护理床用智能座便器的设计
1.选题背景及其意义
1.1 选题背景
随着生活水平的日益提高以及技术日新月异的发展,人们对卫生洁具的要求也越来越高。智能座便器便具有智能化、人性化、卫生、环保及舒适等优点，已成为不少家庭、高档宾馆必备的卫生洁具。目前国内市场上高档的智能化坐便器产品主要是进口产品。这些产品不但价格昂贵，而且一些参数的设计不合国情。此外，长期使用轮椅的病人和手术后病人大小便问题一直是大家关注的问题，有些病人不习惯床上大小便，从而抑制了排便、排尿反射，导致便秘等症状；针对这些问题，根据人体生理特点和力学原理，该智能可移动座便器，可较好地解决以上问题。市场上也出现了一些进口座便器,然而这些产品不但价格昂贵,而且很少有能够应用到轮椅床、汽车上的。智能可移动座便器具有自动冲水、温水冲洗、暖风烘干等多种功能,并能够满足使用者对不同温度的要求,不仅应用于轮椅床、汽车上,更方便携带，是一种移动式的智能座便器,能为病人和老年人提供极大的方便。
1.2课题意义
本次设计的智能座便器采用单片机控制，具有座便盖自动启闭、座便体自动升降、自动防污、杀菌消毒除臭防臭、自动冲水、温水冲洗、暖风烘干、水温调节、风温调节、水压水量调节等功能，并有水温过热、风温过热等安全保护措施。主要应用于轮椅床、护理床上的一种智能座便器,改善了在市场上安装不方便以及价格昂贵的不足。以提供家庭、医院对病人和老年人等弱势群体的护理提供方便为目的而进行的改良设计。
在本次的毕业设计的课题中，需确确实实的将这三年半所学习的课程应用其中。在智能座便器的机械结构中运用到了机械理论，座便器的升降功能方面运用到了液压方面的知识，在复杂的智能座便器控制方面运用了单片机的知识，再是计算、绘图等其他方面包含了机械制图、互换性、机械设计、机电控制等重要课程。而且也实现了我校培养高级应用型、技术型人才培养的目标。通过毕业设计强化了学生们对基本知识和基本技能的理解和掌握,培养学生收集资料和调查研究的能力,以及一定的方案比较、论证的能力,一定的理论分析与设计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力以及编写编制能力。同时掌握资料的收集和分析、相关规范的选择和运用；设计方案的选择、成果图的绘制以及设计文本的编制全过程。另外对培养学生独立思考问题和解决问题的能力,为今后工作做好技术储备,都具有十分重要意义。
2．文献综述（国内外研究现状与发展趋势）
如今我国已经进入一个人口老龄化的社会，截至去年底，我国60岁以上的老年人口已经达到1.6亿，而我国医疗护理器械产业也经过解放初期的基本空白发展到现在能够生产47大类、3000多个品种、1.1万多种规格的规模，其医疗护理器械的生产企业也超过了1.2万家。
医疗护理器械行业作为高新技术最具发展潜力的产业之一，近年来，随着我国新医改投入、人口老龄化和健康保健服务重视程度的不断加大，我国医疗护理器械市场规模将维持快速增长态势。目前全球医疗护理器械占医药总市场总规模的42%，而我国仅占医药总市场14%的规模，我国医疗器械行业前景可期。在医疗护理器械的进出口方面，近年来，我国的医疗器械产业进口开始快速增长。在我国医疗护理器械产业的主要城市里，深圳是一个领先的龙头，深圳目前拥有医疗护理器械企业500家左右，年出口额超过13亿美元，占到整个广东出口贸易市场的一半，2008年，深圳的医疗护理器械产业产值达到了120多亿，深圳医疗护理器械产品门类齐全，不仅产品覆盖各个领域，而且如今也成为我国高科技医疗器械产品重要的生产基地。2010年，我国医疗护理器械市场增长率为23%，市场规模达1200亿元。2011年一季度，我国共实现营业收入19.61亿元，同比增长40.06%。到2015年，中国整个医疗护理仪器与设备市场预计将翻一番，达到537亿美元，中国医疗器护理械行业复合增长率将维持在20%-30%，行业发展潜力巨大。
我国医疗护理器械行业发展潜力巨大主要表现在三个方面：
1）人们保健康复对医疗护理器械的刚性需求以及国家对医疗护理器械技术创新扶持力度的不断加大，将成为我国医疗护理器械产业高速发展根本动力；
2）随着计算机技术的快速发展，医疗领域的信息化和网络化引发了对影像化、数字化等高精尖医疗设备的需求增长，给医疗护理器械生产企业带来一定的市场空间；
3）在国家大力推进医改，发展基础医疗保障的大背景下，市场对医疗设备、仪器、材料的需求量将不断增长，基层医疗机构将是医疗器械重要市场。目前全国县级医院和乡镇卫生院达8万多家，其设备添置、改造、更新换代的需求缺口庞大。
现代医院服务中的文化含量，文化附加值越来越高，经济与文化“一体化”是医院发展趋势中的重要内容。医院文化内涵包括了人文科学、思想意识、沟通技巧、行为规范等，它无不体现了医院的文化素质、文化个性和服务意识，每一项有价值的服务，都凝聚着一定的、丰富的文化素养，医院的文化、文化个性、文化特色，实质上体现了医院的整体护理服务的内涵。护士接触病人的时间最长，频率最高，形式最多，层面最广，文化力辐射越强，社会和人群满意率越高，医院竞争力越强。
由咨询行业分析师指出，未来我国医疗护理器械行业将呈现四大发展趋势：
1）自动化，自动化合成与精密操作的医疗护理器械越来越受到人们的关注；
2）中医化，中医医疗护理器械产品相结合将成为趋势，比如数字化中医诊断仪，它通过智能分析技术，进行单诊判读和中医辨证；
3）小型化，小型化的医疗护理器械具有使用方便、快捷等优点，患者的某些检测可以随时进行，节省了时间和空间；
4）医药软件广泛应用化，它在制药行业的销售和管理信息系统中将得到普遍应用，医药软件将成为现代医药工业不可或缺的医药护理器械。
伴随着医疗费用支出的不断加大、消费水平的不断提升和人们对健康意识重视程度的加深将是推动行业发展的重要动力，新医改为行业发展注入新的活力，我国医疗器械行业存在较大的发展空间。
然而在医疗护理器械中智能座便器在国外非常普及，在国内虽未形成主流，但佛山企业在这方面走得还算比较早，产品已经呈现一定的规模。而新明珠陶瓷市场部有关负责人告诉记者，新明珠旗下在2008年便推出了智能座便器，之后销售量每年都有相应的增长，但销售量相对其他产品来说仍然较小。据了解，目前佛山智能座便器中的智能芯片主要来自于韩国、日本、德国等国家，也有些是来自国内台州、上海等地区。
如今市面上的智能座便器的问题:
（1）市场上的护理智能座便器价格昂贵；
（2）太多护理座便器由于体积太大很难安装到轮椅床、护理床上；
（3）不够人性化，不能因人而异的改变；
（4）使用操作复杂；
（5）后续清理、消毒不方便，不卫生；
（6）污物储存不合理；
（7）没有合理的保护措施。
韩国、日本、德国、美国等国家的智能马桶普及率是非常高的，而他们智能座便器的研发和生产系统比较完善，国内不少企业的智能芯片和控制技术是直接运用国外的。总的来说，佛山企业智能座便器虽然有一定的生产规模，但销售情况却没有预期中理想。价格偏高，由于智能马桶的产量少，所以价格会比较昂贵，从市场的情况来看，10000元左右价位的智能座便器是最受消费者欢迎的。目前智能座便器的价格是普通马桶的5到12倍，从目前国内的消费水平来看，智能座便器的价格还是比较昂贵的。有消费者还质疑，花如此多钱去购买一个所谓的"智能"马桶是否值得呢?国内智能座便器才刚开始，虽然是发展趋势，但市场还处于培育过程中，所以不具实力与市场影响力的企业不会过早切入这一块。当今智能座便器已趋向一体化，电子与陶瓷的结合更考验生产企业的资金投入与研发实力。
3． 研究内容
针对这些问题，根据人体生理特点和力学原理，该智能可移动座便器，可较好地解决以上问题，并且是一种不仅能够用于轮椅床、护理床等医疗护理设备，并且是能方便携带至户外临时处所使用的智能可移动座便器，并可将蹲厕改为坐厕后用。座便盖启闭装置采用水平抽拉的方式,占用空间小且效率高;座便体升降机构采用双三棱柱结构,保证准确到位且稳定性高;接便装置的抽取机构使其取放方便;特别考虑了接便装置的密封,以防止臭味散发;用臭氧发生器提供臭氧来杀菌消毒除臭,使座便器使用更卫生;用逆向建模进行数值模拟、结构优化,为座便器设计提供了依据。座便器采用单片机控制,具有座便盖自动启闭、座便体自动升降、自动防污、杀菌消毒除臭防臭、自动冲水、温水冲洗、暖风烘干、水温调节、风温调节、水压水量调节等功能,并有水温过热、风温过热等安全保护措施。并且采用嵌入式微处理器、多传感器、机电一体化等多种先进技术，设计开发智能坐便器的控制系，该系统在静音、节水、环保等方面达到国家卫生洁具相关标准的要求。
3.1可移动的实现
3.1.1安置于护理床的实现
要使该座便器应用于轮椅床、护理床等医疗护理设备,要求其使用安全、方便、舒适、卫生(主要是指大小便冲洗干净、不散发臭味),结构紧凑,能安装于床下，同时要有足够强的结构稳定性,能够抵抗轮椅床等行走时由于颠簸、短时停车等使用情况引起的扰动力。更具上诉要求采用水平抽拉式座便盖启闭机构、双三棱柱升降机构、接便及密封装置、水气供给系统。
3.1.2移动便捷的实现
移动马桶本身采用抗菌加工，污渍容易清洗，洁净卫生。移动马桶坐便内桶加盖，密封性能很强，可防止异味散发。上部带有拎手，清洁方便可拿出随意清洗，也可以套用一次性塑料袋使用。桶体和污物箱可分离，移动便携、方便卫生，使用后请盖上内桶的小盖和外盖,即可防止异味扩散。拿掉提桶即可将蹲厕改为坐厕后用，适合年老行动不便者,房间没有卫生间,临时住处和野外居住时方便使用。
3.2 智能的实现
3.2.1智能座便器的主要功能
智能座便器采用单片机控制,具有座便盖自动启闭、座便体自动升降、自动防污、杀菌消毒除臭防臭、自动冲水、温水冲洗、暖风烘干、水温调节、风温调节、水压水量调节等功能,并有水温过热、风温过热等安全保护措施。自动防污功能是方便之前在座便体内壁短时均匀自动喷水,使赃物不残留。温水冲洗、暖风烘干的温度均在室温至40°之间4档可调,暖风烘干的时间还可自行调整。
3.2.2智能座便器的工作原理
智能座便器的操作很方便,若以系统默认值(水温、风温、水量、风量、烘干时间)进行,只需按启动、洁便、停止三个键即可顺序完成如下图所示的功能,非常人性化。若用户对
上述五个量有不同要求,也可以在使用的过程中调整。
4研究方案
4.1 总体机构设计：
1、座椅宽度500mm，长度600mm，移动轮距600mm，高度500mm，最大载重100kg；
2、座椅最大移动速度：5m/min；
3、座便器升降高度调节200mm；
4、座便器解便部分有升降机构、抽取机构、座便盖启闭机构、密封机构等组成（如图1所示）。
图1 护理床用智能座便器示意图
4.2 座便盖启闭机构设计
该座便器主要应用于轮椅床、护理床等医疗护理设备，要求其使用安全、方便、舒适、卫生(主要是指大小便冲洗干净、不散发臭味)，结构紧凑，同时要有足够强的结构稳定性，能够抵抗轮椅床等行走时由于颠簸、短时停车等使用情况引起的扰动力。
所以采用水平抽拉式座便盖启闭机构、双三棱柱升降机构、接便及密封装置、水气供给系统。
该方案保证了座便盖的完整性且只需一个平移动作就可以完成启闭，因座便盖在滑动时，划过的空间与护理床呈现平行状态，所以大大的减少了机构的干涉问题。这样不但增加了机构的复杂性，座便器基础部分和床架之间存在相对运动关系，也保证了一部分的稳定性。在平移过程中占用的空间也不是很大。因此该方案在较大程度上符合了在轮椅床，护理床等特殊条件下的设计要求，故选用该方案
4.3 座便器升降机构设计
该座便器采用直冲式结构，对座便器的每一个极限位置、每一个加热过程，都设置了双重保护，并且结构设计上采用了较大的安全系数，充分保证了用户的人身安全；整个使用过程三键完成，并且大部分参数可自行随意调整，使用方便；设计了座便盖启闭机构，平时座便盖处于闭合状态，使用户享有一张完整的床面，方便时座便盖打开，病人无需挪动即可方便，使用舒适。并且采用三棱柱结构实现座便体的升降，能保证准确到位，同时有足够强的结构稳定性。用温水冲洗臀部以及暖风烘干的方式代替用手纸擦拭，使用过程更加卫生，同时电子自动消毒防臭装置保证了座便器及周围环境无臭味存在。整个设计结构紧凑，节省安装空间。
升降机构的主要功能是将座便器准确地送到人体臀部位置，同时它必须满足下面一些要求：
1.有一定的承载能力，因为当座便盖打开，座便体升到人体臀部位置的时候，有一部分人体重量是由座便器承担的，而这些力最终将传递到升降机构上；
2.有足够强的结构稳定性，以抵抗轮椅床等行走时由于颠簸、短时停车等使用情况引起的扰动力；
3.结构紧凑，使其能够被轻松地被安装到空间狭窄的床下。
根据以上要求，一般市场上会采用了双三棱柱结构。上三棱柱由座便体、六角形铝板和i根精密光轴组成，下三棱柱由六角铝板、底支架、三根滑动丝杠和三根立柱组成。其中下三棱柱固定于床架下层，上三棱柱与其套在一起，二者通过三个丝杠副来联结，这样座便体就可以相对于下三棱柱上下运动。由于三根滑动丝杠与底支架之间是通过角接触球轴承联系在一起的，而角接触球轴承的内外圈之间可以发生相对微小偏转，因此若不采取其它附加措施，升降机构将很不稳定。为此，在下三棱柱的外层又增加三根立柱，立柱与底座之间采用过盈配合，并以螺纹紧固，来增加整个机构的稳定性。该机构采用三级传动，由直流电机驱动锥齿轮副，将运动传递到主滑动丝杠，运动由此分为两路，一路直接通过主滑动丝杠副将运动传递到上三棱柱，另一路通过同步带将运动传递到其它两根丝杠，继而又传递到上三棱柱，运动于这里汇合，带动上三棱柱上下运动。分析该机构中的力流可知，下三棱柱中三根丝杠主要承担由座便体传递来的人体重量，而三根立柱主要承担扰动力。
4.4 接便及密封装置
轮椅床、护理床的使用环境决定了其不便直接将便体冲入下水管道,这就要求有一个装置临时收集大小便,同时为了防止臭味散发,需要一套密封装置将其与大气隔离。另外,要求接收装置的取、放要操作方便。接收装置处于床的中间,为将其方便地取出,设计了接便盒升降及抽取机构,升降动作依靠杠杆撬动接便盒升降框架来实现,升降框架上安装了直线圆柱导轨,抽取时接便盒就沿着导轨从床的中间滑到床边,非常方便、省力。该接便装置的密封主要有两处,分别是:上下接便盒结合处和下水管口。
4.5 智能座便器控制系统
智能座便器控制系统以单片机控制为核心,配合相应的外围驱动电路,通过实时采集各种传感器信号、按键输入等信号,实现对外围设备的控制,包括电机、水气泵、加热电阻丝、电磁阀等等。
5 进度计划
20XX.11.30-20XX.12.31：查找文献、翻译英文文献，了解技术的国内外现状和发展趋势并阅读相关资料；
20XX.01.01-20XX.01.31：完成护理床用智能坐便器原理的设计,根据要求提出设计方案，完成开题；
20XX.02.01-20XX.02.28：力分析、主要传动参数确定、总体结构的初步确定、完成各部件参数的计算；
20XX.03.01-20XX.03.31：完成机构的设计，绘制装配图、零件图；
20XX.04.01-20XX.04.30：设计控制电路原理图；
20XX.05.01-20XX.05.14：撰写毕业论文；
20XX.05.15-20XX.05.24：论文修改、提交材料准备答辩。
参考文献
[1] 白建军，张华，刘继忠．轮椅床智能座便器[J]．机械设计与研究，2010，26(1)．
[2] 江胜峰．基于ARM的微热板式气压传感器测试仪的研制[D]．大连：大连理工大学，2005．
[3] 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)．．
[4] 袁博．医疗器械运动学及动力学仿真分析，2004．
[5] 闻邦椿．机械设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2010．
[6] 刘宏纲，汪继志，龚爱兰．基于EM78P458单片机的智能座便器[J]．电子技术，2003(11)．
[7] 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(16)．
[8] 丁树模．机械工程学[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[9] 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(31)．
[10] 张利平．液压控制系统及设计[M]．北京：化学工业出版社，2006．
[11] 杨尔庄．液压技术的发展动向及展望[J]．液压气动与密封，2003，(4)：1-7．
[12] 董磊，王平，胡慧慧．基于单片机的智能厕所自动冲水装置设计[J]．节能，2005(4)：45-46．
[13] 陈一辉，洪志良，易婷．一种新颖的单片集成红外传感信号处理器[J]．固体电子学研究与发展，2003，5(2)：74-76．
[14] 宋战校．单片红外传感控制集成电路SM9576[J]．国外电子元器件，1998，4(4)：40-41．
[15] 何立民．单片机应用技术选编（3）[M]．北京航空航天大学出版社，1996．
[16] ARM Developer suite Version 1．2．Advanced RISC Ma—Chine．Ltd．Science,2000．
[17] Atmel Corporation．ATmega64／ATmega64L datasheet[n1]．USA：Atmel Corporation，Science,2003．
[18] Charles W. Beardsley, Mechanical Engineering, ASME, Regents Publishing Company, Inc,1998.
[19] T.Ramayah and Noraini Ismail,Process Planning Concurrent Engineering,Concurrent Engineering,2010.
