多功能護理輪椅床結(jié)構(gòu)設(shè)計及機構(gòu)運動分析

1、ＤＯＩ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ２０９５－５０９Ｘ２０１８０１０１４多功能護理輪椅床結(jié)構(gòu)設(shè)計及機構(gòu)運動分析付西敏，胡國清，陳瑩瑩（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州５１０６４０）摘要：研究設(shè)計了一種實現(xiàn)支背、左右側(cè)翻身、曲抬腿、抬臀、自動扶手等多功能于一體的全自動多功能護理輪椅床。通過對各部分功能機構(gòu)的擬人化設(shè)計，合理優(yōu)化空間布局，使整體結(jié)構(gòu)緊湊；對主要機構(gòu)的運動過程進行了ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建模與仿真計算，結(jié)果表明，該護理輪椅床

2、各機構(gòu)運動角度及角速度變化具有較好的穩(wěn)定性；最后通過對所研發(fā)的護理輪椅床樣機進行實驗，驗證了護理床各功能機構(gòu)及運動的有效性。關(guān)鍵詞：多功能護理輪椅床；結(jié)構(gòu)設(shè)計；建模與仿真分析中圖分類號：ＴＨ１２２文獻標識碼：Ａ文章編號：２０９５－５０９Ｘ（２０１８）０１－００６１－０５２１世紀屬于全球人口老齡化的世紀，人口老齡化日趨嚴重。老齡化表現(xiàn)為老年人的生理機能明顯衰退，四肢靈活度不斷下降，個人自理能力越來越差，因此對老年人的護理顯得尤為重要。在這

3、一背景下，為了滿足老年人對護理的需求，國內(nèi)外紛紛開展了對醫(yī)療器械的研究，其中對多功能護理床的研究最為突出。傳統(tǒng)護理的方式是由護士或者家人完成被護理人員體位改變等工作，工作量大且需長期看護，多功能護理床改變了傳統(tǒng)的護理方式，使得護理工作變得簡單、方便。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，電動護理床于２０世紀９０年代在發(fā)達國家醫(yī)療護理行業(yè)嶄露頭角，多功能護理床技術(shù)由美國、瑞典、日本等發(fā)達國家掌握，典型的公司有美國ＤｅｖｉｃｅＬｉｎｋ公司、瑞典Ａｒｊｏ

4、Ｈｕｎｔｌｅｉｇｈ公司、日本松下公司等。美國Ｄｅ－ｖｉｃｅＬｉｎｋ公司研發(fā)了床與輪椅相互融合的護理床，床狀態(tài)下實現(xiàn)臥姿和坐姿自由轉(zhuǎn)換，輪椅狀態(tài)下實現(xiàn)電動輪椅的功能［１－２］。瑞典ＡｒｊｏＨｕｎｔｌｅｉｇｈ公司開發(fā)了一種帶有自清理和除菌功能的Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ９０００護理床，除實現(xiàn)了護理床基本功能外，還能監(jiān)控被護理人員的生理信息并由控制板顯示［３］。日本松下公司研發(fā)了床椅分離的機器人床，可使被護理人員在沒有輔助情況下獨立起床，輪椅模式下

5、通過語音控制技術(shù)實現(xiàn)控制器駕駛［４］。據(jù)中國社科院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，２０１５年我國失能老人的數(shù)量接近４０００萬。需要護理的人群之龐大以及增長速度之快，直接考驗我國醫(yī)療器械的發(fā)展。國內(nèi)的專家與機構(gòu)在護理床領(lǐng)域也取得了一定的成果，設(shè)計出一系列護理產(chǎn)品。武漢大學附屬醫(yī)院的胡小林等［５］設(shè)計了一種基于單片機的語音控制醫(yī)用護理床，由安裝在護理床上的３組麥克風采集語音信號通過單片機分析識別實現(xiàn)語音控制功能。北京工業(yè)大學的劉宇等［６］設(shè)計了一款多功能護

6、理床，能實現(xiàn)支背、曲腿、側(cè)翻等體位功能，特別是其側(cè)翻機構(gòu)采用電磁吸合的方式使側(cè)翻角度能達到９０，實現(xiàn)徹底側(cè)翻。南昌大學的白建軍［７］設(shè)計開發(fā)了一種雙層床面結(jié)構(gòu)的多功能輪椅床，通過控制不同床板實現(xiàn)側(cè)翻、曲腿和坐起功能。本文設(shè)計了一種全自動多功能輪椅床，結(jié)合已有護理床優(yōu)點，總體結(jié)構(gòu)采用床頭架與床架分體式設(shè)計，添加了剛性支架機構(gòu)，在已有床椅切換功能的基礎(chǔ)上，增加了抬臀和扶手伸縮功能，實現(xiàn)了護理輪椅床功能的多樣化。1多功能護理輪椅床結(jié)構(gòu)設(shè)計11

7、護理輪椅床整體設(shè)計護理輪椅床的設(shè)計具有２種模式：床模式與輪椅模式。護理輪椅床整體結(jié)構(gòu)如圖１所示，由床架、各功能機構(gòu)、床板組成。床架用于安裝各功能機構(gòu)和床板，是護理輪椅床的主體。床板設(shè)計為６板模式，包括背部側(cè)板（２塊）、臀板（２塊）、腿部支撐板１、腿部支撐板２。功能機構(gòu)分為床頭架伸縮機構(gòu)、支背機構(gòu)、側(cè)翻機構(gòu)、抬臀機構(gòu)、曲抬腿機構(gòu)、扶手伸縮機構(gòu)及剛性支架機構(gòu)，是實現(xiàn)功能的主體。背部側(cè)板和臀板相連接并鉸接于床架上，背部側(cè)板和臀板的兩側(cè)分別設(shè)置

8、護欄，床頭架設(shè)置于背收稿日期：２０１７－０７－０７作者簡介：付西敏（１９９３—），男，湖北隨州人，華南理工大學碩士研究生，主要研究方向為智能制造與智能機器人控制。１６２０１８年１月機械設(shè)計與制造工程Ｊａｎ２０１８第４７卷第１期ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ４７Ｎｏ１萬方數(shù)據(jù)圖３支背機構(gòu)運動簡圖的電動推桿。由電動推桿尺寸及安裝距離可知，OA＝３１２０＋vt，其中，v為推桿速度，v＝６

9、ｍｍ／ｓ，０ｓ≤t≤（２００／６）ｓ。設(shè)∠O′O″B＝α，α角度的變化反映支背機構(gòu)的角度變化，由正弦、余弦定理可得：ｃｏｓ∠AO′O＝O′A２＋OO′２－OA２２O′AOO′（１）ｓｉｎ（１８０－α－∠O″O′B）O′O″＝ｓｉｎαO′B（２）聯(lián)立式（１）、式（２）可得：ｓｉｎ［ａｒｃｃｏｓ（０８２－３０１０－２t－２８１０－４t２）－２９１－α］／２０００＝ｓｉｎα４２５０（３）式（３）表示α與時間t的關(guān)系式。圖４為支背角度α曲線變化

10、圖，由圖分析可知，整體曲線單調(diào)遞增，當t＝０ｓ時，αｍｉｎ＝００７０ｒａｄ＝４０，該角度表示O′O″與水平面的夾角，當t＝３３３ｓ時，αｍａｘ＝１１２０ｒａｄ＝６４２，Δα＝αｍａｘ－αｍｉｎ＝６０２，與設(shè)計的支背運動角度大小一致，且α隨時間變化相對平穩(wěn)，趨于直線變化，即支背機構(gòu)運動較為平穩(wěn)。圖４支背角度α曲線變化圖支背角速度曲線變化圖如圖５所示。由圖可知，支背角速度ωα先減小后增大，在t＝１１８ｓ處取到最小值，即ωαｍｉｎ＝００２８ｒ

11、ａｄ／ｓ，在t＝３３３ｓ處取到最大值，即ωαｍａｘ＝００４２ｒａｄ／ｓ。角速度最大變化量為角速度最大值與最小值之差，即Δωα＝ωαｍａｘ－ωαｍｉｎ＝００１４ｒａｄ／ｓ＝０８（）／ｓ，由于Δωα極小且角速度量級小，故背部側(cè)板運動速度變化趨于穩(wěn)定。圖５支背角速度ωα曲線變化圖132護理輪椅床側(cè)翻機構(gòu)運動分析側(cè)翻機構(gòu)由電動推桿驅(qū)動實現(xiàn)左右側(cè)翻。選取單側(cè)側(cè)翻機構(gòu)進行運動分析，側(cè)翻機構(gòu)運動簡圖如圖６所示，該位置為初始位置，側(cè)翻板處于水平狀態(tài)，隨

12、電動推桿的運動，側(cè)翻角度逐漸增大，側(cè)翻的最大角度為４００。圖６側(cè)翻機構(gòu)運動簡圖圖中，O，O′，O″三點固定，OA表示電動推桿，AO′B表示側(cè)翻機構(gòu)，∠OO′O″＝７６４，∠AO′B＝９００，O′A＝１２００ｍｍ，O′B＝１４００ｍｍ，OO′＝２２５０ｍｍ，O′O″＝７８１ｍｍ。由側(cè)翻角度大小確定該機構(gòu)電動推桿行程為１０００ｍｍ，即OA＝２０５０＋６t，其中０ｓ≤t≤１１７ｓ。設(shè)∠BO″O′＝δ，δ的變化反映側(cè)翻角度的變化，由正弦、余弦定