護(hù)理床椅抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

摘 要：為實(shí)現(xiàn)背板可在0°～70°范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)護(hù)理床椅的抬背機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。該機(jī)構(gòu)主要采用連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抬背功能，首先通過繪制出運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖進(jìn)行尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)，其次通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與計(jì)算得到對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系式，并通過Cero7.0的仿真模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以開展驗(yàn)證分析。結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)曲線的趨勢(shì)較好，抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合護(hù)理床椅的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：護(hù)理床椅；抬背機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TH123+.1；TH789" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）07-0044-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.011

0" " 引言

護(hù)理床椅作為醫(yī)療器械，其設(shè)計(jì)必須考慮到可行性及舒適性。在護(hù)理床椅的抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，要確保護(hù)理床椅可靠、穩(wěn)定，就必須保證床面運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，避免忽快忽慢、急停等情況的出現(xiàn)讓使用者沒有安全感。

為滿足該要求，首先需通過確定好的抬背機(jī)構(gòu)的構(gòu)型，對(duì)抬背機(jī)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、安放位置與轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，然后分析抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真。

該過程是實(shí)現(xiàn)護(hù)理床椅功能的重要環(huán)節(jié)，是驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的必要手段，且為護(hù)理床椅的設(shè)計(jì)計(jì)算以及抬背機(jī)構(gòu)的動(dòng)力選擇及有限元分析提供了理論依據(jù)。

1" " 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)理床椅的抬背機(jī)構(gòu)是通過推桿電機(jī)的伸縮帶動(dòng)背板繞合頁(yè)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)背板0°～70°的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而完成抬背功能。

針對(duì)抬背運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的抬背機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，在進(jìn)行抬背運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠滿足推桿電機(jī)所需要的工作行程，并且不會(huì)與坐板產(chǎn)生機(jī)構(gòu)干涉，此機(jī)構(gòu)有3個(gè)自由部件、3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1個(gè)螺旋副，自由度為F=3×3-2×4=1，因此抬背機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2" " 尺寸設(shè)計(jì)

抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，并以O(shè)1A1為Y軸，垂直于O1A1方向作為X軸建立坐標(biāo)系。圖中，O1為抬背機(jī)構(gòu)推桿電機(jī)下端安裝支撐座，A1為背板轉(zhuǎn)動(dòng)的合頁(yè)軸，A1B1為固定連接件，該固定連接件將背板與推桿電機(jī)進(jìn)行連接，其中B1為推桿電機(jī)末端位置，α1為推桿電機(jī)與X軸的夾角，β1為背板與水平位置的夾角，θ1為背板與固定連接件的夾角，設(shè)A1B1的長(zhǎng)度為L(zhǎng)ab，O1A1的長(zhǎng)度為L(zhǎng)oa，O1B1的長(zhǎng)度為x1。

確定A1點(diǎn)的位置：A1為背板轉(zhuǎn)動(dòng)的合頁(yè)軸，是固定位置，故確定A1點(diǎn)的位置就是確定O1點(diǎn)的位置。O1點(diǎn)位置的確定要考慮護(hù)理床椅床板下的空間大小、推桿電機(jī)的安裝及初始長(zhǎng)度。若O1A1的豎直長(zhǎng)度過短，在實(shí)現(xiàn)背板0°～70°的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致推桿電機(jī)與背板干涉；若O1A1的豎直長(zhǎng)度過長(zhǎng)，則會(huì)占用過多的床板下的空間。故經(jīng)過綜合分析，可以確定γ1的大小為33.1°，O1A1的長(zhǎng)度為220 mm，即O1點(diǎn)與A1點(diǎn)的水平距離為184.30 mm，豎直距離為120.14 mm。

確定B1點(diǎn)的位置：B1點(diǎn)位置的確定要考慮護(hù)理床椅床板下的空間大小和背板的抬背角度。若θ1的角度過小，則無法滿足背板進(jìn)行0°～70°的轉(zhuǎn)動(dòng)；若θ1的角度過大，則會(huì)增加推桿電機(jī)的初始長(zhǎng)度，進(jìn)而占用過多的床板下的空間。故經(jīng)過綜合分析，可以確定A1B1的長(zhǎng)度為120 mm，θ1的大小為100°。

推桿電機(jī)的長(zhǎng)度即為O1B1的長(zhǎng)度，當(dāng)背板的抬背角度為0°時(shí)，推桿電機(jī)長(zhǎng)度即為初始長(zhǎng)度，通過三角函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，可以得到推桿電機(jī)的初始長(zhǎng)度為164 mm。

綜上所述，可以得到抬背機(jī)構(gòu)的固定參數(shù)取值如表1所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，在三維軟件中繪制出抬背機(jī)構(gòu)的模型圖，如圖3所示。

3" " 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1" " 位置分析

由圖2中封閉矢量多邊形和為0可得環(huán)路方程如下：

將式（1）中的向量分別向X、Y軸投影可得如下方程組：

將方程組（2）中的α1消去并化簡(jiǎn)即可得到抬背機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度β1的表達(dá)式為：

將表1中的數(shù)據(jù)代入式（3）中，即可得到抬背機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度β1與推桿電機(jī)長(zhǎng)度x1的函數(shù)關(guān)系式。護(hù)理床椅抬背機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為70°，根據(jù)上述數(shù)據(jù)并通過三角函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，可以得到此時(shí)推桿電機(jī)的長(zhǎng)度為295 mm，即推桿電機(jī)在抬背過程中的行程為131 mm。

推桿電機(jī)做勻速的伸縮運(yùn)動(dòng)，取v1=5 mm/s，通過Creo7.0的仿真模塊對(duì)護(hù)理床椅的抬背機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以得到抬背機(jī)構(gòu)中固定連接件端點(diǎn)處的位移曲線圖和抬背機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度β1的曲線圖，如圖4和圖5所示。

3.2" " 角速度分析

將式（3）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得：

設(shè)背板的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω1，推桿電機(jī)的移動(dòng)速度為v1，則可以將式（4）化簡(jiǎn)，從而得到背板轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω1的表達(dá)式為：

通過Creo7.0的仿真模塊對(duì)護(hù)理床椅的抬背機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以得到背板的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω1在推桿電機(jī)做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲線圖，如圖6所示。

3.3" " 角加速度分析

將式（5）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得背板角加速度的表達(dá)式為：

將上述數(shù)據(jù)代入式（6）中，可以得到角加速度的變化情況。

通過Creo7.0的仿真模塊對(duì)護(hù)理床椅的抬背機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以得到背板的角加速度在推桿電機(jī)做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲線圖，如圖7所示。

由圖4至圖7可知，各曲線趨勢(shì)與理論結(jié)果相符且圖像平滑，沒有發(fā)生突變的情況，此情況同丁軍政[1]和高峰[2]研發(fā)出的多功能護(hù)理床中對(duì)支背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的結(jié)論相一致，由此可以說明在護(hù)理床椅進(jìn)行抬背運(yùn)動(dòng)時(shí)，抬背機(jī)構(gòu)的位移變化趨勢(shì)緩慢且運(yùn)動(dòng)較為平緩，保證了老人在進(jìn)行人體姿態(tài)改變時(shí)的舒適性；同時(shí)，也說明了背板在護(hù)理床椅進(jìn)行抬背運(yùn)動(dòng)時(shí)受力均勻，從而使得老人的腰背部處受力均勻，不易產(chǎn)生不適感。

從上述曲線中的數(shù)值可以看出，抬背機(jī)構(gòu)的角速度在2.4～3.2（°）/s的區(qū)間內(nèi)，角加速度在-0.03～0.11（°）/s2的區(qū)間內(nèi)，而朱愛潔[3]通過計(jì)算分析得到起背機(jī)構(gòu)的角速度在2.0～7.7（°）/s的區(qū)間內(nèi)，角加速度在-0.3～2.9（°）/s2的區(qū)間內(nèi)，通過對(duì)比分析可以看出，本文抬背機(jī)構(gòu)中角速度和角加速度的區(qū)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于朱愛潔[3]研發(fā)的起背機(jī)構(gòu)中角速度和角加速度的區(qū)間，由此可以說明抬背機(jī)構(gòu)在抬背過程中運(yùn)動(dòng)更為緩慢、舒適性更好、更適于老年人使用；且最大抬背角度為70°，能滿足抬背機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度要求。綜上所述，此抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合護(hù)理床椅的設(shè)計(jì)要求。

4" " 結(jié)束語

本研究主要是對(duì)護(hù)理床椅的抬背機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過對(duì)抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析計(jì)算以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到相應(yīng)曲線圖，并同理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，從而發(fā)現(xiàn)各曲線趨勢(shì)與理論結(jié)果相符且圖像平滑，沒有發(fā)生突變的情況，說明抬背機(jī)構(gòu)的位移變化趨勢(shì)緩慢且運(yùn)動(dòng)較為平緩，不易產(chǎn)生不適感。

根據(jù)各曲線上的數(shù)值，將抬背機(jī)構(gòu)角速度和角加速度的數(shù)值范圍同其他學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可知護(hù)理床椅在抬背過程中運(yùn)動(dòng)更為緩慢、舒適性更好、更適于老年人使用，且各機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度均能夠滿足轉(zhuǎn)動(dòng)角度要求，進(jìn)而能夠確定抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合護(hù)理床椅的設(shè)計(jì)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 丁軍政.多功能電動(dòng)護(hù)理床設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2017.

[2] 高峰.多功能護(hù)理床的設(shè)計(jì)與研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2019.

[3] 朱愛潔.多功能智能護(hù)理床研制[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

收稿日期：2024-12-30

作者簡(jiǎn)介：曹馨穎（1997—），女，山東煙臺(tái)人，碩士，助教，研究方向：康復(fù)輔具和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。