多功能護理床的結構設計和研究

韋國強 駱敏舟 朱愛潔

（蘇州諾研智能科技有限公司，江蘇常熟 215500）

伴隨著我國經濟的高速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高，人們將目光聚焦于智能護理床，以期解決生活無法自理的老年人、因疾病導致行動不便的病人和殘疾人等的基本護理問題，減輕醫(yī)護人員以及病患家屬的護理壓力。

護理床行業(yè)起步于歐美等發(fā)達國家，他們掌控著護理床的核心技術，致力于產品功能的升級完善。新加坡理工學院的K.S.Jaichandara 等人設計了一種基于FPGA 的在臨床環(huán)境中預防褥瘡產生的智能低成本護理床，在床面溫度超過預定的閾值后會報警提示護理人員幫助患者翻身，能夠有效減少褥瘡的形成。我國的護理床產業(yè)與發(fā)達國家相比仍處于相對落后的地位，多數(shù)研究停留在理論設計或逆向開發(fā)階段，津理工大學李鋒等人設計了一種可實現(xiàn)床椅轉換功能的護理床，并通過仿真實驗檢驗了設計成果，取得了不錯的成效。

現(xiàn)有的護理床產品沒有能很好地解決行動不便患者在床上的大小便問題，相關研究停留在了理論驗證階段，而這一功能是最需要的。因此，本文主要開發(fā)出可以完成起背、曲腿、側翻身等床體運動，符合中國國情的護理床產品。

1 總體設計方案

1.1 設計原則

目的是為生活無法自理的老年人、因疾病導致行動不便的病人和殘疾人等提供護理床產品服務，考慮到用戶群體的特殊性，在進行產品設計時應遵循人化原則、物化原則和環(huán)境原則，使得護理床產品的性能更加人性化。

1.2 護理床床體尺寸

依據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標準：病床》（YY0003-1990）的相關標準，本文的設計以《中華人民共和國國家標準:中國成年人人體尺寸》（GB10000-1988）中第5 百分位和第95 百分位的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作參考來擬定床體的總體尺寸和各床板的尺寸。本文護理床的外形尺寸為：長×寬×高=2000mm×950mm×500mm。床板是護理床完成各功能的直接執(zhí)行件，需承載使用者的體重。為了實現(xiàn)設計功能，本課題中床面床板共分為11 塊，分別為背板、臀部板、大腿板、小腿板和便孔床板，可分為X 和Y 兩個方向來確定其尺寸（X 向尺寸主要參考坐姿人體尺寸，Y 向尺寸依據(jù)側翻身軸線確定）。

綜上，護理床的床板尺寸規(guī)格如圖1 所示。

圖1 護理床床板尺寸圖

1.3 承載能力參數(shù)

按照《醫(yī)用電氣設備第二部分：醫(yī)院電動床安全專用要求》（YY0517-2013）規(guī)定，醫(yī)院電動床的安全工作載荷應在1700N以上，且在標準中提供了載荷在各床板上的分布比例，如圖2 所示。取計算載荷1800N（包含床板等在內的所有附件）為后續(xù)設計、仿真、分析校核等的計算參考值。

1.4 功能實現(xiàn)參數(shù)

研究結果表明人純粹為了放松身心時休閑椅與水平面間的最佳角度為72°-75°，結合護理床相關標準確定起背角度在0°-75°可調；上下曲腿可達到輔助康復訓練的目的，其數(shù)值可參考現(xiàn)有康復理療床的參數(shù)確定，本設計中取為-75°-30°可調，負值表示下曲腿；左右側翻身能有效減少褥瘡的發(fā)生，為了達到輔助翻身效果的同時又不至于對患者造成擠壓、滾落等傷害，本文取側翻身0°-45°可調。

1.5 護理床的驅動方式和控制策略

本文護理床設計中選擇的是電機驅動，在考慮到成本和使用的安全性以及床下空間的限制，最終選擇的是DC24 電動推桿作為床體驅動部件（永磁直流同步電動機）。護理床位姿調整功能中需要的是24V 電源，控制6 個電動推桿獨自或聯(lián)合動作。

圖2 護理床床板尺寸圖

2 護理床機械結構設計

護理床床體需要實現(xiàn)患者位姿調整功能，據(jù)此將其分為床架、起背、曲腿和側翻身四個分模塊進行獨立設計。護理床的框架結構使得在進行位姿轉換時床板的運動范圍較大，因此在進行此類運動機構設計時應以具有大尺寸導引特點的連桿機構作基本構型進行設計。

2.1 起背運動機構

起背運動主要是實現(xiàn)坐姿或倚靠功能，幫助患者放松，方便進行飲食、閱讀等動作。

原動件為電動推桿4-5，執(zhí)行件是床板1，電動推桿的伸縮桿4 帶動彎桿3 繞機架轉動，推動滾輪2 沿背板1 運動，進而帶動背板1 繞機架轉動，完成起背動作。起背運動機構示意如圖3所示。

2018年5月28日每個小區(qū)于對角線處選擇3個點，每個點選擇有代表性的0.1 m2，調查有效穗數(shù)(剔除5粒以下的小穗)，折算成1 hm2有效穗數(shù)；樣點內從根部隨機取20個麥穗(剔除5粒以下的小穗)，調查穗粒數(shù)，計算每穗粒數(shù)，千粒質量按該品種常年千粒質量(39.3 g)計算，產量計算公式如下：

圖3 起背運動機構示意圖

以原動件電動推桿與床架的鉸接中心為原點，護理床長度方向為X 軸，高度方向為Y 軸，建立如圖4 所示的起背機構運動模型。

圖4 起背運動機構運動模型

OAB 的封閉矢量方程式為

2.2 曲腿運動機構

曲腿運動能協(xié)助患者腿部進行康復訓練，防止肌肉萎縮，方便護理人員對患者進行簡單下肢清潔。

該機構原動件為電動推桿5-6，有一個自由度，運動軌跡確定。為方便側翻身的進行，本文腿部板采用的是雙層結構，圖5為下層運動單元。電動推桿的伸縮桿5 動作可帶動四邊形機構1-3-4-1 繞機架轉動，同時帶動后側小腿板驅動框2 繞鉸鏈轉動，且上平面始終保持與地面平行。曲腿運動機構示意如圖5所示。

圖5 曲腿運動機構示意圖

根據(jù)選定的曲腿運動機構，以原動件電動推桿與床架的鉸接中心為原點，智能護理床長度方向為X 軸，高度方向為Y 軸，建立如圖6 所示的曲腿機構運動模型。

圖中OA 表示曲腿電動推桿，A、B、C、D、E、O 均為各構件連接鉸鏈的中心點。設某一時刻電動推桿中軸線與水平面間的夾角為θ1，其余各尺寸和角度參數(shù)如圖中標注所示，其封閉矢量方程式為

由歐拉公式將上式實部和虛部分離并解方程可得：

圖6 曲腿運動機構運動模型

2.3 側翻身運動機構

側翻身能夠方便護理人員對患者進行身體清潔、換衣等護理操作，減輕長時間臥床帶來的疲憊感，同時能有效減少使用者褥瘡、皮膚潰爛等病情的發(fā)生。

原動件為推桿7-8，運動軌跡一定。該機構的連桿3 和4 的一端與床板通過鉸鏈連接，另一端可與滑塊分離?；瑝K沿桿件6左右滑動時能通過連桿3 或4 帶動床板1 或2 繞機架轉動，實現(xiàn)側翻身。側翻身運動機構示意如圖7 所示。

圖7 側翻身運動機構示意圖

根據(jù)上述選定的側翻身運動機構，以原動件電動推桿與床架的鉸接中心為原點，智能護理床長度方向為X 軸，高度方向為Y 軸，建立如圖8 所示的運動模型。

圖8 側翻身運動機構運動模型

圖8 中OA 表示側翻身電動推桿，A、B、C、O 均為鉸鏈中心點，D 為床板與側翻桿的交點，F(xiàn) 點為側翻桿內部AB 與DE 的交點。設某一時刻電動推桿中軸線與水平面間的夾角為 θ1，其余各尺寸和角度參數(shù)如圖8 中標注所示。該機構的運動學求解與起背機構類似，不同點是各構件的尺寸參數(shù)不同，求解過程不再贅述。

由OABO 的封閉矢量方程可求得

3 有限元分析

床架是整個護理床系統(tǒng)的支撐件，也是各功能運動機構的支撐基體，在任何靜止位姿狀態(tài)下或位姿轉換的運動過程中，各功能模塊的最終受力都會傳遞到床架上，必須保證床架結構的穩(wěn)定性和安全性，因此有必要對床架進行有限元分析。當上曲腿動作和起背動作同時發(fā)生時，患者體重及所有附件重量都只會通過臀部板作用于床架上床框的外沿梁上，該狀態(tài)下力的作用面積最小，選擇此狀態(tài)作為床架靜力學分析對象。

在進行分析前需對模型進行簡化處理：在本文中忽略焊接影響，將其當成一個整體零件處理；去除圓角、倒角等對結構性能影響很小的建模特征。對處理后的模型各部件間添加螺栓虛接頭組成床架裝配體，添加零部件材料為Q235B，在床架下床框腳輪安裝處添加固定約束，在上床框的制定區(qū)域施加均布力F1（約為1800N），下床框的限定區(qū)域施加均布力F2（坐便器集成系統(tǒng)重量，約為150N），調整網(wǎng)格密度，采用標準網(wǎng)格形式進行網(wǎng)格化處理，劃分單元數(shù)為64996 個，節(jié)點數(shù)為115667 個，最后得到床架應力分布圖和床架位移變形圖，如圖9 和圖10 所示。

經分析計算得到如圖9 所示的床架應力分布圖和圖10 所示的床架位移變形圖。從圖中可看出，床架的最大的應力值為48.9MPa，出現(xiàn)在床腿與上床框的連接處；最大的變形為0.41mm，出現(xiàn)在床腿較少一側的上床框側沿中間部位。與Q235B 材料的機械性能參數(shù)進行對比可知，其最大應力值小于材料屈服強度，且有較大的強度冗余，強度滿足設計要求；將床架簡化為梁結構估算變形最大的上床框側沿的許用撓度約為4mm，仿真結果遠小于該值，剛度滿足設計要求。圖中變形放大倍數(shù)為317 倍。

4 結論

確定了各位姿調整功能模塊的機構構型,分別建立了起背機構、曲腿機構和側翻身機構的運動學模型，并用解析法完成了運動學分析。根據(jù)仿真結果，對護理床床架機構受力狀況最惡劣的狀態(tài)進行了有限元分析，得到了結構的應力分布云圖和位移變形圖，將分析結果與材料Q235B 的機械性能作了對比，驗證了結構強度和剛度滿足使用要求，保證了結構的安全性。

圖9 床架應力分布圖

圖10 床架位移變形圖