電動(dòng)治療床的設(shè)計(jì)與仿真分析*

趙展

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有60歲以上的老年人超過(guò)兩億，其中約2/3的老年人有一種或一種以上的慢性病。如何提高老年人的生活質(zhì)量，解決日益嚴(yán)重的人口老齡化對(duì)社會(huì)造成的諸多負(fù)面影響，特別是滿足各種慢性病所引起的醫(yī)療保健等需求，是現(xiàn)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)之一[1-4]。中醫(yī)推拿具有消除疲勞、促循環(huán)、加速代謝、增強(qiáng)關(guān)節(jié)活動(dòng)性、調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)等作用，其適應(yīng)癥多達(dá)500余種，是治療老年人腰腿疼痛等慢性疾病的有效方法[5-9]。推拿治療床作為常見的推拿設(shè)備，其功能越來(lái)越多樣化、電子化。國(guó)外進(jìn)口電動(dòng)治療床一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，不適合大規(guī)模推廣使用。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口老齡化問(wèn)題的需求，國(guó)內(nèi)對(duì)治療床進(jìn)行了諸多改進(jìn)設(shè)計(jì)，但因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，仍需不斷完善?？傊ㄖ委煷苍趦?nèi)的我國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)狀況雖然得到了很大改善，但制造水平仍較低，特別是銷售規(guī)模僅占全球5.4%左右[10-11]。本研究設(shè)計(jì)了一款柔軟舒適，讓患者身心放松，能減少治療師體能消耗、降低工作強(qiáng)度，從而確保治療師長(zhǎng)時(shí)間工作的治療效果和工作效率的較輕量化電動(dòng)治療床。

2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

由于中醫(yī)推拿的特殊性，對(duì)治療床的功能、外觀、性能等有諸多要求。對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求總結(jié)如下。

床面尺寸：設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮患者的身高、體寬，及治療師的操作方便，經(jīng)查詢并參照GB10000-88《中國(guó)成年人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)床面進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用尺寸為200×55 cm。

承重要求：參照GB/T10357.6-2013《家具力學(xué)性能試驗(yàn) 第6部分：?jiǎn)螌哟矎?qiáng)度和耐久性》，結(jié)合治療師手法和施力方向，治療床需至少承受220 kg載荷仍能正常工作而不被破壞，并同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)變形情況。

床高要求：考慮到患者在床上不同姿態(tài)時(shí)，方便治療師操作使用，減少治療師側(cè)身彎腰或推拿反向壓力對(duì)手部和腕部損傷的風(fēng)險(xiǎn)，采用床高可調(diào)設(shè)計(jì)，且使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，節(jié)省人力。需考慮床體升高速度、電控方式、動(dòng)力源、防水、防電、電源線拉扯造成電氣內(nèi)部損傷等問(wèn)題。

另外還需考慮治療床的舒適性，外觀不應(yīng)有銳變、尖角等，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，在地面上不易滑動(dòng)，消毒使用方便，噪聲小、重量輕、方便移動(dòng)等。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的一款集CAD/CAE/CAM一體化的三維設(shè)計(jì)軟件，其模塊化的混合建模技術(shù)具有全相關(guān)性[12-13]。本研究應(yīng)用CATIA三維軟件對(duì)電動(dòng)治療床進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的電動(dòng)治療床主要包括底架、床板、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分，見圖1。

注：1為底架機(jī)構(gòu)，2為床板機(jī)構(gòu)，3為傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖1 治療床總體效果圖Fig.1 Overall effect of massage bed

2.2.1底架機(jī)構(gòu) 考慮到強(qiáng)度和輕質(zhì)，選用方管為主，通過(guò)焊接及螺紋連接的方式對(duì)底架機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖2。

置物臺(tái)是針對(duì)痰多、流涕的患者設(shè)計(jì)的，用于放置一次性塑料盒、生活垃圾盤等，也可直接放置雜物或重要物品。合理設(shè)計(jì)物品的放置區(qū)，能有效避免污染醫(yī)院環(huán)境，防止感染。治療床升降可用線控開關(guān)手控操作，也可用腳控桿控制，腳控桿為可選床高控制方式，治療師可通過(guò)抬腳或腳踩來(lái)驅(qū)動(dòng)腳控桿，控制治療床升降。兩個(gè)選擇能改善治療師的使用方式，提高工作效率，增強(qiáng)便利性。另外，底架機(jī)構(gòu)的前后兩端各設(shè)有一套升降輪機(jī)構(gòu)，用腳踩即可降下輪子，輕松移動(dòng)治療床。

注：11為患者置物臺(tái)及一次性塑料盒，12為主框架，13為腳控桿，14為防滑腿套，15為升降輪機(jī)構(gòu)，16為電氣控制箱，17為電推桿底座。

2.2.2床板機(jī)構(gòu) 床板機(jī)構(gòu)包含床板架及床板，見圖3。

注：21為臂部凹，22為匙形孔，23為可調(diào)平板座，24-26依次為床板皮革、床板海綿、床板木板，27為手臂托，28為床板架。

床板架采用方管焊接，以增強(qiáng)床板的強(qiáng)度和剛度，使其結(jié)實(shí)、穩(wěn)固、耐用，給治療提供強(qiáng)有力支撐。床板使用木板、海綿加皮革的三層結(jié)構(gòu)方式，保證舒適性。距床頭大概40 cm處設(shè)有匙形孔，改進(jìn)了傳統(tǒng)長(zhǎng)圓孔的設(shè)計(jì)，使患者眼鼻口懸空。不僅可用于呼吸及觀察，也可用于固定頭部，避免長(zhǎng)時(shí)間治療造成的呼吸困難、窒息感?？紤]不同年齡段的患者需求，特設(shè)隨床板一起升降的可調(diào)式平板電腦座，用于放置圖書、手機(jī)或平板電腦等?？烧{(diào)式設(shè)計(jì)以適合不同患者的視力要求，方便患者邊瀏覽邊治療，緩解緊張情緒，降低長(zhǎng)時(shí)間治療的厭倦乏味感。床板上切有臂部凹，與床板架上高度可調(diào)的下沉式手臂托相配合，患者可選擇將肘或手放置在手臂托上，也可雙手自然平放在軀干兩側(cè)。整體設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)方便，功能實(shí)用，能改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，讓患者身心放松，以最佳心態(tài)接受治療。

2.2.3傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 采用醫(yī)用電推桿作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，推動(dòng)床升高，見圖4。

注：31為前推升架，32為連接桿，33為電推桿，34為后推升架。

傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括電推桿、前后推升架及連接前后推升架同步運(yùn)動(dòng)的連接桿。前后推升架完全對(duì)稱，其上端與床板機(jī)構(gòu)相連，中間與底架機(jī)構(gòu)相連，下端通過(guò)連接桿連接，組成了上下兩對(duì)平行四邊形，通過(guò)電推桿推動(dòng)其中一個(gè)推升架的下端即可聯(lián)動(dòng)所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電推桿下端與底架機(jī)構(gòu)的電推桿底座連接?？紤]到無(wú)線控制器易丟失、跌落損毀，本研究電推桿采用線控開關(guān)手控操作按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮，完成推動(dòng)床的升降動(dòng)作。

2.3 虛擬裝配設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)樣機(jī)進(jìn)行虛擬裝配，通過(guò)軟件內(nèi)測(cè)量工具測(cè)得床高約在48～1 000 mm范圍內(nèi)變化，可用作推拿按摩治療用，還能作藥熏、針刺、拔罐治療，及對(duì)患者進(jìn)行床邊站立、床上床下轉(zhuǎn)移訓(xùn)練等用途。選用身高人體百分位數(shù)為50%的治療師，經(jīng)CATIA仿真分析得知，床高為595 mm時(shí)該治療師能輕松推拿施力，見圖5，此高度在床高設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。

另外，應(yīng)用CATIA對(duì)患者可視區(qū)域仿真分析[14]，見圖6。圖6(a)為患者俯臥時(shí)的仿真圖，圖6(b)為患者的可視區(qū)域，可見視域覆蓋了整個(gè)可調(diào)平板座及患者置物臺(tái)的范圍，設(shè)計(jì)合理。

3 機(jī)構(gòu)仿真分析

3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖與自由度

3.1.1機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 根據(jù)治療床各構(gòu)件之間連接及相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，簡(jiǎn)化成平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)并繪制其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，見圖7。借助CATIA能更直觀地展示治療床的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，動(dòng)起來(lái)的簡(jiǎn)圖更易理解其運(yùn)動(dòng)原理[15]，圖8(a)為CATIA繪制的運(yùn)動(dòng)圖，圖8(b)是對(duì)應(yīng)生成的avi視頻，可更清晰地演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理。

圖5 治療仿真圖Fig.5 Massage simulation

圖6 患者視野分析(a).患者俯臥；(b).可視區(qū)域Fig.6 Patient vision analysis(a).prone position；(b).view area

圖7 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.7 Kinematic diagram

3.1.2自由度計(jì)算 機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式為F=3n-2PL-PH，式中n為活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目，PL為低副的數(shù)目，PH為高副的數(shù)目?？紤]復(fù)合鉸鏈及剔除虛約束后，得到治療床的自由度數(shù)為1，因有1個(gè)原動(dòng)件電推桿，故運(yùn)動(dòng)能完全確定。

圖8 草圖工具繪制的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(a).運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；(b).生成視頻文件Fig.8 Kinematic diagram by sketch tools(a).kinematic diagram；(b).motion video

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真

應(yīng)用CATIA DMU虛擬樣機(jī)技術(shù)可三維顯示其運(yùn)動(dòng)情況，并得到相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖，讓非專業(yè)人員也能直觀地了解其運(yùn)動(dòng)原理[16]。圖9(a)是運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果，圖9(b)為進(jìn)一步得到的電推桿-床高曲線圖，實(shí)際高度可能會(huì)因海綿的壓縮而略有差別。

3.3 力學(xué)分析

治療床的主框架、傳動(dòng)架為主要受力變形機(jī)構(gòu)，為保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有效性和安全性，需驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。集成化的CATIA軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)零件及其裝配體的靜態(tài)應(yīng)力分析及模態(tài)分析，無(wú)需不同格式間的導(dǎo)出和讀入操作，能及時(shí)看到修改后的分析結(jié)果，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師而非分析專家提供了一個(gè)便利且行之有效的分析系統(tǒng)[17]。其力學(xué)有限元分析通過(guò)設(shè)定材料、劃分網(wǎng)格、添加約束后計(jì)算即可得到結(jié)果，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果見圖10。

圖10(a)-(c)是對(duì)主框架、床板和傳動(dòng)架進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后,分析得到的劃分網(wǎng)格圖、應(yīng)力及位移圖。由靜力學(xué)分析結(jié)果得知，前推升架受力及變形最大，特別是拐角及連接軸處，把它單獨(dú)顯示見圖10(d)，不過(guò)最大應(yīng)力仍遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，最大變形約2 mm較小，關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度和剛度均滿足要求，安全系數(shù)高，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖9 運(yùn)動(dòng)仿真分析(a).仿真曲線；(b).電推桿-床高圖Fig.9 Kinematics simulation analysis(a).simulation curves；(b).linear actuator-bed height graph

3.4 動(dòng)力學(xué)分析

在不考慮自身重量和治療師推拿力時(shí)，針對(duì)電推桿選型問(wèn)題對(duì)治療床進(jìn)行受力分析，見圖11。

左邊前推升架4的力矩平衡方程為：

T0=(g1×LDE×cosα+T1×LDA×cosβ)/(LDA×cosγ)

(1)

右邊后推升架6的力矩平衡方程為：

T1=g2×LGF×cosα/(LGH×cosβ)

(2)

考慮到前后推升架4、6同形：

LDE=LGF、LDA=LGH

(3)

又，g1=g×L2/(L1+L2)，g2=g×L1/(L1+L2)

(4)

聯(lián)立上述式子，最終可解得電推桿的推力T0。其中L在設(shè)計(jì)時(shí)已確定，β、γ、α可分別通過(guò)△DAH、△DAB、△DEE′平面幾何關(guān)系求解得到，E′為E點(diǎn)在通過(guò)D點(diǎn)的豎線上的投影。

為了更清晰地了解電推桿在驅(qū)動(dòng)床板升降時(shí)的力矩變化情況，可通過(guò)軟件測(cè)距來(lái)追蹤。分別選取電推桿及床板機(jī)構(gòu)的力臂作為測(cè)量參數(shù)，得到兩者的變化曲線圖，通過(guò)比對(duì)可找到電推桿的最大推力處，從而計(jì)算校核電推桿的選型，因有其他更方便的動(dòng)力學(xué)分析軟件，此處不再贅述。

圖10 力學(xué)分析(a).網(wǎng)格圖；(b).應(yīng)力圖；(c).位移圖；(d).前推升架的應(yīng)力圖Fig.10 Mechanical analysis(a). mesh；(b).mises stress;(c).displacement;(d).mises stress of front driving frame

4 結(jié)論

本研究采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)治療床的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn),從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行仿真分析研究，結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)符合人機(jī)工程學(xué)要求，設(shè)計(jì)合理有效，能減輕治療師的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善被治療者的舒適性。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅能縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，還能更直觀地看到設(shè)計(jì)效果，減少失誤，并為后續(xù)加工生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

圖11 受力分析圖Fig.11 Force analysis diagram