基于多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)姿位變化需求的多功能電動(dòng)護(hù)理床設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)人體工學(xué)及機(jī)械原理，筆者設(shè)計(jì)了一款多自由度護(hù)理床，床面采用折疊面板的形式，可通過(guò)按鍵進(jìn)行控制，完成抬背、屈腿、起坐等諸多動(dòng)作，同時(shí)還有輔助解便的功能。為了實(shí)現(xiàn)某種特定的姿態(tài)需要設(shè)計(jì)一套與之相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行位姿支撐，但是這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只適用于單個(gè)位姿的設(shè)計(jì)，在由多位姿需求時(shí)利用這種設(shè)計(jì)方式將會(huì)造成體積過(guò)大，且不同機(jī)構(gòu)之間會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象。本文在設(shè)計(jì)中利用了多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)柔性化運(yùn)動(dòng)和支撐，因而受此啟發(fā)可將護(hù)理床床面進(jìn)行細(xì)分為八個(gè)獨(dú)立的控制面板，通過(guò)面板的配合運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)想要獲得的多種位姿，滿(mǎn)足了用戶(hù)需求。本次所設(shè)計(jì)的電動(dòng)多功能護(hù)理床基于人力工學(xué)和機(jī)械原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)在ADAMS軟件中進(jìn)行仿真，利用原始數(shù)據(jù)構(gòu)建了虛擬樣機(jī)模型，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化后，利用基于單片機(jī)技術(shù)，進(jìn)行了控制模塊的設(shè)計(jì)。該護(hù)理床和實(shí)現(xiàn)患者的多種姿位變化需求。研制的樣機(jī)驗(yàn)證了護(hù)理床的可行性。

關(guān)鍵詞：多功能；ADAMS；人體工學(xué)；護(hù)理床

從實(shí)際的市場(chǎng)調(diào)研能夠看出，大部分護(hù)理床都?xì)w屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，雖然說(shuō)能夠基本滿(mǎn)足患者的實(shí)際需求，但是價(jià)格定位較高，不符合經(jīng)濟(jì)性原則；選取價(jià)格較低的產(chǎn)品在功能上又有所缺陷，并且使用起來(lái)較為繁瑣，不符合實(shí)用性的要求。根據(jù)上述現(xiàn)象對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行有效改進(jìn)和升級(jí)，使其滿(mǎn)足大多數(shù)患者的實(shí)際需求。

1、總體設(shè)計(jì)方案

本次所設(shè)計(jì)的多功能護(hù)理床框圖結(jié)構(gòu)如下圖所示。除了固定的框架之外，還包含連桿機(jī)構(gòu)、解便系統(tǒng)、面板以及輔助控制系統(tǒng)等。整臺(tái)護(hù)理床通過(guò)通過(guò)電機(jī)踐行驅(qū)動(dòng)，可完成翻身、屈腿、解便和馬桶移動(dòng)等動(dòng)作。

1.1護(hù)理床的工作環(huán)境

護(hù)理床可用于家庭或醫(yī)院等有功能障礙患者的照料的諸多場(chǎng)景，考慮上上述護(hù)理床的應(yīng)用對(duì)象均為行動(dòng)障礙的患病者，且使用環(huán)境對(duì)于噪聲的限制，本文所設(shè)計(jì)的護(hù)理床驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采取一些降噪手段，如應(yīng)用隔音材料等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2護(hù)理床的位姿要求

護(hù)理床的應(yīng)用需要滿(mǎn)足病人的康復(fù)需求，因而需要進(jìn)行位姿勢(shì)的調(diào)整，防止長(zhǎng)期臥床引起的并發(fā)癥。對(duì)于一些高度行動(dòng)不便的患者，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮坐姿或臥姿排便。

1.3構(gòu)思的提出

為了實(shí)現(xiàn)某種特定的姿態(tài)需要設(shè)計(jì)一套與之相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行位姿支撐，但是這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只適用于單個(gè)位姿的設(shè)計(jì)，在由多位姿需求時(shí)利用這種設(shè)計(jì)方式將會(huì)造成體積過(guò)大，且不同機(jī)構(gòu)之間會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象。本文在設(shè)計(jì)中利用了多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)柔性化運(yùn)動(dòng)和支撐，因而受此啟發(fā)可將護(hù)理床床面進(jìn)行細(xì)分為八個(gè)獨(dú)立的控制面板如下圖2所示。通過(guò)面板的配合運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)想要獲得的多種位姿，基本能夠滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

1.4護(hù)理床控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)等部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如下圖3所示。

2、護(hù)理床機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)理床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含床體設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及動(dòng)力部分、電源模塊、解便系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1側(cè)翻機(jī)構(gòu)

側(cè)翻機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)患者在床上的翻身需求，采用四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖4所示。電動(dòng)推桿會(huì)推動(dòng)側(cè)翻構(gòu)件繞著床架轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)滾子作用使其背部側(cè)板繞著鉸接點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，側(cè)翻示意圖如下圖5所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)確定構(gòu)建尺寸和鉸接點(diǎn)位置，將這些數(shù)據(jù)定義為初始變量，完成側(cè)翻機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)選定如上圖6中所示的五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在ADAMS軟件中進(jìn)行側(cè)翻機(jī)構(gòu)建模，如上圖7所示。

2.2抬背機(jī)構(gòu)

抬背機(jī)構(gòu)又一個(gè)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)的動(dòng)帶動(dòng)推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)抬背動(dòng)作。在設(shè)計(jì)時(shí)在其中加入了一個(gè)擺桿，因而在抬背時(shí)患者臀部會(huì)略微下降，克服了傳統(tǒng)抬背機(jī)構(gòu)可能造成的滑移現(xiàn)象。抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖8所示：

2.3屈腿機(jī)構(gòu)

屈腿機(jī)構(gòu)的工作原理為連桿機(jī)構(gòu)，采用推桿運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)屈腿動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和屈腿示意圖如下圖9圖10所示：

3、輔助解便系統(tǒng)

輔助解便系統(tǒng)可幫助行動(dòng)不便的患者或老人在床上完成解便，輔助解便系統(tǒng)組成框圖如下圖11所示?；颊呖赏ㄟ^(guò)按鍵來(lái)控制便桶移動(dòng)至臀部下放，當(dāng)病人完成解便之后，便桶會(huì)回到初始位置，并自行傾倒和進(jìn)行便桶清理。臀部排便完成后通過(guò)直流電機(jī)控制臀部清洗噴頭進(jìn)行臀部清洗，清洗水來(lái)源于水箱，水箱中配有加熱裝置，經(jīng)水泵控制后輸出溫水清潔病人臀部。烘干模塊所產(chǎn)生的暖風(fēng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)臀部的吹干，防止病人患上其他疾病。吹風(fēng)機(jī)吹過(guò)的臭氣可經(jīng)過(guò)過(guò)濾裝置再排放至空氣之中。輔助解便系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖12所示。

4、護(hù)理床的控制系統(tǒng)

功能護(hù)理床的控制系統(tǒng)由控制器，通訊模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和按鍵模塊等部分組成。為了便于控制，在床體各部位中胺基裝了傳感器，在控制系統(tǒng)最終確定之前需要完成護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，以此避免對(duì)患者造成傷害。在床體的控制上，可采用鍵盤(pán)指令的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)按鈕輸入來(lái)控制護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)。護(hù)理床的控制器采用以 AVR 單片機(jī)為核心的控制方案，其印刷電路板PCB，如圖13所示。

5、樣機(jī)制作

完成系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸設(shè)計(jì)后完成了如下圖14所示的多功能護(hù)理床的之制作，樣機(jī)試樣表明其性能符合設(shè)計(jì)要求。

6、結(jié) 語(yǔ)

本次所設(shè)計(jì)的電動(dòng)多功能護(hù)理床基于人力工學(xué)和機(jī)械原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)在ADAMS軟件中進(jìn)行仿真，利用原始數(shù)據(jù)構(gòu)建了虛擬樣機(jī)模型，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化后，利用基于單片機(jī)技術(shù)，進(jìn)行了控制模塊的設(shè)計(jì)。該護(hù)理床和實(shí)現(xiàn)患者的多種姿位變化需求。研制的樣機(jī)驗(yàn)證了護(hù)理床的可行性。

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