2024年5月22日发(作者：廖依云)
2023年第17期
ScienceandTechnology&Innovation
┃
科技与创新
2095-6835
（
2023
）
17-0033-03
文章编号：
基于老年用户的助老如厕马桶盖装置设计研究
宋菲菲，程小兵
（浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江宁波315012）
摘要：针对老年人腿脚不灵活、如厕不方便的实际问题，研究了一款助老如厕马桶盖装置。从外观、助力起身结构及
控制运行方面设计了一款更适合批量生产的辅助智能马桶盖，能够安全、可靠地实现老年人如厕时起身助力的功能。在
原有智能马桶盖功能的基础上，增加辅助扶手，腋下支撑组件、靠背等附件，采用连杆机构控制起身的运动轨迹，以电
机作为顶起动力源，使马桶盖顶起倾斜一定角度，辅助老人更便捷安全地坐到马桶上，如厕完能借助动力源翻起马桶盖，
帮助老人安全起身。
关键词：老年人；起身助力；智能马桶盖；连杆机构
中图分类号：
TS914.2
文献标志码：
ADOI
：
10.15913/.2023.17.009
随着社会的发展，中国的老龄化也日益加重，在
中国人口中，老年人所占的比例越来越大。根据联合
国2019年的预测，2035年时中国65岁及以上人口占
比会达到20.68%。根据上述数据可知，中国目前处于
老龄化的过程中，且在未来的十多年里有可能会进入
超老龄社会
[1]
。在日常生活中，65岁以上的老年人中
生活部分自理或完全不能自理的老年人约占老年人总
数的1/3
[2]
。他们在吃饭、洗澡、行走时会因为身体原
因而不能过上最简单的生活，特别是如厕时，在坐下
或离开马桶时，会存在严重安全隐患：①随着年龄增
加，疾病随之而来，如高血压患者在排便时血压升高，
极可能会发生意外；②如果老年人排便时间过长，可
能会双腿麻木，难以站立，此时极易产生危险。因此，
辅助老年人如厕装置的设计和研发显得尤为重要。
作简单，但功能较为单一。张幻等
[5]
设计的如厕智能辅
助装置虽然增加了清洗等人文关怀服务功能，但是它
的基本结构还是椅子。
图1国内常用老年人辅助如厕装置
2研究内容与流程
研究人员设计的是一种集成式智能马桶盖，该设
计在原有智能马桶盖功能的基础上，增加辅助扶手组
件、靠背等附件，采用连杆机构加滑道控制起身的运
动轨迹，以电机作为顶起动力源，使马桶盖顶起倾斜
一定角度，辅助老人更便捷安全地坐到马桶上，如厕
完也能借助动力源马桶盖，安全地帮助其起身。除此
功能外，还贴合老年人需求提供更舒适更人性化的服
务，增加马桶盖加热、冲洗等控制功能，相比市场上
的竞品来说，这款产品体积更小，外观更加接近马桶
原本的造型，还增加了人文化的服务功能，也减小了
医疗化的外观带给使用者的巨大心理压力。集成式智
能马桶盖如图2所示。
2.1设计依据
该设计以目前市面上马桶座的高度400mm为设
计基础，以GB10000—1988《中国成年人人体尺寸》
为参考。通过街头调研、亲友询问、走访养老院等形
式进行体重数据统计。
·33·
1国内外研究现状
当前市面上辅助老人如厕的装置分为2类，如图1
所示：一类是将椅子改装成简单且固定的承载机构作
为辅助老人如厕的装置；另一类为在马桶边安装扶手。
将椅子改装虽然结构上考虑最简单，但是没有考虑美
观性；在马桶边安装扶手，以双手用力代替了双脚用
力，最终还是要靠老年人自身体力来支撑身体的重量
来如厕。
虽然目前有研究人员研究出可升降的马桶盖，但
是结构也较为复杂，占地面积大。刘坤等
[3]
设计了一种
辅助型如厕轮椅的坐站式机械结构，主要通过变杆长
以及变杆位实现辅助人体站起和坐下的功能。李兆亮
等
[4]
为了解决由于老年人蹲起较为困难导致如厕不方
便的问题，设计了一种能辅助老年人如厕的装置，介
绍了该装置机械结构的设计以及硬件部分的设计，操
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┃
ScienceandTechnology&Innovation
2023年第17期
2.4运动机构
在研究过程中，研究人员参考了诸多资料和文献，
最终决定采用丝杠连接连杆结构控制起身的运动轨
迹，以电机作为顶起动力源。电机连杆三维结构如图4
所示。电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动上面的2个
滑块滑动，滑块1带动连杆1驱动马桶盖顶起倾斜一
定角度，可控制为30°；滑块2带动连杆2进而带动安
图2集成式智能马桶盖
装在马桶盖上的滑道装置，滑道装置可让运动形式更
加确定，在达到30°角度后弹簧弹出固定在上滑道块
上，增加刚度。
在马桶盖返回水平位置时，压缩弹簧，滑道沿原
路返回，滑块1和滑块2分别带动连杆1和连杆2返
回到原来位置。
挡块
滑道
连杆2
滑块2
电机
滑块1
连杆1
滚珠丝杠
2.2设计原则
功能性原则：产品的设计必须坚持以人为本的原
则，因此，该产品必须要满足老年人的基本需求，提
升产品基础功能的使用效率。
关怀性原则：老年的生理需求必须体现在产品上，
外观要体现柔和感，从而减少对老年人的心理暗示。
另外老年人的自尊心很强，担心受到他人的另眼相待，
不希望得到别人的帮助，所以老年辅助如厕马桶盖在
设计方面需要保护老年人的自尊心。
人体工程学原则：从人体工程学角度考虑了辅助
站立和坐立的稳定性和可调节性，操作简单化、方便
化，提高老年人的自理能力。
2.3工作流程
工作流程如图3所示。
扶手、靠背、马桶
盖上升并倾斜一定
角度辅助老年人
起立
图4电机连杆三维结构
3主要结构
3.1马桶盖
在智能马桶盖的马桶盖与马桶垫之间施加阻尼结
构。阻尼结构可控制马桶盖在倾斜一定角度时也不会
自动翻下。
3.2升降结构
所设计的马桶盖升降结构包括电机、丝杠、连杆、
固定板、马桶盖、金属滑道、滑轨。使用者通过电机
控制滑杆在滑道内的移动，推动实现整个机构的升降。
3.3辅助服务结构
设计的马桶盖内置了与普通智能马桶盖类似的结
老年人如厕按钮
控制板
控制板
电机驱动模块
如厕完成按钮
构，包括了可冲洗功能、马桶盖加热功能、烘干功能、
除臭组件。
冲洗完成
电机推动四连杆
否
冲洗
扶手、靠背、马桶
盖上升并倾斜一定
角度
是
是否冲洗
4动力学仿真分析
为保证该结构能实现所设计的理想运动状态，在
SolidWorks软件中进行了零件的运动仿真，验证各部
件和零件在运动过程中没有发生干涉现象。
运动学仿真结束之后，在本软件中又进行了静力
学分析。有限元产品分析可以在产品制造之前预先发
现潜在的问题，验证结构设计，缩短设计周期，提升
产品质量和竞争力。因此在本结构设计完成之后直接
在本软件中做了静力学仿真分析，主要是对承重零
老年人如厕
老年人坐到马桶盖上
扶手、靠背、马桶
盖下降并运行到
水平位置与马桶
贴合
部件和结构进行了强度和刚度的校核，所有零部件
均选择了不锈钢材料，喷涂为白色，与原有马桶融为
一体。
计算后的应力、应变及位移云图如图5所示。
传感器感应
图3工作流程
·34·
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科技与创新
VonMises/
（
N·m
）
实际最大等效应力为71.1MPa，因此强度方面符合要
求；应变为0.00019，与零件本身尺寸相比，形变可忽
略不计，因此刚度方面也符合要求。
5结束语
研究人员从国内外研究现状出发，将基于老年用
户的助老如厕马桶盖装置设计从研究内容与流程、主
要结构2个方面分析了运动原理，确定了实现特定功
能的运动方案，丝杠连杆滑块带动马桶垫倾斜一定角
度，又通过滑块滑道装置保证运动的准确性，安装了
（a）应力云图
扶手装置，保证老年人身体支撑和受力；从人文关怀
角度考虑了马桶外观的美观性和实用性，能使老年人
的生活质量得到提升；最后在SolidWorks软件中从动
力学仿真分析方面实现了设计和运动仿真，并进行了
强度和刚度的校核，为解决该结构强度刚度方面提供
了一种可参考的实施方案。
参考文献：
[1]
[2]
（b）应变云图
URES/mm
李新玲.养老产业或需5年启蒙期[N].中国青年报，
2015-04-23（006）.
王成山，李鹏，于浩.智能配电网的新形态及其灵活性特
2018
，
4213-21.
征分析与应用
[J].
电力系统自动化，（
10
）：
刘坤，吉硕，孙震源，等
.
多功能坐立辅助型如厕轮椅机
械结构设计与优化[J].吉林大学学报，2019，49（3）：
873-880.
[3]
[4]李兆亮，陈玉海.老年人智能如厕辅助装置设计[J].科技与
创新，2019（24）：48-50.
[5]
张幻，谢永智
.
老年人如厕智能辅助装置的设计
[J].
机电工
程技术，
2020
，
49
（
10
）：
134-135.
————————
作者简介：宋菲菲（1982—），女，硕士研究生，讲
（c）位移云图
图5应力、应变及位移云图
师，研究方向为机电一体化技术。程小兵（2001—），
男，在读学生，研究方向为机电一体化技术。
（编辑：王霞）
从图中可以看出，零件的强度极限为206.8MPa，
————————————————————————————————————————————————
（上接第32页）
配电网单相接地故障区段定位方法
[J].
电力自动化设备，
2021，41（12）：54-61.
[10]WANGX，ZHANGHX，FANGS，onofsingle
phasetogroundfaultsindistributionnetworksbasedon
synchronoustransientsenergyanalysis[J].IEEEtransactions
onsmartgrid
，
2020
，
11
（
1
）：
774-785.
[11]MAJIDIM
，
ultlocationtechnique
insmartdistributionnetworksusing
synchronized/non-synchronizedmeasurements[J].IEEE
[12]
transactionsonpowerdelivery
，
2018
，
33
（
3
）：
1358-1368.
WULP，HUANGC，QIY，aptivematrix
algorithmforfaultlocationindistributionnetworkwith
distributedgeneration[C]//Internationalconferenceon
electrical&control
，
NewYork
：
IEEE
，
2011
：
499-504.
————————
作者简介：
胡伟，男，工程师，专任教师。
通信作者：周敏，女，助教，专任教师。
（编辑：王霞）
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2024年5月22日发(作者：廖依云)
2023年第17期
ScienceandTechnology&Innovation
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科技与创新
2095-6835
（
2023
）
17-0033-03
文章编号：
基于老年用户的助老如厕马桶盖装置设计研究
宋菲菲，程小兵
（浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江宁波315012）
摘要：针对老年人腿脚不灵活、如厕不方便的实际问题，研究了一款助老如厕马桶盖装置。从外观、助力起身结构及
控制运行方面设计了一款更适合批量生产的辅助智能马桶盖，能够安全、可靠地实现老年人如厕时起身助力的功能。在
原有智能马桶盖功能的基础上，增加辅助扶手，腋下支撑组件、靠背等附件，采用连杆机构控制起身的运动轨迹，以电
机作为顶起动力源，使马桶盖顶起倾斜一定角度，辅助老人更便捷安全地坐到马桶上，如厕完能借助动力源翻起马桶盖，
帮助老人安全起身。
关键词：老年人；起身助力；智能马桶盖；连杆机构
中图分类号：
TS914.2
文献标志码：
ADOI
：
10.15913/.2023.17.009
随着社会的发展，中国的老龄化也日益加重，在
中国人口中，老年人所占的比例越来越大。根据联合
国2019年的预测，2035年时中国65岁及以上人口占
比会达到20.68%。根据上述数据可知，中国目前处于
老龄化的过程中，且在未来的十多年里有可能会进入
超老龄社会
[1]
。在日常生活中，65岁以上的老年人中
生活部分自理或完全不能自理的老年人约占老年人总
数的1/3
[2]
。他们在吃饭、洗澡、行走时会因为身体原
因而不能过上最简单的生活，特别是如厕时，在坐下
或离开马桶时，会存在严重安全隐患：①随着年龄增
加，疾病随之而来，如高血压患者在排便时血压升高，
极可能会发生意外；②如果老年人排便时间过长，可
能会双腿麻木，难以站立，此时极易产生危险。因此，
辅助老年人如厕装置的设计和研发显得尤为重要。
作简单，但功能较为单一。张幻等
[5]
设计的如厕智能辅
助装置虽然增加了清洗等人文关怀服务功能，但是它
的基本结构还是椅子。
图1国内常用老年人辅助如厕装置
2研究内容与流程
研究人员设计的是一种集成式智能马桶盖，该设
计在原有智能马桶盖功能的基础上，增加辅助扶手组
件、靠背等附件，采用连杆机构加滑道控制起身的运
动轨迹，以电机作为顶起动力源，使马桶盖顶起倾斜
一定角度，辅助老人更便捷安全地坐到马桶上，如厕
完也能借助动力源马桶盖，安全地帮助其起身。除此
功能外，还贴合老年人需求提供更舒适更人性化的服
务，增加马桶盖加热、冲洗等控制功能，相比市场上
的竞品来说，这款产品体积更小，外观更加接近马桶
原本的造型，还增加了人文化的服务功能，也减小了
医疗化的外观带给使用者的巨大心理压力。集成式智
能马桶盖如图2所示。
2.1设计依据
该设计以目前市面上马桶座的高度400mm为设
计基础，以GB10000—1988《中国成年人人体尺寸》
为参考。通过街头调研、亲友询问、走访养老院等形
式进行体重数据统计。
·33·
1国内外研究现状
当前市面上辅助老人如厕的装置分为2类，如图1
所示：一类是将椅子改装成简单且固定的承载机构作
为辅助老人如厕的装置；另一类为在马桶边安装扶手。
将椅子改装虽然结构上考虑最简单，但是没有考虑美
观性；在马桶边安装扶手，以双手用力代替了双脚用
力，最终还是要靠老年人自身体力来支撑身体的重量
来如厕。
虽然目前有研究人员研究出可升降的马桶盖，但
是结构也较为复杂，占地面积大。刘坤等
[3]
设计了一种
辅助型如厕轮椅的坐站式机械结构，主要通过变杆长
以及变杆位实现辅助人体站起和坐下的功能。李兆亮
等
[4]
为了解决由于老年人蹲起较为困难导致如厕不方
便的问题，设计了一种能辅助老年人如厕的装置，介
绍了该装置机械结构的设计以及硬件部分的设计，操
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┃
ScienceandTechnology&Innovation
2023年第17期
2.4运动机构
在研究过程中，研究人员参考了诸多资料和文献，
最终决定采用丝杠连接连杆结构控制起身的运动轨
迹，以电机作为顶起动力源。电机连杆三维结构如图4
所示。电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动上面的2个
滑块滑动，滑块1带动连杆1驱动马桶盖顶起倾斜一
定角度，可控制为30°；滑块2带动连杆2进而带动安
图2集成式智能马桶盖
装在马桶盖上的滑道装置，滑道装置可让运动形式更
加确定，在达到30°角度后弹簧弹出固定在上滑道块
上，增加刚度。
在马桶盖返回水平位置时，压缩弹簧，滑道沿原
路返回，滑块1和滑块2分别带动连杆1和连杆2返
回到原来位置。
挡块
滑道
连杆2
滑块2
电机
滑块1
连杆1
滚珠丝杠
2.2设计原则
功能性原则：产品的设计必须坚持以人为本的原
则，因此，该产品必须要满足老年人的基本需求，提
升产品基础功能的使用效率。
关怀性原则：老年的生理需求必须体现在产品上，
外观要体现柔和感，从而减少对老年人的心理暗示。
另外老年人的自尊心很强，担心受到他人的另眼相待，
不希望得到别人的帮助，所以老年辅助如厕马桶盖在
设计方面需要保护老年人的自尊心。
人体工程学原则：从人体工程学角度考虑了辅助
站立和坐立的稳定性和可调节性，操作简单化、方便
化，提高老年人的自理能力。
2.3工作流程
工作流程如图3所示。
扶手、靠背、马桶
盖上升并倾斜一定
角度辅助老年人
起立
图4电机连杆三维结构
3主要结构
3.1马桶盖
在智能马桶盖的马桶盖与马桶垫之间施加阻尼结
构。阻尼结构可控制马桶盖在倾斜一定角度时也不会
自动翻下。
3.2升降结构
所设计的马桶盖升降结构包括电机、丝杠、连杆、
固定板、马桶盖、金属滑道、滑轨。使用者通过电机
控制滑杆在滑道内的移动，推动实现整个机构的升降。
3.3辅助服务结构
设计的马桶盖内置了与普通智能马桶盖类似的结
老年人如厕按钮
控制板
控制板
电机驱动模块
如厕完成按钮
构，包括了可冲洗功能、马桶盖加热功能、烘干功能、
除臭组件。
冲洗完成
电机推动四连杆
否
冲洗
扶手、靠背、马桶
盖上升并倾斜一定
角度
是
是否冲洗
4动力学仿真分析
为保证该结构能实现所设计的理想运动状态，在
SolidWorks软件中进行了零件的运动仿真，验证各部
件和零件在运动过程中没有发生干涉现象。
运动学仿真结束之后，在本软件中又进行了静力
学分析。有限元产品分析可以在产品制造之前预先发
现潜在的问题，验证结构设计，缩短设计周期，提升
产品质量和竞争力。因此在本结构设计完成之后直接
在本软件中做了静力学仿真分析，主要是对承重零
老年人如厕
老年人坐到马桶盖上
扶手、靠背、马桶
盖下降并运行到
水平位置与马桶
贴合
部件和结构进行了强度和刚度的校核，所有零部件
均选择了不锈钢材料，喷涂为白色，与原有马桶融为
一体。
计算后的应力、应变及位移云图如图5所示。
传感器感应
图3工作流程
·34·
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
2023年第17期
ScienceandTechnology&Innovation
┃
科技与创新
VonMises/
（
N·m
）
实际最大等效应力为71.1MPa，因此强度方面符合要
求；应变为0.00019，与零件本身尺寸相比，形变可忽
略不计，因此刚度方面也符合要求。
5结束语
研究人员从国内外研究现状出发，将基于老年用
户的助老如厕马桶盖装置设计从研究内容与流程、主
要结构2个方面分析了运动原理，确定了实现特定功
能的运动方案，丝杠连杆滑块带动马桶垫倾斜一定角
度，又通过滑块滑道装置保证运动的准确性，安装了
（a）应力云图
扶手装置，保证老年人身体支撑和受力；从人文关怀
角度考虑了马桶外观的美观性和实用性，能使老年人
的生活质量得到提升；最后在SolidWorks软件中从动
力学仿真分析方面实现了设计和运动仿真，并进行了
强度和刚度的校核，为解决该结构强度刚度方面提供
了一种可参考的实施方案。
参考文献：
[1]
[2]
（b）应变云图
URES/mm
李新玲.养老产业或需5年启蒙期[N].中国青年报，
2015-04-23（006）.
王成山，李鹏，于浩.智能配电网的新形态及其灵活性特
2018
，
4213-21.
征分析与应用
[J].
电力系统自动化，（
10
）：
刘坤，吉硕，孙震源，等
.
多功能坐立辅助型如厕轮椅机
械结构设计与优化[J].吉林大学学报，2019，49（3）：
873-880.
[3]
[4]李兆亮，陈玉海.老年人智能如厕辅助装置设计[J].科技与
创新，2019（24）：48-50.
[5]
张幻，谢永智
.
老年人如厕智能辅助装置的设计
[J].
机电工
程技术，
2020
，
49
（
10
）：
134-135.
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作者简介：宋菲菲（1982—），女，硕士研究生，讲
（c）位移云图
图5应力、应变及位移云图
师，研究方向为机电一体化技术。程小兵（2001—），
男，在读学生，研究方向为机电一体化技术。
（编辑：王霞）
从图中可以看出，零件的强度极限为206.8MPa，
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（上接第32页）
配电网单相接地故障区段定位方法
[J].
电力自动化设备，
2021，41（12）：54-61.
[10]WANGX，ZHANGHX，FANGS，onofsingle
phasetogroundfaultsindistributionnetworksbasedon
synchronoustransientsenergyanalysis[J].IEEEtransactions
onsmartgrid
，
2020
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11
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1
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774-785.
[11]MAJIDIM
，
ultlocationtechnique
insmartdistributionnetworksusing
synchronized/non-synchronizedmeasurements[J].IEEE
[12]
transactionsonpowerdelivery
，
2018
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1358-1368.
WULP，HUANGC，QIY，aptivematrix
algorithmforfaultlocationindistributionnetworkwith
distributedgeneration[C]//Internationalconferenceon
electrical&control
，
NewYork
：
IEEE
，
2011
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499-504.
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作者简介：
胡伟，男，工程师，专任教师。
通信作者：周敏，女，助教，专任教师。
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