多功能辅助洗浴座椅设计*

张嘉晟，马丽心，靳 瑜，马予健，陈思伟，黄德池，黄志维

（广东科技学院机电工程学院，广东 东莞 523000）

0 引言

根据国家卫健委老龄健康司发布的数据显示，截止至2020年11月1日，全国60周岁及以上老年人口占总人口数为18.7%。失能老人在生活上不能完全自理、或者被人照顾过程中人格尊严受到抑制，农村中的失能老人因受传统观念以及经济发展水平因素制约，更多是以家庭照顾为主[1]，在生理需求上往往得不充分的满足。本研究从洗浴座椅功能需求角度出发，总结出失能老人在独立洗浴需求的难点为操作不便、洗浴体验差、安全性不高，因此急需一款多功能洗浴座椅能解决以上痛点[4]。

常见的洗浴座椅有无靠背独立淋浴座椅、有靠背独立淋浴座椅以及挂壁式座椅。在市场上款式最多为无靠背独立淋浴座椅，但该款座椅无靠背，不能带来良好的舒适性与安全性；有靠背独立座椅会在洗浴过程中存在腿脚不稳定，容易在起身借力椅子的时候腿脚打滑，出现跌倒的情况；挂壁式座椅缺少靠背。现有的洗浴家具通常只考虑“坐”的问题[2]，在尺寸结构上没有参考现有老年人体型参数，功能单一缺乏舒适性。

基于现有市场上洗浴座椅存在的问题[7]，本文设计一款多功能洗浴座椅，靠背处能提供搓澡功能、在扶手处能载物以及控制搓澡，从而解决失能老人洗澡难的问题[5]。

1 设计思路

洗浴座椅设计成可折叠，材料采用塑料材质。塑料不仅可以满足轻便、低价、防水、易于生产制造等特点，还具有温和的视觉与触觉特性，适合洗浴辅助器具类产品[3]。

使用前，座椅与靠背、座椅与支脚处于合并状态，关节处采用同心轴机构，以控制装置的开合，并且在闭合状态下减少卫生间的占地空间。使用时将座椅放下，固定好座椅腿，借助扶手的支撑坐下，靠背是固定在墙面处，座椅腿采用塑料管材质，并且利用三角结构增加了稳定性。坐垫面设计为弧形结构，让使用者感到舒适，材料采用防滑橡胶材料减少安全隐患。坐垫处设计有排便口，使用者可在洗浴过程中如厕，不用中途起身，提高便捷性的同时提高舒适性，同时排便口能解决使用过程中遇到的坐垫积水问题。在左侧扶手处设计有一个凹槽，方便使用者放置洗浴用品，扶手顶部还设置花洒的支架，使用者可以在不需要花洒的时候将花洒悬挂在扶手处，出水开关和调节水温按钮设计在右扶手处。

靠背处最大的创新点在于设计有搓澡装置，靠背设计有两个滚筒，通过电机带动铰链机构使滚筒转动，搓澡巾安装在滚筒上，可通过扶手处的按钮启动，解决了使用者不能自己搓背的问题，增加使用者的洗浴体验感。洗澡结束后可借助扶手帮助下站立，将座椅折叠放好。本设计以坐姿洗澡的方式代替站立洗澡。本研究基于此对座椅式洗浴装置展开了研究。如图1所示。

图1 多功能辅助洗浴座椅示意图

考虑到安装以及使用的便捷性与可靠性，本设计在固定上利用了三角形支撑原理，将靠背以固定的方式安装在垂直墙面上，底座支撑抵于墙面处，支腿和墙面构成三角结构，利用转动轴结构以控制支腿的收放，能让洗浴座椅在使用时不发生移动，防止造成意外。老人起身与坐下时，在扶手处获得一个支撑面，缓慢坐下，借力起身。收置时扶手和坐垫可以往上方转动90°至竖直，竖直方向上转动轴处轨道变窄，用于卡稳扶手和坐垫，支座脚只需往坐垫方向推动紧贴即可。放置时把扶手和坐垫稍微用力往下拉动，转动轴脱离窄轨道，扶手和坐垫会顺势往下转动，水平方向上转动轴设有卡口限制，让扶手和坐垫在水平处固定。

2 主要结构设计

2.1 靠背结构

图2所示为靠背外观，采用挂壁式结构能增强稳固性和减少安装位置的限制，有效缓解洗浴间面积狭窄的问题。考虑到人体平均肩宽：男性约42 cm、女性约36 cm[8]，且需要安放扶手等设备，靠背的尺寸定为50 cm×50 cm，预留厚度10 cm，内部留有热水器管道以及布线空间，方便后期升级优化。与传统辅助洗浴设备不同，除了解决基本的洗浴问题外，带来更加舒适的感受。

图2 靠背设计

2.1.1 靠背功能

本设计的靠背具有搓背功能，通过坐在坐垫上，背靠靠背实现搓背。具体分为上下搓背式如图2（a）以及优化后的滚动搓背式如图2（b），使用者可以根据自身需求添加对应的配件实现两种模式的转换。上下搓背式：滑块可安装毛巾，通过固定轨道上下滑动摩擦背部，模拟搓背动作达到搓背效果。滚动搓背式：在原先的基础上，由滑块改为4根滚筒，滚筒上可安装毛巾，通过滚筒旋转摩擦背部达到智能搓背效果，可根据个人需求调节扶手处的按钮控制滚筒的旋转速度来满足不同的智能搓背体验。靠背的接触面改为弧形结构，让靠背能更好地贴合背部，增加使用者的舒适感与安全感。

2.1.2 靠背电机选择

关于搓澡电机的选择选用36 V/50 W的可调节永磁直流电动机，电动机作为洗澡椅的核心动力部件，其质量好坏直接影响到产品的使用与安全。随着JB/T 11355-2013《按摩椅用永磁直流电动机通用技术条件》行业标准的发布实施，对规范按摩器具行业的生产、销售及行业检测，提高行业技术水平将起到引导和推动作用。JB/T 11355-2013规定,用于按摩椅的永磁直流电动机额定电压为24 V、36 V、48 V、60 V、96 V、110 V；额定转矩为0.15～0.4 N·m；额定转速为1200～3000 r/min；额定电流0.6～2.5 A。按摩器具之所以广泛采用直流电动机,是由于直流电动机有优良的调速特性。而老年人在使用洗澡椅上的搓澡装置时转速要求便是在可以清理身体的同时保证机器的力度不会过大对老年人造成伤害，故采用小功率电机，电压为12 V、24 V、36 V、46 V及60 V不等，并且最大功率在50 W左右，同时应该满足传动精度高、力矩大、质量轻、能耗低、寿命长等特点。

2.2 座椅舒适型设计

根据人体工程学分析[10]，人脊柱与腰椎间盘在不同坐姿下的受力图得出以下结论：当靠背角为90°时无腰部支撑，这时腰椎间盘压力最大，靠背角仍为90°但加有腰部支撑，此时压力减小，当靠背角增大为110°虽然没有腰部支撑但靠背分担了一部分体重，腰椎间盘压力仍有所下降。当在靠背角为110°的基础上加上适当的腰部支撑，腰椎间盘压力有了明显下降。当把腰间的支撑加到胸背部位，支撑点的不恰当导致腰椎间盘的压力反而增大了。而老年人随着年龄的增长脊柱出现不同程度的弯曲，椅子上最舒服的坐姿应当是靠背与水平面成100°～110°夹角，并可在腰部安装支撑。

2.3 座垫结构

座垫是连接靠背和支座脚的中间部分，由转动轴连接，可转动实现洗浴座椅的收放。收置时仅需把座垫往上推动，座垫会紧紧贴合靠背与其形成平行，不需使用时能节省空间，放置时，也只需往下拉动，座垫会在支座脚的支撑下缓缓平衡。座垫整体为矩形，与传统的平面座垫不同，表面采用了弧形结构并带有凹槽，两侧微微凸起，方便老人使用时可以调整坐姿，接近于座垫的中心位置，提高舒适度，并能让洗浴废水不在坐垫处停留。凹槽为“+”型两端是半圆，形状贴合人体臀部符合生理需求[9]，坐着舒适。凹槽可作为坐便器使用，可辅助洗浴的同时还能解决方便问题。底下可以加装储污筒，能为有需要的老年人充当简易厕所，实现多功能价值。

2.4 扶手结构

扶手设计于靠背两侧，如图3所示。扶手长30 cm、宽10 cm、高5 cm的立方体，根据左右扶手功能不同有着具体差异。扶手采用转动轴连接靠背，可以向上收置，节省空间。

图3 扶手结构

右扶手是控制扶手，如图4所示，装有调节水阀、控制按钮以及U型花洒支架。调节水阀装在扶手的右侧端，可避免影响扶手支撑老年人起坐，调节水阀通过连接热水器的冷热阀口以及花洒，形成“热水器—调节水阀—花洒”的单向控制达到调节水温、流速的效果，使用时将调节水阀前端往外扳动，可以控制水流开关，上下转动可以调节水温，往上为热水，往下为冷水，操作简单，便于老年人使用。扶手前端置有U型花洒支架，可以悬挂花洒，支架能往下转动90°，用于扶手收置时悬挂花洒。扶手上表面有一大一小两按钮，分别为强度切换按钮和搓背开关按钮，为了防止使用者误触，等级切换按钮设置在前端，搓背开关按钮则靠中间，使用者起坐需要扶手借力时，容易触碰到前端的等级切换按钮，而等级切换按钮由搓背开关按钮控制，未开启搓背功能时等级切换按钮不响应，避免误触带来安全隐患。搓背开关按钮按一次为开启搓背功能，下一次则为关闭搓背功能；开启搓背功能后等级切换按钮按一次转轮启动速度慢，按两次速度提升至中，按3次速度提升至快，然后依次循环，整体流程为“开—慢—中—快—关”。不同的转速以模拟搓背力度，提升使用者的洗浴体验。

图4 右扶手设计

左扶手是储物扶手，如图5所示，设有储物槽和储液盒。扶手中间是一个长10 cm、宽6 cm、深3 cm的凹槽，可以方便老年人放置一些肥皂、护肤品等洗浴用品，内侧装有排水孔，槽内不易形成积水，有异物残留时，用水冲洗即可。扶手下方内侧有卡槽，卡槽呈现“L—倒T—反L”型，用于安装固定储液盒。储液盒由按压器、储存盒和密封盖3部分组成，储存盒为长10 cm、宽7 cm、高7 cm的立方体，内壁厚0.2 cm，下端带有2 cm圆角，上端一侧设有卡槽，卡槽成“T—T”型，与扶手下方的卡槽相对应，另一侧为开口，以便倒入沐浴露或者洗发水。开口上方为密封盖，密封盖内部带有防水橡胶圈，盖紧后能够保护内部液体不会外漏和受外部污染。按压器在储存盒卡槽侧下方，按压时会流出一定量内部液体。安装时用储液盒卡槽对准扶手卡槽，往扶手方向推至卡槽触顶即可，扶手最多只能安装两个储液盒。储液盒是基于老年人在洗浴座椅时不便获取沐浴露、洗发水（如无法弯腰拿、够不着、附近无法放置洗浴用品等）的情况，而设计的方便老年人获取洗浴用品的装置，采用可拆卸结构，在不需要其辅助时也可以拆卸掉，并不会影响辅助洗浴座椅的正常使用。

图5 左扶手装置设置

2.5 支座脚结

支座脚为两个简单的T型杠，采用转动轴连接，用于支撑坐垫平衡。支座脚、坐垫和墙面构成三角形结构，使坐垫平稳，确保整体的稳定性与安全性。

2.6 各结构尺寸

此款座椅考虑到人体结构及使用方便等，均采用合理的数据来进行设计[9]，如表1所示。

表1 多功能辅助洗浴座椅各部分尺寸

2.7 其他设计

座椅靠背的结构设计涉及到了用电部分，需要从何处通电以及防止使用时因为水流导电产生的安全问题，于是决定采用具有漏电保护器的安全插头，防止使用时漏电并及时采取必要的断电措施；靠背处的搓澡巾使用多次难免会有细菌的滋生为了保证使用者的干净卫生和洗浴体验，需要定期更换靠背处的搓澡巾，为了便于拆卸搓澡巾采用了魔术胶的粘合方式，满足既牢固又便捷的安装方式。

3 测试验证与结果分析

3.1 扶手仿真分析

扶手处主要需要支撑起老人所施加的握力以及推力，以及靠背中洗浴装置工作时给予扶手左右的力。本文在参考不同年龄组高龄老人握力变化趋势等相关数据[9]，得出70～90岁年龄段老年人握力在320～100 N在实验中取320 N进行实验。参考老年人体重相关数据[12]通过类比人体推力为体重的1/2～2/3。利用老年人平均体重来推算老年人推力大小约为375 N。利用SolidWorks Simulation将老人的握力与推力的数据施加在扶手零件上，将扶手与靠背的连接处看成刚体去研究，并且选取PVC塑料作为测试材料，生成扶手处von Mises应力图，如图6所示，图6（a）为左扶手应力图，图6（b）为右扶手应力图，扶手表面的受力变形情况由图可见在于靠背的连接处受力较大，并且在力的作用下发生变形。

图6 扶手应力分析

3.2 坐垫仿真分析

坐垫的整体装置是重要的承重构件，它承载着老人的体重，防止老人跌落。是保证老人洗浴安全的重要部分。其次坐垫的设计采用模仿人体“臀部”的弧形结构而设计的，使用户在使用时更加贴合坐垫，增加在洗浴时的舒适感，确保老人可以在一个比较舒适的姿势下进行洗浴，并且坐垫的设计符合人体生物力学的特性。利用电脑软件SolidWorks中的Simulation算例对坐垫的受力进行分析，在计算机上生成在一定承载下坐垫零件的性能状态，生成von Mises应力图，图7所示为坐垫应力图，将零件图中夹具设为刚体状态，根据参考文献[11]，考虑到老人在座椅上的稳定性，在坐垫的平面施加均匀载荷为750 N，观察零件变形受力状况。由图7可知在坐垫与靠背连接处受力较大。

图7 坐垫应力分析

4 结束语

本文针对已有洗浴座椅中存在的问题进行分析，通过SolidWorks软件对所设计的产品进行研究，主要对座椅靠背和坐垫等关键部件进行安全化、人性化及合理化设计和仿真，并且在扶手的受力变形和储物槽设计、花洒配置及安放、搓背装置的滚筒设计等部件的细节上给予充分考虑，并且对产品进行实物制作，进一步对各部件尺寸参数进行仿真优化，同时考虑了坐垫的承重性，做出了承重重量下的坐垫应力图，从整体结构的美观到支脚的三角安全设计、花洒的悬挂取放、洗浴用品的方便使用以及搓滚的舒适度等进行细节完善。使洗浴座椅实现了安全性、舒适性和可操作性的多功能需求。