輔助老人起居支架設計

趙紀卓 陳鴻躍 萬宏強 薛焱豐

（西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安 710021）

近年來，隨著我國逐步邁入老齡化社會，人口老齡化問題也日趨嚴重[1]。根據(jù)人口普查結(jié)果顯示，60 歲及其以上人口接近1.78 億人，占總?cè)丝诘?3.26%，并以每年3.3%的速度增加，并且這種發(fā)展趨勢在短時間內(nèi)不會緩解[2]。第十九次全國人大代表會議指出，加強人口發(fā)展戰(zhàn)略研究，嚴陣以待應對人口老齡化問題，建立完善養(yǎng)、孝、敬老的社會體系，鼓勵發(fā)展相應的老齡事業(yè)和產(chǎn)業(yè)。由于社會壓力等問題，一部分年輕人不能全身心照顧老人[3]，空巢老人獨自起居存在摔倒、滑倒等安全隱患[4]，對老人身體機能造成較大傷害。因此多功能輔助老人起居支架應運而生，旨在優(yōu)化老人居家自理環(huán)境，減免老人因腿腳不便而造成的上下床困難等問題。

本設計針對性解決老人獨自起居困難，輔助老人上下床以及實現(xiàn)輪椅與起居床的對接，獨自完成輪椅到起居床的轉(zhuǎn)換。本文從結(jié)構(gòu)、工藝性能以及實用性等方面設計一種能夠給予老人上下床的便捷與保障的輔助起居支架。對關鍵元件進行有限元分析[5]，確保機構(gòu)在運行中擁有足夠的強度和剛度。

1 起居床的總體結(jié)構(gòu)設計

該起居支架通過實現(xiàn)床板的自動升降，輔助獨居老人上下床及坐姿和臥姿的轉(zhuǎn)換，其整體的三維模型如圖1 所示，起居支架的主體框架由夾持機構(gòu)、傳動機構(gòu)、抬腿機構(gòu)和固定機構(gòu)組成。整個多功能起居支架的夾持機構(gòu)由底板和夾具組成，抬腿機構(gòu)由四桿機構(gòu)和抬腿板構(gòu)成，傳動裝置由電機帶動曲柄進行旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)活動板的自動升降。使用時，根據(jù)調(diào)節(jié)可控開關來實現(xiàn)電機帶動運動桿實現(xiàn)回擺，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動的快慢，按下反向開關，可以實現(xiàn)桿件反轉(zhuǎn)，此時老人可以通過抬腿板的升降實現(xiàn)上下床。

2 起居床主要機構(gòu)設計

2.1 傳動機構(gòu)的設計

傳動機構(gòu)由減速電機和曲柄機構(gòu)構(gòu)成，通過控制減速電機的絲桿帶動曲柄連桿進行回擺運動，電機絲桿與驅(qū)動桿相連，絲桿帶動曲柄連桿進行回擺，進而帶動活動板的自動升降，完成輪椅與床板的對接工作。

2.2 夾持機構(gòu)的設計

起居支架的夾持機構(gòu)由兩側(cè)夾具和底板構(gòu)成，兩側(cè)夾具通過螺栓固定于底板件第一層構(gòu)成夾持機構(gòu)。當四桿機構(gòu)作回擺運動時，老人可以手持兩側(cè)夾具挪動身體，進而實現(xiàn)坐臥姿的轉(zhuǎn)變。

3 起居床部件的設計

3.1 底板尺寸的設計

活動的底板應滿足醫(yī)療護理方面的相關尺寸要求，且支撐結(jié)構(gòu)應滿足強度要求。根據(jù)YY0003-1990《病床》的有關規(guī)定[2]，并參考市場上護理床相關尺寸和設計目的，桿件與底板的重量不能超過1kg，載重不能超過80kg，所設計的底板總體尺寸長為600mm，寬600mm，高100mm。

3.2 底板的結(jié)構(gòu)設計

底板設計為兩層機構(gòu)，可以節(jié)省成本同時提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，考慮到整體結(jié)構(gòu)的裝配要求將電機和連接桿件放置在第一層。底板的三維模型圖如圖2 所示。

圖1 整體的三維模型

3.3 支撐桿的設計

如圖3 所示為起居支架的運動桿件，圖中支撐桿EF、連架桿AD 和底板CF 組成三角結(jié)構(gòu)以提升運動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)起居床的設計要求，設EF=DF 且∠ADF=80°，支撐桿EF 為1015mm。

圖2 底板的三維模型圖

3.4 連桿機構(gòu)的設計

如圖4 所示的連桿機構(gòu)的三維模型圖，由連架桿和活動板構(gòu)成，桿件和活動板通過螺栓連接。其在工作時由電機帶動實現(xiàn)回擺運動，同時作為主體框架配合支撐桿起到支撐作用。經(jīng)調(diào)查，市面上多數(shù)平板床件，其底板距地面H=340mm,考慮到最終四連桿受力情況，則在AD 中間放置支撐桿EF，起到增力的效果。則由勾股定理：

根據(jù)AB=600mm，DC=400mm，則AD+DC≤AB+BC 則存在曲柄。

圖3 機構(gòu)簡圖

圖4 連桿機構(gòu)的三維模型圖

3.5 電機型號的選取

傳動機構(gòu)采用可調(diào)式交流電機傳動，通過電機轉(zhuǎn)動帶動曲柄進行旋轉(zhuǎn)。老人體重以70kg 計，身高以170mm 計，小腿占體重的約10%，小腿長約為身高的20%，起居床需將小腿抬高340mm，需做功23.8 焦耳，以轉(zhuǎn)速4 轉(zhuǎn)/分，抬起時長4s，所需功率5.95w。據(jù)此選定68KTYZ 型號電動機，其基本參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速2.5 轉(zhuǎn)/分，額定功率為120W，額定電壓220V。

4 關鍵部件的校核

起居支架在工作時，電機帶動曲柄做回擺運動，此時連架桿在工作行進過程中，主要受到軸向壓力與彎曲應力。老人小腿置于活動板上，板面受力可看為重力作用下的分布力，板所受分布載荷約為300N/m，連架桿直徑為6mm。行進過程中，連架桿承載彎曲應力與壓應力的組合應力。

連架桿主要用來承受載荷，為了保證設計的可靠性和安全性，在以下的結(jié)構(gòu)設計與校核計算終對以上參數(shù)上浮10%作為設計參考和校核，確保其的承載能力，從而延長桿件的使用壽命。通過Solidworks 軟件對連架桿進行有限元分析，根據(jù)桿件在垂直狀態(tài)和行進狀態(tài)的受力分析，對整個桿件進行靜應力分析，分析結(jié)果如圖5（a）和圖5（c）所示，判斷出桿件與抬腿板和底板連接處所受應力最大，且最大受力為1.22MPa 和1.05MPa遠處小于許用應力，滿足強度要求；最后對桿件進行安全系數(shù)的分析，分析結(jié)果如圖5（b）和5（d）所示，其安全系數(shù)均滿足要求。因此，連架桿的設計滿足設計要求。

圖5 桿件的分析

5 實物搭建

通過對起居支架各個結(jié)構(gòu)的設計分析以及關鍵部件的強度校核分析，分析結(jié)果均滿足設計要求，現(xiàn)對起居支架各個結(jié)構(gòu)進行實物搭建，如圖6 所示。通過電機帶動曲柄完成抬腿板的自動升降，輔助老人完成坐臥姿的轉(zhuǎn)換，起居支架作為機電一體化產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，為空巢老人的生活起居提供便捷。

圖6 實物圖及測試

6 結(jié)論

本文利用SolidWorks 軟件對輔助老人起居支架的三維模型進行搭建并對起居支架的結(jié)構(gòu)進行設計，提出了總體的設計方案，根據(jù)各個原動件的運動規(guī)律，確定各個機構(gòu)的運動性能，從而驗證各機構(gòu)的合理性。最后，用SolidWorks 對其強度進行分析，通過對支撐件的受力分析可知，輔助老人起居支架的運動平穩(wěn)性良好，床板受力均勻，達到預期設計要求。