多功能護(hù)理輪椅床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

1、ＤＯＩ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ２０９５－５０９Ｘ２０１８０１０１４多功能護(hù)理輪椅床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析付西敏，胡國(guó)清，陳瑩瑩（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州５１０６４０）摘要：研究設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)支背、左右側(cè)翻身、曲抬腿、抬臀、自動(dòng)扶手等多功能于一體的全自動(dòng)多功能護(hù)理輪椅床。通過(guò)對(duì)各部分功能機(jī)構(gòu)的擬人化設(shè)計(jì)，合理優(yōu)化空間布局，使整體結(jié)構(gòu)緊湊；對(duì)主要機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建模與仿真計(jì)算，結(jié)果表明，該護(hù)理輪椅床

2、各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度及角速度變化具有較好的穩(wěn)定性；最后通過(guò)對(duì)所研發(fā)的護(hù)理輪椅床樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了護(hù)理床各功能機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)的有效性。關(guān)鍵詞：多功能護(hù)理輪椅床；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建模與仿真分析中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＨ１２２文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：２０９５－５０９Ｘ（２０１８）０１－００６１－０５２１世紀(jì)屬于全球人口老齡化的世紀(jì)，人口老齡化日趨嚴(yán)重。老齡化表現(xiàn)為老年人的生理機(jī)能明顯衰退，四肢靈活度不斷下降，個(gè)人自理能力越來(lái)越差，因此對(duì)老年人的護(hù)理顯得尤為重要。在這

3、一背景下，為了滿(mǎn)足老年人對(duì)護(hù)理的需求，國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)展了對(duì)醫(yī)療器械的研究，其中對(duì)多功能護(hù)理床的研究最為突出。傳統(tǒng)護(hù)理的方式是由護(hù)士或者家人完成被護(hù)理人員體位改變等工作，工作量大且需長(zhǎng)期看護(hù)，多功能護(hù)理床改變了傳統(tǒng)的護(hù)理方式，使得護(hù)理工作變得簡(jiǎn)單、方便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電動(dòng)護(hù)理床于２０世紀(jì)９０年代在發(fā)達(dá)國(guó)家醫(yī)療護(hù)理行業(yè)嶄露頭角，多功能護(hù)理床技術(shù)由美國(guó)、瑞典、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家掌握，典型的公司有美國(guó)ＤｅｖｉｃｅＬｉｎｋ公司、瑞典Ａｒｊｏ

4、Ｈｕｎｔｌｅｉｇｈ公司、日本松下公司等。美國(guó)Ｄｅ－ｖｉｃｅＬｉｎｋ公司研發(fā)了床與輪椅相互融合的護(hù)理床，床狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)臥姿和坐姿自由轉(zhuǎn)換，輪椅狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的功能［１－２］。瑞典ＡｒｊｏＨｕｎｔｌｅｉｇｈ公司開(kāi)發(fā)了一種帶有自清理和除菌功能的Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ９０００護(hù)理床，除實(shí)現(xiàn)了護(hù)理床基本功能外，還能監(jiān)控被護(hù)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(jī)器人床，可使被護(hù)理人員在沒(méi)有輔助情況下獨(dú)立起床，輪椅模式下

5、通過(guò)語(yǔ)音控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制器駕駛［４］。據(jù)中國(guó)社科院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，２０１５年我國(guó)失能老人的數(shù)量接近４０００萬(wàn)。需要護(hù)理的人群之龐大以及增長(zhǎng)速度之快，直接考驗(yàn)我國(guó)醫(yī)療器械的發(fā)展。國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家與機(jī)構(gòu)在護(hù)理床領(lǐng)域也取得了一定的成果，設(shè)計(jì)出一系列護(hù)理產(chǎn)品。武漢大學(xué)附屬醫(yī)院的胡小林等［５］設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的語(yǔ)音控制醫(yī)用護(hù)理床，由安裝在護(hù)理床上的３組麥克風(fēng)采集語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)單片機(jī)分析識(shí)別實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制功能。北京工業(yè)大學(xué)的劉宇等［６］設(shè)計(jì)了一款多功能護(hù)

6、理床，能實(shí)現(xiàn)支背、曲腿、側(cè)翻等體位功能，特別是其側(cè)翻機(jī)構(gòu)采用電磁吸合的方式使側(cè)翻角度能達(dá)到９０，實(shí)現(xiàn)徹底側(cè)翻。南昌大學(xué)的白建軍［７］設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種雙層床面結(jié)構(gòu)的多功能輪椅床，通過(guò)控制不同床板實(shí)現(xiàn)側(cè)翻、曲腿和坐起功能。本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)多功能輪椅床，結(jié)合已有護(hù)理床優(yōu)點(diǎn)，總體結(jié)構(gòu)采用床頭架與床架分體式設(shè)計(jì)，添加了剛性支架機(jī)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(shí)現(xiàn)了護(hù)理輪椅床功能的多樣化。1多功能護(hù)理輪椅床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11

7、護(hù)理輪椅床整體設(shè)計(jì)護(hù)理輪椅床的設(shè)計(jì)具有２種模式：床模式與輪椅模式。護(hù)理輪椅床整體結(jié)構(gòu)如圖１所示，由床架、各功能機(jī)構(gòu)、床板組成。床架用于安裝各功能機(jī)構(gòu)和床板，是護(hù)理輪椅床的主體。床板設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)分為床頭架伸縮機(jī)構(gòu)、支背機(jī)構(gòu)、側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬臀機(jī)構(gòu)、曲抬腿機(jī)構(gòu)、扶手伸縮機(jī)構(gòu)及剛性支架機(jī)構(gòu)，是實(shí)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(hù)欄，床頭架設(shè)置于背收稿日期：２０１７－０７－０７作者簡(jiǎn)介：付西敏（１９９３—），男，湖北隨州人，華南理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃炫c智能機(jī)器人控制。１６２０１８年１月機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程Ｊａｎ２０１８第４７卷第１期ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ４７Ｎｏ１萬(wàn)方數(shù)據(jù)圖３支背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的電動(dòng)推桿。由電動(dòng)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(jī)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(shí)間t的關(guān)系式。圖４為支背角度α曲線(xiàn)變化

10、圖，由圖分析可知，整體曲線(xiàn)單調(diào)遞增，當(dāng)t＝０ｓ時(shí)，αｍｉｎ＝００７０ｒａｄ＝４０，該角度表示O′O″與水平面的夾角，當(dāng)t＝３３３ｓ時(shí)，αｍａｘ＝１１２０ｒａｄ＝６４２，Δα＝αｍａｘ－αｍｉｎ＝６０２，與設(shè)計(jì)的支背運(yùn)動(dòng)角度大小一致，且α隨時(shí)間變化相對(duì)平穩(wěn)，趨于直線(xiàn)變化，即支背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。圖４支背角度α曲線(xiàn)變化圖支背角速度曲線(xiàn)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(jí)小，故背部側(cè)板運(yùn)動(dòng)速度變化趨于穩(wěn)定。圖５支背角速度ωα曲線(xiàn)變化圖132護(hù)理輪椅床側(cè)翻機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析側(cè)翻機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右側(cè)翻。選取單側(cè)側(cè)翻機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，側(cè)翻機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)，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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖圖中，O，O′，O″三點(diǎn)固定，OA表示電動(dòng)推桿，AO′B表示側(cè)翻機(jī)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(jī)構(gòu)電動(dòng)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