一種基于ADAMS的智能輔助護理床結構設計

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.009

摘" 要：我國人口老齡化日益嚴重，老年人及腦卒中患者的護理問題已經逐漸地凸顯出來。因此，對功能完善的智能輔助護理床的需求在不斷增加。一款價格低廉、實用的智能輔助護理床的設計、應用等問題亟待解決。該文基于ADAMS軟件對一款智能輔助護理床進行結構設計，并進行抬背機構的運動仿真分析。仿真結果表明，該設計能實現(xiàn)3種機構的位姿切換、床板的起升角度和抬升高度符合設計要求。同時，該設計具有結構簡單、價格低廉等特點，可以滿足老人家庭護理要求的同時也減輕家庭的負擔。

關鍵詞：護理床；結構；ADAMS；仿真；機構設計

中圖分類號：TH789" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0035-04

Abstract： With the increasingly serious aging of the population in China， the nursing problems of the elderly and stroke patients have been gradually highlighted. Therefore， the demand for fully functional smart auxiliary nursing beds is increasing. The design and application of a cheap and practical smart auxiliary nursing bed need to be solved urgently. This paper designs the structure of an smart auxiliary nursing bed based on ADAMS software， and carries on the motion simulation analysis of the back-lifting mechanism. The simulation results show that the design can realize the position and attitude switching of the three mechanisms， and the lifting angle and height of the bed plate meet the design requirements. At the same time， the design has the characteristics of simple structure and low price， which can not only meet the family nursing requirements of the elderly， but can also reduce the burden of the family.

Keywords： nursing bed; structure; ADAMS; simulation; mechanism design

我國的老齡化日益嚴重，同時人們的壽命也在不斷增加，目前我國65歲及以上的人口就占到12%[1-2]，而且每年都在增加，我國已經成為一個老齡化的國家，我國的人口老齡化程度日益嚴重，但經濟發(fā)展不能完全與之匹配。因此，對一款智能輔助護理床結構進行設計，其可以滿足老年人的家庭護理要求，能夠讓在家中的老人得到更好的照顧，同時減輕家庭的勞動和經濟負擔。

1" 總體方案

1.1" 護理床概況

智能輔助護理床一般都是動力床，分為按鍵或手搖動智能輔助護理床。應具有多項功能，包括吃飯看書、報警功能、移動運輸及輸液提示等功能。按照動力可以分為2種類型：手動智能輔助護理床和電動智能輔助護理床；按照功能類型分為3種：功能基礎型護理床、動能普通型護理床、功能高級型護理床。

1.2" 護理床的基本要求

在智能輔助護理床的結構設計中，智能輔助護理床主要實現(xiàn)以下4大功能：①可以使病人自動調節(jié)智能輔助護理床的高度，上升或下降達到自己想要的位置。②可以支起病人的后背，一方面，可以促進病人的血液循環(huán)；另一方面可以滿足病人吃飯、看書等需求，豐富病人的生活。③可以使病人的腿部彎曲或抬起，達到病人自己想要的舒適狀態(tài)。④可以解決病人的生活排便問題。

1.3" 智能輔助護理床的設計指標及尺寸

以相關國家標準[3]，作為智能輔助護理床的設計指標。設計智能輔助護理床的長為2 200 mm，寬為1 100 mm，高為400～500 mm。

1.4" 智能護理床體整體結構

智能輔助護理床由床框架（包含床板、支架等機械部分）、平面機構（包含智能輔助護理床升降機構、抬背機構、曲伸腿機構和坐便機構）、電機模塊（升降電機、抬背電機、曲伸腿電機）等部件組成。在智能輔助護理床的總體布局上，需要全面考慮各個模塊的運動狀態(tài)，解決好各個模塊之間的運動問題，避免各個模塊之間相互干涉，影響智能輔助護理床的正常動作，設計時需要在智能輔助護理床有限的空間里合理劃分好各個模塊。

按功能分類智能輔助護理床共分為升降模塊、抬背模塊、曲伸腿模塊和排便模塊。在機構上選擇連桿機構。連桿機構具有運動副形狀簡單，容易制造，承載能力大，容易實現(xiàn)遠距離傳動等特點，能改變構件相對長度，可以實現(xiàn)不同的運動規(guī)律和運動要求，能更好地實現(xiàn)各個床板的運動。各驅動元件裝置安裝在支撐框架的下面，每個機械零件都盡可能地均勻對稱地分布在床板下方，使智能輔助護理床的整體處于平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。整體結構建模如圖1所示。

根據YY 0571—2013《醫(yī)用電氣設備 第2部分：醫(yī)院電動床安全專用要求》以及對人類身體體重的分布的考慮，抬背床板的負載為人體體重的45%，座位床板的負載為人體體重的25%，曲伸腿床板的負載為人體體重的30%。

護理床載荷分布如圖2所示，圖中A為抬背床板，B為座位床板，C為大腿床板，D為小腿床板，CD為曲伸腿床板。

2" 智能輔助護理床各模塊的機構設計

2.1" 智能輔助護理床的抬背機構設計

機構為一個螺旋一連桿組合機構，如圖3所示，通過對該模型進行分析，可以看出該模型有4個活動件，3個轉動副，1個移動副，也可以看成1個四桿機構，自由度F=1，由此可知該機構只需要1個原動件就能滿足運動。這樣就可以采用電動機來作為動力源，從而獲得很大的翻身角度，符合要求。

2.2" 智能輔助護理床的曲伸腿機構設計

智能輔助護理床的曲伸腿機構圖如圖4所示，經過與抬背機構相同的分析對比，考慮到曲伸腿機構和抬背機構的調節(jié)范圍都在0～70°[4]，并且運動原理一樣，所以曲伸腿機構采取和抬背機構相同的機構。

2.3" 智能輔助護理床升降機構的設計

升降機構如圖5所示，通過對比選擇帶有平行四邊形機構的升降機構，對該模型進行分析，該機構為1個自由度，模型系統(tǒng)穩(wěn)定，連接緊密，成本較小。

3" 智能輔助護理床的機構運動分析

在病人平躺狀態(tài)的時候，智能輔助護理床是水平放置的，各個電機是不需要運作的，此時智能輔助護理床的狀態(tài)就跟普通的病床一樣。

智能輔助護理床平放狀態(tài)如圖6所示，其中：1為抬背床板；2為臀部床板；3為大腿板；4為小腿板；5為連桿；6為螺帽；7為螺桿；8為連桿；9為螺帽；10為螺桿。

智能輔助護理床運動狀態(tài)圖如圖7所示，當病人需要抬背時，左邊的電動機運轉，來使螺桿7進行運動，從而帶動螺帽6朝右移動，然后帶著連桿5推著床板1升起，實現(xiàn)智能輔助護理床的抬背功能。當病人需要曲伸腿時，通過右邊的電動機運轉來使螺桿10進行運動，從而帶動螺帽9朝左邊移動，然后帶著連桿8推動床板3升起，實現(xiàn)智能輔助護理床的曲伸腿功能。當病人需要排便時，左邊的電動機運轉，帶動螺桿7運動，從而帶動螺帽6朝右移動，然后帶著連桿5推著床板1升起，同時右邊的電動機，運轉來使螺桿10進行運動，從而拉著螺帽9朝右邊移動，床板3被連桿8拉著向下旋轉，此時智能輔助護理床狀態(tài)就類似于輪椅，從而實現(xiàn)智能輔助護理床的坐便功能。當病人需要翻身時，可把腿部的翻身板掀起，通過人工輔助病人實現(xiàn)翻身功能。

4" 護理床運動學仿真

創(chuàng)建ADAMS模型，將護理床抬背機構、連桿、螺桿進行簡化分析，簡化模型如圖8所示。添加約束條件，并進行動力學仿真。添加給運動副并賦予運動。進行護理床的剛體動力學仿真，由PostProcessor分析得到抬背板的抬背角度和抬背角速度，驗證護理床抬背機構的可行性。

抬背機構運動學仿真結果如圖9所示。得到角度和角速度隨螺旋副距離的關系。由圖9可知，在初始點，角速度由9°/s逐漸減少到0，抬背時間18 s，抬背板的最大旋轉角度為70°，滿足設計要求。并且角速度曲線平滑，沒有速度突變，最大角速度為9°/s，驗證了起背機構設計的可行性，滿足設計要求。

Curve1為角速度隨螺桿距離的變化曲線，Curve2為抬背板角度隨螺桿距離的變化曲線。

5" 結束語

本文基于ADAMS虛擬仿真軟件，對一款多功能智能輔助護理床的結構進行設計。提供了結構設計的總體方案，對護理床運動情況進行了分析，驗證了機構的可行性。最后通過動力學仿真分析，驗證了智能輔助護理床的運動的平穩(wěn)性。智能輔助護理床的應用不僅可以緩解護理人員以及家庭的壓力，緩解人手不夠等問題，同時也能夠給病人提供一些簡單的生活自理能力，有利于病人的恢復。所以一款多功能的智能輔助護理床還是具有很大的市場潛力，具有廣闊的發(fā)展前景，值得我們去研究[5]。

參考文獻：

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[2] 祖悅，王艷秋.老齡化沖擊下的延遲退休政策探析［J].吉林化工學院學報，2021，38（8）：70-72.

[3] 國家市場監(jiān)督管理總局.醫(yī)用電氣設備第2部分：醫(yī)院電動床安全專用要求：YY 0571—2013[S].北京：中國標準出版社，2013.

[4] 曹瑩瑜，游家誠，張艷琦，等.運動性損傷康復機器人多功能床體設計[J].北京石油化工學院學報.2019（4）：27.

[5] 段金池，劉佳琪，付昱禎，等.一種新型多功能一體化康復床的設計[J].機電信息2021（20）：47-48.

基金項目：滄州市科技計劃自籌項目（213105005）

作者簡介：劉禹（1982-），男，碩士，工程師。研究方向為大型機械結構設計、3D打印技術。