一種模塊化設(shè)計的多功能護理床

摘 要：【目的】為提升老年人和行動不便者的臥床體驗，輔助日常保健和康復(fù)治療，提高護理床使用的舒適性和多用途切換的便利性，設(shè)計了一種涉及智能家居與醫(yī)療護理模塊化設(shè)計的多功能護理床。【方法】該護理床采用四段式可翻折床板設(shè)計，配合液壓桿和多級杠桿等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各床板角度的靈活調(diào)節(jié)；集合多種輔助功能，如輔助閱讀、飲食、上下床、如廁等，以滿足使用者的日常生活需求；此外，模塊化的設(shè)計將床、輪椅和擔(dān)架結(jié)合一體，實現(xiàn)一床多用。【結(jié)果】通過運動仿真和關(guān)鍵部件的應(yīng)力分析可知，該護理床結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，并在保障零部件強度的基礎(chǔ)上進行了輕量化設(shè)計?！窘Y(jié)論】與傳統(tǒng)護理床相比，該護理床通過多模式的調(diào)節(jié)提高了使用舒適性，通過多模塊的切換提高了便利性。

關(guān)鍵詞：護理床；多功能護理；模塊化設(shè)計；輕量化設(shè)計；有限元分析

中圖分類號：TH122" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）13-0023-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.005

A Multi-Functional Nursing Bed with Modular Design

ZHOU Yukuan YU Jiahao LU Sifan HUANG Siqian LIANG Mina SONG Jun CAO Zhanlong

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Industry， Shiyan 442000， China）

Abstract： [Purposes] To improve the bed experience of the elderly and people with mobility difficulties， assist rehabilitation and improve the comfort and multi-function convenience of the nursing beds， a multi-functional nursing bed with modular design is introduced， involving the field of smart home and medical care.[Methods] The nursing bed features a four-section folding bed plate design， allowing flexible adjustment of angles for sitting and sleeping positions using hydraulic rod and multistage lever structure; the bed sets a variety of auxiliary functions， such as auxiliary bed， toilet， reading， diet， etc.， to meet the daily needs of users ; in addition， the modular design combines the bed， wheelchair and stretcher for multiple uses.[Findings] Through motion simulation and stress analysis of key components， it can be seen that the structural design is reasonable， and the lightweight design on the basis of ensuring the strength of parts is carried out.[Conclusions] Compared with the traditional nursing bed， the nursing bed improves the use comfort through multi-mode adjustment， and improves the multi-purpose convenience through switching.

Keywords： nursing bed; multifunctional nursing; modular design; lightweight design; finite element analysis

0 引言

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，截至2023年底，我國65 歲以上老年人口為 20 615萬人，占總?cè)丝诘?14.1%，肢體殘疾人口為2 018萬人［1］。針對上述人員的護理、出行、急救等問題，本研究設(shè)計了一種多功能護理床。該護理床有以下三種轉(zhuǎn)換形態(tài)。護理床形態(tài)可以自由調(diào)節(jié)坐姿或睡姿，輔助完成日常生活需求；輪椅形態(tài)可通過便捷轉(zhuǎn)換輔助外出；擔(dān)架形態(tài)可便于急救。目前，國內(nèi)仍以手搖式護理床居多［2］，而國外智能護理床的設(shè)計則側(cè)重于睡姿調(diào)節(jié)，且價格昂貴［3］。因此，本研究設(shè)計了一款不僅結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面，而且成本較低的多功能護理床。

1 總體設(shè)計

本研究設(shè)計的護理床由主體床架、四段式床板、各調(diào)角裝置等組成。利用床體的模塊化設(shè)計將床、輪椅、擔(dān)架結(jié)合于一體，便于三種使用方式的更換，實現(xiàn)一床多用。另外，增設(shè)便盆（或馬桶）輔助如廁。四段式翻折床板可自由調(diào)節(jié)坐姿或睡姿、輔助上下床等，滿足使用者如廁、閱讀、飲食等日常生活的需求，實現(xiàn)高度舒適性和安全便利性，總體設(shè)計如圖1所示。

該護理床共有五大模式和六大板塊。五個模式分別為翻身模式、挺背屈膝（黃金臥姿）模式、輪椅模式、擔(dān)架模式、如廁模式，五種模式自由切換，盡可能滿足使用者的日常生活需求，注重生理與心理的照顧。六大板塊分別為四段式翻折床板、側(cè)邊搖桿裝置、液壓抬升裝置、U型桿抬升裝置、動力滑臺裝置、剪式升降裝置。

1.1 四段式翻折床板

四段式翻折床板的設(shè)計如圖2所示。其由背部床板、臀部床板、腿部床板、擱腳護欄組成。床板采用杉木集成板打造，結(jié)實且透氣，并鋪設(shè)乳膠墊以滿足舒適性的要求。四段式床板的設(shè)計便于翻身和挺背屈膝模式的實現(xiàn)。其中，背部床板由居中板和左右兩側(cè)翻身板組成，二者由貫穿的連桿進行連接。兩側(cè)翻身板可根據(jù)用戶自身的需求自由調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)角度，即實現(xiàn)該護理床的翻身模式；居中板下端固定在床架固定板上，當有坐立或抬背需求時，液壓抬升裝置可實現(xiàn)背部床板的角度調(diào)節(jié)，利用側(cè)邊搖桿裝置實現(xiàn)臀部床板的角度調(diào)節(jié)。利用U型桿裝置實現(xiàn)腿部床板的角度調(diào)節(jié)，而擱腳護欄則采用棘輪裝置與大腿床板固定，即實現(xiàn)挺背屈膝模式。

護理床總長為2 m，各床板尺寸依人體工程學(xué)第99百分位統(tǒng)計方法完成設(shè)計，具體尺寸見表1。

1.2 模式介紹

1.2.1 翻身模式。翻身模式（如圖3所示）工作原理：兩側(cè)翻身板的調(diào)角機構(gòu)由伺服電動缸和多級杠桿機構(gòu)組成（如圖4所示）。伺服電動缸可將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為主軸的直線運動，多級杠桿機構(gòu)由一級主動杠桿、二級惰桿和三級隨動杠桿組成，主軸連接一級杠桿，控制一級杠桿角度調(diào)節(jié)，二級惰桿用于傳遞力矩，最終由三級杠桿推動側(cè)板實現(xiàn)翻身的功能。

為了驗證多級杠桿完成翻身板翻轉(zhuǎn)的可行性，對三級杠桿分別進行有限元分析，如圖5至圖7所示。

為確保所有使用者均能適用，取使用者體重為120 kg，即上述有限元分析中的預(yù)設(shè)載荷為1 200 N，選材為6061鋁合金，具體性能特征見表2。

通過有限元分析可知，一級主動杠桿最大等效應(yīng)力為47.5 MPa，二級惰桿最大等效應(yīng)力為55.1 MPa，三級隨動杠桿的最大等效應(yīng)力為30.9 MPa，均小于6061鋁合金的屈服強度270 MPa，故多級杠桿機構(gòu)具有穩(wěn)定性。

1.2.2 挺背屈膝模式。挺背屈膝模式（如圖8所示）工作原理：背部抬升液壓桿連接在背部床板上，內(nèi)置油路采用M型中位機能的三位四通電磁換向閥構(gòu)建卸荷回路，可實現(xiàn)液壓桿的伸縮，完成角度調(diào)節(jié)，回路中加設(shè)單向閥完成保壓；護理床兩側(cè)通過舵機驅(qū)動搖桿機構(gòu)，兩側(cè)的搖桿之間通過軸完成連接，連接軸穿過臀部床板，以此實現(xiàn)臀部床板的角度調(diào)節(jié)；在臀部床板底部安裝U型桿，舵機驅(qū)動U型桿轉(zhuǎn)動，以此推動腿部床板，完成角度調(diào)節(jié)。通過上述過程便可實現(xiàn)挺背屈膝模式的使用，并設(shè)定黃金角度的臥姿供用戶使用（如圖9所示），同樣的原理也能實現(xiàn)直背坐立模式，輔助上下床、閱讀、飲食、娛樂等日常生活的進行。

1.2.3 輪椅模式。輪椅模式（如圖10所示）工作原理：大腿床板兩側(cè)的護欄升起，轉(zhuǎn)變?yōu)檩喴畏鍪郑粋?cè)邊搖桿機構(gòu)將臀部床板降至最低限位；U型桿下降，大腿床板通過擋板支撐，保持與地面豎直；

液壓抬升裝置將背部床板抬升至使用者舒適的位置后，床板固定板上的勾爪保持背部床板的角度，多級杠桿機構(gòu)的外端保護殼充當輪椅扶手；大腿床板下方的U型桿轉(zhuǎn)動至豎直，充當輪椅車架，打開左右護欄卡扣，可以將輪椅向前推出，實現(xiàn)從護理床到輪椅的形態(tài)改變。

為確保輪椅可以平穩(wěn)行走，對關(guān)鍵支撐件U型桿進行變形量分析（如圖11所示），通過三維軟件對輪椅模式狀態(tài)下的床體進行質(zhì)量評估，預(yù)設(shè)載荷為1 315 N，選材為6061鋁合金。

通過有限元分析可知，U型桿的最大總變形量為0.01 mm，U型桿具有穩(wěn)定性，能保障使用者運用輪椅時的安全性。

1.2.4 擔(dān)架模式。擔(dān)架模式（如圖12所示）工作原理：四段式床板調(diào)至水平位置，打開卡扣機構(gòu)完成床板固定，卸下大腿床板下的U型桿抬升裝置，和背部床板下的液壓抬升裝置，救護人員握住擱腳護欄板底部的擔(dān)架支撐臂，再抽出背部床板頂部的擔(dān)架把手，實現(xiàn)擔(dān)架模式。

1.2.5 如廁模式。如廁模式（如圖13所示）工作原理：當使用者需要進行如廁時，可以控制磁偶式無桿氣缸將升降滑臺向前移動，最大移動距離為1 400 mm，當便盆到達腿部床板如廁口的正下方時，伺服電動缸驅(qū)動剪式升降機構(gòu)上升，伺服電動缸主軸的最大往返移動距離為45 mm，剪式升降機構(gòu)的最大上升高度為487 mm。當便盆到達合適高度，利用齒輪齒條機構(gòu)將如廁口的開合板打開，最后完成沖洗和擦拭。當使用者完成如廁后，便盆的重力傳感器會感受到反饋值保持不變，從而自動復(fù)位，便于護理人員完成便盆的清潔，也可以將便盆換為馬桶，提升智能化程度［4］。

2 多功能護理床的實際應(yīng)用

隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對康養(yǎng)的不斷重視，智能護理床的發(fā)展具有良好前景，護理床在醫(yī)療護理領(lǐng)域的應(yīng)用可提高使用者的康養(yǎng)舒適性，輔助失能患者康復(fù)［5］。智能護理床在醫(yī)療護理中的應(yīng)用如下。①康復(fù)訓(xùn)練：四段式床板可翻折，根據(jù)使用者的康復(fù)需求調(diào)節(jié)各個床板及其隨動板的角度，輔助肢體康復(fù)訓(xùn)練。②預(yù)防治療：護理床的床板角度調(diào)節(jié)可以設(shè)置周期，安排坐立翻身訓(xùn)練，促進血液循環(huán)，有效避免病人長期臥病在床可能引起的排痰不便、墜積性肺炎、褥瘡等癥狀的發(fā)生［6］。③移動輔助：智能護理床可以將床體部分拆卸，直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩喴危奖慊颊呃幂喴我苿?。④緊急救護：護理床可迅速將床體轉(zhuǎn)化為擔(dān)架，使用者無須離床即可進行急搶和體位轉(zhuǎn)移。提高了急救效率，減少了對病人的二次傷害。

3 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

輕量化設(shè)計能夠減少加工所需的材料量，一方面降低生產(chǎn)成本，另一方面可以使零部件更加便攜［7］。在上述關(guān)鍵零部件的有限元分析中，已驗證各零部件整體設(shè)計方面符合剛度設(shè)計要求，但等效應(yīng)力均較小，變形量較小，還存在優(yōu)化空間。對其完成輕量化設(shè)計有助于為后續(xù)護理床的模式轉(zhuǎn)換，并且在輪椅形態(tài)和擔(dān)架形態(tài)中，更輕的質(zhì)量能便于輪椅運行和擔(dān)架的搬運。

將多級杠桿的最大應(yīng)力值和允許的最大型變量作為目標函數(shù)［8］，見式（1）、式（2）。

[minF（x）={F1（x），F(xiàn)2（x），F(xiàn)3（x）}T]" " "（1）

其中：" [F1（x）=minσmax]

[F2（x）=max?l]" " " " " " " " " "（2）

[F3（x）=min（mmax）]

式中：σmax表示最大應(yīng)力值，MPa；max[?]l表示允許的最大形變量，mm；mmax表示多級杠桿的總重量，kg。

為便于后期零部件加工，采用消失模鑄造，根據(jù)現(xiàn)有的小型件鑄造用泡沫塑料模片的尺寸為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基準設(shè)計變量，以三級隨動杠桿為優(yōu)化對象舉例，其優(yōu)化設(shè)計變量見表3。

求得最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，見式3。

[minF（x）=100≤l≤50050≤t≤25050≤h≤300]" " " （3）

根據(jù)輕量化設(shè)計優(yōu)化參數(shù)，可以設(shè)定三級隨動杠桿的尺寸（長×寬×高）為210 mm×80 mm×70mm，其質(zhì)量減少了4.56 kg，施加的預(yù)設(shè)載荷為1 200 N，再次進行靜力學(xué)分析，分析云圖如圖14至16所示。

通過有限元分析可知，在進行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的三級杠桿最大等效應(yīng)力為101.15 MPa，小于6061型鋁合金的屈服強度250 MPa，網(wǎng)格劃分后共25 709個節(jié)點，14 215個單元，其平均應(yīng)力為7.211 2 MPa；其總變形量與等效應(yīng)變極小，由此可知多級杠桿機構(gòu)具有穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

通過三維軟件對模塊化設(shè)計的多功能護理床進行建模，將護理床、護理輪椅、急救擔(dān)架結(jié)合于一體，實現(xiàn)一床多用。再利用有限元分析軟件進行靜力學(xué)分析，隨后進行輕量化優(yōu)化，為后期輪椅模式與擔(dān)架模式的變更與使用提供便利。

多功能護理床作為新型智能康養(yǎng)產(chǎn)物，在醫(yī)療、養(yǎng)老和家居等方面能有效發(fā)揮重要價值，減輕醫(yī)護人員和家庭的工作量，輔助康復(fù)訓(xùn)練，實現(xiàn)預(yù)防治療。在未來發(fā)展中，以模塊化設(shè)計的多功能護理床將發(fā)揮巨大的潛能，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計實用價值和社會價值。

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