可移动式推臀打包坐便椅设计

沈逸恒，杨佳宾，李诗婷，周翱翔，钟 磊，方欣怡，奚咏诗

（宁波工程学院机械工程学院，浙江 宁波 315211）

引言

在我国需要可移动便器椅的人群非常庞大，市场上的可移动座便器功能不齐全，使用不方便，处理不卫生，这给残疾人，老人和病人等带来极大的不便，增加与排泄物自动打包相关的座椅产品，这一需求相当迫切。我们设计的这种多功能坐便椅，采用槽轮、凸轮二位一体机构，可旋转助封口机构，直流电动推杆三大机构设计，具有制造成本低廉、结构简单、操作方便、性能稳定等特点，真正简化该类人群如厕、排泄物打包过程，实现如厕时助便[1-2]、推臀助立一系列功能，节省了大量人力以及处理排泄物的时间，对提高残疾人和老人等人群的生活品质具有重要的意义。

1 市场调研

1.1 市场上的坐便椅

市场上常见的坐便椅仅拥有坐便功能，没有排泄物的自动打包封口以及调节坐姿的功能。移动马桶坐便器轮椅，价格为200～1 000 元，而自动打包坐便椅价格在5 000 元左右[3-4]。

1.2 市场需求

据2020 年调查数据推算，全国各类残疾人总数为8 596 万人，残疾人占全国总人口的比例为6.34%，肢体残疾2 412 万人，占残疾人总数29.07%，而大部分下肢残疾人都存在如厕不便的问题。

2 总体方案设计

2.1 机械结构设计

可移动式推臀打包坐便椅（以下简称坐便椅）由轮椅框架、排泄物打包封口机构和助便推臀机构三个部分组成，如图1 和图2 所示。

图1 多功能坐便椅框架图

图2 多功能坐便椅结构组成

2.2 主要功能

1）采用直流电机推杆推动坐板，帮助使用者蹲式助便和调节合适坐姿；

2）采用封闭式机身，利用活性炭吸附并处理排泄物的异味；

3）在排泄物已经入袋后，完成排泄物的自动打包封口；

4）使用者被推板推动下起身，减少使用者用力。

2.3 自动打包封口机构

自动打包机构由转轴、单销槽轮、槽轮拨盘、凸轮、短杆、等部件构成。如下页图3 所示，装有排泄物的塑料袋放置在与旋转轮盘连接的小桶内，开启无线开关，旋转轮盘中心轴的步进电机按照程序①旋转。旋转轮盘通过槽轮凸座与槽轮连接，槽轮与凸轮共用光轴①。旋转每旋转360°槽轮旋转90°。凸轮将光轴①的扭力通过短连杆传递到光轴②上。此时包装袋呈现带封口状态。为保证装有排泄物的袋子前端稳定旋转成细紧状态，我们将直流电机电机旋转程序设置为，每点亮一次开关，电机旋转四周。

图3 自动打包机构图

2.4 自动封口机构

自动封口机构由长连杆、封胶机、封口助推器、助推杆、铝型材、桶等部件构成。见图4。

图4 自动封口机构爆炸图

凸轮旋转一周，通过短连杆将力传递到转轴，转轴与长杆相接。长连杆上与助推器②相接，使得助推器旋转从而将口袋封口。助推杆通过立板与助推器连接，助推杆保证了口袋顺利进入封胶机口。封胶机通过两根铝型材与底板相接，使封胶机受力平稳，封口过程高效[5]。

打包封口过程循环完成，长杆在完成一次封口工作之后需回到原位等待下一次封口工作的进行。固定轴与橡胶柱共心，末端通过弹簧与短连杆端部连接。凸轮与短连杆接触后，受力减少，弹簧将短杆拉回原位，等待下一次封口工作[6]。考虑到短杆回转时弹性过强，在短连杆外圆弧处设置有橡胶柱，设置定位，减少缓冲力。见图5。

图5 短连杆缓冲回转实物图

2.5 助便推臀助立机构

助便推臀助力机构由直流电机推杆、坐板、承重横杆、连轴座①、连轴座②等部件构成，其整体图如图6 所示。

图6 助便推臀助立机构图

相关医学资料显示，人的最舒适排便姿势是俯卧式，双腿与水平达到15°，上身自然向前倾，如图6 所示。为实现这一过程，模拟坐板以前支架为旋转轴，从左向右看，顺时针旋转15°角，直流电机推杆反向收缩伸缩杆杆，实现助便功能。

考虑到使用者为老年人、残疾人等，血压不稳定，多数患有心脑血管等疾病，设计了推臀助立使使用者更轻松更有效舒适地脱离坐板完成站立动作。通过实践与计算，双腿与水平达到30°，能使人轻松站立。为实现这一过程，模拟坐板以前支架为旋转轴，从左向右看，逆时针旋转30°，直流电机推杆正向延长伸缩杆，实现推臀助立功能。

考虑到承重横杆的强度，在座椅框架和横杆斜向处设计一桁杆支撑，并特意设计成双三角状，从而更有效、平稳顺利地实现坐板的倾斜到达助便、推臀助立功能[7]。

2.6 创新点

本坐便椅具有以下特色创新：

1）采用槽轮、凸轮二位一体相结合，自动打包封口机构。巧妙设置有槽轮和凸轮二位共轴，使得包装袋能够被巧妙得旋紧和封口。巧妙设计旋转圆盘每旋转360°，槽轮旋转90°的特性，槽轮带动长连杆旋转致使助推器推进口袋进入封口机完成一系列自动打包封口动作，见下页图7。相比市面上整体打包机更为灵活，巧妙地实现二位一体机构旋转完成这一过程，穿孔处均装配有轴承，不易卡死[8-9]。凸轮轴旋转一周，完成一次封口过程，完成一周旋转后，实现打包封口过程，凸轮接触的短连杆利用弹簧回弹归位，准备下一次封口过程，实现高效打包封口一系列循环过程。整个过程仅需15 s 左右，效率极高，运行平稳，省时、省力。

图7 槽轮机构

2）采用坐板可倾斜设计实现助便、推臀助立。医学角度设计坐板与水平设计为向下15°实现助便，向上30°实现推臀助立。利用直流电机推杆进行电控，下拉上推坐板实现角度变化，针对不同人群完成助便、推臀助立工作。无线控制方便使用者，更轻松更省力得完成排便系列过程。

3 前景分析

目前，市场上还未出现完善的能够同时实现助立的自动打包坐便椅且性能稳定、轻便装卸。已出现的坐便椅大多较为笨重，当发生故障时不易维修，成本较高，市场价格也较高，对没有较为复杂的部分，易于加工，成本低廉，批量市场空间大，市场竞争力强，控制了成本和加工难度。本产品结构简单，生产的话市场价格也不会太高，具有较为广阔的潜在市场空间及强大的市场竞争力[10]。

4 结论

此多功能坐便椅可在多个场地使用。住院病人、老年人、中风偏瘫、痔疮术后患者、残疾人等人群，特别是患有心脑血栓、心肌梗塞等重大疾病的老人使用的必不可少的方便工具，在日常生活中起着举足轻重的作用。本作品具有结构简单、成本低廉、稳定性好的特点，自动化控制，精准平稳进行助便、推臀助立、自动打包封口功能，且打包过程仅需15 s 左右，节省了大量人力和时间，极大方便了使用者。

此坐便椅重量适中，制造加工容易，使用方便。若批量生产，单件制造成本约为600 元，批量化生产成本还可降低，具有良好的市场前景。