一種自動醫(yī)用翻身床的設(shè)計

宮霞霞，張宇琦，張融瑞，戢 敏

（成都大學(xué)機械工程學(xué)院，成都 610106）

0 引言

隨著醫(yī)療水平的提高，護(hù)理機械化不斷得到發(fā)展。護(hù)理床是醫(yī)療護(hù)理過程中重要的護(hù)理工具，能夠有效減輕工作人員的工作強度并減少患者并發(fā)癥的發(fā)生，同時可提高病情的恢復(fù)速度。對于大面積燒傷尤其是環(huán)形燒傷患者，燒傷創(chuàng)面需要充分暴露，保證創(chuàng)面干燥，便于快速結(jié)痂，更不能長時間受壓，避免發(fā)生褥瘡。為保證植皮術(shù)后皮片的存活，護(hù)理人員需要及時觀察創(chuàng)面并進(jìn)行創(chuàng)面清創(chuàng)換藥，以盡量減輕患者痛苦[1]。且燒傷術(shù)后易出現(xiàn)患者俯臥位限動，翻身時包扎松散、敷料移位、皮瓣失去包扎作用，傷口易受牽拉裂開等問題[2]。在護(hù)理過程中，為防止燒傷患者出現(xiàn)壓瘡，避免創(chuàng)面滲出液和分泌物滋生細(xì)菌，同時保證患者可以經(jīng)常變換臥姿，要求每2 h翻身1次。利用翻身床對壓瘡患者進(jìn)行圍手術(shù)期護(hù)理，可做到一次手術(shù)同時修復(fù)多個壓瘡[3]。李武全[4]設(shè)計了一種燒傷患者用護(hù)理床，通過可動床板使患者身體相應(yīng)燒傷部位暴露，并對其創(chuàng)面以及貼合床板創(chuàng)面進(jìn)行干燥的同時對干燥氣流進(jìn)行溫濕度等控制；鄭娟[5]設(shè)計了一種燒傷患者專用床，利用網(wǎng)狀床板實現(xiàn)燒傷部位暴露以便于傷口護(hù)理；李秋蓉[6]設(shè)計了一種護(hù)理燒傷患者的醫(yī)用顆粒懸浮床，通過采用硅復(fù)合材料顆粒使得病體受力減少以接近暴露狀態(tài)從而實現(xiàn)傷口護(hù)理。以上設(shè)計以局部處理創(chuàng)面為目的避免了發(fā)生褥瘡，但是對于術(shù)后護(hù)理方便性、利于患者恢復(fù)的體位要求以及舒適度等方面未作考慮。而目前醫(yī)院使用的翻身床（如圖1所示）通過多人手動將床板通過螺紋連接壓緊患者并進(jìn)行翻身，并且翻身后需要取下翻轉(zhuǎn)至上方的床板放置病房外過道處[7]。該翻身床護(hù)理人數(shù)多、翻身復(fù)雜、患者體感差、家屬護(hù)理便利性差，并且在使用過程中會造成一定的安全隱患。因此，本文設(shè)計了一種成本低、功能齊全、操作簡單的翻身床以減少護(hù)理人員數(shù)量、實現(xiàn)自動翻身，同時床板通過結(jié)構(gòu)集成減少了空間占用。

圖1 現(xiàn)有醫(yī)用翻身床

1 設(shè)計

自動翻身床用于實現(xiàn)平臥患者的俯仰體位變換，變換過程與傳統(tǒng)翻身床一致，通過上下兩床板將患者夾緊并由翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。自動翻身床由床架、床板、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2、3所示。床架作為床體主要支撐部件采用框架式，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低。床板部分是患者翻轉(zhuǎn)的主要執(zhí)行機構(gòu)，由4塊半床板與導(dǎo)軌滑塊連接構(gòu)成，兩兩半床板通過螺桿連接構(gòu)成完整床板；兩床板處于上下平行位置，通過與其連接的滑塊沿自鎖導(dǎo)軌豎直方向滑動實現(xiàn)上下兩床板之間的距離調(diào)節(jié)，并通過鎖緊螺母固定，以適應(yīng)不同體型的患者夾緊要求。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)主要為床板傳遞翻轉(zhuǎn)運動，為保證翻轉(zhuǎn)過程中兩床板保持平行，采用H型支撐架固定自鎖導(dǎo)軌。由于翻轉(zhuǎn)過程中速度緩慢，采用低速電動機作為動力源，并經(jīng)過鏈傳動實現(xiàn)動力傳遞。支撐結(jié)構(gòu)主要用于支撐翻轉(zhuǎn)至下方的床板，為保證床板支撐剛度以及左右兩半床板連接可靠，于床板兩端設(shè)置對稱支撐桿。傳動系統(tǒng)主要有2條傳動路線，分別由翻轉(zhuǎn)電動機和支撐電動機驅(qū)動，采用齒輪傳動和鏈傳動實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和支撐動力的傳遞。

圖2 自動翻身床結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 自動翻身床二維結(jié)構(gòu)圖

1.1 床架設(shè)計

床架采用框架結(jié)構(gòu)，為保證翻身床的穩(wěn)定性，采用不銹鋼管材焊接而成。于床頭、床尾分別焊接不銹鋼翻轉(zhuǎn)支撐架，床體上方設(shè)置可翻轉(zhuǎn)床板，下方設(shè)置床板支撐結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)利用翻身床上方的2塊半床板待機時處于懸垂?fàn)顟B(tài)作為床護(hù)欄。

1.2 床板設(shè)計

床板材料為高硬高密度海綿，外層采用優(yōu)質(zhì)聚氨酯（polyurethane，PU）皮革縫合，以使床板不至于過硬或過軟，利于患者術(shù)后恢復(fù)。為減少上方床板空間占用并保證床板支撐強度，兩半床板翻至水平位置通過螺桿連接構(gòu)成完整床板，半床板兩端凸軸與鎖緊滑軌滑塊連接，可實現(xiàn)床板豎直方向位置調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)床板間距可調(diào)并鎖緊，導(dǎo)軌與H型支撐架焊接連接。床板結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

1.3 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由翻轉(zhuǎn)支撐盤和H型支撐架構(gòu)成，如圖5所示。為實現(xiàn)夾緊的上下床板同時翻轉(zhuǎn)，床板通過與H型支撐架焊接的自鎖導(dǎo)軌上的鎖緊螺母鎖緊固定。翻轉(zhuǎn)支撐盤與翻轉(zhuǎn)盤通過軸承連接并與翻轉(zhuǎn)傳動軸經(jīng)過鍵連接實現(xiàn)動力傳遞，翻轉(zhuǎn)傳動軸由電動機驅(qū)動經(jīng)鏈傳動實現(xiàn)傳動。

圖4 床板結(jié)構(gòu)圖

圖5 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.4 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

支撐結(jié)構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)，通過滑塊移動帶動曲柄擺動到支撐位置進(jìn)行支撐。為避免曲柄滑塊機構(gòu)中死點的影響，應(yīng)避免使用對心曲柄滑塊機構(gòu)。2個支撐桿于床板底部對稱布置，用于保證上下床板的支撐強度。其機構(gòu)簡圖如圖6所示。半床板寬度為300 mm，長度為2 000 mm，上下兩床板之間的距離范圍為 300～900 mm，支撐轉(zhuǎn)動桿桿長為500 mm，曲柄長為150 mm，連桿長為1 000 mm，為保證上下床板位于極限位置時仍可進(jìn)行翻轉(zhuǎn)而不受支撐桿支撐位置限制，則轉(zhuǎn)動桿的擺角為36.87°，滑塊所在軸的轉(zhuǎn)速為910 r/min。圖6中虛線為四桿機構(gòu)的運動極限位置，滑塊由絲杠傳動向左運動，經(jīng)過連桿連接曲柄，從而使曲柄和支撐桿繞固定鉸支座旋轉(zhuǎn)至床板底部支撐位置，完成對床體旋轉(zhuǎn)時的避讓以及旋轉(zhuǎn)后的支撐作用。

圖6 支撐結(jié)構(gòu)機構(gòu)簡圖

1.5 傳動系統(tǒng)設(shè)計及電動機選擇

翻身床的主要功能為實現(xiàn)床板的360°翻轉(zhuǎn)和保證床板支撐強度的平桿支撐。根據(jù)功能位置需求，翻轉(zhuǎn)驅(qū)動位于床體兩側(cè)而床板支撐桿位于床板下方，兩執(zhí)行機構(gòu)相距較遠(yuǎn)，因此選用2個驅(qū)動電動機。傳動過程如圖7所示，其中翻轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動過程如圖7（a）所示，翻轉(zhuǎn)電動機通過鏈傳動帶動固定于翻轉(zhuǎn)支架的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動。支撐過程如圖7（b）所示，支撐電動機通過螺桿驅(qū)動四桿滑塊機構(gòu)運動，滑塊作為主動件帶動曲柄擺動至相應(yīng)的角度實現(xiàn)曲柄所連接支撐桿對床板的支撐，同時考慮支撐平衡，通過鏈傳動實現(xiàn)床體對稱結(jié)構(gòu)的支撐桿擺動支撐。

圖7 傳動過程簡圖

自動翻身床的尺寸為長2 400 mm、寬750 mm、高610 mm，床板翻身的范圍為0～360°。對于支撐電動機，進(jìn)給時間t取 30 s，曲柄長l為620 mm，曲柄擺角范圍θ取0～90°，支撐患者體質(zhì)量范圍為0～150 kg，床體等附加質(zhì)量F取2 000 N，則曲柄角速度ω=π/（2×30）=0.052 rad/s，轉(zhuǎn)臂速度V=ωl=0.052×620/1 000=0.032 m/s，轉(zhuǎn)臂傳遞的功率P=FV=2 000×0.032/1000=0.064kW，電動機的許用功率P許=P/（η螺桿×η軸承×η聯(lián)軸器×η滾子）=0.064/（0.3×0.98×0.992×0.992）=0.227 kW（η螺桿為螺桿傳動效率，η軸承為軸承傳動效率，η聯(lián)軸器為聯(lián)軸器傳動效率，η滾子為滾子傳動效率），電動機實際功率P2=P許×1.2=0.227×1.2=0.272 kW，故選用額定功率為0.3 kW的單相電容式減速電動機。

對于翻轉(zhuǎn)電動機，轉(zhuǎn)臂長L為300 mm，設(shè)定翻身時間t為30 s，極限角度θ取360°，則轉(zhuǎn)臂角速度ω=2π/30=0.209 rad/s，轉(zhuǎn)臂線速度V=ωL=0.209×300/1 000=0.063 m/s，負(fù)載F=2 000 N，則電動機的功率為P=FV=2 000×0.063/1 000=0.126 kW，從電動機到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)輸送鏈輪間的總效率為η3分別為聯(lián)軸器、軸承、鏈輪傳動的傳遞效率）。查表得 η1=0.99，η2=0.98，η3=0.97，則 ηΣ=0.992×0.984×0.972=0.851，所以電動機所需工作功率為Pd=P/ηΣ=0.126/0.851=0.148 kW。結(jié)合實際，選擇YTC齒輪減速電動機[8]，轉(zhuǎn)速為 48 r/min。

2 使用方法

在自動翻身床工作過程中，依據(jù)患者體型調(diào)節(jié)兩床板之間距離（以可以將患者夾緊的距離為宜），并用鎖緊螺母鎖緊滑塊。同一患者夾緊尺寸固定，可以避免每次翻身進(jìn)行床板高度調(diào)節(jié)，減少護(hù)理工作量。以上操作亦可以在第一次翻身護(hù)理的過程中完成。翻身時，將上方兩半床板翻轉(zhuǎn)至患者上方并通過螺桿連接，實現(xiàn)兩床板夾緊。啟動電源，翻轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)360°旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)上下床板翻轉(zhuǎn)，同時支撐電動機驅(qū)動支撐螺桿轉(zhuǎn)動，曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動支撐桿擺動支撐下床板，待床板翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)將上方床板連接螺桿打開，兩半床板外翻可作為護(hù)欄懸垂于床兩側(cè)，至此完成翻身。

3 設(shè)計優(yōu)勢

從護(hù)理人員數(shù)量、翻身時間、舒適度、空間占用以及家屬護(hù)理可行性幾個方面對傳統(tǒng)翻身床和自動翻床進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 自動翻身床與傳統(tǒng)翻身床對比結(jié)果

自動翻身床在原有護(hù)理床的基礎(chǔ)上，通過將床板拆分集成減少空間占用及護(hù)理人員數(shù)量。其具有如下優(yōu)勢：（1）傳統(tǒng)翻身床需要至少2名護(hù)理人員參與患者翻身，而傳統(tǒng)床板質(zhì)硬且重，搬運困難，且根據(jù)病情需要每2 h進(jìn)行一次翻身，增加了護(hù)理人員的工作難度。自動翻身床的床板以半床板的形式懸掛于床體兩側(cè)，翻身時只需要一個護(hù)理人員即可完成。（2）傳統(tǒng)翻身床為了保持平臥患者上方空氣流通及留有足夠空間，其上方床板需取下。為方便頻繁翻身需求，護(hù)理過程中取下的床板通常放置于病房臨近的安全通道，存在嚴(yán)重安全隱患。自動翻身床的床板集成于床體，翻身之后上方床板作為護(hù)欄懸于床體兩側(cè)，減少了空間占用，節(jié)省了搬運時間，降低了安裝的難度。（3）傳統(tǒng)翻身床翻身過程繁雜，全部由人工完成，耗費時間。自動翻身床的翻身操作簡單、輕便，減少了護(hù)理時間。（4）對于患者及其家屬，傳統(tǒng)翻身床翻身過程操作流程多、程序繁雜，影響患者舒適度，對家屬亦造成陪護(hù)困擾。自動翻身床的翻身過程簡單，在護(hù)理后期可以由家屬完成翻身，適用性比較好。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的醫(yī)用自動翻身床利用簡單的機械原理滿足對患者的夾緊、翻轉(zhuǎn)要求，從而實現(xiàn)大面積燒傷患者為保證創(chuàng)面愈合并防止壓瘡的產(chǎn)生所需的不斷翻身。同時避免了目前醫(yī)院使用的翻身床翻身困難、護(hù)理困難、占用公共空間的弊端，降低了護(hù)理人員的工作難度，提高了自動化程度，利于患者術(shù)后恢復(fù)。但該設(shè)計仍處于半自動化狀態(tài)，存在改進(jìn)空間，床板的鎖緊、高度調(diào)節(jié)皆需手動完成，且翻轉(zhuǎn)角度只限于水平360°翻轉(zhuǎn)，使用局限性較大。下一步將通過增加驅(qū)動，改進(jìn)鎖緊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)翻身床的完全自動化。