學(xué)士學(xué)位論文如廁助老裝置的設(shè)計與仿真姓名學(xué)號院系年級專業(yè)指導(dǎo)教師年月日學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人所提交的學(xué)位論文《如廁助老裝置的設(shè)計與仿真》，是在導(dǎo)師王彩霞的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的原創(chuàng)性成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中標(biāo)明。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。論文作者（簽名）：指導(dǎo)教師確認(rèn)（簽名）：年月日年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解衡水學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)衡水學(xué)院可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。論文作者（簽名）：指導(dǎo)教師（簽名）：年月日年月日第1章緒論1.1設(shè)計目的與意義中國目前正在面對一個日趨嚴(yán)重的老齡化問題，60歲及60歲的老年人所占比重在2050年將達(dá)到30%。這種結(jié)構(gòu)變化對勞動力市場、衛(wèi)生資源分配以及社保制度都產(chǎn)生了很大的影響。伴隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)軌與老齡人口的迅速增加，我國傳統(tǒng)的家庭養(yǎng)老職能日趨薄弱，亟需發(fā)展以養(yǎng)老院為代表的公益性養(yǎng)老服務(wù)體系。但是，目前的養(yǎng)老服務(wù)業(yè)發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，國內(nèi)有一千四百萬老年人有機(jī)構(gòu)養(yǎng)老的需要，特別是那些無法自理的老人，他們的日常護(hù)理包括如廁、起身、服藥等，這不僅降低了他們的生存品質(zhì)，還增加了護(hù)理資源的短缺。為解決這一社會問題，研制出一種新的老年人便便設(shè)備，對于解決這一社會問題有著重大的實際意義。本項目在充分考慮老年人群的生理特點及心理需要的前提下，對已有的助立器進(jìn)行了革新。在結(jié)構(gòu)層次上，利用聯(lián)動式的運(yùn)動方式，在一定的外部力量的幫助下完成身體的運(yùn)動，從而可以有效地節(jié)約老人的體能；并結(jié)合了物理和人體工學(xué)的相關(guān)理論，保證了該裝置的使用安全方便，維護(hù)簡便，舒適。這樣的設(shè)計既可以對常規(guī)的便盆設(shè)施的性能不足進(jìn)行最大限度的發(fā)揮，又能夠在滿足老人的需求的前提下，充分考慮到老人的心理需求，從而提高老人的生活品質(zhì)，減少看護(hù)人力費(fèi)用。在社會效益方面，本項目的實施將極大地降低我國老年人及社會的養(yǎng)老壓力，并為我國老年人應(yīng)對老年人口問題提供一種創(chuàng)新性的方法。圖1.1展示了我國老年人口占全國總?cè)丝诘谋壤?.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外對老年人如廁輔助裝置的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。國內(nèi)對產(chǎn)品需求持續(xù)增長，伴隨著國產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)口產(chǎn)品的替換率顯著提高。為了滿足這一需求，研究者們提出了一系列創(chuàng)新的解決方案，比如一款專為老年設(shè)計的助行坐便器設(shè)備，該設(shè)備包括扶手、座椅、底部及電子部件等多個模塊，旨在協(xié)助年長者方便站立并適用于大部分沖洗廁所[1]。另有學(xué)者開發(fā)出一套全方位的支持系統(tǒng)，能以各種方式給予支援，從而幫助老年人順利執(zhí)行彎腰、蹲下、站起來的操作[2]。同時，也有一些研究聚焦于智能化馬桶蓋的設(shè)計，添加了諸如輔助扶手、肩部支撐配件等元素，使得老年人能在更加安全的條件下進(jìn)行排泄行為[3]。而在國際上，一些國家也開發(fā)了類似的系統(tǒng)，如韓國和日本推出的尿液和糞便自動處理系統(tǒng)，盡管這些產(chǎn)品在市場上并未獲得廣泛接受，但它們?yōu)槲磥淼陌l(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)參考。在此基礎(chǔ)上，也有研究者利用solidworks三維軟件對廁所輔助設(shè)備進(jìn)行了構(gòu)造設(shè)計和動態(tài)模擬，以確認(rèn)其構(gòu)造設(shè)計的合理性和運(yùn)作的實施可能性，并對設(shè)備的強(qiáng)度和剛性進(jìn)行了檢驗[4]。1.3擬解決的問題（1）提升如廁安全性針對老年人因體位變化導(dǎo)致的頭暈?zāi)垦：退さ癸L(fēng)險，設(shè)計穩(wěn)定可靠的輔助裝置如升降機(jī)構(gòu)和輔助起身機(jī)構(gòu)，減少意外傷害的發(fā)生。（2）增強(qiáng)使用的便捷性鑒于老年人可能面臨的視覺、聽覺或認(rèn)知能力的限制，我們在設(shè)計裝置時重視操作的便捷性和直觀性。我們選擇了按鈕操作模式來控制機(jī)構(gòu)電路，以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的移動伸展。旨在讓老年人能夠獨立且輕松地完成如廁過程，減少對外界的依賴。（3）改善用戶體驗與舒適度為了提高老年人使用裝置時的舒適感，特別關(guān)注設(shè)備的尺寸設(shè)計、材料選擇以及表面處理等方面。合理的尺寸設(shè)計保證了不同體型的用戶均能舒適使用。（4）清潔功能的實現(xiàn)老年人因為身體機(jī)能老化，身體抗細(xì)菌能力會有所下滑，因此平時保持裝置的衛(wèi)生尤為重要，可以為裝置增加小型紫外線消毒燈，在非使用時段進(jìn)行消毒殺菌，保持衛(wèi)生。1.4主要研究內(nèi)容本文首先對國內(nèi)外老年人如廁設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，以便于今后的工作和研究。其次本項目擬建立該系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)模型，揭示該系統(tǒng)的工作機(jī)理，尤其是對該系統(tǒng)進(jìn)行平滑、可控的高程調(diào)整，從而滿足用戶對如廁系統(tǒng)中的重要部件進(jìn)行檢查，確保其可靠性。提出了提升裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對其進(jìn)行了設(shè)計和分析，并對主要零件進(jìn)行了檢驗，以保證該裝置能平穩(wěn)地承載和使用。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了輔助起身器伸縮裝置的設(shè)計，并對其進(jìn)行了長度的估算，并對各關(guān)鍵零件進(jìn)行了檢驗。繪制圖紙并完成仿真設(shè)計。第2章總體方案設(shè)計2.1站立功能分析如圖2-1所示，第一階段：當(dāng)該人到達(dá)馬桶時，他處于不動和平衡的狀態(tài)。第二階段是：身體向前伸展，產(chǎn)生向前和向后的驅(qū)動力。階段三：身體從坐姿開始，直至臀部和膝蓋骨達(dá)到最大視野。階段四：全身立穩(wěn)并保持平衡。第二和第三階段是站立過程中的關(guān)鍵步驟。圖2.1起坐過程分析2.2老人站立特性分析站立起身的關(guān)鍵，在于從靜態(tài)站立，到開展穩(wěn)定且均衡的持續(xù)性起身活動的整個過程中，充分借助身體下肢的力量。然而實驗發(fā)現(xiàn)，老年人在站立時，重心往往不夠穩(wěn)定。姿勢穩(wěn)定性，指的是個人在站立失衡或進(jìn)行動態(tài)活動時，具備較低風(fēng)險或完全規(guī)避風(fēng)險的能力，而老年人站立姿勢的穩(wěn)定性，與膝蓋骨骼和下肢肌肉力量緊密相關(guān)。研究表明，人體的肌肉會隨著衰老而縮小，這很大程度上是由于其體積的減少。人的肌肉強(qiáng)度，在衰老過程中，往往會下降10%到20%。一般來說，30多歲的人身上的肌質(zhì)量可以達(dá)到全身體重的40%，而上了年紀(jì)的人只有25%。在任何一個老人身上，都會出現(xiàn)肌肉萎縮和無力的現(xiàn)象。結(jié)果顯示，四頭肌等長及等滲透力在30歲時最大，50歲以后則開始降低。正常來說，50-70歲的人，身體的力量會減弱30%，而70歲之后，這種狀態(tài)會更加明顯，特別是后伸肌和下肢的肌肉，會減少30%。從橫斷面和長時間的研究來看，60-70歲老年人十年內(nèi)肌肉力量下降10%,70歲以上則下降30%。老年人的下肢肌肉力量逐漸減弱，這也使他們在進(jìn)行站立運(yùn)動時，容易出現(xiàn)重心不穩(wěn)的情況。2.3整體布局設(shè)計實現(xiàn)坐起輔助功能的方法是：通過如廁助老裝置來幫助老人完成站立。在執(zhí)行這個輔助站立的任務(wù)時，必須提供向上提升的動作。根據(jù)現(xiàn)有家用馬桶的尺寸，長度約720mm,寬度400mm,高度約450m.正常老人身高1.7-1.8m,手扶高度800mm左右，初步取裝置高度800，長度1000mm,寬度500mm.動力采用有自鎖功能的渦輪蝸桿電動推桿執(zhí)行。轉(zhuǎn)臂一側(cè)安裝控制開關(guān)，實現(xiàn)坐下，升起，隨停功能。如廁助老裝置主要由電動推桿、轉(zhuǎn)臂、推桿支耳、轉(zhuǎn)臂支耳組成，用膨脹螺栓固定于家用馬桶后側(cè)墻壁上。如圖2-2圖2-2如廁助老裝置總體布局1、推桿支耳；2、電動推桿；3、轉(zhuǎn)臂支耳；4、轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)2.4工作原理蝸輪蝸桿拉桿后部銷軸連接于墻壁的支耳上，前部與轉(zhuǎn)臂中間孔連接；轉(zhuǎn)臂部件后端與墻壁上的支耳銷軸連接；可繞此點旋轉(zhuǎn)。當(dāng)老人需要坐下時，按下開關(guān)，電動推桿會伸出，從而帶動轉(zhuǎn)臂下降；而在老人需要起身的時候，只需按下起身開關(guān)，電動推桿便會收縮并上升，以此幫助老人起身。2.5使用狀況如廁助老裝置的使用情況設(shè)定為凈重100公斤，手臂功能約為手臂能量50公斤；單沖程設(shè)置為20s。該家庭安裝了380V通信交流電源系統(tǒng)。該設(shè)備的關(guān)鍵是選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)。根據(jù)電動機(jī)，推桿或推桿支撐桿被向上或向下推。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的作用下，將手臂向上/向下推以完成輔助站立。該機(jī)械設(shè)備易于使用，可靠且輕巧，可在協(xié)助老年人站立時執(zhí)行穩(wěn)定的升高/降低姿勢。其中，根據(jù)馬達(dá)驅(qū)動器的齒條和銷支撐桿來完成老年人的升降姿勢。另外，為了確保安全因素，自鎖機(jī)構(gòu)具有機(jī)械設(shè)備限位開關(guān)機(jī)構(gòu)。另外，輔助站立裝置的上升/下降臂配備有防滑墊。這種設(shè)計方案使老年人在使用過程中意外跌倒時能夠合理地保護(hù)老年人免受傷害，并減輕了醫(yī)務(wù)人員的壓力。第3章機(jī)構(gòu)選型3.1轉(zhuǎn)臂設(shè)計根據(jù)家用馬桶的尺寸，初步取轉(zhuǎn)臂長度850mm,寬度500mm。主要結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)軸組成，見圖3-1。圖3.1轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)示意圖1、轉(zhuǎn)軸2、轉(zhuǎn)臂3.1.2轉(zhuǎn)臂受力分析a根據(jù)轉(zhuǎn)臂的工作狀況，在剛開始下降狀態(tài)時，受力分析如圖3-2圖3.2轉(zhuǎn)臂上點時受力狀況此狀態(tài)時，轉(zhuǎn)臂所受力矩T：式中——扭矩；單位：N.m——負(fù)載重量，單位：kg；總重量50kg——重力加速度；單位，，取值9.8——力臂長度；單位：mm；取值為727mm則：b根據(jù)轉(zhuǎn)臂的工作狀況，在剛開始上升降狀態(tài)時，受力分析如圖3-3圖3.3轉(zhuǎn)臂下點時受力狀況此時，為力臂長度；單位：mm；取值為727mm，根據(jù)上式，得根據(jù)以上計算分析，可知：則轉(zhuǎn)臂所受力矩T:3.2蝸輪蝸桿拉桿設(shè)計3.2.1蝸桿副常用材料設(shè)計考量?設(shè)計蝸輪蝸桿副時，需全面考慮齒輪類型、蝸輪變速、工作方法、受力條件、精度要求及材料選擇等工作條件與標(biāo)準(zhǔn)。前幾類要素通常由服務(wù)器確定，工作條件可參考相關(guān)規(guī)范，而材料則需依據(jù)實際使用時長選擇。?3.2.2蝸桿材料?鑒于蝸桿需具備較大承載能力，且軸頸需滿足切削加工要求，常用材料如下：（1）滲碳淬火鋼滲碳旨在讓產(chǎn)品工件在保持型芯高耐磨性的同時，擁有高強(qiáng)度表面。滲碳后，需經(jīng)熱處理和低溫淬火處理，使產(chǎn)品工件達(dá)到規(guī)定的物理性能，其表面硬度可達(dá)HRC56-62。常見型號包括12Cr2Ni4、16CrMn、16MnCr5（法國）、18Cr2Ni4W、20Cr、20CrMn、20CrV、20CrMnTi、12CrNi3A、20Cr2Ni4A等。?（2）氮化鋼通過實施氮化工藝可以增強(qiáng)物質(zhì)如金屬制品的堅固程度和抗摩擦能力并提高其使用壽命及抵抗疲乏的能力[3]。為了達(dá)到這一效果，需要對預(yù)先準(zhǔn)備好的零部件或產(chǎn)品執(zhí)行淬火操作來確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)特性；完成此步驟之后就不必進(jìn)一步采取任何的熱加工措施了[4]。含有鋁(Al),鉻(Cr),鉬(Mo),鈦(Ti)和釩(V)的復(fù)合添加劑制成的碳素工具鋼經(jīng)過完全硬化過程以后所產(chǎn)生的表層硬度可高達(dá)HV1000-1200左右相當(dāng)于大約為HRc70-85之間38CrMoAl是目前性能較好的氮化鋼，根據(jù)生產(chǎn)實踐，40Cr、40CrNi、35CrMo、34CrMo4等材料也可選用。?3.2.3蝸輪齒圈?一般來說，我們都是選用鍛鑄的銅件來制造蝸桿齒輪，并添加某些特殊的合金來強(qiáng)化其性能。根據(jù)添加的不同種類的金屬材料和它們的組成，我們將這些化合物稱為“復(fù)合高強(qiáng)度耐磨耐蝕涂料”，可以將其細(xì)分為：有鉛黃銅或高含銀的白口鋼鑄件；而另一種，則是一種由銻和鉍石組成的“硅酸鹽”。ANSI/AGMA6135-A02標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，蝸桿蝸輪原材料常采用冷成型或離心鑄造的合金銅，含10-12％的錫和0-2％的鎳。?這款conedrive系列的蝸輪使用了一種特別的錫青銅（無論是冷模型還是離心鑄造），其最大承受壓力達(dá)到310mpa。?"CAVEX"系列由法國FLENDER公司開發(fā)的產(chǎn)品采用的是環(huán)狀和螺旋式的圓柱蝸桿傳動方式，其選用的齒輪為GZ-CuSn12(該種齒輪具有280MPa的抗壓能力，當(dāng)加入鎳元素時，它的抗壓性能會提高到300MPa)。?日本上田企業(yè)生產(chǎn)的“PLANAWORM”系列蝸輪，采用鋁青銅ABB2和ALBC3作為蝸輪材料。?3.2.4蝸桿副材料的選擇?（1）蝸桿材料的選擇蝸桿的選用應(yīng)根據(jù)其材料，根據(jù)其應(yīng)用場合而定。當(dāng)工作速度快，負(fù)載小時，一般選擇的是氮化鋼板，也就是20Cr,18CrMnTi。但是，不同的合金組成也會對實驗的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。例如，抗壓強(qiáng)度高的鋼，可選用高含碳量的鋼；而鉻則能提高材料的強(qiáng)度和耐磨性；而錳可以增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度及切削工具的作用；鉬是一種具有急冷延展性質(zhì)的金屬，不但能增加淬硬程度，而且能取代經(jīng)過熱處理的鋼材中的鉻；鎳粉幫助擴(kuò)大和最佳切削效果；鎢能提高鋼材的韌性，提高鋼材的使用壽命；釩能改善高溫反應(yīng)的不穩(wěn)定性，提高鍛打深度，提高耐用度；鋁能使氮化材料的表面變得更堅硬，而且不易隨時間推移而變得更強(qiáng)；微量的磷會增強(qiáng)韌性，并具有抗銹蝕的作用。常用的合金成分有Cr-Mn-Ti、Cr-Mn、Cr-Ni-Mo等等。（2）蝸輪材料的選擇目前，由于鑄造錫青銅容易磨制，承載力高，因此被公認(rèn)為是最合適的蝸輪材料。但當(dāng)工作壓力大，且滑移速率慢時，應(yīng)選用鑄鋁鐵青銅。而鑄鐵零件則具有超強(qiáng)的壓縮能力，但是僅適用于低速傳動，而且對于傳動效率要求不高的情況下。最終，球墨鑄鐵制造的蝸輪能配合熱處理的蝸輪組，尤其適合于負(fù)載較小，移動速度較慢的場合。（3）蝸桿副材料的搭配與選擇在選用蝸輪傳動材料時，需要考慮其所要達(dá)到的性能（如傳動比、承載能力、噪聲控制等）、加工規(guī)模、加工工藝、材料成本、材料的可獲得性等。在支承工況較多的情況下，選擇的傳動材料具有良好的力學(xué)性能。鑒于制造過程中難免出現(xiàn)的制造誤差及熱形變，要求傳動材料具有較好的磨合特性，才能保證齒輪的精確嚙合。蝸輪蝸桿的高速工作過程中伴隨著巨大的摩擦熱量，要求其具有良好的耐磨性、良好的傳熱性能和方便的膠接工藝。同時，應(yīng)視具體作業(yè)條件而定，選用稀土含量低的物料，以降低產(chǎn)品的成本。在蝸輪傳動的原料選用上，也要注意兩者的配合。比如，應(yīng)用于高精度傳動場合的直線形環(huán)面蝸輪傳動，既要兼顧傳動精度、嚙合性能，又要兼顧提高材料的強(qiáng)度與耐磨性能。采用二次包絡(luò)環(huán)面蝸輪傳動進(jìn)行功率傳輸時，應(yīng)認(rèn)識到蝸輪齒面是最易發(fā)生磨損的部位。經(jīng)過正確的載荷操作，可以逐步地減少由于加工、安裝引起的誤差，使其充分利用。在進(jìn)行蝸桿傳動時，要考慮蝸桿傳動的類型，蝸桿副的匝數(shù)，工作模式，受力狀況，精度要求，選材等。前面的參數(shù)一般是根據(jù)有關(guān)的規(guī)范來決定的；但是，選用的材質(zhì)和加熱方式要依據(jù)具體的工作條件來決定。3.2.5蝸輪蝸桿拉桿組成及原理電動推桿由電機(jī)、蝸桿、渦輪、推桿組成，具體結(jié)構(gòu)見圖3-4。圖3.4電動推桿1、電機(jī)，2、蝸桿，3、渦輪，4、拉桿電機(jī)動作帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，從而帶動渦輪轉(zhuǎn)動；通過渦輪內(nèi)軸上的滑塊帶動推桿前后移動；內(nèi)置行程開關(guān)，能夠保證要求位置。圖3.5渦輪標(biāo)準(zhǔn)件3.2.6蝸輪蝸桿拉桿受力分析根據(jù)轉(zhuǎn)臂受力分析過程可知，在上部位置時，轉(zhuǎn)臂受力最大，因而分析此狀態(tài)時電動推桿受力狀態(tài)，是電動推桿最大受力狀態(tài)。根據(jù)圖3-6受力分析。圖3.6電動推桿受力分析式中——負(fù)載重量，單位：kg，總重量50kg；——重力加速度；單位；，取值9.8；——負(fù)載力臂長度；mm，取值為727mm——電動推桿力量，N；——力臂長度mm；取值為136mm.得：根據(jù)此計算結(jié)果，用3000N推力拉桿，行程50-400mm可滿足使用要求。3.3驅(qū)動器蝸桿受力分析與效率計算3.3.1蝸桿受力分析如圖3-6展示的是蝸桿分度圓嚙合部位的力學(xué)分析。從圖3-7我們可以推導(dǎo)出下列公式式中：——蝸桿嚙合處所受法向力；、、——法向力，——在x、y、z方向上的分力；αn——蝸桿導(dǎo)程角；——蝸桿蝸輪嚙合面之間的摩擦系數(shù)。圖3.7蝸桿分度圓嚙合處的力學(xué)性能分析令:式中——系數(shù)聯(lián)立兩式可得將己知參數(shù)帶入得圖3-8蝸桿受力分析如圖3-8所示，蝸桿與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸構(gòu)成了一個整體。在圖3-7中，我們可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)子在前、后軸承處受到的約束力分別是什么；C/2代表電機(jī)末端擋片對轉(zhuǎn)子軸向竄動的約束力；μ1代表電機(jī)前軸承處的摩擦系數(shù)；μ2代表電機(jī)后軸承處的摩擦系數(shù)；μ3代表電機(jī)后擋片處的摩擦系數(shù)；f表示蝸桿蝸輪嚙合處的分度圓到電機(jī)前軸的距離；g代表電機(jī)前后軸之間的距離；T是電機(jī)堵轉(zhuǎn)的扭矩；r是蝸桿的分度圓半徑；r1是電機(jī)轉(zhuǎn)子前軸承處的摩擦圓半徑；r2是電機(jī)轉(zhuǎn)子后軸承處的摩擦圓半徑；r3是電機(jī)轉(zhuǎn)子末端擋片處的摩擦圓半徑。3.3.2蝸桿力平衡方程圖3-7展示了以下力與力矩的平衡方程組：3.3.3桿力平衡方程的求解已知的參數(shù)包括：蝸桿的頭部數(shù)量為一；蝸輪的齒數(shù)是毫米;f值為25毫米;g值為70毫米;a值為4毫米;b值為4毫米;c值為0.25毫米；蝸輪的分度圓直徑R等于15.694毫米;d值為0.08;e值為0.08;f值為0.08;g值為0.08;h值為0.2427和0.1809。將己知參數(shù)代入式中=114.9249N;=82.9109N;=31.2302N;=9.4831N;=368.9884N;C=368.9884N。3.3.4蝸桿蝸輪傳動總效率計算根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)可以得知，隨著摩擦力的增加，蝸桿的前、后、左、右旋轉(zhuǎn)軸承和擋板之間的摩擦對效率的影響更為顯著。壓力角和前傾角對高效嚙合的影響較大，而蝸桿的嚙合效率則等于蝸輪輸出功率和輸入功率的比值。=0.2427.=0.1809.=368.9884N代入得=89.5535N.=66.75N。表3.1展示了蝸桿和蝸輪的嚙合效率以及整個傳動系統(tǒng)的效率。00.0160.0320.0480.0640.080.0960.1120.1280.14410.90460.82550.75880.70180.65250.60950.57160.5380.507910.84810.73220.64030.5660.50490.45360.41020.37310.3409對于蝸桿和蝸輪在分度圓處的轉(zhuǎn)矩，如果滿足：將=89.5535N．=3.196mm．=368.9884．NR=15.694mm代入式得到；考慮了蝸桿前后軸承、擋片和蝸桿蝸輪嚙合處的摩擦，傳動總效率綜合計算后為。將=1，=31，，帶入得到=50.49%。3.4電機(jī)選型與驅(qū)動軸校核3.4.1電機(jī)選型考慮到如廁助老裝置需在20s內(nèi)完成單沖程升降動作，且需承載最大約150kg（含人體與機(jī)構(gòu)自重）的負(fù)載，同時結(jié)合蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)對電機(jī)自鎖功能的需求，經(jīng)對比分析，選用NEMA17步進(jìn)電機(jī)（型號：42BYGH40-1704A）。該電機(jī)步距角1.8°、保持扭矩1.7N?m、額定電流1.7A、機(jī)身長度40mm、適用電壓12-24VDC，其1.7N?m的保持扭矩（1700N?mm）遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)臂最大負(fù)載工況下所需的360N?mm驅(qū)動力矩，可確保穩(wěn)定驅(qū)動；斷電自鎖特性配合蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，能有效防止老人使用時意外下滑；且電流參數(shù)與ULN2003驅(qū)動器（最大驅(qū)動電流500mA）適配，尺寸緊湊便于裝置集成，其參數(shù)表3-2所示。表3.2電機(jī)參數(shù)項目參數(shù)值步距角1.8°保持扭矩1.7N.m額定電流1.7A機(jī)身長度40mm電壓范圍12-24VDC3.4.2驅(qū)動軸的校核驅(qū)動軸（與蝸桿同軸）作為傳遞扭矩的關(guān)鍵部件，需進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核。（1）強(qiáng)度校核軸材料采用45號鋼，其許用切應(yīng)力據(jù)電機(jī)保持扭矩T=1.7N.m，軸傳遞扭矩?？古?qiáng)度公式為其中，r為軸半徑，，（d為軸徑，取d=6mm）因為，需增大軸徑至d=8mm（此時)（2）剛度校核軸扭轉(zhuǎn)角其中L為軸長取L=50mm，G為剪切模量（45號鋼(G=80GPa)），。帶入?yún)?shù)得故軸的剛度滿足校核。第4章系統(tǒng)控制設(shè)計4.1設(shè)計方案4.1.1硬件設(shè)計1.STM32選擇：選擇一款合適的STM32微控制器，比如STM32F103C8T6，它具有足夠的GPIO引腳、定時器資源以及ADC/DAC等外設(shè)接口，適合此應(yīng)用場景。2.ULN2003驅(qū)動器：達(dá)林頓晶體管陣列ULN2003，電壓高、電流大，是推動步進(jìn)電機(jī)的理想選擇。包含7組達(dá)林頓對，每組可承受連續(xù)電流達(dá)500mA，足以滿足多數(shù)小型至中型步進(jìn)電機(jī)使用的需求。3.步進(jìn)電機(jī)連接：將步進(jìn)電機(jī)的四相（A,B,A,B\）分別連接到ULN2003的輸出端口。STM32的GPIO引腳通過限流電阻連接到ULN2003的輸入端，用于發(fā)送控制信號給ULN2003。進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計需要首先繪制系統(tǒng)電路圖，本次電路圖設(shè)計應(yīng)用的軟件為AltiumDesigner。4.1.2AltiumDesigner簡介AltiumDesigner是一個廣泛應(yīng)用在電氣設(shè)計中的軟件平臺，它集成了一些功能性的組件，例如，繪制電路的草圖，PCB的布局，以及它們的連線。另外，本系統(tǒng)還具有建立和仿真3D模型的功能。本項目為從概念到制造過程的“一站式”解決方案，既可以解決多層級、多層級、高速率、高頻率、高頻率等問題，又可以解決射頻（RF）領(lǐng)域的難題，這主要是由于其龐大的數(shù)據(jù)庫儲量與廣泛的規(guī)范審核制度，為用戶的便捷與效率的提高奠定了基礎(chǔ)。電路圖繪制過程及方法：1.啟動項目啟動AltiumDesigner之后，執(zhí)行"File">"New">"Project"操作，以建立一個全新的PCB項目。在新建項目對話框中，可以選擇項目類型為“PCBProject”。2.創(chuàng)建原理圖文件在新建立的工程上使用鼠標(biāo)右鍵并選取"AddNewtoProject">"Schematic"，即可生成一個全新的電路設(shè)計文檔。3.添加元件使用“Libraries”面板搜索所需的元件。如果沒有找到所需元件，可以通過“Install”按鈕安裝額外的庫或者自行創(chuàng)建新的元件庫。利用拉動的方式將部件置于原理圖操作區(qū)。4.連接元件利用“Wire”工具連接各個元件的引腳，形成電路。確保連線準(zhǔn)確無誤，避免短路或斷路情況發(fā)生。對于復(fù)雜的電路，可以使用總線和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽來簡化連線過程。5.編輯屬性雙擊元件或連線，打開屬性編輯器，設(shè)置如元件值、封裝、網(wǎng)絡(luò)名稱等參數(shù)。確保所有必要的信息都已正確填寫，這對于后續(xù)的PCB設(shè)計至關(guān)重要。6.編譯檢查完成電路圖繪制后，執(zhí)行“Project”>“CompilePCBProject”命令進(jìn)行編譯檢查，查找并修正可能存在的錯誤或警告。4.2電路設(shè)計4.2.1STM32單片機(jī)簡介STM32系列是專門針對高效率，低成本，節(jié)能的嵌入式系統(tǒng)而開發(fā)的。根據(jù)它的性能特點和操作速率，把它分成兩個不同的模型：ST32F103X“高級版”和ST32F101“高級版”。前者可以達(dá)到72Mhz，而后者可以達(dá)到36兆赫。他們之間的管腳能力以及系統(tǒng)的軟件是互相兼容的。兩款均內(nèi)置32K到128K的快閃記憶體晶片。不同之處在于SRAM的大小及周邊介面的不同。與52系列MCU相比，stm32具有很多的功能。其運(yùn)算速度比52微控制器快，可進(jìn)行2次AD變換，具有較強(qiáng)的通信與操縱控制能力，52系列微控制器不能比擬。由于52系列的串口僅供通訊使用，而STM32多達(dá)5個串口通訊，使用起來十分便利。本設(shè)計方案以STM32F103C8T6作為主板芯片，其型號規(guī)格含義如下：STM32代表STM32系列32位系統(tǒng)MCU；F代表基本產(chǎn)品類別；103表示特殊功能為STM32基本類型；C表示引腳數(shù)是48&49引腳；8表示存儲空間為64KB；T表示封裝為QFP；6表示-40至85℃的溫度范圍。請看圖4-1，展示了STM32F103C8T6最小系統(tǒng)的實物圖。圖4.1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)實物圖相關(guān)參數(shù)：引腳個數(shù)：48內(nèi)核：ARM32位的Cortex-M3CPU工作頻率：72MHz儲存資源：64KByteFlash,20KByteSRAM接口資源：2XSPI,3XUSART,2X12C,1XCAN,37XI/O口模數(shù)轉(zhuǎn)換：2XADC(12位/16通道)定時器：3個普通定時器，一個高級定時器支持JAG/SWD接口的調(diào)試下載，同時支持IAP。4.2.2STM32最小系統(tǒng)電路STM32作為步進(jìn)電機(jī)控制器的主控芯片來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，STM32核心板上電啟動后通過不斷執(zhí)行鍵盤掃描子程序，當(dāng)檢測到鍵盤發(fā)生電平變化時，執(zhí)行相應(yīng)的程序，然后發(fā)送對應(yīng)的脈沖信號給驅(qū)動電路，從而控制步進(jìn)電機(jī)。圖4.2STM32原理圖4.2.3步進(jìn)電機(jī)1.步進(jìn)電機(jī)的選擇依據(jù)其基本理論與構(gòu)造，我們可以把步進(jìn)電機(jī)劃分為三類：磁阻驅(qū)動器(又稱作反響式，VR，即變量抗拒力驅(qū)動器)、永久磁鐵驅(qū)動的驅(qū)動器(也被叫做爪形驅(qū)動器，PM，即永久磁鐵驅(qū)動器)以及混合式的驅(qū)動器(被標(biāo)記為混合步進(jìn)，HS，即混合驅(qū)動驅(qū)動器)[4]。①反應(yīng)式：在傳統(tǒng)的步進(jìn)電動機(jī)中，由電動機(jī)轉(zhuǎn)子和電動機(jī)定子引起的單脈沖電磁場相互影響，從而引起旋轉(zhuǎn)[5]。它的電動機(jī)定子采用線圈繞組，電動機(jī)轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的。雖然其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角小，最大可達(dá)1.2°，但缺點是動態(tài)性能差，效率低，發(fā)熱量大，噪音和振動大，穩(wěn)定性也不好，基本已經(jīng)被淘汰替代了。②永磁型：其電動機(jī)的定子部分配備了眾多的線圈環(huán)繞，轉(zhuǎn)子則是由永磁材料構(gòu)建而成，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子數(shù)量與定子數(shù)量保持一致。它具有良好的動態(tài)特性和較大的輸出轉(zhuǎn)矩，但是這種類型的電動機(jī)精度較低且步距角度較大（通常為7.5°或15°），但由于其成本低廉而廣泛用于消費(fèi)產(chǎn)品中。③集成型：電機(jī)內(nèi)部包含大量的電樞繞組，而其外部則裝有永久性的磁鐵;同時，電機(jī)內(nèi)外都配有小齒輪，這有助于提升步進(jìn)馬達(dá)的準(zhǔn)確度。這種設(shè)計融合了反射性和永久磁體的優(yōu)勢，展現(xiàn)出高輸出的扭力、優(yōu)秀的動力學(xué)表現(xiàn)及微小的步距角度等特征，然而，它的構(gòu)造相對繁復(fù)且價格偏高。它主要用于工業(yè)生產(chǎn)。作為一種電氣驅(qū)動設(shè)備的步進(jìn)馬達(dá)能夠把數(shù)字化的電子信息轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的角度或者直線的移動距離。角度的變化率或是長度變化量會隨著輸入的數(shù)據(jù)數(shù)量而增加;同樣的道理也適用于其運(yùn)轉(zhuǎn)速度及每秒鐘所接受到的單一指令頻度之間的關(guān)系上。所以通過調(diào)整這些參數(shù)可以實現(xiàn)對該種機(jī)械裝置運(yùn)動狀態(tài)(包括轉(zhuǎn)向)的管理并最終達(dá)成預(yù)期的目標(biāo)效果。本次設(shè)計方案使用4相8拍28BYJ-48（永磁式步進(jìn)電機(jī)）。型號規(guī)格的實際含義如下：28：電機(jī)的最大直徑為28mm；B：表示是步進(jìn)電機(jī)；Y：表示是永磁式類型；J：表示減速類型；48：表示有4個相位8個節(jié)拍；28BYJ-48的外觀設(shè)計圖如下：圖4.328BYJ-48外形圖圖4.4步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時需要連接驅(qū)動電路，因為電路中電流較小，且步進(jìn)電機(jī)需要控制單元來接收處理器發(fā)送的指令。因此，控制系統(tǒng)必須使用驅(qū)動電路進(jìn)行控制和處理。ULN2003是一種耐高壓、高電流的集成電路，內(nèi)部由7個硅NPN晶體管構(gòu)成，在5V工作電壓下可與CMOS、TTL電平特性相容，可直接處理這些邏輯電平信號，因此本設(shè)計選擇ULN2003驅(qū)動芯片為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號。ULN2003芯片引腳排布如下所示：圖4.5ULN2003管腳圖3.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路STM32內(nèi)核與ULN2003芯片之間通過IN1~4連接，實現(xiàn)了對電流的導(dǎo)入和傳遞。接著，該電流會從OUT1至4端口傳遞給四個步進(jìn)電機(jī)軸(也就是ABCD軸)。ULN2003采用微機(jī)供電，只需要幾個mA，輸出500mA，完全符合28BYJ-48的要求。圖4.6ULN2003連接圖4.2.4鍵盤控制電路在實際應(yīng)用中，單片機(jī)中的按鍵控制系統(tǒng)關(guān)鍵是對高、低壓條件進(jìn)行辨識。該算法根據(jù)電網(wǎng)的電壓特性，對系統(tǒng)應(yīng)該采用的動作進(jìn)行自動判斷。但是，在寫按鍵處理函數(shù)時，要考慮到以下幾個問題：第一，要抑制抖振，加入一種反抖的算法；其次，為避免系統(tǒng)的誤動，必須設(shè)定一些延遲以防止誤動作的發(fā)生。另外，采用按鈕式開關(guān)，可以使步進(jìn)電動機(jī)向前、向后運(yùn)動，從而達(dá)到衛(wèi)生間輔助設(shè)備的收縮功能。圖4.7按鍵電路圖結(jié)論為解決老人在上廁所時難以站起的難題，本研究提出一種新型老人如廁設(shè)備。經(jīng)過理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能測試，本項目在安全性、穩(wěn)定性及用戶使用感受三個層面上，已有較好的應(yīng)用前景。在機(jī)構(gòu)構(gòu)造上，在機(jī)構(gòu)設(shè)計上，通過對回轉(zhuǎn)臂及蝸輪蝸桿的合理設(shè)計及準(zhǔn)確的計算，確保機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)工作及可靠的承載。此外，本文還對蝸輪蝸桿的傳動性能進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步的設(shè)計和改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。在本課題中，采用stm32系列微控制器，采用uln2003型驅(qū)動芯片，使得步進(jìn)電動機(jī)能夠進(jìn)行柔性的運(yùn)動，能夠很好地適應(yīng)該裝置的運(yùn)行要求。另外，利用AltiumDesigner軟件完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計，從而大大地改善了系統(tǒng)的性能。為了提高用戶的使用效率，在鍵盤上使用了較大的按鈕，防止誤接觸，從而提高了用戶的使用效率。該設(shè)備的創(chuàng)新之處在于：一是將機(jī)電一體化機(jī)構(gòu)和智能化的控制體系相融合，使之成為一種全自動化的助力；其次，它是一種模塊式的結(jié)構(gòu)，適合大部分家用廁所，便于使用；在兼顧老年人群特征的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的安全性、舒適性以及易用性進(jìn)行了全方位的優(yōu)化。與市面上的同類產(chǎn)品相比，它的結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更低，維修也更容易。該項目的研究在經(jīng)濟(jì)上有較大的應(yīng)用價值。在人口老齡化的背景下，養(yǎng)老服務(wù)的需要也越來越多。該設(shè)備可有效地減少老人的護(hù)理負(fù)荷，減少老人摔倒的危險，提高其生存品質(zhì)。今后的研究重點是：器件的大小進(jìn)一步降低，適用性加強(qiáng)；添加額外的安保措施；采用最優(yōu)的控制方法，實現(xiàn)了平滑、平滑的操作?？傊撝鷰鳛榻鉀Q我國老人的現(xiàn)實難題，提出了一種實用的解決方法，并為研究和開發(fā)新型的老年助廁器積累了有益的經(jīng)驗。參考文獻(xiàn)閆續(xù)范,趙斌,冷基鑫.一種適老型坐便器輔助起身裝置的設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù),2024,(04):73-77.劉宇坤,段博峰,蔡佰成,馬旋毓.老年人如廁輔助器械的發(fā)展現(xiàn)狀和研究[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2023,44(04):125-127.王燕雯,謝遠(yuǎn)航,廖偉伊,王子怡,陳莉,丁可凡.居家老年人智能如廁防跌倒系統(tǒng)設(shè)計[J].科技與創(chuàng)新,2022,(19):59-61.李遠(yuǎn)利.基于坐立轉(zhuǎn)換的如廁輔助產(chǎn)品設(shè)計與研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2021.常青青,陳堅,蔣正忠.多方位助力式老年人如廁輔助裝置設(shè)計與測試[J].機(jī)械設(shè)計與研究,2023,39(05):228-232.宋菲菲,程小兵.基于老年用戶的助老如廁馬桶蓋裝置設(shè)計研究[J].科技與創(chuàng)新,2023,(17):33-35.侯俊宇,許津閣,呂寧,李志強(qiáng),鄭立偉.一種如廁坐立輔助裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電子元器件與信息技術(shù),2021,5(03):6-7.李遠(yuǎn)利,涂細(xì)凱,胡世超,李肖.基于坐立轉(zhuǎn)換運(yùn)動軌跡的如廁輔助裝置設(shè)計[J].中國康復(fù)理論與實踐,2021,27(07):844-851.彭椏龍.多姿態(tài)可如廁式電動輪椅及控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2023.張幻,謝永智.老年人如廁智能輔助裝置的設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù),2020,49(10):134-135+157.徐一剛,周先,劉江玲,羅浩,黃鑫.關(guān)于老年人如廁助力裝置的研究[J].輕工科技,2023,39(01):73-76.羅廣權(quán),韓雪松,謝東津,丁勇.水壓升降如廁輔助裝置的研制[J].機(jī)械與電子,2022,40(09):12-16.丁雅,段博峰,王明波,戴俊平,張肖.一種輔助老年人如廁裝置[J].科技與創(chuàng)新,2021,(15):72-73+75.張莎,馮聰利,趙培,杜勝.輔助老人如廁裝置的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究,2020,(20):46-47.張莎.老年人智能輔助如廁裝置的設(shè)計與研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程,2021,50(07):51-54.許津閣,呂寧,張靜.一種如廁坐立輔助裝置的設(shè)計[J].電子制作,2020,(16):43-44+47.DepartmentofBiomedicalEngineering,CollegeofBiotechnology,EuljiUniversity,Mother’sHandsInc,DepartmentofBiomedicalEngineering,CollegeofBiotechnology,EuljiUniversity.Medicalbedwithintegratedtoilet:designconsiderationsandutilizationbyabedriddenpatient[J].HealthandTechnology,2019,9(5).致謝時間過得真快，轉(zhuǎn)眼間，我就要離開這個充滿了我青春重要時刻的地方了。盡管內(nèi)心充滿了不舍，但回顧在這段繁忙而又豐富的校園時光中，我不但開闊了自己的眼界，也成就了今天的我?，F(xiàn)在，我已經(jīng)接近了大學(xué)生涯的尾聲，不斷地研究學(xué)習(xí)，充實了我的專業(yè)素養(yǎng)，也使我有了面對和改正自己的缺點的勇氣。在此期間，通過教師的指導(dǎo)，我學(xué)到了很多東西，提高了自己的水平。在我看來，只有一位我應(yīng)該感謝的人--我的良師益友。他對我的選題進(jìn)行了精心的照顧和指導(dǎo)；在論文寫作中，他曾多次對我提出有價值的意見；到了臨近畢業(yè)的時候，他更是對我提出了嚴(yán)格的要求。他的奉獻(xiàn)與深厚的職業(yè)素養(yǎng)，是我繼續(xù)前行的動力。他不僅讓我順利地完成了我的學(xué)位課題，也讓我學(xué)會了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲泄ぷ骱徒鉀Q問題的能力。值此別離之際，我衷心祝愿母校不斷壯大，不斷造就英才，造福于社會。我衷心祝愿各位學(xué)弟學(xué)妹能夠好好把握時間，學(xué)業(yè)成功，朝著自己的理想勇往直前。衷心祝愿各位教師工作愉快、工作愉快！謝謝你們這么多年的努力！并祝愿各位畢業(yè)生能夠順利就業(yè)，擁有美好的前程。感謝所有人對我的協(xié)助與支持，我將會一直珍藏這份珍貴的經(jīng)驗。附錄附錄一：程序代碼#include"stm32f10x.h"http://包含STM32F10x系列頭文件//定義GPIO引腳#defineIN1_PINGPIO_Pin_0#defineIN2_PINGPIO_Pin_1#defineIN3_PINGPIO_Pin_2#defineIN4_PINGPIO_Pin_3#defineGPIO_PORTGPIOA//按鍵定義#defineKEY1_PINGPIO_Pin_4#defineKEY2_PINGPIO_Pin_5#defineKEY_GPIO_PORTGPIOA//步進(jìn)電機(jī)的相序表（4相8拍）constuint8_tStepTable[8][4]={{1,0,0,0},//A{1,1,0,0},//AB{0,1,0,0},//B{0,1,1,0},//BC{0,0,1,0},//C{0,0,1,1},//CD{0,0,0,1},//D{1,0,0,1}//DA};volatileuint8_tstep_index=0;//當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)相序索引volatileuint8_tdirection=0;//旋轉(zhuǎn)方向：0為正轉(zhuǎn)，1為反轉(zhuǎn)//初始化GPIOvoidGPIO_Init_Config(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;//使能GPIOA時鐘RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//配置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動引腳為輸出模式GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=IN1_PIN|IN2_PIN|IN3_PIN|IN4_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIO_PORT,&GPIO_InitStructure);//配置按鍵引腳為輸入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=KEY1_PIN|KEY2_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;//上拉輸入GPIO_Init(KEY_GPIO_PORT,&GPIO_In