DOI: 10.12677/mos.2025.143241, PDF, HTML, XML,  被引量    科研立项经费支持
作者: 常超凡, 许 朋, 任翌霏：上海理工大学，健康科学与工程学院，上海；喻洪流^*：上海理工大学，康复工程与技术研究所，上海
关键词: 人口老龄化；坐姿淋浴；机械臂擦洗；Adams仿真；Aging Population； Sitting Posture Shower； Robotic Arm Scrubbing； Adams Simulation

文章引用：常超凡, 喻洪流, 许朋, 任翌霏. 坐姿淋浴式智能洗浴系统的设计与仿真验证[J]. 建模与仿真, 2025, 14(3): 500-514. https://doi.org/10.12677/mos.2025.143241

1. 引言

随着智能化和信息化技术在养老护理领域中的应用，越来越多的智能化、自动化养老护理设备不断涌现，同时护理机构也开始使用这些先进的技术和设备构建更加高效、安全、舒适的新型养护模式，以适应不同老年人多样化的养老需求，减少护理人员繁重的体力劳动，提高护理质量[1]。在众多养老护理工作中，洗浴护理是一项日常必不可少的繁重的护理工作，往往需要耗费护理人员大量的时间和精力，使用洗浴护理设备不仅减少护理人员的体力劳动，提高洗浴效率，并且提升老年人的洗浴舒适度和尊严感[2]。因此研发智能化、自动化的洗浴设备具有良好的社会意义和经济价值。日本酒井株式会社[3]在1968年推出了世界第一台以泡浴为主的电动助浴装置，并在后期通过加入了摇臂辅助入浴装置可以将洗浴者自动送入浴槽内进行洗浴；OG Wellness公司[4]开发了座椅式入浴装置和睡姿入浴装置，使用洗浴椅或者洗浴床将洗浴者送入浴槽，并通过在浴槽内设计特殊的喷淋装置大范围喷淋高速水流对皮肤表面进行清洁；A. Zlatintsi等[5]研发的I-support洗浴辅助系统，利用柔性机械臂对人体皮肤表面进行擦洗；李林峰等[6]研制的个人卫生护理机器人，帮助洗浴者在洗浴过程中实现坐姿和站姿的变换，在背部、臀部和腿部分别设置柔性搓澡装置实现对人体的搓洗，并在头顶区域设计了洗头装置清洗头部；陈雅等[7]在躺式淋浴床的基础上增加了移动柔性擦洗架，开发出了实现淋浴、擦洗、烘干、消毒等多种功能于一体的洗浴护理床。

目前大多数洗浴护理设备主要存在洗浴阶段多次转运和清洗范围存在较多盲区两大问题。首先，大多数洗浴设备的转运装置固定在浴池上，护理人员需要先将老人从其他位置转移至洗浴设备的转运转置上，再转移至浴池中，整个过程需要两次转移并且每次转移过程会耗费护理人员大量的体力劳动，其次大多数洗浴设备依靠水流或固定的擦洗装置进行清洗，其清洗范围和清洁效果无法满足实际需求。通过对养老院和护理医院的走访调研发现，坐姿淋浴的洗浴模式为护理机构主要的洗浴护理方式，其操作便捷、高效舒适、危险性较小并且老人接受程度高。根据以上问题和研究分析，构建一种以坐姿淋浴为基础的智能化、自动化的洗浴系统，使用六自由度机械臂，模拟护理人员的手臂对人体进行擦洗，由于机械臂的工作空间无法覆盖全部的人体皮肤表面，因此设计助浴装置对机械臂的擦洗动作进行辅助，实现机械臂对人体的全方位擦洗。助浴装置包含平移装置和洗浴座椅，洗浴座椅的设计结合普通轮椅和洗浴座椅的设计理念，兼具洗浴椅和普通轮椅的功能，平时可以作为普通轮椅使用，洗浴时与平移装置中的对接机构自动对接，成为助浴装置的一部分，根据洗浴系统的控制执行自动洗浴流程，洗浴完成后自动分离，仍可当作普通轮椅使用，在洗浴准备阶段无需其它移位设备进行二次移位或转运。最后，根据洗浴护理的工作流程，结合洗浴系统的操作方法，制定自动化洗浴流程，提高洗浴效率，减轻护理人员的工作负担。

2. 洗浴系统的整体方案与自动化洗浴流程

2.1. 坐姿淋浴擦洗模式构建

坐姿淋浴的擦洗模式模仿护理机构实际的洗护方式，在坐姿淋浴的基础上使用机械臂模拟手臂实现对人体表面的擦洗，洗浴者坐在洗浴椅上，深度相机提取洗浴者的人体轮廓信息[8]，上位机对人体轮廓信息进行处理后生成机械臂的运动轨迹，控制机械臂依次对人体表面的各个部分进行擦洗[9]；由于机械臂的工作空间有限，并且人体复杂的轮廓会对机械臂的运动轨迹产生较多的干涉，导致机械臂无法对人体全身进行擦洗，因此需要设计助浴装置，承载洗浴者的同时控制洗浴者进行位置变换，配合机械臂的擦洗动作实现对人体表面各个部分的擦洗。此外，增加多种洗浴辅助功能，构建舒适的洗浴环境并在洗浴过程中提供各种洗浴辅助。具体功能模块如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of the functional modules of the bathing system

图1. 洗浴系统功能模块示意图

2.2. 坐姿淋浴洗浴系统整体方案设计

根据洗浴模式的功能要求，采用模块化设计原理，设计洗浴系统的整体方案，如图2所示。

洗浴系统主要分为深度相机和机械臂组件、洗浴舱体、多功能洗浴椅、平移辅助装置四部分。深度相机和六自由度的机械臂固定搭载在洗浴舱体后部，识别舱内的洗浴者身体表面特征信息并进行擦洗；洗浴舱体整体为U型，内部布置自动喷淋系统和温度调控系统，自动喷淋系统通过舱体内表面布置的淋浴喷头可以自动向洗浴者喷洒清水或洗涤液；同时还可以通过顶部布置的清洗喷头在洗浴结束后向洗浴舱内壁喷洒消毒液，实现对洗浴舱内壁的自动清洗和消毒，方便下一位洗浴者使用。温度调控系统包含测温传感器和暖风装置，测温传感器位于舱体内壁的两侧面用以检测舱内的环境温度，上位机根据检测数值控制舱体后部的暖风装置吹出不同温度的暖风，调节舱体内部洗浴环境的温度；在洗浴完成后，暖风装置开启大功率送风模式快速将洗浴者吹干，起到烘干的作用。平移辅助装置位于洗浴舱体的下方，控制洗浴座椅在舱中进行左右、前后，上下和旋转运动，配合机械臂的擦洗动作，实现对人体全方位的擦洗，同时也可以在烘干时配合暖风装置实现快速的烘干。

Figure 2. Overall design scheme for bathing system

图2. 洗浴系统整体设计方案

由于大多数养老机构出于安全的考虑禁止使用电动轮椅，并且在高温高湿的淋浴环境中，电路和电子元器件容易被水侵蚀损坏或者发生漏电危害洗浴者的安全，因此多功能洗浴椅采用无源设计，即不包含电源和电子元件，结构与普通轮椅类似，兼具洗浴椅和普通轮椅的功能。洗浴椅中设置有对接机构和传动机构，平时作为普通轮椅使用，洗浴时通过对接机构与平移辅助装置进行自动对接，对接完成后，洗浴椅成为助浴装置的一部分，助浴装置通过对接机构将动力传递给洗浴椅，驱动洗浴椅中的传动机构，实现洗浴椅的上升和旋转运动，平移辅助装置还可以控制洗浴椅整体进行前后和左右运动，从而实现洗浴者在洗浴舱中进行多个方向的位置变换，配合机械臂的擦洗动作实现对人体表面的全方位擦洗。

2.3. 自动化洗浴流程

根据对养老院、护理医院等养老机构中洗浴护理工作内容的调研，以及对民政部门制定的洗浴护理标准[10]进行分析和归纳，对洗护内容做出流程化梳理，并根据已构建的洗浴系统制定出自动化洗浴流程。护理人员使用洗浴椅将洗浴者送入洗浴舱后开启自动洗浴模式，洗浴系统中的控制系统控制各个部分的协调配合完成整个洗浴任务，护理人员只需要在舱外观察洗浴过程，处理紧急情况。自动化洗浴流程大致可以分为浴前、浴中和浴后三个阶段。具体流程步骤如图3所示。

Figure 3. Schematic diagram of bathing process

图3. 洗浴流程示意图

3. 关键结构设计

3.1. 洗浴空间人机工程学设计

Figure 4. Schematic diagram of human body translation and rotation

图4. 人体平移旋转示意图

洗浴系统的洗浴空间要能够保证坐姿状态下的洗浴者在洗浴空间中进行前后移动和360˚旋转，并且应在保证功能和舒适度的前提下减小洗浴舱体的体积以节省空间。根据国家标准《GB/T 10000-2023中国成年人人体尺寸》[11]中的人体尺寸数据，取男性(18~60岁)第95百分位的数据，并在此基础上降低2.8%换算为老年人的人体数据作为计算数据[12]。首先，洗浴空间的宽度需要保证人体坐姿状态下的旋转，采用平移旋转的方法进行旋转，即先将人体平移至洗浴舱一侧再进行旋转，如图4所示，洗浴空间的宽度应大于人体坐姿状态下的旋转半径，因此宽度尺寸设置为1000 mm。长度方向需要包含机械臂的工作距离和洗浴过程中人体需要前后移动距离，机械臂工作距离为600 mm，根据机械臂擦洗动作得出实现人体全身擦洗需要前后移动距离为700 mm，加上洗浴舱入口处的长度，洗浴空间的长度设置为1700 mm，洗浴时为了保证洗浴安全，洗浴者的头部应露出洗浴舱外，同时舱外的护理人员可以方便的观察到洗浴舱内部的洗浴情况，因此舱体内部洗浴空间的高度低于坐姿状态下人体下颌的高度，总体高度低于站姿状态下人体肩部的高度，确定洗浴空间高度为1200 mm，洗浴舱总高度为1250 mm。在洗浴空间的外侧增加功能部件的安装空间，洗浴空间和外侧周围的部件安装空间之间通过防水壳体分隔开，防止洗浴水对零部件的侵蚀。零部件的安装尺寸确定后，即可确定舱体总体尺寸，舱体的外形大致为方形，在头尾部设计倒角和圆弧过渡以保证美观。洗浴舱体总体尺寸参数见表1：

Table 1. Table of dimensions and parameters for bathing cabin body

表1. 洗浴舱体尺寸参数表

洗浴区	参数/mm		总体	参数/mm
长(l)	1700		长(L)	2000
宽(w)	1000		宽(W)	1200
高(h)	1200		高(H)	1250

3.2. 淋浴系统设计

淋浴系统如图5所示；在洗浴过程中需要保证喷淋水流可以覆盖坐姿状态下人体全部表面，根据人体坐姿形态和喷头的喷淋面积，在舱体内部的两个侧面和后面各设置两个淋浴喷头，实现对人体背部和前部的喷淋，由于坐姿状态下人体侧面为“L”型，因此侧面的喷头按照阶梯型的方式布置，贴合人体的坐姿特征。其中，每个方向的管路入口处都安装有电磁阀，实现对各个方向喷淋的开关控制，在洗浴时按照需求打开或关闭某一方向的喷淋，配合机械臂的擦洗部位实现区域化喷淋，减少水资源的浪费。

Figure 5. Schematic diagram of shower system

图5. 淋浴系统示意图

淋浴系统中的液体切换环路能够实现清水、洗涤液和消毒液三种液体的自动切换功能，如图5所示，液体切换环路包括两个电磁三通阀、两个文丘里管、洗涤液存储盒和消毒液存储盒。文丘里管是一种液体动态混合器，可以在将两种液体在流动的状态下进行均匀的混合[13]；洗涤液存储盒和消毒液存储盒用来存储浓缩的洗涤液和消毒液；电磁三通阀控制各个液体通路的开关，第一个三通阀位于混合环路的入口处，控制清水是否进入混合水路进行混合，第二个三通阀连接两个文丘里管，控制清水与浓缩的洗涤液或消毒液在文丘里管中进行混合。当第一个三通阀打开时，清水进入混合环路，第二个三通阀打开时，控制清水进入到其中一支文丘里管中与浓缩的洗涤液或消毒液进行混合，调整洗涤液存储盒或者消毒液存储盒的流量，可以混合出适宜浓度的洗涤液或者消毒液，从而实现通过控制两个三通阀的通断实现清水、洗涤液和消毒液三种液体的切换。为了确保安全，防止淋浴喷头误喷消毒液，混合后的消毒液只进入舱体上方的清洁环路，并且只在对舱体内壁清洁时开启。

3.3. 平移辅助装置的设计

平移辅助装置分为左右伸缩机构和前后平移机构，两个机构之间没有联动关系，因此采用模块化设计方法对两个机构分别进行设计。利用步进电机驱动螺母丝杠直线滑台实现直线运动，并在直线滑台的滑块上设置对接机构与洗浴椅进行对接，滑块带动对接机构进而带动洗浴椅实现前后直线运动，为了避免弯矩使洗浴椅前后运动过程的受力更加均匀，因此前后平移机构以左右对称的方式布置在洗浴椅两侧，共同带动洗浴椅实现前后运动。左右伸缩机构采用平行四连杆机构，选用电动推杆为驱动部件，为优化电动推杆的运动方式和受力特性，在平行四连杆机构中加入滑块机构，使电动推杆为直线运动并且始终位于舱体的部件安装空间中，避免电动推杆受到附加的弯矩，同时也避免其在运动过程中暴漏在洗浴空间中，防止浸水漏电带来的安全问题。左右伸缩机构同样为左右对称布置，使用快拆连接的方式与直线运动机构的背面连接，工作时，左右伸缩机构推动前后平移机构进行左右方向的平动，由于前后平移机构的外部框架紧贴洗浴椅，因此洗浴椅在左右两侧平移机构框架的推动下实现左右平移运动。快拆连接简化了助浴系统整体的设计复杂度，同时方便直线运动机构的安装和维护。平移装置的总体结构如图6所示。

Figure 6. Schematic diagram of translation assistance device

图6. 平移辅助装置示意图

Figure 7. Schematic diagram of left and right telescopic mechanism

图7. 左右伸缩机构简图

前后平移机构结构较为简单，此处不再详述其部件选型和参数计算过程。为了确保左右伸缩机构输出的运动和推力和符合要求，需要对其进行运动学和动力学分析，其机构简图如图7所示，由平面机构自由度计算公式[14]，

$P=3n-\left(2p_l+p_h-p^{\prime }\right)-F^{\prime }$ (1)

式中： $n$ 为活动构件数目， $p_l$ 为低副， $p_h$ 为高副， $p^{\prime }$ 为虚约束， $F^{\prime }$ 为局部自由度，根据机构运动简图可以得出，机构中有6个活动部件，9个低副，2个高副，3个虚约束，代入式中可得：

$P=3\times 6-\left(9\times 2+2-3\right)=1$ (2)

因此左右伸缩机构的自由度为1，右侧添加电动推杆为原动件，该机构具有确定的运动。

首先对其进行运动学分析，建立伸缩机构平移距离和电动推杆伸缩位移的数学模型，以铰链I为原点建立坐标系，伸缩机构的平移距离即为连杆4在Y方向的移动距离H，电动推杆的伸缩位移即为槽销副G在X方向上的投影 $X_G$ ，根据机构简图建立几何约束方程：

$\begin{array}{c}\frac{H}{h}=\frac{L_2}{X_a}\end{array}$ (3)

$\begin{array}{c}{X}_a^2=h^2+X_G^2\end{array}$ (4)

其中， $X_a$ 为G点在连杆2上的投影长度， $h$ 为G点在Y方向的投影长度，由于连杆7沿X轴做平动，因此 $h$ 的值由零部件的安装尺寸确定，且由安装尺寸得 $h=35\text{ mm}$ 。联立式(3)，(4)可得：

$\begin{array}{c}H=\frac{L_2\times h}{\sqrt{X_G^2+h^2}}\end{array}$ (5)

根据对洗浴空间和部件安装空间的分析计算后可得，伸缩机构的行程K为260 mm，连杆4在初始位置时H为60 mm，故连杆4的位移变化范围为60 mm ~320 mm；同时为了保证四连杆机构在极限位置的稳定性，当伸缩机构到达最远行程时，连杆2与X轴得夹角α的值需要小于90˚；因此，取连杆2的长度L2为350 mm，将已知数据代入式中可得：

$\begin{array}{c}H=\frac{12250}{\sqrt{X_G^2+1225}}\end{array}$ (6)

由上式可知，电动推杆的运动范围为15 mm~201 mm，推程为186 mm，伸缩机构的平移运动和电动推杆的伸缩运动呈非线性关系。

由于机构中的约束为理想约束，对机构进行动力学分析，根据虚功原理[15]，作用于质点系的主动力在任何虚位移中的虚功为零：

$\begin{array}{c}{\displaystyle \sum F_i\cdot \delta r_i}=0\end{array}$ (7)

以电动推杆的推力F和构件3的推力P为主动力，根据图7可得：

$\begin{array}{c}P\cdot \delta h+F\cdot \delta x=0\end{array}$ (8)

式中， $\delta h$ 为连杆4的虚位移，方向与推力P的方向相同， $\delta x$ 为电动推杆的虚位移，方向与推力F的方向相同。由图7中机构的几何关系可得，

$\begin{array}{c}H=L_2\cdot \sin \alpha \end{array}$ (9)

$\begin{array}{c}X=h\cdot \cot \alpha \end{array}$ (10)

将式(9)，(10)取微分后代入式(8)中可得

$\begin{array}{c}P\cdot L_2\cdot \cos \alpha +F\cdot \left(-\frac{h}{{\left(\sin \alpha \right)}^2}\right)=0\end{array}$ (11)

根据洗浴座椅轮子和舱体底板的摩擦力，取推动洗浴座椅时所需的推力 $P=200\text{ N}$ ，代入式(11)可得电动推杆的推力值：

$\begin{array}{c}\begin{array}{c}F=\frac{200\times 350\times \cos \alpha \times {\left(\sin \alpha \right)}^2}{35}\end{array}\\ \begin{array}{c}=2000\cos \alpha {\left(\sin \alpha \right)}^2\end{array}\end{array}$ (12)

由式(12)可知，当 $\alpha ={55}^{°}$ 时，推力F的值达到最大值，最大值为770 N。

3.4. 对接机构与洗浴椅传动系统设计

对接机构整体分为两部分，第一部分固定在前后平移机构的滑块上，随滑块进行前后运动，第二部分固定在洗浴椅的两侧面，作为洗浴椅中传动系统的一部分。对接方式如图8所示，开始对接时，两侧的左右平移机构将前后平移机构推出，前后平移机构中间留出一个洗浴椅的宽度，使对接机构的两部分在左右两个方向上对齐。当洗浴椅前进时，洗浴椅上的对接部分开始和平移机构上的对接部分接触，并在洗浴椅前进过程中进行相对的运动，在相对运动工程中实现对接和锁合，成为完整的对接机构并能够进行动力传递。分离时，两侧的左右平移机构将前后平移机构缩回，对接机构的两部分自动分离并回到原来的状态，解除锁合和动力连接。

Figure 8. Diagram of docking method

图8. 对接方式示意图

对接机构的原理如图9所示，采用花键轴和活动挡块啮合传递动力的原理，将三个挡块环形布置并在外侧增加弹性环，形成一个可动的挡块组，其挡块可以沿径向滑动，实现与花键轴的动态啮合和分离。根据此结构，将挡块组和花键轴分别作为对接机构的两个核心部分进行拆分，并将其分别置于洗浴椅中和平移机构的滑块上并进行结构功能完善形成对接机构的两个部分。根据洗浴椅的运动方式，平移机构滑块上的对接部分在与洗浴椅相对运动的过程中将花键轴自动伸出与挡块组啮合，其结构如图9所示，当活动轴套向前移动时，在移动过程中会带动曲柄转动，进而将花键轴推出，活动轴套前端的弹簧在对接机构分离后使活动轴套恢复原位，并带动曲柄将花键轴缩回。根据活动轴套的运动方式，洗浴椅上的对接部分采用滑块与活动轴套接触并带动其向前移动，滑块固定在洗浴椅的侧面，滑块上凹槽可以与活动轴套的圆形前端配合，带动轴套向前运动，滑块的另一侧安装空心阶梯轴，挡块组安装于空心阶梯轴前端的挡块槽内，与空心阶梯轴形成花键孔结构，与花键轴啮合后，将花键轴的运动传递到阶梯轴尾部的同步带轮，通过同步带传动将动力传递到洗浴座椅内的传动转置中。

Figure 9. Schematic diagram of docking principle

图9. 对接原理示意图

Figure 10. Overall diagram of docking mechanism

图10. 对接机构总体图

对接机构的总体结构如图10所示，平移机构滑块上的对接部分还包括浮动机构和电机组件，浮动机构可以使花键轴组合件构成的对接锁合组件进行上下方向的浮动，防止洗浴椅两侧的滑块与对接锁合装置在高度方向因误差而不能正确锁合；对接锁合组件两端的活动挡块和固定挡块可以对洗浴椅上的滑块进行前后方向限位，直线模组中的滑块带动对接机构前后移动时，进而带动洗浴椅进行前后移动。电机组件为一个动力源，可以随活动轴套进行前后移动，通过同步带传动驱动活动轴套中的花键轴。

洗浴椅和平移装置对接后，洗浴椅中的传动装置和对接机构中的传动装置组成一个完整的传动系统，控制洗浴椅的升降和旋转运动，传动系统的传动简图如图11所示：

Figure 11. Schematic diagram of shower chair transmission system

图11. 洗浴椅传动系统示意图

传动系统整体分为左右两个部分，其中右侧为升降运动的传动机构，电机通过花键轴、轴套、同步带驱动丝杆升降机，升降机丝杆末端通过转盘轴承连接坐板连接板，带动坐板连接板进行升降运动但不影响其旋转运动，连接板四周固定四根导向轴，导向轴可以沿着转动板四周的直线轴承进行上下滑动，在坐板升降过程中起到导向和稳定的作用。左侧为旋转运动的传动机构，电机的动力经花键轴、轴套、同步带驱动蜗杆蜗轮转动，转动板固定在涡轮上，随涡轮转动并通过导向轴带动连接板旋转，蜗轮蜗杆的自锁效应还可以防止洗浴椅意外转动。由于左侧旋转运动的载荷较小，不再对其功率进行计算，根据机构传动简图，计算右侧升降运动所需的电机输入功率，根据功率计算公式[16]：

$\begin{array}{c}{P}_r=P_w\cdot \eta =F_n\cdot v\cdot \eta \end{array}$ (13)

其中， $\eta$ 为机构的总传动效率， $P_w$ 为电机输出功率， $P_r$ 为丝杆升降机的输出功率， $F_n$ 为计算载荷， $v$ 为升降速度，

取同步带传动效率 ${\eta }_1=0.98$ ，滚动轴承传动效率 ${\eta }_2=0.98$ ，丝杆升降机的传动效率 ${\eta }_3=0.65$ ，则总传动效率

$\begin{array}{c}\eta ={\eta }_1\cdot {\eta }_2\cdot {\eta }_1\cdot {\eta }_2\cdot {\eta }_3=0.6\end{array}$ (14)

根据人体参数标准，取升降负载 $F_w=700\text{ N}$ ，载荷系数 $K=2$ ，则推力的计算值为：

$\begin{array}{c}{F}_n=F_w\cdot K=700\times 2=1400\text{ N}\end{array}$ (15)

取升降速度 $v=0.01\text{ m/s}$ ，将式(14)、(15)代入式(13)可得，

$\begin{array}{c}{P}_w=\frac{P_r}{\eta }=\frac{1400\times 0.01}{0.6}=23.3\text{ W}\end{array}$ (16)

根据机构传动系统图，计算传动系统左右两侧的传动比，并计算电机的输出转速，由传动比计算公式：

$\begin{array}{c}i={\displaystyle \sum i_k}\end{array}$ (17)

$i_k$ 分别为传动系统中各级的传动比，其中，同步带传动的传动比 $i_1=1$ ，丝杆升降机的传动比 $i_2=6$ ，丝杆导程为 $L=6\text{ mm}$ ，涡轮蜗杆的传动比 $i_3=50$ ，因此传动系统左右两侧传动机构的传动比为：

$\begin{array}{c}{i}_l=i_1\cdot i_1\cdot i_3=1\times 1\times 50=50\end{array}$ (18)

$\begin{array}{c}{i}_r=i_1\cdot i_1\cdot i_2=1\times 1\times 6=6\end{array}$ (19)

取洗浴椅的升降速度 $v_u=0.01\text{ m/s}$ 和转动速度 $v_r=8\text{ rpm}$ ，两侧电机的转速分别为：

$\begin{array}{c}{v}_l=\frac{v_u}{L}\cdot i_l=\frac{0.01}{0.006}\times 6\times 60=600\text{ rpm}\end{array}$ (20)

$\begin{array}{c}{v}_r=v_r\cdot i_r=8\times 50=400\text{ rpm}\end{array}$ (21)

根据计算结果，选用步进电机作为驱动电机，实现对洗浴椅运动的精确控制，选择电机的额定功率为30 W，调速范围为350 rpm~660 rpm。

4. 洗浴系统擦洗运动仿真验证

4.1. 平移辅助装置运动学分析

Figure 12. Adams simulation model

图12. Adams仿真模型

平移辅助装置控制洗浴椅的前后和左右平动，前后方向的平动采用螺母丝杠的传动方式，结构简单，稳定性较高；左右伸缩机构采用四连杆和滑块组合的方式，其受力和运动情况比较复杂，因此需要对其进行运动学和动力学仿真，验证机构运动的平稳性与电动推杆的推力变化情况。利用Adams对左右伸缩机构进行建模和仿真，根据机构简图在Adams中构建三维仿真模型，并在构件间设置相应的约束关系，如图12所示。在输出杆件的两端各设置P = 100 N的阻力，模拟推动座椅时所受到的阻力，电动推杆设置平移驱动，驱动函数设置为step (time, 0, 0, 10, 190)，模型如图所示，正确的仿真运行后，测量电动推杆所受阻力、输出杆件的伸出速度、电动推杆伸出位移和输出连杆的位移关系以及角度α的变化情况，测量结果如图13所示。

Figure 13. Adams simulation results

图13. Adams仿真结果

通过仿真结果可以看出，电动推杆的峰值推力为790 N，接近理论计算结果的值。输出杆件的位移变化比较平稳，不存在位移突变或死点的情况，角度α的变化范围为8˚~85˚，小于90˚，不会出现连杆4反向位移的过程。速度变化趋势为先增大后减下，速度最大值为0.107 m/s，小于0.3 m/s，符合人体舒适度的要求[17]。

4.2. 擦洗流程仿真分析

Figure 14. Simulation of key steps in the scrubbing process

图14. 擦洗流程关键步骤仿真

机械臂在对人体表面的擦洗过程中，助浴装置控制人体进行左右、上下、前后和旋转运动，变换人体的位置使人体不同区域分别位于机械的有效工作区内，配合机械臂依次对人体的各个部位进行擦洗。本文的机械臂选用睿尔曼RM65系列六自由度机械臂，其工作空间在中心面上的投影为椭圆形，长半轴为710 mm，短半轴为660 mm。利用solidworks构建洗浴系统的三维模型，并将机械臂、洗浴系统、人体模型按实际大小导入motion中，根据洗浴流程进行擦洗流程的仿真验证，关键擦洗步骤仿真如图14所示。

由图13可知，由于臀部被洗浴椅坐板遮挡，无法擦洗，通过变换人体的位置，机械臂的有效工作空间可以覆盖除臀部以外的任何皮肤区域。成年人臀部皮肤表面积约占身体所有皮肤表面积的5%，因此，通过自动化洗浴流程，此洗浴系统对人体表面自动化擦洗范围约为95%，擦洗范围较为全面。

5. 结论

通过对养老护理机构的洗浴设备和实际洗浴护理工作的分析，提出了一种坐姿淋浴机械臂辅助擦洗的洗浴模式，并在此基础上构建了智能化、自动化的洗浴流程，实现洗浴护理的高度自动化，通过设计助浴装置辅助机械臂的擦洗动作，使机械臂的有效擦洗空间可以覆盖人体皮肤表面95%的区域，实现对人体表面皮肤的自动化擦洗；多功能洗浴椅兼具普通轮椅和洗浴椅的功能，减少洗浴准备阶段的转运次数，减轻洗浴护理人员的体力劳动，提高洗浴效率。最后通过构建洗浴系统的三维模型和关键机构计算与仿真，验证了坐姿淋浴式智能化洗浴系统的可行性，为洗浴护理设备的研究提供一个新的思路。

基金项目

国家重点研发项目《失能老人智能照护机器人系统关键技术及产品研发》。项目编号：2022YFC3601403。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献

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