厕所助老支架的设计与研究

叶家根 陈洋 王瑞丰 史杰 王晋鹏

（1.山西大同大学煤炭工程学院 山西省大同市 037003 2.山西大同大学机电工程学院 山西省大同市 037003）

1 课题的研究背景和意义

1.1 研究背景

我国的人口结构特殊，由于我国生育水平持续下降及人均预期寿命的延长，老年人口占社会总人口的比例迅速上升，我国正处于快速老龄化阶段。2010年人口普查数据显示，60 岁及以上的老年人口为1.78亿，占总人口的13.26%，其中65岁及以上人口为1.19 亿，占总人口的8.87%，这表明我国已经全面进入老龄化社会[1]，据2015年全国1%人口抽样调查公报显示，2015年年末我国60 周岁及以上人口数为2.22 亿，占总人口比重为16.15%，65 岁及以上人口占总人口比重10.5%。据联合国人口司《世界人口展望2017》(World Population Prospect 2017) 预测，从目前到2055年，我国老年人口比重都将呈单调递增的趋势，60 岁以上老人到2055年达到4.8 亿，占比36.4%，65 岁以上占比29.4%[2]。老年人居家养老安全问题是重中之重。

目前，中国快速城市化未能充分考虑人口老龄化、已有生活居住环境和基础设施难以满足老龄社会的要求。助老辅助设施不仅是补民生短板的必要举措,也是拉动投资的重要领域。据中国老龄委统计，每年65 岁老人在家摔倒超过2000 万次，而由于如厕后，站立困难，导致摔倒的比例占到了53.63%。厕所助老支架的推广，将帮助老人如厕后站立，并且大幅降低老人在如厕蹲起时摔倒的机率，保障老人的生命安全。

1.2 研究意义

随着中国社会老龄化加剧，据统计，我国60 岁及以上人口已超过2.5 亿，目前大约有超过2 亿的老年人选择居家自我照顾。但由于辅助设施普遍缺失，老年人居家自我照顾的危险性很大，根据统计,我国每年有4000 多万老年人至少发生1 次跌倒，其中约一半发生在家中，部分老年人身体机能下降，腿部肌肉退化，在如厕时，蹲坐和站立十分困难。所以厕所助老支架的推广可以帮助老年人如厕后站立，减少摔倒的可能性。

目前大多数助老支架都是固定安装的厕所助老支架，此类支架占用空间面积大，空间利用率小。本文研究的助老支架的装置结构简单，设计巧妙，在使用时能够帮助老年人防止滑倒，使用完成后可以折叠起来，不占用洗手间的空间。

2 助老支架设计

2.1 结构设计

如图1所示，该支架由底板，若干支架，若干螺纹连接件，定位柱塞以及快速拔插装置组成。各主要部件由铝合金制成，有两个自由度，可以上下左右旋转。在老人需要时，可以下放，支架末端抵住墙壁，老人抓住支架蹲坐站立；使用完毕后，可以旋转支架，使支架靠墙放置，节省洗手间的空间。

2.2 工作原理

2.2.1 上下旋转部位

如图2所示，旋转部位：1 部位负责上下旋转，2 部位负责左右旋转。

2.2.2 左右旋转部位

如图3所示，将主支架的侧面，加工出一个凹槽环，在另外一个支架侧面打孔，用柱塞与主支架凹槽配合，正上方打一小孔，加装插销，使得轴向限位的同时，还可以左右旋转。

2.2.3 快速拔插定位装置

如图4所示，在径向面旋转方向有三个定位孔，在旋转到合适位置时，弹簧将柱销推入孔中，使转轴固定。

2.2.4 上下旋转部分的限位装置

如图5所示，底板耳朵下面有3.4 两个柱塞孔，用来装入柱塞。

如图6所示，在转轴上的5，6 两个凹坑，它俩端面之间的角度偏差为90 度，通过与柱塞的配合，可以实现水平和竖直两个角度的定位。

如图7所示，支架在水平状态时，左侧柱塞7 的钢球会卡在左侧凹坑，实现水平定位。

如图8所示，在将支架收回时，向上稍微用力，扭矩会使柱塞弹簧受到压力，小钢球缩回，沿着凹坑滑出。

如图9所示，支架继续向上转动，达到竖直90 度时，右侧柱塞的钢球8 会卡在右侧凹坑，实现竖直定位。

3 理论设计计算

3.1 总体尺寸设计

该助老支架最大特点在于水平展开和竖直收回两种状态之间的转换，且需要考虑底板安装距离和手托支架的舒适位置，因此只有设计好尺寸才能合理、协调的实现其功能。

3.1.1 水平放置状态

为保证支架的实际加工需要，满足使用过程的实用性，将水平状态尺寸设计为长885mm，宽110mm，高372mm。

3.1.2 竖直收回尺寸根据底板的安置位置，结合卫生间场景的平均大小空间，将竖直收回状态的尺寸设计为长105mm，宽300mm，高950mm。

如图10所示。

（1）计算支座反力B 处为固定铰支座，可列出平面力系方程组：

代入公式

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

3.2 强度与刚度校核

当弯杆竖直放起身时，当柱塞插入时，A 处构成固定端约束，列出平面力系方程组

计算弯杆平放起身时的杆件应力：

弯杆上部分为拉杆件且最大支座反力为FBx=-451.2N

下面一部分为支撑杆件且最大支座反力为FA=321.28N

符合强度条件

（2）计算剪力Fs和弯矩Ms(x)，画出剪力图和弯矩图如图11所示。

（3）计算最大弯曲正应力：

Mmax=FBy.x=129.9×0.031×10=40.27 N·m

抗弯截面系数

（4）校核轴的强度：

最大弯曲正应力：

满足强度要求

由以上简化模型可知在轴承受最大载荷状态下得惯性矩

（5）支撑杆的校核计算：

杆材料为：铝合金6061

杆长：L= 0.045m

杆横截面积为：9.62×10-4m2

取压杆稳定：nst=3

按压杆稳定校核弯杆的下半部分垂直于墙面的那部分

压杆的长度因数：m=1

杆的自由长度为：l=45mm

杆的截面惯性半径：

为杆横截面的惯性矩：

用欧拉公式校核杆：

E 为材料的弹性模量：

E=72Gpa

杆的工作安全工作因数：

所以满足要求。

又因为当弯杆竖直放起身时插销插入弯杆，插销承受挤压力和剪切力

所以需要校核强度：

最大挤压力Fst(max)=129.9N

Abs=d.l=4.8×10-3×25×10-3=1.2×10-2m2

最大剪力：Fs(max)=Fst(max)=129.9N

根据计算，此支架符合使用条件。

4 助老支架的优点

（1）现在很多助老支架都是固定支架，无法收回，大部分家庭的卫生间空间本身比较狭小，如果再安装固定支架的话，会占用卫生间空间，这款支架在不使用的时候可以旋转收回，节约卫生间空间。

（1）通过凹槽环和柱塞的配合，弯杆在轴向定位的同时，还可以旋转。

（2）利用插销和定位轴的定位孔配合固定弯杆，当它在旋转到竖直位置和水平左右的位置时，可以固定。

（3）通过凹坑和柱塞的配合，转轴可以在水平位置和竖直位置定位，以防突然旋转掉下，砸到人。

（4）除了在家中使用外，该装置还可用在公共卫生间，商场，医院等公共场所，用途广泛。

5 结论

如图12所示，该助老支架结构简单，使用方便，帮助老人如厕前后站立，可以防止老人摔倒，为失能老人和一些行动不便的老人提供安全保障。在不使用的时候可以将其靠墙固定，提高空间利用率。该助老支架不仅可以在家中使用，还可以在公共卫生间，商场，医院等公共场所使用，具有超高商用价值，值得大力推广。