一种基于人因工程的辅助站立坐便器设计

第21卷第6期Vol.21,No.6
宜宾学院学报
Journal of Yibin University
2021年6月
June,2021一种基于人因工程的辅助站立坐便器设计
谈波1，郭家伟2，陈华2，庞可染1
（1.马鞍山学院工业工程系，安徽马鞍山243100；2.马鞍山学院机械工程系，安徽马鞍山243100）
摘要：针对老年人久如厕后难以自行站立的问题，从人因工程学的角度出发设计一款具有辅助站立功能的坐便器（STR）.经人体实验分析老年人自然站立过程中髋关节及膝关节角度变化规律，在静态分析的基础上建立辅助站立坐便器三维模型，通过运动学仿真分析验证所设计的辅助站立坐便器运动特性与老年人自然站立过程相符程度，实现辅助老年人站立的目的.该装置的研发可以帮助高龄群体如厕后站立，减轻看护人员劳动强度.
关键词：人因工程；STR；辅助站立；运动特性
DOI:10.19504/ki.issn1671-5365.20210209.002
中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：1671-5365(2021)06-0018-04
引用格式：谈波，郭家伟，陈华，等.一种基于人因工程的辅助站立坐便器设计[J].宜宾学院学报,2021,21(6):18-21.
Cite it as：TAN B,GUO J W,CHEN H,et al.Design of Auxiliary Standing Toilet Based on Human Factors Engineering[J].Journal of Yibin Uni⁃versity,2021,21(6):18-21.
Design of Auxiliary Standing Toilet Based on Human Factors Engineering
TAN Bo1,GUO Jiawei2,CHEN Hua2,PANG Kerang1
(1.Department of Industrial Engineering,Ma'anshan College,Ma'anshan,Anhui243100China; 2.Department of Mechanical Engineering, Ma'anshan College,Ma'anshan,Anhui243100China)
Abstract:Aiming at the problem that the elderly has difficulty standing on their own after going to the toilet for a long time,a toilet(STR)with auxiliary standing function was designed from the perspective of human factors engineering.The changes in the angles of the hip and knee joints of the elderly were analyzed through human experiments and a three⁃dimensional model of the auxiliary standing toilet was established based on static analysis.The movement characteristics of the designed auxiliary standing toilet were verified to be consistent with the natural standing process of the elderly by kinematics simulation analysis,so as to achieve the purpose of assisting the elderly to stand.The research and development of this device can help the elderly to stand af⁃ter going to the toilet,reducing the labor of caregivers.
Keywords:human factors engineering;STR;assisted standing;movement characteristics
统计表明，截止到2019年底我国65岁及以上人口已达1.75亿[1].老年人的起立已成为艰难的动作，特别是久坐如长时间如厕后，难以正常起立，强行起立会造成头晕、摔倒甚至伤亡事故的发生，因此解决老年人如厕后起立依然是严峻的挑战，通过政府制定规范引导社会提供便捷服务以及开发设计一些辅助站立设备可帮助老年人的起立.如姜可[2]设计的电动座椅可实现无驱动器件的辅助站立，文献[3-5]提出的电动辅助站立座椅可帮助特殊群体进行康复站立训练.
针对辅助站立座椅的研究虽已相当成熟，但对于卫浴产品中的具有辅助站立功能的坐便器研究依然鲜有.大多数卫浴间都是提供固定或可移动的扶手帮助站立[6]，但这需使用者自身提供动力.对此，本文运用人因工程学的相关原理，根据老年人的坐姿人体尺寸，在分析其自然站立运动过程的基础上研究设计一款电动辅助站立坐便器，旨在帮助老年人如厕后站立，提高生活自理能力，减轻看护人员劳动强度.
1老年人自然站立分析
根据《中国成年人人体尺寸》(GB/T10000-
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收稿日期：2021-01-19修回：2021-02-05
基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2019A0915）
第一作者：谈波（1986-），男，讲师，硕士，研究方向为工业工程、人因工程
第6期谈波，郭家伟，陈华，等：一种基于人因工程的辅助站立坐便器设计19
1988)标准，选取中国成年人坐姿人体尺寸数据，依
据合理选择百分位和适用度准则，选用第5百分位
的人体数据建立模型及设计坐便器的尺寸参数，因
为老年人群体的特殊性，为设计安全、舒适、可行的
辅助站立坐便器，本文在建立老年人自然站立模型
基础上运用运动捕捉系统来采集老年人实际站立过
程中各关节角度变化值，为后续辅助站立坐便器
（MTR）的结构设计提供参数支持.
1.1老年人自然体站立模型
以中国成年男性第5百分位人体数据建立老年
人自然体站立模型，百分位系数K=1.645，为简化
模型，在不影响计算精度的前提下假设起立动作双
腿是对称的，由此将三维动作转化到二维平面上，建
立如图1所示的老年人自然站立模型，起立动作主
要依靠下肢关节转动度及肌肉力[7]，站立模型中将
人体分解成上身与下肢两部分，下肢可以看成大腿
和小腿两部分组成，大腿由髋关节与上身连接，小腿
由膝关节与大腿连接，踝关节用于连接小腿与足部
.
图1老年人自然站立模型
Fig Fig..1Elderly natural standing model
1.2老年人自然站立实验
老年人自然站立模型建立后，采用人体运动捕捉系统[8-9]来采集老年人自然站立过程中髋关节及膝关节角度变化值.
1.2.1实验对象
选取20名65岁以上老年人作为实验对象，并记录其基本情况，如表1所示.
1.2.2实验过程
按照预定要求受试者需穿上特制的服装，并在髋关节及膝关节等关键部位贴上标志点（Marker）.受试者以标准坐姿坐在离地高度42cm（坐姿人体尺寸“小腿加足高”）座椅上，上身垂直椅面，双手自然放在胸前，双脚与肩部同宽，保持自然放松.正式实验开始前，先进行自然站立训练.老年人自然站立实验全图如图2所示
.
图2老年人自然站立实验全图
Fig Fig..2The whole picture of the elderly natural standing experiment
1.2.3髋、膝关节角度变化分析
根据采集的图像数据绘制出图3所示的老年人关节角度变化曲线.从曲线的变化可知，老年人从坐姿转化为站姿经历了三个阶段：在0~1.2s时间内产生一个前倾的动力，为站立做准备；在1.2s~ 2.4s时间内身体脱离椅面，髋、膝关节角度从约50°转动为5°；2.4s~2.7s以后髋、膝关节角度不再变化，即处于站立姿势.在自然站立实验结果并考虑老年人站立自主性的情况下，本文设计的MTR运动特性要满足以下条件：①应在3s的时间内将老年人举升抬升30°；②辅助站立坐便器不应在老年人起立阶段产生过大的冲击力，以免对老年人关节造成过大压力
.
图3老年人关节角度变化曲线
Fig Fig..3The curve of elderly joint angle
表1实验对象基本情况
Table
Table..1The basic situation of experimental subjects 平均年龄/岁
平均身高/cm平均体重/kg
20宜宾学院学报第21卷2辅助站立坐便器结构设计
根据老年人自然站立实验结果，参照成年男性
第5百分位人体数据设计电动辅助站立坐便器，以
补偿机能退化造成的如厕难以正常起立的状况.
2.1辅助站立坐便器模型建立
在静态分析的基础上完成MTR模型建立[10-11]，
使用CAD绘制模型结构如图4所示，用Solidworks
绘制模型结构三图维如图5所示
.
图4辅助站立坐便器二维图
Fig Fig..4Two⁃dimensional drawing of auxiliary standing
toilet
图5辅助站立坐便器三维图
Fig Fig..5Three⁃dimensional drawing of auxiliary standing toilet
该装置采用左右对称的结构，主要由电机、移动底座、支撑底座、马桶垫、滑块、摇杆、滚子、连杆、曲柄、凸轮槽、扶手及水箱等部件组成，其中滑块、摇杆、连杆及曲柄构成连杆机构.滚子与凸轮槽构成凸轮机构，滚子可在凸轮槽内自由滚动，并通过铰链分别与连杆及摇杆相连，滑块可在支撑底座及马桶垫预制的滑槽内自由移动，并通过铰链与摇杆相连，曲柄由电机驱动，并通过铰链与连杆相连，移动底座用来支撑整个辅助站立坐便器.考虑到受用对象为老年人，因此设计了凸轮机构以保证运动传递的平顺性.装置工作时，电机驱动曲柄做连续回转运动，运动经由连杆机构、凸轮机构传递至滑块，滑块在预制滑槽内上下移动的同时带动马桶垫转动，以此达到辅助老年人站立的目的.
3辅助站立坐便器运动分析
结构设计完成后还需对辅助站立坐便器进行运动分析，以验证所设计的辅助站立坐便器运动特性是否与老年人自然站立过程相符[12-15].
3.1辅助站立坐便器仿真模型建立
采用ADAMS动力学软件对辅助站立坐便器进行运动分析.首先将辅助站立坐便器三维模型导入ADAMS软件环境，设置各部件的质量、材料及质心等属性；其次根据装配关系设置各部件间的连接运动副；然后施加一个总是垂直于马桶垫表面的力，施加位置为马桶垫质心，力的大小设置为660N；最后在曲柄上施加运动副驱动，驱动速度设置为120°/s.
3.2运动位置评价
将马桶垫举升过程中运动位置变化作为评价参数，分别记录马桶垫举升角度、角速度及角加速度随时间变化值.
图6所示为马桶垫举升角度随时间变化曲线.从记录结果可以看出，在3s时间内马桶垫举升了27°，与前文要求举升角度基本相符
.
图6马桶垫举升角度变化曲线
Fig Fig..6The curve of toilet cushion lifting angle
图7、8分别为马桶垫角速度和角加速度随时间变化曲线.从图7可知，在0~1.0s时间内角速度为300°/s，为站立做准备；在1.0s~2.6s角速度最大为900°/s，辅助老年人站立；2.6s以后角速度接近于0°/s，老年人从坐姿转化为站姿.而图8的曲线变化显示，在0~0.3s和1.5s~1.8s时间阶段存在一定冲击力，但在整个辅助站立过程基本没有角加速度，即，在起立过程中，基本不会因为振动而对老年人的关节造成附加压力.
第6期谈波，郭家伟，陈华，等：一种基于人因工程的辅助站立坐便器设计
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图7马桶垫角速度变化曲线
Fig Fig..7The angular velocity curve of toilet
cushion
图8马桶垫角加速度变化曲线Fig Fig..8The angular acceleration curve of toilet cushion
4结语
本文针对高龄者等特殊群体如厕后难以自行站立的问题，从人因工程学的角度设计了一款电动辅助站立坐便器，旨在帮助老年人站立.通过运动仿真分析证实了该装置运动特性基本符合老年人自然站立过程，且在辅助老年人起立过程中不会对关节造成附加压力.本装置的开发不需要复杂的控制算法、结构简单.未来将制造比例原型，用于验证STR 的实效性与可靠性.
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【编校：王露】。