基于人體工程學的多功能護理床抬背機構的三維模型仿真設計

王學龍

【摘 要】本篇文章針對護理床的抬背機構，基于人體工程學提出了三種不同的方式來實現(xiàn)，并對其進行比較分析，從而選擇出功能最為完善，且應用性最好的機構。在進行多功能護理床抬背機構設計時，首先對其預期功能進行了補充和完善，并在三維軟件中建立了相關模型，完成了技術可行性分析，同時根據(jù)機械設計和機械原理來實現(xiàn)關鍵參數(shù)的采集和計算，利用 MATLAB來進行機構的運動仿真，確定了機構的運行方式，為進一步分析打下了堅實的基礎。

【關鍵詞】人體工程學；多功能；護理床；抬背機構；仿真

中圖分類號： TS664.01 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0015-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.005

【Abstract】Targeting the back-lifting mechanism of nursing beds， in this paper， the author proposed three different methods on the basis of ergonomics and analyzed the methods through comparison， thus selecting the mechanism with the most complete functions and the best practicability. Upon design of the back-lifting mechanism of a multifunctional nursing bed， the author first supplemented and improved its intended functions， and established relevant models in the 3D software to complete technical feasibility analysis； in the meantime， the author realized the collection and calculation of key parameters in accordance with mechanical design and principles of machinery. Using MATLAB for motion simulation of the mechanism， the author further determined the operation mode of the mechanism， laying down a solid foundation for the next analysis.

【Key words】Ergonomics； Multifunctional； Nursing Bed； Back-lifting Mechanism； Simulation

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的顯著提高，我國平均壽命較十年前已有了明顯的增長，但生活成本以及教育成本的不斷提升使得人口出生率呈現(xiàn)逐年下降的態(tài)勢，低出生率和嚴重的人口老齡化現(xiàn)象是我國當前所面臨的主要社會問題之一。根據(jù)權威部門的統(tǒng)計信息可知，截至2017年底，我國60歲及以上老年人口有2.41億人，占總人口17.3%，這在很大程度上說明我國已經(jīng)邁入了老齡化國家，預計到2050年前后，我國老年人口數(shù)將達到峰值4.87億，占總人口的34.9%。除了老齡化現(xiàn)象嚴重之外，我國還存在大量的傷殘人士，社會中的功能障礙群體是社會發(fā)展和建設中不可忽略的部分，因而需要滿足他們對護理床的功能需求。針對上述問題，護理床受眾主要是生活不能自理的老年人或殘障人士，在護理床中加入了坐便器模塊，能夠有效解決起身難的問題。本文基于此設計了一種新型的護理床抬背機構，能夠完成患者的抬背、翻身以及坐立等功能，并在此基礎上添加了坐便器模塊，可實現(xiàn)患者的大小便自理，有效減少了回來人員的工作強度，同時對于患者而言也十分簡便安全，該抬背機構在設計之初考慮了不同使用群體在日常生活中的各種需求，可實現(xiàn)肢體的輔助性鍛煉，結構安全可靠。

1 抬背機構方案設計

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，若人體長時間處于平躺狀態(tài)會對背部造成很大壓力，長期未進行有效活動會導致肌肉萎縮，對人體各器官也具有一定的損害，當前臨床上主要運用人工的方式幫助患者進行抬背戶或翻身，護理上的抬背功能有利于患者身體狀態(tài)的恢復，同時也能夠提高患者的舒適感。本文設計了三種方案來進行護理床抬背機構的設計，運行結構需要滿足的前提是具備較強的安全性以及運動平穩(wěn)性。

（1）根據(jù)圖1中的機構簡圖可知，該抬背機構的自由度為1即該機構只有一個原動機按，具備確定的運行形勢。該機構安全方便，易于實現(xiàn)，且具備較好的安全性，傳動效率較高。

（2）根據(jù)圖2 可知，該機構為四連桿機構，且自由度為1，即該機構只有一個原動機按，具備確定的運行形勢。該機構具有結構簡單，行程較大等諸多特點，在滾輪和背板之間的連接為高副連接，但其對空間尺寸要求較為苛刻。

綜合是哪個可知，方法1中設計的抬背機構具有結構簡單，功能性強、具備一定的可靠性等諸多優(yōu)勢，因而在護理床的設計中采用此機構形式。機構的驅(qū)動件均為電動件。如圖4所示。

2 電動推桿控制電路設計

電動推桿控制電路的控制模塊主要是繼承芯片BTS7960B，該款芯片功率較大，能夠?qū)崿F(xiàn)過載保護。根據(jù)原理圖3所示，使用兩塊芯片的連接可自稱全橋電路，因而可實現(xiàn)電動推桿的長度變化。 控制端口與單片機相連，推桿的運行受單片機控制。

3 機構的運動計算和仿真

抬背機構簡化后，如圖5所示。

經(jīng)過數(shù)學分析以及運動學分析可知：

該機構能夠?qū)崿F(xiàn)的抬背角度上限為80°，在從最低角度上升到最大角度用時共 25s，在此期間內(nèi)推板始終保持勻速運動。由此可根據(jù)相關公式推出：背部床面以活頁為中心進行轉(zhuǎn)動的角速度大小為 ù=3.2°/s=0.0559rad/s，代入相關參數(shù)可得如圖 5（a）所示，當床面勻速轉(zhuǎn)動時，推桿的負載也會隨著人體重心位置的改變而發(fā)生變化，在該狀態(tài)下進行分析，整個床面重心位于床面的中心線上，取動態(tài)變化的重心與合頁的距離為R，取 R=220mm，G=900N，則可求出整個床面的重力勢能在單位時間內(nèi)的變化量：dw=Gdh=GRùcosùtdt

將各參數(shù)值代入，可得到負載隨時間變化的曲線為圖6（b）所示。

從圖中的曲線可看出，推桿在6秒時負載最大，因而選取該時間節(jié)點為分界點，在該時間節(jié)點之間負載處于勻速增大狀態(tài)。在6秒之后，床面負載會減小，因而理論速度會增大，為了使使用者不產(chǎn)生不舒適之感，因此需要知道負載和速度之間的變化量。

從圖中的曲線可看出，推桿在6秒時負載最大，因而選取該時間節(jié)點為分界點，在該時間節(jié)點之間負載處于勻速增大狀態(tài)。在6秒之后，床面負載會減小，因而理論速度會增大，為了使使用者不產(chǎn)生不舒適之感，因此需要知道負載和速度之間的變化量。

經(jīng)過對電動推桿的分析可知，可以通過控制推桿輸入平均電壓來實現(xiàn)推桿的運行，電壓的遞減速率約0.48V/s，這是實現(xiàn)近似勻速的最優(yōu)參量。

4 結論

本篇文章針對護理床的抬背機構，基于人體工程學提出了三種不同的方式來實現(xiàn)，并對其進行比較分析，從而選擇出功能最為完善，且應用性最好的機構。在進行多功能護理床抬背機構設計時，首先對其預期功能進行了不潮紅和完善，并在三維軟件中建立了相關模型，完成了技術可行性分析，同時根據(jù)機械設計和機械原理來實現(xiàn)關鍵參數(shù)的采集和計算，利用 MATLAB來進行機構的運動方正，確定了機構的運行方式，為進一步分析打下了堅實的基礎。

【參考文獻】

[1]Her I，Midha H. A Compliant Number Concept for Compliant Mechanisms and Type Synthesis [J].Journal of Mechanisms，Transmissions，and Automation in Design，Trans.ASME，1987，109（3）：348-355.

[2]余躍慶.柔順機構學[M].北京：高等教育出版社，2007：1-3.

[3]吳鷹飛，周兆英.柔性鉸鏈的設計計算[J].工程力學，2002，19（6）：136-140.（Wu Ying-fei，Zhou Zhao-ying. Design of flexure hinges[J]Engineering Mechanics，2002，19（6）：136-140.）

[4]陳貴敏，劉小院，賈建援.橢圓柔性鉸鏈的柔度計算[J].中國機械工程學報，2006（42）：111-115.