设计 11

2.5.2 控制流程 11

第3章理论计算与分析 13

3.1 双曲柄结构的自由度计算 13

3.2 关键零部件强度校核 14

3.2.1 承重梁机构强度校核 14

3.2.2 四连杆受力螺栓强度校核 15

3.3 有限元分析和工程图 16

第4章设计创新点 19

第5章应用前景 20

参考文献 21

摘要

为了解决高龄老人如厕后起身困难、需要家人搀扶的问题以及针对现有助力装置占用空间大、无移动能力的缺点，我们设计了这款智能助老如厕代步装置。本装置通过结合双曲柄结构与升降电机，实现了辅助使用者起身站立的效果；结合轮毂电机与万向轮控制装置移动，使老人可以将本装置作为外出代步工具使用；本装置还加入传感器实现了自动照明功能，将以上部分结合起来便制成了一种可辅助如厕兼具外出代步功能的装置。经过实际场所操作结果表明，该设备功能实现良好，工作状态稳定，性能可靠，可以为广大老年人提供更舒心、更全面的服务。

关键词：如厕、助老、代步、智能

Abstract

In?order?to?solve?the?problems?of?elderly?people?having?difficulty?getting?up?after?going?to?the?toilet?and?needing?support?from?their?families,?as?well?as?the?disadvantages?of?existing?power?devices?that?take?up?a?lot?of?space?and?have?no?mobility,?we?designed?this?intelligent?device?for?elderly?people?to?go?to?the?toilet.?By?combining?the?double?crank?structure?with?the?lifting?motor,?the?device?realizes?the?effect?of?assisting?the?user?to?stand?up.?Combined?with?the?hub?motor?and?the?universal?wheel?control?device?to?move,?so?that?the?elderly?can?use?the?device?as?a?walking?tool;?This?device?also?adds?sensors?to?realize?the?automatic?lighting?function.?Combining?the?above?parts,?it?is?made?into?a?device?that?can?assist?the?toilet?with?the?function?of?going?out?for?walking.?The?actual?operation?results?show?that?the?device?has?good?functions,?stable?working?status?and?reliable?performance,?and?can?provide?more?comfortable?and?comprehensive?services?for?the?elderly.Key?words:?toilet,?help?the?elderly,?walking,?intelligence

研究背景

随着我国老年化国情的日益突显，我国老年人的比例日渐增长。我国对老人生活给予的福利需求量和质量也都越来越高，在许多的生活方面，都有需要考虑到老人的地方。在如厕方面，老人非常不便，但如厕是人的生活习性，所以不能从如厕本质上所改变老人如厕困难这一事实。现有的装置例如可搬运的如厕木某某，它整体笨重搬运困难，对于手不灵活的老人来说非常不方便；又例如可搬运的马桶，它也需要人力将其搬运且要对准放置于蹲便器之上，这对于手脚不便的老人，也有一定程度上的难度。对于以上两种装置，它们都没有助力机构，对于腿脚弯曲不便的老人来说，也有一定的使用困难。对于这些问题我们应当考虑如下几点：

该产品应当具有兼容性，以便以后适配各种马桶尺寸；

产品机身应当小巧，小巧的机身可以适用于各种家庭环境，且占据空间降到最低；

考虑受众群体，我们对于产品的使用环境、用户的心理需求、操作的合理性、容错机制等方面都要考虑周全；

产品机身零件尽可能的选用国家标准零件，减少生产成本，且便于以后对产品的维修和零件的替换。

此智能助老如厕代步装置旨在通过升降电机与机械结构的组合来控制坐垫升起的运动轨迹，解决了老年人上厕所后起身难的问题，通过传感器＋智能模块使我们的产品功能更强大、更智能。我们的产品功能强大、适用范围广、节省空间，颠覆了人们对助老类机械的认知，不需要消费者背负过重的经济负担。我们产品的出现将会促进轮椅产业、助老机械产业的升级和优化。提升老年人的生活质量和独立性、减轻儿女的负担。

设计方案

智能助老如厕装置具有独特的可如厕结构以及全向运动功能，针对这些功能要求，本章将详细描述智能助老如厕装置设计过程中所遵循的设计基准—国家医疗器械相关标准，并以此确定智能轮椅关键尺寸及进行升降电机和行走电机的选型。

整体结构

智能助老如厕装置作为一种典型的医疗辅助设备，旨在帮助解决独居老年人如厕不便的问题，根据老年人生理、心理特性，智能助老如厕装置的功能设计需结合目前市场上助老如厕装置的优点，针对其不足之处进行改进，同时还需要充分考虑安全、可靠、舒适以及操作简便等要求，以此提供符合用户需求的设计方案，我们的最终设计产品如图2-1所示。

图2-1最终设计框架图

智能助老如厕代步装置主要由四部分组成，分别为升降部分、驱动部分、照明部分以及立体框架组成。其中升降部分由双曲并机构与升降电机结合，通过驱动板来控制升降电机工作从而带动双曲柄机构运动来实现升降坐垫部分的升起及角度的变化，以此来解决使用者在如厕后起立困难的问题。驱动部分采用了两个24V轮毂无刷电机，该电机将车轮与电机结合，大大节省空间。且该电机有寿命长、使用效果好、节能、便于维修等诸多优点。主体框架采用不锈钢加工而成坚固耐用、承重能力强，其中包含我们产品主要创新点—与马桶完美契合的U型底盘，它整体采用同型号的方刚焊接而成，大大减少了应力集中增大结构的强度。照明部分的增添是为了更好地满足使用者的需求，为使用者解决环境较暗时所带来的不便。

底盘选型方案比较

为满足载重能力，底盘的材质、结构强度都应该满足不同体质老年人群的使用需求，且作为智能助老如厕代步的底盘，其要求更为苛刻。由此产生以下两种方案：

方案一：利用不锈钢板和不锈钢方某某焊接，这样宽大的不锈钢方板使产品重心降低，运行更稳定稳定，方便老年人群上车和站立。但钢板与钢管焊接处应力较为集中，容易发生断裂，且结构笨重不易控制。如图2-2所示：

图2-2方案一底盘

方案二：全身采用不锈钢方某某，采用等强度结构，更有效地提高产品强度，方钢的选材大大提高产品的灵活性，使结构小巧，适用于各种家庭环境中的马桶。如图2-3所示：

图2-3方案二底盘

综合考虑，采用方案二。

底盘尺寸的确定

确定的外型整体长宽高某某，由于该设备在助老如厕形态时要契合家居马桶，所以主要参考市场上的马桶，见表21，取参考长度800mm，宽度700mm，高度700mm。

表21市场上主要马桶参数单位（mm）

名称

马桶长度

马桶宽度

马桶高度（老年人专用）

外形尺寸

450~500

380~400

420~500

升降机构

升降机构方案比较

根据升降机构属性的不同，对升降机构进行了分类。主要的几种升降机构：剪叉式升降、链条式升降、丝杠式升降、钢丝绳式升降等，这四种升降机结构各有特色，为了选择更加合适的机构进行设计需要各个升降机结构特点进行比较，分析对比见表22。

表22升降机构对比

类型

优点

缺点

剪叉式升降机构

可实现垂直升降，结构紧凑、承载量大

较难实现匀速，有行程尺寸限制

齿轮齿条式升降机构

可实现垂直升降，控制非常精确，同步性好，升降速度快

频繁启动易脱链和磨损，易偏摆

丝杠式升降机构

垂直升降平稳，传动精确，不易磨损、结构紧凑、运行平稳、安全性好

设计困难、传动效率低

钢丝绳式升降机构

运行噪音小、运行平稳、布置灵活，常用于施工升降机

受钢丝绳容量限制

本次设计的为智能助老如厕代步装置的升降机构，需要满足以下几点要求：

整体升降高度要满足480mm~680mm 的活动空间；

升降机构结构简单，体积小，承载量大；

(3)升降机构的设计不影响其他功能如行走、如厕的设计。

方案一：将齿轮与剪叉式升降机构结合实现该装置的升降功能，该结构承载能力强，传动精确，但是只能实现垂直升降不能很好的辅助站立，且需要外置原动件提供动力，不能满足小巧灵活的要求。如图2-4所示

图2-4齿轮剪叉式升降机构

方案二：综合考虑本次结构设计的工作对象、功能要求和承载能力，且该智能助老如厕代步装置属于医疗器械范畴，所以要求控制精度较高没有泄漏、因此选用了电动推杆作为升降机构驱动装置，由于推杆和负载座椅面之间是刚性连接，系统对两个电动推杆有一个同步性要求，采用两侧同步升降，否则机械装置很容易受到挤压变形破坏。如图2-5所示。

图2-5连杆升降机构

综合考虑，采用方案二。

升降电机的选型

电机的选型是后续机械结构设计和控制系统设计的重要前提，根据电机基本运行条件规定，在选择电机型号方面列出如下几条要求：

(1) 根据机械系统性能要求，选择电机种类；

(2) 根据电源驱动情况，选择电机额定电压；

(3) 根据设备工作转速以及传动设备情况，选择电机额定转速；

(4) 根据电机的安装固定位置，选择电机结构；

(5) 根据设备功率，选择电机额定功率。

升降机构示意图如图2-6所示，电动推杆驱动负载重量由座椅上部支架、坐垫板和人体重量组成，即电动推杆驱动力为：

F ??(m1 ??m2 ??m3) g

式中m1 —轮椅座椅上部支架重量；

m2 —坐垫及盖板重量；m3 —人体重量。

分别取值为：m1 ???kg，m2??? kg，m3??? kg，得出F ?????N，此为两电动推杆总的输出力，单个电动推杆驱动力为 1300N。电动推杆参数如下表23所示。

表23电动推杆参数

输入电压

最大负载

速度

行程

24V

1300N

7mm/s

250mm

图2-6升降机构示意图

驱动轮系

驱动轮系方案比较

智能助老如厕代步装置在室内模式使用时机构运行环境狭窄，这样在结构设计上就得尽可能减少空间的使用，所以该装置在驱动轮系的选择上需要满足以下几点要求：

装置能和马桶完美契合，在行驶时不与马桶发生干涉；

驱动轮系运行时不影响其他功能；

驱动轮系可承载200kg重量。

方案一：采用电动轮驱动方案，将电动轮直接安装在轮胎上，此方案机械传动的体积与质量较大，控制复杂。不能满足设计需要。如图2-7所示。

图2-7蜗轮蜗杆减速电机

方案二：轮毂电机方案，采用轴伸式电机作为驱动电机，电机安装在车轮的轮毂内，输出转矩直接到车轮，既提高车体空间利用率，又省略大量机械传动部件，降低车身重量，降低传动损耗，并且拥有灵活的机械行驶特性。如图2-8所示。

图2-8轮毂电机

综上所上述，选方案二。

行走电机的选型

根据国标《GB/T 12996-2012—电动轮椅》、《GB/T 18029.6-2009—轮椅车第 6部分：电动轮椅车最大速度、加速度和减速度的测定》中的规定以及电动代步车行业相关标准，智能助老如厕装置在轮椅状态下负载重量最大小于 100kg，水平路面与倾斜路面的参考速度和加速度见表24。

表24 水平路面与倾斜路面的参考速度和加速度

最大行驶速度m/s

最大加速度m/s2

水平路面

1.66

1.3

倾斜路面10°

0.83

0.5

智能助老如厕装置重m1为45kg，人体的重量m2为75kg，总重为120kg。由前几节关于行驶标准的论述知道：电动轮椅水平路面行驶时具有的最大行驶速度为vH ??1.66m/s、加速度为 aH ??1.3m/s2；倾斜路面行驶时最大行驶速度为vI ??0.83m/s 、加速度为 aI ??0.5m/2。此外，在运动过程中由于路面材质的不同摩擦力也会有所不同，考虑到当前户外路面多以水泥为运动路面，故选取水泥路面为运动路面，摩擦系数值见下表25。

表25水泥路面摩擦系数

类别

系数

静摩擦系数 ??s

0.4

动摩擦系数 ?d

0.032

户外轮椅在水平地上运动时，受到的阻力与电机提供的动力为一对平衡力，阻力主要包括动摩擦力，空气阻力以及惯性力。

静摩擦力为：

Fs ??(m1 ??m2)g?s =480N

动摩擦力为：

Fd ??(m1 ??m2)g?d =38.4N

户外模块的惯性力：

Fa ??(m1 ??m2)aH ?156 N

轮椅受到的阻力为：

Fz??Fd?Fa??194.4??Fs

在水平路面时运动时需要的功率为：

P ??Fzv ?322.7 W

在轮椅做全向运动过程中大部分时间段采用的是双动力驱动，有 2 个电机参与运动，此时电机功率为单个电机需要的最大功率:

Ps =P/ k?

式中k-电机个数，取值为2；??—机械传动效率，取值为 0.8。求得：

Ps =P/ k=201.7 W

户外模块在倾斜角??为10??的路面上运动时，受到的阻力主要包括动摩擦力，空气阻力、惯性力以及重力沿斜面的分力，如图2-9所示。

图2-9受力分析

静摩擦力为：

Fs ??(m1??m2) g?scos??= 472.7N

动摩擦力为：

Fd ??(m1?m2) g?dcos????37.81N

重力沿倾斜路面的分力：

Fg ??(m1?m2) gsin??=208.3 N

轮椅的惯性力：

Fa ??(m1?m2)a?60N

轮椅受到的阻力为：

Fz ??Fd?Fg?Fa?306.11 N ??Fs

在倾斜路面运动时需要的功率为：

P ??Fzv ?254.07W

单个电机需要的功率为：

Ps =P/ k??158.79W

通过上面的计算可知：在轮椅运行的过程中受到的最大阻力为Fmax =339.38N

单个电机需要的最大功率为Pmax =227.85W，轮椅运动过程中单个电机需要的最大扭矩为：

Mmax=Fmax×R/k=306.11×0.1/2=15.3 N m

综合考虑市场上多家电机的型号，最终选择了金***生产的是 156轮毂无刷电机，其详细参数见表26。

表26轮毂无刷电机参数

额定电压

额定功率

额定扭矩

额定电流

最大扭矩

24 VDC

250 W

19 N/m

9 A

27 N/m

前期不断进行方案优化，确定适合的机械结构，提高产品设计效率，缩短新产品产生的周期，降低设计成本。

电控系统设计

电路设计

图 2-10电路系统

控制流程

使用者操作方向摇杆时，信号传至控制芯片，控制芯片根据传回信号的端口判断出使用者行进意向，之后发出信号给轮毂电机控制器，控制器控制两个轮毂电机进行相应的前进、后退、转弯等操作，当使用者未拨动摇杆时则控制两个驱动轮保持刹车。当使用者按下升起/降落按钮时，控制芯片向升降电机驱动板发出指令，然后升降电机开始工作。为了保证安全，在升降过程中本装置保持刹车，在坐垫升降期间也可以随时停止，避免意外发生。如图 2-11所示

图 2-11控制流程图

理论计算与分析

本章节将对已确定机械结构进行材料的强度校核，并运用 Solidworks Simulation对智能助老如厕代步装置的功能进行仿真分析，验证其性能指标是否满足设计要求。

双曲柄结构的自由度计算

智能助老如厕代步装置要求能够实现辅助如厕和外出代步的功能，综合考虑，该模块机构由立柱连接杆，上下连接杆，T型连杆这四块组成，为了减少驱动装置，缩减空间，减小成本，同时能够让各块之间实现联动，这里采用连杆结构。

在连杆机构设计过程中，保证主动件参数不变的情况下，通过修改从动件参数，就可以实现从动件多种运动形态，以下为设计连杆机构时的几个设计准则：

(1)机构自由度保证为 1，确保机构具有确定的运动。

(2)各机构间不发生干涉，包括上述提到的四块装置以及与其他功能模块机构很好的兼容。

(3)轮椅整体尺寸紧凑，连杆占用空间要小。

(4)选用的轮毂电机作为唯一驱动源时，在满足功率扭矩情况下，选择小尺寸电机。

机构运动简图如图3-1所示。该机构共有 1个机架，3个活动构件，4个转动副。平面连杆自由度公式得：

F=3n-2PL-PH

其中， n 为活动构件； PL 为低副个数； PH 为高副个数。故此机构的自由度为：

F=3n-2PL-PH =3??3-2 ??4-0=1

机构自由度为1，连杆由升降电机带动为原动件，自由度为1，机构具有确定的运动。在此平面四连杆机构中，2，4分别为上下连接杆，在连杆机构中作为连某某，其长度分别为250mm、220mm，3为机架，长度为120mm，1为T型连杆构成连杆机构中的连杆，长度为150mm最长杆＋最短杆＝其余两杆之和且以最短杆为机架，故该机构为双曲柄机构。

图3-1机构运动简图

关键零部件强度校核

由于此作品要承受使用者全部体重以及装置本身重量，为保证其力学性能满足使用需求，有必要对主要部分进行受力分析。

承重梁机构强度校核

后立撑立柱为主要承重零件，且是悬臂梁，故需要对其进行强度校核。截面悬臂梁如图3-2所示，已知l=160mm，b=40mm，h=30mm，q=20kN/m，[σ]查表计算得：[σ]=240MPa，进行强度校核：如图3-2所示

图3-2截面悬臂梁

画梁的弯矩图：

图3-3弯矩图

由弯矩图知：Mmax=

????×??

计算抗弯截面系数：W=

b×h×h

强度计算：σmax=

Mmax

ql×l

b×h×h

=43MPa请点击下方选择您需要的文档下载。

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