李 媛 郑开元 文 川 谢春松 胡高天 石 琴

（成都工业学院 智能制造学院，四川 成都610000）

基于国内众多学者的研究分析几乎可以肯定我国自2000年就已经进入老龄化社会，并且人口老龄化的程度持续加深，在整个21 世纪人口老龄化的问题都将始终伴随我们[1-4]。我国政府高度重视和解决人口老龄化问题，积极发展老龄事业，初步形成了政府主导、社会参与、全民关怀的发展老龄事业的工作格局[5]。设计与制作用于帮助老年人独自活动起居的机械装置成为机械创新设计领域的研究热点[6-11]。

在我国，跌倒是65 周岁及以上老年人伤亡的首要因素[12]。而家中浴室是年长者最常跌倒处所[13]。对于如何科学地设计浴室防摔倒设施，目前国内外的研究主要集中在两个方面：一是洗澡机类产品；二是从家装设计角度，做好浴室干湿分离。前者占用空间大，对家中浴室整体改造工程量大，产品价格昂贵，且盆浴方式不符合我国传统国情，不便于中国家庭普及；后者无法改善淋浴过程中地面的湿滑状态，不能从根本上解决浴室跌倒问题。因此，设计一款简单结构、体积小、低成本的家庭淋浴防摔倒装置可以更快速有效地降低浴室跌倒率，避免老年人独自淋浴时不慎跌倒带来的严重后果。

1 设计思路

家庭淋浴防摔倒装置的研发过程主要运用了组合法和移植法两种创新技法[14]。

1.1 组合法的应用

首先，梳理出家庭淋浴防摔倒装置应该具备的若干功能模块：

（1）满足老年人淋浴过程中的自由活动；（2）当老年人因浴室地面湿滑产生滑跌趋势时，能够及时给予老年人辅助提升力；（3）装置可以与浴室土建结构固连而不需要改变原有家装结构；（4）老年人使用该装置时，可以实现与其快速地结合或释放；（5）老年人使用该装置时，装置与身体结合的部分应具备防水性、亲肤性；（6）装置所有材料都应具备防水、防锈的特性。

然后，期望通过寻找成熟技术单元，以技术组合的方式形成一种新的技术系统，最终实现上述的所有功能需求。

1.2 移植法的应用

通过移植法的运用，可以找到实现上述模块化功能的成熟技术单元，并加以移植组合形成完整的概念产品。

1.2.1 光轴导轨。光轴导轨具有滑动轴承的引导作用，可以实现直线运动，具有安装方便、行走顺畅、寿命长、耐脏能力强、维修方便等优点。

将光轴导轨的结构移植到家庭淋浴防摔倒装置，光轴与浴室土建结构固连，滑块与人通过一定的方式连接，则可以实现人在淋浴过程中沿直线方向的自由行走，并在必要时提供向上的支撑力。

光轴导轨两端固定的安装方式也非常契合浴室家装结构，因为通常浴室只有四面墙体可以提供支撑力。

1.2.2 真空吸盘。真空吸盘具有清洁、不损伤所吸附物体表面的优点。经过市场调查，一款瓷砖玻璃吸盘稳定性强、承重力大、体积小巧、结构简单、操作便利、适于浴室瓷砖墙面。

将真空吸附原理移植到家庭淋浴防摔倒装置的安装，可以最大程度地保留原有家装结构，并可以提供足够的支撑力：标准三爪款吸盘垂直吸力约115kg，标准双爪款约75kg。

1.2.3 高空作业安全带。高空作业安全带通过将人体绑定在固定的构造物上以防其跌落。围杆式安全带穿脱方便、身体遮挡面积小、活动范围大。将此结构移植到家庭淋浴防摔倒装置，绑定在光轴导轨滑块上，可在老年人产生滑跌趋势时及时给予老年人辅助提升力，同时能提供必要的活动空间。

但是，高空作业安全带通常采用织物加工而成，不具备防水性。

1.2.4 户外晾衣绳。根据市场调查，一种户外晾衣绳产品由内部钢丝绳和外部PVC 包覆两部分组成，具有承重能力强、防水、美观、耐用的优点。

将此材料移植到1.2.3 节所提织物安全带，可以克服其不防水的缺点。

1.2.5 汽车安全带插扣。为实现安全带的快速穿脱，移植汽车安全带插扣接头结构，对1.2.3 节所提安全带的日字扣接头进行置换。

1.2.6 硅胶。硅胶具有最接近人体皮肤的质感和触感，将此材料移植到家庭淋浴防摔倒装置与人体接触的腰带部分，通过包覆1.2.4 节所提承重绳的方式，解决亲肤的问题。

2 设计方案

基于技术组合和移植的家庭淋浴防摔倒装置的构想仍需对各成熟技术单元进行局部设计调整，并补充各技术单元之间的连接设计，进而设计出一套由导轨、腰带、连接绳三部分组成的完整装置。

2.1 导轨

图1 是导轨示意图，主要包括光轴导轨和真空吸盘两项技术。

图1 导轨示意图

其一，光轴通常是固定长度，为使装置能适应不同尺寸的浴室，在光轴两端分别增套一段空心钢管。导轨安装时可根据浴室长度在一定范围内调节总长，并用带扳手卡箍进行限位，限制钢管套相对光轴的轴向移动。其二，现有技术的光轴与吸盘手柄材料不同，前者是合金钢、后者是铝合金，两者之间无法焊接，故通过万向扣连接。

2.2 腰带

如图2 所示，腰带包括高空作业安全带、户外晾衣绳、汽车安全带插扣和硅胶材料多项技术。

图2 腰带

腰带与连接绳、腰带与插扣均可以直接由晾衣绳缠绕加锁扣紧固的方式连接。

为简化硅胶包覆工艺、降低单件研发产品加工成本，通过市场调查找到异形截面硅胶密封条，将晾衣绳穿过P 型硅胶条长孔后，再将两组硅胶条对接即可。

2.3 连接绳

为提高装置作用力的平衡性，在腰带左右两边各设一股连接绳，如图3 所示。连接绳穿过滑块的安装孔，通过锁扣紧固，如图4 所示。

图3 连接绳与腰带连接示意

图4 连接绳与滑块的连接

3 功能优化

家庭淋浴防摔倒装置的设计方案还可以从信息化、智能化和多样化三个方面进行功能优化。

3.1 信息化

家庭淋浴防摔倒装置可通过在腰带上内置一键呼救模块[15，16]，当滑倒发生后，老年人无法靠自身力量恢复站立状态的情况下，手动按下紧急呼救键，即可向指定的监护人号码发送呼救信息，以争取抢救时间。

3.2 智能化

家庭淋浴防摔倒装置的智能化可以通过在腰带上内置三轴加速度传感器，结合成熟的人体跌倒检测算法，并使用嵌入式处理器和无线网络实现数据处理、无线传输和远程报警[12]。

3.3 多样化

为满足用户对产品的多样化需求，可以对家庭淋浴防摔倒装置进行产品的系列设计。

3.3.1 导轨配置。考虑各家庭的浴室规格不同、环境不同，宜视具体浴室情况确定导轨配置方案，三种配置方案的各项指标对比如表1 所示。

表1 导轨配置方案对比

当浴室规格小、障碍物多时，应更多地考虑稳定性，对活动范围要求不高，可取消光轴导轨简化设计，采用其他更加经济的双边固定方式，既能保证防摔倒的基本功能，又考虑了经济性。

3.3.2 规格系列化。考虑各家庭的浴室规格差异、老年人身高体重差异，可将导轨长度和直径、连接绳长度和直径、腰带长度和宽度、吸盘数量系列化，且某一长度尺寸规格应具备一定范围的调节度，以扩大产品适用范围。

4 结论

家庭淋浴防摔倒装置的研发解决了装置与浴室的土建安装、腰带结构设计、导轨行走顺畅几个关键问题。装置各组成部分的结构设计及零部件选择有成熟产品参考，已在短时间内完成单件研发产品的加工装配与性能测试，可以解决防止老年人独自淋浴时不慎跌倒的问题，从而可以避免由跌倒带来的严重后果。

家庭淋浴防摔倒装置的研发将组合法和移植法两种创新技法联用，达到了快速开发产品的目的。整个研发过程始终贯穿以问题为导向，寻找成熟技术解决问题的思想，大到产品主体结构、小到零部件的连接方式。这一研发方式是创新技法在机械创新设计中的良好实践，具备一定的推广价值，尤其适合高校学生的创新设计训练和小微企业产品的快速开发。

产品研发过程中采用的解决方案是以快速完成产品制造、减少单件产品加工成本为目标，而没有过多地考虑设计优化问题，故而有很多值得改良的地方，比如各零部件的尺寸需要进行优化，再如光轴与吸盘的连接方式、腰带的硅胶包覆等，均有待产品正式进入批量化生产阶段时进行设计改进。