便携式智能座便器的研究

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【摘 要】根据现在国内外的市场情况，设计制作了一种能够用于轮椅、护理床等医疗设备的便携式智能座便器。整体结构通过单片机控制各部分的行动，具有座便盖的自动启闭、温水冲洗、自动冲水、暖风烘干、水温调节、风温调节、水压水量调节等功能；同时具有座便体的自动升降、接便盒的抽取机构。首先，对整体机构进行了分析和设计。其次，详细介绍了各部分的组成与功用。通过实验测试，所设计的便携式智能座便器达到了预期的性能指标，对医疗护理领域有重要的现实意义。

【关键词】便携式智能座便器；单片机控制；自动；结构设计；

0.引言

随着日常生活水平的提高，人们对卫生洁具的要求也越来越高。智能座便器已普及应用于各个领域，因其有智能化，人性化，卫生，环保舒适等优点。同时，越来越多的人，重视并且对其深入研究。市场出现了一些进口产品，然而很少使用于医疗护理领域，极少数应用于轮椅及护理床上，而且价格昂贵。

这里所研究的智能座便器功能较为齐全，具有自动冲水，自动烘干，自动升降，自动启闭，粪便取，密封装置等多种功能。主要应用于轮椅，护理床，户外旅外旅行也可携带，是一种便携式智能座便器。能为医院，家庭对老年人和病人的护理提供极大的方便。

图1 便携式智能座便器的功能框

1.座便器的主要功能

便携式智能座便器基于单片机控制原理，具有座便盖自动启闭、座便体自动升降、自动冲水、温水冲洗、暖风烘干、水温调节、功能，并有水温过热、风温过热等安全保护措施。

2.智能座便器的工作原理

该智能座便器采用三级传动，由步进电机带动锥齿轮副，此时将运动传递到主滑动丝杠，同时将运动传递到同步带，此刻分为两个方向的运动，主滑动丝杠上升为一路，同步带带动其余两根丝杠上升为一路。患者在使用时，可通过控制使座便器到达适应位置。患者使用结束后，点击控制按钮进行臀部的冲洗与烘干。粪便通过冲水经过管道到达接便盒，整个过程只需一个控制面板来控制，操作简便实用性强。

图2 工作原理图

3.整体结构的分析与设计

为使结构完整，并且能够将座便器放置于轮椅，护理床等内部，尽可能将整体设计的较为小巧，长宽高均小于椅身床身的整体架构，并在此空间内实现各项功能的正常使用。座便盖的启闭，通过水平抽拉方式，相比于翻转式，折叠式，前者较为简单，空间占用率较小，符合便携这一特点。座便体的升降机构，采用直冲式结构进行实现其功能，相比于剪刀叉式升降机构[2]，后者产生的行程较大，折合状态时占用空间较大，故采用后者，更加节省空间。冲洗方式，相比于手纸擦拭，温水冲洗，暖风烘干方式更加适合轮椅使用者的需求，无需起身便可实行全过程。

图3 整体结构二维图

4.各部分结构的设计

4.1启闭机构

经过研究与测试，发现座便盖启闭采用水平抽拉式更加符合我们设计的要求，通过电机分别驱动两个开合面板，实现其水平拉开。

图2―2 CAD成形座便盖结构

4.2 升降机构

坐便器升降装置，位于坐便器主体的下方，驱动坐便器主体所述盖体上下运动，该装置包括用于支撑所述坐便器主体三根丝杠，提供升降动力的电机以及支撑所述丝杠的底架，以及带动除主丝杠外的其余两根丝杠。三根丝杆相互平行设置，构成三棱柱的三条侧棱，在丝杠和坐便器主体之间设置铝板，铝板直接支撑坐便器主体，丝杠为滚珠丝杠，三根滚珠丝杠与底架，之间是通过角接触球轴承联系在一起，由于角接触球轴承的内外圈之间可以发生相对微小偏转，若不采取其它附加措施，升降机构将很不稳定，为了提高升降机构的稳定性，在每个丝杠一侧各增加一立柱，立柱与底架之间采用过盈配合，并以螺纹紧固，从而增加整个机构的稳定性，该驱动方式为三级传动，电机通过驱动一锥齿轮副而驱动其中的一根丝杠，被驱动的丝杠，一方面将动直接传递至丝杠上的铝板，直至铝板上的坐便器主体，另一方面通过同步带将动传递到其他两根丝杠上，一起运动。

图5 升降机构与接取机构二维图

4.3 粪便接取机构及密封机构

粪便接取装置和所述坐便器主体相连通，轮椅床的使用环境决定了其不便直接将便体冲入下水管道，因此粪便接取装置是必须配置的，粪便接取装置包括粪便盒、粪便盒升降机构和粪便盒抽取机构，同时为了防止臭味散发，需要密封装置将粪便与大气隔离，粪便接取装置处于轮椅床的中间，为将其中的粪便盒方便地取出，设计了粪便盒升降机构和粪便盒抽取机构，升降动作依靠杠杆撬动粪便盒的升降框架来实现，升降框架上安装了直线圆柱导轨，抽取时粪便盒就沿着导轨从床的中间滑到床边，非常方便、省力，粪便盒的密封主要有两处，分别是：坐便器主体和粪便盒结合处和下水管口

图6 储便器

密封装置，位于粪便接取装置内，密封装置处于密封位置时，阻断粪便接取装置和坐便器主体之间的连通，密封板为双层的橡胶板，方便时，电机将通过直齿轮和丝杠带动密封装置中的密封板移动到另一侧容纳密封板的密封通道内，以使便体落入粪便盒中。

图7储便器的抽拉设计图

4.4 水气供给系统

水气供给系统有三条条管路，分别是座便体冲洗管路、臀部温水冲洗管路、臀部暖风烘干管路。

智能座便器座便体冲洗管路包括座便体内部进水管、水泵和水箱、坐便圈，管路中水的流向：水流出水箱，通过水泵增压以后分四路进入各自的所需的空间。

参考文献：

[1]杨春杰.便携式可升降坐便器的发明[J].机械设计与研究，2008（01）.

[2]袁博.医疗器械运动学及动力学仿真分析.2004.

[3]龚玉姣，肖扬，陈建东，贺征，杨智聪.坐便器盖板紫外线灯消毒杀菌效果研究.2009.5.

[4]杨景芝，付丽娟.全自动坐便器电器控制系统设计[J].现代电子技术2008.

[5]顾东袁，杨东勇，徐杨法.智能坐便器嵌入式控制系统设计与实现[J].计算机工程与应用.2008.

[6]许晓东，智能座便器的集成转身升级.2011.3.

[7]张永征，基于ATMega128的智能坐便器设计与实现.2011.11.1

[8]金延东，坐便器节水新技术研究.2012.7.10.