多功能護理床翻折機構(gòu)設計與運動優(yōu)化

趙海鳴 ，舒輝波 ，萬奇龍 ，李 杰

（1.中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人口壽命正不斷延長，老齡化已成為全球范圍的社會問題[1,2]。老年人由于身體機能的衰退，肌體活性不斷減退；相較于普通人，老年人的臥床時間更長，由于行動不便，經(jīng)常會長時間保持同一位姿，使得身體局部組織長期受壓，導致壓瘡發(fā)生[3]；同時，由于肢體長期得不到運動，不僅會造成關節(jié)萎縮，甚至會引發(fā)其他疾病[4]。

護理床是一種常用的智能護理設備[5,6]，能夠輔助病人進行康復運動，促進血液循環(huán)，增強肌體活性。翻折機構(gòu)作為護理床的重要部件之一，在病人的康復護理中發(fā)揮著重要作用，能夠提供病人生活自理所需的各種位姿；通過位姿的調(diào)整，可避免身體局部組織長期受壓，防止壓瘡的產(chǎn)生[7]。

姜生元等研制了一種多功能康復床，該床具有抬背、輪椅轉(zhuǎn)換、輔助排便等功能[8]；張建國[9]等基于人體工學原理設計了護理床的上升機構(gòu)和抬腿機構(gòu)，并對其進行了運動分析；秦帥華[10]等設計了一種八桿單自由度起背機構(gòu)，建立了相應的運動學模型，通過MATLAB對機構(gòu)進行了優(yōu)化設計；趙禮剛等[11]對抬背機構(gòu)設計變量進行了研究，分析了各變量對背板角加速度的影響程度，并對關鍵變量進行了優(yōu)化。

以上研究雖然實現(xiàn)了護理床的功能多樣化，但未能完全解決臥床病人的護理難題，實用性還有待提高；對機構(gòu)運動學的研究主要集中于抬背機構(gòu)，未能對康復護理的關鍵機構(gòu)進行分析。

本文基于人體工程學原理，設計了三類翻折機構(gòu)，提升了多功能護理床的實用性和安全性；在此基礎上，以改善護理床位姿變換過程中的平穩(wěn)舒適性為目標，對機構(gòu)進行優(yōu)化設計。

1 翻折機構(gòu)的結(jié)構(gòu)建模

文中的翻折機構(gòu)包括抬背機構(gòu)、翻身機構(gòu)、曲腿機構(gòu)三大類，具有平躺、抬背、翻身、抬腿、曲腿、等功能，能夠滿足病人康復護理對位姿的要求。各機構(gòu)的尺寸和安裝位置是依照國標[12,13]進行設計的，能夠更好的貼合人體尺寸。

1.1 抬背機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型

抬背機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)仰臥、坐起等功能，主要由電動推桿、抬背桿、滾輪、抬背架、固定桿組成；抬背架包含center架、left架、right架三大部分，各部件間通過鉸鏈相連。該機構(gòu)具有一個自由度，動力源為電動推桿，能夠保證確定的運動；工作時，電動推桿驅(qū)動抬背桿轉(zhuǎn)動，通過滾輪與抬背架的高副接觸帶動抬背架繞固定桿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)0°～75°的角度調(diào)節(jié)，機構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 抬背機構(gòu)模型

1.2 翻身機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型

翻身機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)臥床病人的左右側(cè)翻，可避免身體局部長期受壓，對壓瘡預防有較好效果。該機構(gòu)由電動推桿、翻身鉸座、支撐板、翻身架組成，翻身架包含center架、left架、right架三大部分，center架通過焊接在其上的支撐板與left架、right架間形成可分離式接觸。當電動推桿伸長時，center架將帶動left架順時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)左翻身；當電動推桿收縮時，center架將帶動right架逆時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)右翻身，翻身角度為0°～30°，機構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 翻身機構(gòu)模型

1.3 曲腿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型

曲腿機構(gòu)由電動推桿、曲腿鉸座、活動架、大腿架、小腿架組成，該機構(gòu)具有一個自由度和一個動力源，能保證確定的運動。電動推桿通過曲腿鉸座帶動活動架繞固定鉸座轉(zhuǎn)動，活動架向上轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)抬腿功能，向下轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)曲腿和輪椅轉(zhuǎn)換功能，能夠輔助病人進行康復運動；活動架、大腿架與小腿架通過鉸鏈相連接，形成一個平行四邊形機構(gòu)，可保證翻轉(zhuǎn)過程中小腿架始終水平。機構(gòu)抬腿角度為0°～35°，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 曲腿機構(gòu)模型

2 翻折機構(gòu)運動學模型的建立

保證護理床位姿變換過程中的平穩(wěn)能提升臥床病人的舒適性體驗，抬背架、翻身架、大腿架是與病人身體直接接觸的執(zhí)行構(gòu)件，其運動性能的優(yōu)劣將直接影響病人的體驗，需要對其運動參數(shù)進行研究。

2.1 抬背機構(gòu)的運動學模型

抬背機構(gòu)的運動簡圖如圖4所示，研究的主要參數(shù)為抬背架角位移θ6，角速度ω6，角加速度α6。

圖4 抬背機構(gòu)運動簡圖

?AOB的封閉矢量方程為：

其復數(shù)矢量形式為：

運用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將式(1)的實部和虛部分離，解得：

將式(1)關于時間t求導，解得：

將式(1)關于時間t求二階導，解得：

LOC與LOB均為抬背桿的組成單元，由幾何關系可知：

對四邊形OCDE進行分析，其封閉矢量方程為：

由機構(gòu)的運動幾何關系可知：θ5=θ6+90°，則式(2)的復數(shù)矢量表達式為：

式(3)經(jīng)歐拉公式展開求解可得：

式中M=-LOCcosθ4，N=LOCsinθ4-LOE，P=LCD。

將式(3)關于時間t求導，解得：

將式(3)關于時間t求二階導，解得：

2.2 翻身機構(gòu)的運動學模型

翻身機構(gòu)的運動簡圖如圖5所示，研究的主要參數(shù)為翻身架角位移θ3，角速度ω3，角加速度α3。

圖5 翻身機構(gòu)運動簡圖

同理，求解得：

LOC與LOB均為翻身架的組成單元，由幾何關系可知：

2.3 曲腿機構(gòu)的運動學模型

曲腿機構(gòu)驅(qū)動原理與翻身機構(gòu)類似，其運動簡圖如圖6所示，研究的主要參數(shù)為活動架角位移θ3，角速度ω3，角加速度α3。

圖6 曲腿機構(gòu)運動簡圖

同理，求解得：

LOC與LOB均為活動架的組成單元，由幾何關系可知：

3 翻折機構(gòu)的運動優(yōu)化

為了滿足護理床的舒適性要求，翻折機構(gòu)各執(zhí)行構(gòu)件的運動參數(shù)應變化平穩(wěn)，避免發(fā)生突變；優(yōu)化設計的目的：通過調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，降低執(zhí)行構(gòu)件的角加速度，使其運動更加平穩(wěn)。

3.1 抬背機構(gòu)的運動優(yōu)化

參考護理床設計標準，綜合考慮護理床的空間布局、抬背架翻轉(zhuǎn)角度以及推桿的行程，初步確定各點坐標為：O（0，0），A（-405，-100），B（-15，65），C（450，195），E（0，220），F(xiàn)（465，145）。

以各坐標點為設計點，通過ADAMS軟件建立抬背機構(gòu)模型并設定好零件間的連接關系；對抬背機構(gòu)進行運動仿真，得到角加速度隨轉(zhuǎn)角變化的曲線，如圖7所示。

圖7 抬背架角加速度曲線

由圖7可知，抬背架角加速度隨轉(zhuǎn)角增大而持續(xù)增大，整個曲線較陡峭，終點位置的角加速度相較于起始位置增大了近17倍，機構(gòu)的運動平穩(wěn)性較差。

根據(jù)護理床的空間布局以及高度方向的尺寸限制，可以確定O點、E點橫縱坐標以及A點、C點縱坐標，為了提升抬背機構(gòu)的運動性能，可對其他設計點坐標進行優(yōu)化。

以Ax、Bx、By、Cx為設計變量（下標x代表橫坐標，y代表縱坐標），其取值范圍如表1所示。對設計變量進行靈敏度分析，得到各變量對抬背架角加速度的影響度曲線如圖8所示。從圖可知，變量Cx對抬背架最大角加速度影響非常顯著，當Cx增大時，最大角加速度先減小后增大，Bx、By對最大角加速度影響較大，Ax對最大角加速度影響微弱。

表1 設計變量的取值范圍/mm

圖8 抬背架角加速度影響度曲線

為了提升優(yōu)化的效率，根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果，選取Bx、By、Cx為優(yōu)化變量，變量矩陣X=[X1，X2，X3]=[Bx，By，Cx]

抬背機構(gòu)各構(gòu)件長度為：

推桿伸縮長度應在行程以內(nèi)，抬背架的轉(zhuǎn)角為0°～75°，由式(4)可知：

式中M=-LOCcosθ4，N=LOCsinθ4-LOE，P=LCD。

以抬背架最大角加速度為目標函數(shù)，由式(5)可知：

優(yōu)化后變量的取值如表2所示，由表可知，當Bx、By、Cx分別為-4mm、73mm、450mm時，抬背架最大角加速度最小。優(yōu)化前后抬背架角加速度曲線對比圖如圖9所示，由圖可知，優(yōu)化后抬背架角加速度曲線更加平緩，最大角加速度減小了近3倍，機構(gòu)的運動平穩(wěn)性得到了提升。

表2 優(yōu)化后變量的取值/mm

3.2 翻身機構(gòu)的運動優(yōu)化

初步確定翻身機構(gòu)各點坐標為：O（0，0），A（185，-220），B（-22，-60），C（-22，0），根據(jù)護理床的空間布局以及高度方向的尺寸約束，可以確定O點的橫縱坐標以及A點的縱坐標。選取Ax、Bx、By為設計變量（下標x代表橫坐標，y代表縱坐標），變量的取值范圍如表3所示。

圖9 優(yōu)化前后抬背架角加速度曲線

表3 設計變量的取值范圍/mm

以Ax、Bx、By為優(yōu)化變量，變量矩陣X=[X1，X2，X3]=[Ax，Bx，By]。

翻身機構(gòu)各構(gòu)件長度為：

推桿伸縮長度應在行程以內(nèi)，翻身架的轉(zhuǎn)角為0°～30°，由式(6)可知：

以翻身架最大角加速度為目標函數(shù)，由式(7)可知：

優(yōu)化后變量的取值如表4所示，優(yōu)化前后翻身架角加速度曲線對比圖如圖10所示。

表4 優(yōu)化后變量的取值/mm

圖10 優(yōu)化前后翻身架角加速度曲線

3.3 曲腿機構(gòu)的運動優(yōu)化

初步確定曲腿機構(gòu)各點的坐標為：O（0，0），A（445，-220），B（-35，-95），C（-35，0），根據(jù)護理床的空間布局以及高度方向的尺寸約束，可確定O點的橫縱坐標以及A點的縱坐標。選取Ax、Bx、By為設計變量（下標x代表橫坐標，y代表縱坐標），變量的取值范圍如表5所示。

表5 設計變量的取值范圍/mm

以Ax、Bx、By為優(yōu)化變量，變量矩陣X=[X1，X2，X3]=[Ax，Bx，By]。

曲腿機構(gòu)各構(gòu)件長度為：

推桿伸縮長度應在行程以內(nèi)，曲腿機構(gòu)的抬腿角度為0°～35°，由式(8)可知：

以活動架最大角加速度為目標函數(shù)，由式(9)可知：

優(yōu)化后變量的取值如表6所示，優(yōu)化前后活動架角加速度曲線對比圖如圖11所示。

表6 優(yōu)化后變量的取值/mm

圖11 優(yōu)化前后活動架角加速度曲線

4 結(jié)語

為了更好解決臥床病人的康復運動和壓瘡預防這一護理難題，設計了3類翻折機構(gòu)，所設計的機構(gòu)原理簡單、動力源精簡、實用性強，能夠提供康復護理所需的各種位姿。建立了翻折機構(gòu)的運動學模型，借助ADAMS軟件對其進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后翻折機構(gòu)各執(zhí)行構(gòu)件的角加速度曲線更加平緩，最大角加速度顯著降低，護理床位姿變換時的平穩(wěn)舒適性得到了提升。