可移動坐臥兩用半失能老人護理床設(shè)計

摘 要：本文針對半失能老人的護理需求和自主參與日?；顒拥男睦碓V求，設(shè)計了一款多功能護理床，采用床椅一體化結(jié)構(gòu)，搭載多種類型的傳感器和微控制器，除滿足日常護理需求外，還能幫助老人完成更多的自主活動。該護理床搭配伸縮推桿和基于ROS（Robot Operating System）的機器人移動底盤，多端可控，在安全的前提下為老人提供盡可能多的操作空間，并使用JACK軟件的人因工程仿真和實物控制檢驗。該護理床具有安全性和舒適性，可滿足半失能老人的使用需求。

關(guān)鍵詞：智能護理床；半失能老人；智能化控制；ROS

中圖分類號：TH 122" " " " 文獻標志碼：A

我國人口老齡化現(xiàn)象正從深度老齡化邁向超級老齡化，隨著老齡化程度持續(xù)上升，失能、半失能老人數(shù)量不斷增加，與之對應的護理服務需求激增，全社會面臨前所未有的壓力[1]。護理床是老年人護理的關(guān)鍵保障設(shè)備之一，其更新發(fā)展刻不容緩。

目前，在護理床的使用人群中，半失能老人比失能老人人數(shù)占比更多且具有一定的身體自控能力，有比較強的獨立自主參與日常活動的心理訴求[2]。而現(xiàn)階段的護理床幾乎都是針對失能老人設(shè)計的，很難找到針對半失能老人設(shè)計的護理床[3]，面向半失能老人護理床方面的研究方興未艾。本文針對半失能老人的生理需要和心理訴求，設(shè)計了一種適用半失能老人的可移動坐臥兩用多功能護理床。該護理床以移動機器人為底盤，采用床椅一體化設(shè)計，既滿足半失能老人的實用需求、保障其安全，也能有效降低家屬的護理勞動強度。該型護理床結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件等技術(shù)，具有較好的社會效益和市場推廣價值[4]。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮人體工程學原理，可移動坐臥兩用護理床總體設(shè)計方案如圖1所示。床體根據(jù)人體結(jié)構(gòu)分為4個部分，即床頭部分（8）、床身部分（11），床尾部分（5）和踏板（4），并輔以周邊擋板，保障使用安全。為保證老人在使用過程中的舒適度，該護理床采用床頭、床身和床尾三段式設(shè)計，每一段均可獨立調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)符合人體的自然曲線，能提供更舒適的支撐，尤其是在長時間使用的情況下，能夠有效減少壓力點和不適感。

在圖1所示的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，針對半失能老人的特殊護理需求，床體采用坐臥兩用的可變換設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)從坐姿到臥姿的無障礙轉(zhuǎn)換。床頭部分可輔助老人起身、平躺和倚靠，床尾部分可支撐身體和輔助下床。為保證坐姿的穩(wěn)定性，該護理床設(shè)計了放腳踏板。為避免單根推桿推動受力不均的問題，由2個電動伸縮推桿（構(gòu)件3與9，共4個）分別連接床體的5號板和8號板，推動5號、8號板完成坐、臥姿態(tài)的變換。

在坐姿狀態(tài)下，床頭部分（構(gòu)件8）上升，為老人提供充分的背部支撐，保證老人能穩(wěn)定、舒適地坐立。床身部分（構(gòu)件11）保持水平，提供軀干和下肢的堅實承托。床尾部分（構(gòu)件5）適度上升，以支撐雙腿并防止滑動，踏板（構(gòu)件4）在此狀態(tài)下增強了坐姿的穩(wěn)定性與安全性。在躺姿狀態(tài)下，床頭部分（構(gòu)件8）逐步放平，床身部分（構(gòu)件11）與床尾部分（構(gòu)件5）根據(jù)人體自然曲線展開，形成一個平坦的睡眠表面，提供全身均勻的支撐和舒適感。電動伸縮推桿的精確調(diào)節(jié)機制與限位開關(guān)的使用能保證狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的平穩(wěn)與無障礙，實現(xiàn)無縫過渡。這一設(shè)計不僅優(yōu)化了老人在不同狀態(tài)下的舒適度，還便于護理人員根據(jù)具體需求進行靈活調(diào)整，從而顯著提高護理效率與安全性。

圖1中的桌板（構(gòu)件6）可滿足老人的日常使用，例如進食、閱讀和使用其他設(shè)備等，同時床身下方平臺用于置物。推桿、底盤機器人、控制器組成了護理床的運動結(jié)構(gòu)，可利用手機App控制床體的移動。輪子采用麥克納姆輪，可以自由轉(zhuǎn)向，老人在護理床上由臥姿變換為坐姿時，可以操縱護理床快捷地移動。坐、臥姿態(tài)如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

可移動坐臥兩用護理床的控制系統(tǒng)綜合使用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和無線通信等技術(shù)，主要進行護理床姿態(tài)控制、移動底盤的平穩(wěn)移動、環(huán)境與體征的監(jiān)測以及與終端系統(tǒng)使用交互，其功能模塊如圖3所示。

護理床控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)核心為主控芯片，該芯片接收來自手機App、按鍵板和PC端的指令。在傳感器獲取信息的輔助下，能夠精準控制床體的姿態(tài)變換和移動。

環(huán)境監(jiān)測模塊采用DHT11溫濕度采集芯片。該芯片將采集的模擬數(shù)據(jù)進行校正和濾波，再發(fā)送到主控芯片的模擬引腳上，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。這些數(shù)字值由主控STM32芯片發(fā)送至PC端。系統(tǒng)還集成了光電測距傳感器，用于實時檢測周邊空間，保證床體在伸展過程中不會與周圍物體發(fā)生碰撞。傳感器檢測到的距離數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)化為高、低電平信號，由主控芯片判斷是否符合伸展的空間要求。這一機制增加了床體操作的安全性，可防止?jié)撛诘呐鲎彩鹿省?/p>

移動控制模塊將4個麥克納姆輪（脈輪）作為主輪，輔以4個萬向輪增強支撐結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)差速轉(zhuǎn)彎相比，這種輪式結(jié)構(gòu)具有多個優(yōu)勢，其緊湊的設(shè)計適合于空間限制大的場所，能夠?qū)崿F(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，具有更自由的轉(zhuǎn)向能力，可保證床體在狹窄且轉(zhuǎn)彎頻繁的環(huán)境中能夠靈活移動，結(jié)合比例-積分-微分（PID）[5-6]控制策略，該系統(tǒng)能夠在運行過程中達到最大的穩(wěn)定性。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的優(yōu)越性能如圖5所示。

護理床的起臥功能由2組成對的電動推桿實現(xiàn)，頭尾兩端獨立控制，允許使用者調(diào)節(jié)至個人感覺最舒適的位置。電動推桿的控制基于TB6600驅(qū)動器和STM32控制板的協(xié)同作用。在工作環(huán)境下，TB6600驅(qū)動器將STM32控制板輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為電動推桿所需的精確驅(qū)動力，在共陰極接法下，系統(tǒng)更穩(wěn)定，兼容性更好。利用STM32控制板對TB6600驅(qū)動器輸出的信號進行控制，從而準確控制電動推桿的速度、運行方向和位置。推桿限位控制的引入可保證推桿在運動過程中不超出預設(shè)范圍。

系統(tǒng)的控制優(yōu)先級依次為PC端、APP和按鍵板。按鍵板的中心按鍵具有自鎖功能，以防止誤操作。移動設(shè)備端可以利用藍牙連接并使用App將控制指令發(fā)送至主控芯片，從而遠程操控護理床，滿足家屬或護理人員的遠程控制需求[7]。

在實際使用中，App與按鍵控制均采用長按式控制方式，按下與松開可分別發(fā)送2個不同的指令，以進行精確控制。當按下按鍵時，系統(tǒng)會接收并處理一個初始控制指令，激活相應的功能模塊。保持按住狀態(tài)可持續(xù)發(fā)送該指令，使系統(tǒng)維持激活狀態(tài)，并在滿足運動的條件下進行預定操作。當松開按鍵時，系統(tǒng)會接收并處理一個終止指令，停止當前操作并返回初始狀態(tài)。

本文在設(shè)計中還引入了ROS（Robot Operating System）。ROS采用Linux設(shè)備進行搭載，可與主控芯片相互通信。ROS提升了護理床的智能性和自主性，能為老人提供更好的服務，其主要技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在以下3個方面。1） 定位與避障。激光雷達用于收集周邊環(huán)境的信息，以點云形式傳輸數(shù)據(jù)，達到使機器識別周圍環(huán)境的目的。在該基礎(chǔ)上，搭配SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法，確定自身位置，并自主導航到指定位置，避免障礙物的碰撞[8]。2） 遠程控制與檢測?；赗OS的護理床可以連接手機App或電腦端，進行遠程控制和監(jiān)控功能。家屬或護理人員可以通過App遠程控制床的姿態(tài)調(diào)整，監(jiān)測老人的實時狀態(tài)和生理參數(shù)，及時了解老人的周身狀況。3） 功能拓展。ROS支持更多交互功能，例如查詢天氣、播放語音等，并能結(jié)合機器學習和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析收集的信息，提供個性化的護理建議和健康管理。

3 試驗仿真

為保證該護理床設(shè)計滿足半失能老人的具體需求，本文采用JACK軟件進行人體工程學分析。相關(guān)研究指出，半失能老人常因長期受力導致第四腰椎（L4）與第五腰椎（L5）受損，進而引發(fā)腰腹和下肢疼痛等問題[9]。因此，分析的重點為模擬病患的下背部受力情況。

在分析過程中，選取一名成年男性（身高176cm，體重78kg）作為仿真對象，主要考察護理床在不同姿態(tài)下對人體下背部的支撐效果。采用模擬分析，詳細觀察并評估護理床對關(guān)鍵脊椎區(qū)域的支持和壓力分布，保證護理床能夠為半失能老人提供必要的支持，減少長期臥床帶來的不適和潛在健康風險。仿真對象在護理床上的具體姿態(tài)如圖6所示。

坐姿和躺姿下L4和L5腰椎的具體受力情況分別如圖7、圖8所示。分析結(jié)果顯示，在這2種姿態(tài)下，腰椎承受的壓縮力為700N～900N，同時伴隨的滑移力相對較小，遠低于美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所（NIOSH）規(guī)定的安全標準值。

肌肉受力仿真結(jié)果分別如圖9、圖10所示。仿真結(jié)果指出，無論是平躺還是靜坐狀態(tài)，腹部尤其是腹直肌是主要的受力部位。躺姿時腹直肌的受力可達近500N，這種力量水平可能導致使用者有疲勞感。因此，盡管該護理床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計基本上滿足了人體工程學要求，但是在長期使用的舒適性方面還存在改進空間。為了減輕腹部受力帶來的不適和疲勞，本文在護理床床身的設(shè)計中加入可額外的墊材，以提供更好的支持和減震效果[10]。

4 結(jié)論

智能護理床綜合應用多種技術(shù)，顯著降低了護理人員的工作強度，緩解了失能老人臥床時的心理壓力。本文針對半失能老人的日常生活需求和基本護理需求，設(shè)計了一種床椅一體化的智能護理床，兼具移動、監(jiān)測和使用者自主控制的特點。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了信息采集和實時可視化，同時具備靈活的移動系統(tǒng)、安全的多傳感器判斷以及多端控制功能。樣機表現(xiàn)出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和良好的控制效果。該護理床在使用上符合預期標準，滿足設(shè)計目標。

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通信作者：杜雷（1966-），男，河南周口市人，博士研究生，副教授，研究方向為機械設(shè)計、CAD/CAM。

電子郵箱：408787189@qq.com。

基金項目：浙江省國家級創(chuàng)新訓練項目“半失能老人多功能護理床開發(fā)”（項目編號：202110350044）。