新型多功能護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

何磊 韓慶玨 陳 燕 郭子毅 楊司琪

摘要：我國(guó)是老齡化大國(guó)，當(dāng)前對(duì)護(hù)理床的需求量不斷增加。基于對(duì)現(xiàn)使用護(hù)理床的調(diào)研分析，為擴(kuò)大護(hù)理床使用群體和改善使用者的體驗(yàn)，提出新型多功能護(hù)理床的概念，在現(xiàn)有護(hù)理床的基礎(chǔ)上，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，隨后對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，推動(dòng)了護(hù)理床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為各企業(yè)優(yōu)化護(hù)理床提供了新思路。

關(guān)鍵詞：多功能護(hù)理床;運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;有限元分析

0 ? ?引言

近些年來(lái)，醫(yī)院、養(yǎng)老院和家庭等對(duì)護(hù)理床需求增加，特別是我國(guó)推行居家護(hù)理政策后，居家護(hù)理對(duì)護(hù)理床的需求量進(jìn)一步提升。

日本松下公司設(shè)計(jì)的護(hù)理床已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大部分功能，但操作比較復(fù)雜，且價(jià)格昂貴。美國(guó)METROCARE公司和DEVICELINK公司設(shè)計(jì)的護(hù)理床只能完成部分功能，且存在運(yùn)動(dòng)笨重、功能單一等缺點(diǎn)。

本文主要基于我國(guó)老齡化程度，分析了多功能護(hù)理床的市場(chǎng)可行性：我國(guó)自主研發(fā)進(jìn)度相對(duì)較慢，依賴進(jìn)口特別嚴(yán)重，因此自主研發(fā)一款定價(jià)低廉、功能齊全、適用范圍廣的護(hù)理床將具有很好的市場(chǎng)前景。技術(shù)方面，可與目前的智能化、物聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合;安全方面，以老人的舒適性為前提，安全性為核心，在人機(jī)交互方面有良好的提升。無(wú)論是在養(yǎng)老院、醫(yī)院還是家庭使用，該護(hù)理床都能讓被護(hù)理人員感到安心，也減少了護(hù)理人員的工作量，使雙方心情愉悅，更有利于被護(hù)理人恢復(fù)健康。

1 ? ?新型多功能護(hù)理床的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《可調(diào)式康復(fù)訓(xùn)練床》（GB/T 26340—2010）中對(duì)具體尺寸的建議，該護(hù)理床的總體尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=2 100 mm×1 350 mm×500 mm。

該新型多功能護(hù)理床要求滿足起背、翻身和曲腿等功能，所以將床板分成12塊單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的模塊，如圖1所示。圖1中（1）號(hào)模塊為背部板，長(zhǎng)×寬×高=800 mm×600 mm×15 mm，最大起背角度為85°;（2）號(hào)模塊為臀部板，長(zhǎng)×寬×高=600 mm×600 mm×20 mm，最大旋轉(zhuǎn)角度為30°;（3）號(hào)模塊為大腿板，長(zhǎng)×寬×高=380 mm×600 mm×10 mm，相對(duì)臀部板的最大旋轉(zhuǎn)角度為30°;（4）號(hào)模塊為小腿版，長(zhǎng)×寬×高=270 mm×600 mm×10 mm，相對(duì)大腿板的最大旋轉(zhuǎn)角度為20°。

2 ? ?重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 ? ?側(cè)翻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)翻機(jī)構(gòu)如圖2所示。在臀部板下端安裝4個(gè)電動(dòng)推桿，推桿兩端都采用球鉸鏈連接，球鉸鏈的鎖緊和放松由電磁鐵控制。當(dāng)進(jìn)行左側(cè)側(cè)翻運(yùn)動(dòng)時(shí)，推桿2、4以一定比例的速度伸長(zhǎng)，1號(hào)桿就是臀部板，將繞著O點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使板逐漸傾斜，直至到達(dá)規(guī)定角度，最終完成左側(cè)側(cè)翻運(yùn)動(dòng)。若執(zhí)行右側(cè)側(cè)翻運(yùn)動(dòng)，將所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與左側(cè)側(cè)翻運(yùn)動(dòng)反向即可。

在△AOB中，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：

r1+r3=r2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

即：

l1e+l3=l2e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

解得：

l2=[l3cos φ2-l1cos（φ1-φ2）]1/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

l1/l3=sin φ2/sin（φ1-φ2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析：

針對(duì)式（2），對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)：

iω1l1e+l2′e+iω2l2e=0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

可以解出電動(dòng)推桿速度l2′和桿1角速度ω1：

l2′=-ω1l1sin（φ1-φ2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

ω1=ω2l2′/cos（φ1-φ2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度分析：

針對(duì)式（5），對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)：

l2"e+2l2′ω2e-ω22l2e-iε1l1e+ω12l1e=0 ? ? ? ? ? （8）

解得知桿2加速度l2"和支桿角加速度ε1：

ε1=2l2′ω2+ω12l1sin（φ1-φ2）/l1cos（φ1-φ2） ? ? ? ? （9）

l2"=ω22l2-ω12l1cos（φ1-φ2）-ω12l1sin（φ1-φ2）tan（φ1-φ2）-

2l2′ω2tan（φ1-φ2） ?（10）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可知不同的t時(shí)刻電動(dòng)推桿或板的線速度、角速度、加速度和角加速度。以上結(jié)果也為以后的模擬器仿真分析提供了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支撐，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度和加速度的穩(wěn)定性，確保了設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性和可靠性。

2.2 ? ?曲腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲腿機(jī)構(gòu)如圖3所示。采用兩個(gè)電動(dòng)推桿，3號(hào)電動(dòng)推桿主要用于大腿板的運(yùn)動(dòng)，5號(hào)電動(dòng)推桿主要用于臀部板的運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)推桿5以一定比例的速度運(yùn)動(dòng)，使桿1繞A點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也可以單獨(dú)控制電動(dòng)推桿3拉動(dòng)桿2使它繞鉸接點(diǎn)進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。兩電動(dòng)推桿均可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，以便使用者得到最舒適的曲腿動(dòng)作。

在△CDE中，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：

r1+r3=r2 ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

即：

L1e+L3e=L2e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

解得：

L3=[L32-L12-2L1L2cos（φ1-φ2）]1/2 ? ? ? ? ? ? ? ?（13）

φ3=arctan（L2sin φ2-L1sin φ1/L2cos φ2-L1cos φ1） ? ? ?（14）

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析：

針對(duì)式（12），對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)：

iω1L1e+L3′e+iω3L3e=iω2L2e ? ? ? ? ?（15）

可以解出電動(dòng)推桿速度L3′和桿3角速度ω3：

L3′=ω2L2sin（φ1-φ3）-ω1L1sin（φ1-φ3） ? ? ? ?（16）

ω3=[ω3cos（φ1-φ3）-ω1cos（φ1-φ3）]/L3 ? ? ? ?（17）

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度分析：

針對(duì)式（15），對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)：

iL1ε1e-L1ω12e+2iL3′ω3e+iε3L3e-L3ω32e+L3"e=

iL2ε1e-L2ω32e ? ? ?（18）

解得知桿3加速度L3"和支桿角加速度ε3：

L3"=ε1L1sin（φ1-φ3）-ω12L1cos（φ1-φ3）-L3ω32-

ε2L2sin（φ2-φ3）+ω22L2cos（φ2-φ3） ?（19）

ε3=[ε2L2cos（φ2-φ3）-ω22L2sin（φ2-φ3）-2L3′ω3+

ε1L1cos（φ1-φ3）+ω12L1sin（φ1-φ3）]/L3 ? ?（20）

通過對(duì)機(jī)構(gòu)位置、速度和加速度的分析，得到了任意時(shí)刻t對(duì)應(yīng)的各構(gòu)件角速度和角加速度變化關(guān)系，為后續(xù)的控制過程做好了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

3 ? ?關(guān)鍵部件有限元分析

新型多功能護(hù)理床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)球鉸鏈和支撐板進(jìn)行有限元分析。

3.1 ? ?球鉸鏈有限元分析

球鉸鏈作為連接部件，要保證其強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。將球鉸鏈底座進(jìn)行網(wǎng)格化處理，球鉸鏈底座在受到500 N壓力時(shí)，其構(gòu)件的受力情況如圖4所示，變形位移量如圖5所示。

球鉸鏈底座在最大受力500 N下，最大壓應(yīng)力為1.89 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力530 MPa，材料最大變形量為1.148×10-4 mm，滿足功能性和安全性要求。

3.2 ? ?支撐板有限元分析

板塊主要支撐對(duì)象為人體，所以臀部板在受最大外力700 N時(shí)，該構(gòu)件的應(yīng)力情況如圖6所示，臀部板在受力情況下變形位移量如圖7所示。

推桿在最大受力700 N下，最大壓應(yīng)力為11.65 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力27.57 MPa，材料最大變形量為1.137×10-2 mm，滿足功能性和安全性要求。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)新型多功能護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，主要詳細(xì)說明了側(cè)翻機(jī)構(gòu)和曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，證明了設(shè)計(jì)的可行性和運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。隨后對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，確定所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)擁有足夠的強(qiáng)度和剛度，安全性能得到保障。一系列的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算和校核證實(shí)了新型多功能護(hù)理床在理論上的可行性，并為以后繼續(xù)深入研究提供了理論依據(jù)。

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收稿日期：2020-07-09

作者簡(jiǎn)介：何磊（1998—），男，四川綿陽(yáng)人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。

通信作者：韓慶玨（1980—），男，河南新鄉(xiāng)人，博士研究生，講師，從事車輛動(dòng)力學(xué)、車輛自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃與路徑跟蹤控制等研究工作。