胡木華 劉靜華 陳殿生 王田苗

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京，100191）

1.背景

1.1 人口老齡化現(xiàn)狀

截至2012年底，中國老年人口數(shù)量達到1.94億，比上年增加891萬，占總人口的14.3%。2013年，老年人口數(shù)量將突破2億大關，達到2.02億，老齡化水平將達到14.8%。老年人口的高齡、失能和空巢化將進一步加劇應對人口老齡化的嚴峻性和復雜性[1]。首先，高齡（75歲以上）與失能老年人口繼續(xù)增長，年增長率超過100萬，今年將分別達到2300萬人與3750萬人；其次，慢性病與空巢老年人持續(xù)增多，到今年均將突破1億人大關；再者，無子女老年人和失獨老年人開始增多，由于執(zhí)行計劃生育政策的一代陸續(xù)開始進入老年期，加上子女風險事件的發(fā)生等因素，無子女老年人越來越多。2012年，中國至少有100萬個失獨家庭，且每年以約7.6萬個的數(shù)量持續(xù)增加。

老齡人口的持續(xù)增長，無法完全自理老人越來越多，均對社會服務的需求越來越大。據(jù)估計，老齡化問題將伴隨21世紀始終，2050年到2100年期間，老年人口將維持在4億人左右，占總人口比例的30%[2]。因此，當前必須加以足夠的重視并立即采取行動，才能夠應對老齡化所帶來的未富先老、未備先老以及孤獨終老的問題。

1.2 養(yǎng)老服務缺口

老齡、失能、慢性病、空巢、無子以及失獨老年人口的持續(xù)增長引起對專業(yè)老年護理的需求激增，養(yǎng)老服務缺口主要體現(xiàn)在兩個方面：養(yǎng)老機構內(nèi)床位數(shù)量不足以及專業(yè)護理人士的人數(shù)不夠，并且養(yǎng)老服務專業(yè)度不高，這些現(xiàn)狀都與老齡化的問題形成了巨大的矛盾。發(fā)達國家的養(yǎng)老服務機構的床位能夠供5%-7%的老人入住。在中國，床位數(shù)僅能滿足2.35%的老人的需求，這樣的數(shù)量顯然難以滿足需要。以北京為例，目前全市養(yǎng)老床位數(shù)約為6.5萬張，僅能供約2.5%的老人入住。北京市統(tǒng)計局的調(diào)查顯示，31.6%的被訪老人表示可能會選擇入住養(yǎng)老機構。從四季青敬老院調(diào)研得知，養(yǎng)老機構內(nèi)部每位護理人士照料10位左右的老人，其中還包括3-4位完全失能老人，2-3位半失能老人。護理人員緊缺。

以上這兩方面的問題引起的養(yǎng)老服務缺口會隨著老齡人口的持續(xù)增長而不斷擴大，所以必須增大養(yǎng)老機構的建設以及護理人員的培訓。在增加養(yǎng)老服務的同時，也可探索尋求能夠輔助并保障老人安全舒適的、利用高科技的養(yǎng)老模式。

1.3 高科技輔助護理

在國家863計劃的支持下，我國在服務機器人研究和產(chǎn)品的研制開發(fā)方面已經(jīng)做了大量工作，并取得了一定的成績，其中包括助老／助殘機器人方向[3]。

利用科技養(yǎng)老，填補養(yǎng)老服務缺口，護理機器人系統(tǒng)的研制刻不容緩。該項目屬于國家“863計劃”服務機器人重點項目《助老/助殘機器人系統(tǒng)集成、監(jiān)控與產(chǎn)品綜合展示平臺》子項目。

2.創(chuàng)意設計

該項目研究團隊所在的北京航空航天大學機器人研究所，擁有先進的技術研究設備與儀器，在護理機器人的研究上有深刻的認識和豐富的經(jīng)驗。研究團隊人員由機電控制、機械設計和工業(yè)設計等不同專業(yè)方向人士組成，可從不同專業(yè)角度來審視問題，并相互協(xié)作完成該項目目標，實現(xiàn)技術與藝術的融合。

2.1 設計路線

a)實地考察調(diào)研。設計團隊前往四季青敬老院、國家康復輔具中心及北京航空航天大學老人社區(qū)進行實地考察調(diào)研，以訪談、發(fā)放調(diào)查問卷以及入住敬老院親身體驗老人生活和護理人員的工作方式，調(diào)研老人、殘疾人、護理人員以及家屬的相關需求，如：翻身、清潔、如廁（床內(nèi)或者衛(wèi)浴空間完成）、喂食、康復、拿取物品、出行、娛樂交流等。從目標人群心理、生理特征出發(fā)，結合市場營銷學和用戶心理學，對市場現(xiàn)有同類產(chǎn)品進行深入研究和詳細分析（分析現(xiàn)存問題和其原因以及市場的發(fā)展趨勢），最終找到產(chǎn)品切入點——適合身體衰弱但智力正常的臥床老年人使用的床椅一體化多功能護理床。

b)從人機工程學以及老人護理學的角度進行調(diào)研設計，以保證安全性、實用性和舒適性。具體來說，從人體測量學出發(fā)，研究老年人的機體變化，并通過人體變化率推算出老年人人體尺寸數(shù)據(jù)，如表1所示，用以輔助確定產(chǎn)品尺寸。結合國標相關規(guī)定，確定e-Bed整體尺寸，長×寬×高：2030mm×950mm×540mm。其中輪椅部分尺寸：座深即座面的前后距離，應能保證臀部得到全部支承，其深度一般相當于大腿全長的3/4，按標準取400-430mm；座寬即座面的左右距離。座寬要滿足臀部橫寬所需要的尺度，應大于400mm，并小于國標中規(guī)定的居家使用的極限650mm。座高應考慮坐姿膝蓋的高度，合適高度為430mm左右。

表1中P5、P50、P95分別代表第5百分位、第50百分位及第95百分位的人群。

表1 老年人人體尺寸（單位：mm）[4]

通過實驗法和觀察法將關鍵動作提取出來進行規(guī)劃設計，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)、相關的人機工程學因素以及老人的護理要求，對e-Bed各部位的關鍵尺寸進行設計。針對老年人需求以及同類產(chǎn)品的缺陷，確定e-Bed的設計方案，并進行初步的可行性分析。

c)本著滿足用戶使用習慣的原則，進行機械模型建立及樣機效果驗證。其中影響到整體功能實現(xiàn)的關鍵機構包括翻身、抬背、曲腿、如廁等結構。模型經(jīng)過仿真力學分析，符合要求后進行制作加工裝配，并驗證樣機是否滿足設計功能需求。

d)優(yōu)化設計與應用示范。樣機經(jīng)過驗證，總結經(jīng)驗與不足之后，再進一步優(yōu)化設計，最終實現(xiàn)產(chǎn)品化，并前往北京四季青敬老院進行應用示范。

2.2 構成與工作原理

圖1 床、椅轉換與分離過程

床椅一體化多功能護理床主要由床體、座椅、信息與控制系統(tǒng)四大部分組成，床椅轉換和自動對接如圖1、圖2所示。經(jīng)過四代產(chǎn)品的技術探索，e-Bed不斷改進，床椅分離、對接技術已得到成熟的研究成果，性能穩(wěn)定。為適合不同格局的室內(nèi)環(huán)境，有不同的對接分離方式與之適應，更降低了產(chǎn)品成本。

a.分離對接方式：激光雷達對接；巡線對接。

b.獨創(chuàng)分離方式：開門式；旋轉座椅式；旋轉底盤式。

圖2 床椅自動對接

該多功能床椅一體化系統(tǒng)既可自動從護理床變形為輪椅，又可從輪椅變換回護理床。在護理床狀態(tài)時，通過語音控制可以實現(xiàn)翻身、抬背與曲腿等功能，其機械結構如圖3所示。

圖3 e-BedⅠ部分機械機構設計圖

該床還配備了血壓、脈搏、體溫等生理參數(shù)監(jiān)測及報警系統(tǒng)、網(wǎng)絡視頻娛樂與吃藥提醒系統(tǒng)等，可以與遠方的子女進行視頻情感交流；在輪椅狀態(tài)時，通過手柄控制輪椅可以在衛(wèi)生間、室內(nèi)和走廊等空間進行移動，進行大小便自理，也可自動尋路對接回床的功能。

3.設計成果

以“模塊化可重構”為設計理念的床椅一體化多功能護理床，兼顧了人體工程學的需求，實現(xiàn)人性化操作；結合藝術美感與工程美感，保證安全性與穩(wěn)定性，經(jīng)過四代的不斷優(yōu)化設計，獲得了一定的學術研究成果。更重要的是：滿足老年人切實需求的護理產(chǎn)品，必將影響未來老年人生活的模式和概念，引導助老機器人產(chǎn)品發(fā)展的新潮流。

3.1 系列產(chǎn)品展示

表2 系列產(chǎn)品展示

3.3 適用人群

a)面向臥床的老年人：自理或半自理解決褥瘡翻身、大小便自理、精神孤寂等問題。

b)行動不便的住院病人：自主控制床椅分離、去衛(wèi)生間大小便自理等。

c)下肢癱瘓的殘疾人：從臥床狀態(tài)轉移至移動器具，如輪椅上時，必須有護理人員的抱起搬動，而且轉移時還有跌落的危險。該系統(tǒng)不需要在人床與椅之間的變動，通過自動進行床椅轉換來實現(xiàn)，擴大了殘疾人的活動范圍，提高其生活自理能力，減輕了護理人員的勞動強度。

3.4 功能特點

a)具有抬背、曲腿和翻身的多功能護理床基本功能。

圖4 抬背、曲腿和翻身

b）具有床椅轉換、自動分離與對接的功能：可自己操作，在保持安全舒適的姿態(tài)下，變形成床或輪椅，解決了在床和移動器具之間自理轉移的難題。

c)具備大小便處理功能：在座椅下部設置電動的大小便升降機構，輕松解決臥床人士如廁的問題。

d)具有網(wǎng)絡信息交互的系統(tǒng)：實現(xiàn)吃藥提醒、遠程視頻交流以及生理參數(shù)監(jiān)控檢測功能。

3.5 特色與技術創(chuàng)新

a)床椅一體化設計創(chuàng)意：

床椅互換，有效解決了臥床人士在床和輪椅之間自理轉換的難題；e-Bed A在設計中，集成了如廁模塊，解決了老人由于生理機能退化行動困難、如廁不便等問題。在原始狀態(tài)下，e-Bed以護理床的形式存在；當需要出行時，一鍵操作便可實現(xiàn)床體向電動輪椅的轉換，并輕松出行；當需要如廁時，同樣是一鍵操作便可實現(xiàn)。

b)床椅分離與自動對接技術：

一鍵自動分離與對接，操作簡單、可靠實用，臥床老人可駕駛輪椅實現(xiàn)自由移動的夢想；當需要變?yōu)樽o理床狀態(tài)時，也僅需一鍵便可實現(xiàn)電動輪椅與床體的自動準確對接。經(jīng)過實際需求反饋與不斷改進，e-Bed以安全可靠的品質，切實滿足了目標群體的需求，創(chuàng)造性地設計出了不同方位的分離后輪椅出行方式，包括側向出行方式（e-BedⅢ）與橫向出行方式（e-BedⅠ、Ⅲ、A），可分別適應縱向空間較廣與橫向空間較廣的環(huán)境要求。

c)語音等多模式人機交互技術：

語音控制，實現(xiàn)宜人化交互操作。e-Bed以床椅互換為平臺，設有生活、康復、醫(yī)療、信息四類功能模塊，并細分出如廁系統(tǒng)、清潔輔助、尿濕報警、腿部康復運動、吃藥提醒、生理參數(shù)檢測、視頻聊天等功能模塊。通過添加不同的模塊而形成的動態(tài)產(chǎn)品模型，可針對不同用戶快速配置出滿足其個性化需求的產(chǎn)品。當某個功能需要升級或研發(fā)出新的功能時，用戶僅需對相應的功能模塊進行更新操作，不影響其他功能的使用。

d)技術與藝術造型設計的一體化融合：

結構簡單、符合人機工學，人、機和使用環(huán)境和諧自然。如圖8，四款護理床在床頭板以及護欄的設計中，考慮到老人行走、坐下以及站起都有可能需要借助其他物品，才能更好保持平穩(wěn)，因此皆有鏤空，以形成符合手扶持的形態(tài)；e-Bed 表面粗糙度也符合防滑的標準，并且手感舒適。e-Bed本著造型友好的理念，多使用以下幾種元素：水平形體和線條（安全、穩(wěn)定感），豎直形體和線條（挺拔感），如圖8 e-BedⅠ、Ⅱ、Ⅲ 床頭板及床邊護小角度圓角（嚴謹感），多部位倒角，手感圓滑，并能防止意外發(fā)生，提升安全性；大圓角（柔和、親近感）如圖8 e-Bed A床頭板。

在色彩與材料方面，該床按使用環(huán)境主要設計了兩種搭配，一種適用于醫(yī)院的白藍顏色組合的塑料材質，色彩干凈鮮明，材質觸感溫和，給人以整潔大方的印象；另一種適用于居家環(huán)境的橙紅色木質材料，色彩溫暖宜人，為老人提供溫馨居室環(huán)境。他們的組合兼具簡潔、大氣的藝術風格，符合老人對造型典雅簡潔、安全穩(wěn)定產(chǎn)品特征的喜好。同時，床頭采用多款造型及色彩設計，滿足不同家居環(huán)境下的個性化需求。

e-Bed從技術、藝術、心理等角度對產(chǎn)品進行系統(tǒng)性、模塊化設計，形成未來老年生活的新模式和新概念，在縱向上提升，在橫向上拓寬，引導了助老機器人產(chǎn)品發(fā)展的新潮流！

4.產(chǎn)品應用示范

e-Bed有效針對老年人以及行動不便人群的切實需求，創(chuàng)新性地提出了護理床與智能輪椅的高效、便捷、可靠轉換的理念。其一鍵操作方便了使用者對e-Bed進行控制；電動輪椅出行時，速度適中并可調(diào)，操作靈敏，符合該人群的使用習慣；具有極大的實用性和可靠性；有效集成生活、康復、醫(yī)療以及信息方面的功能，能夠為目標人群提供綜合全面的服務；模塊化組件，用戶能夠個性化定制，經(jīng)濟實際；造型簡潔友好，且不失典雅時尚，特別根據(jù)目標人群的美學喜好而設計，符合人機使用習慣；在材料使用方面，盡可能選擇可降解環(huán)保的家居材料，符合綠色設計的要求。

e-Bed各個功能模塊的定位均基于前期詳盡完備的用戶研究。設計者深入敬老院親自照顧老人，并請經(jīng)驗豐富的護理人員參與到設計的各個流程中，設計制作完成之后，設計師親身體驗，并請護理人員試驗指出不足與需要改進的地方，使床椅一體化機器人符合人機工程原理，有著良好的實用性和可靠性。經(jīng)過不斷測試之后，方請老人用戶進行體驗，提出意見。

在應用示范過程中，研究人員也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的不足：如廁模塊口徑較?。话胧芾先巳粘Ｐ枰恍┛祻陀柧?，可以為此類老人創(chuàng)造一定自我鍛煉的環(huán)境。這些也是后續(xù)研發(fā)需要著手的地方。

圖9 四季青敬老院應用示范

床椅一體化多功能護理床已處于小批量試制階段，目前已經(jīng)投產(chǎn)10余臺套，在北京市四季青鎮(zhèn)國家級模范敬老院等單位應用示范已一年，極大地提高了臥床老人的自理能力，減輕了護理人員的勞動強度，得到了護理人員和老人的高度認可，并在《英國衛(wèi)報》、《科技日報》、《北京青年報》以及《北京日報》上進行了報道，擴到了社會影響，取得了很好的社會效益。

5.研究方向展望

經(jīng)過前期的技術探索與應用示范的經(jīng)驗總結，繼續(xù)研究的方向可在于針對不同的群體，實現(xiàn)模塊化、系列化產(chǎn)品。各系列中，主體機械結構相同，便于批量化生產(chǎn)，各型號不同的結構可做成模塊化產(chǎn)品組件。其目的是滿足不同人群的功能需求，避免多種功能集中可能導致的功能浪費，力求實現(xiàn)綠色設計，減輕消費者購買時的經(jīng)濟壓力。

多系列、多規(guī)格的產(chǎn)品，有利于進行用戶的細化，而模塊化的設計令e-Bed系列產(chǎn)品可以同中存異，差異之處通過模塊化的拆卸組件方便地實現(xiàn)，有利于拓寬用戶群體，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

床椅一體化多功能護理床最終要實現(xiàn)的目的是針對不同人群提供優(yōu)質服務，并保證創(chuàng)新性、實用性、操作簡便、造型優(yōu)美，引領未來銀發(fā)生活的高品質享受。

[1] 張希敏. 中國老年人口增長現(xiàn)高峰空巢失獨老人增多[EB/OL]. 2013. http://finance.sina.com.cn/china/20130227/142414664013.shtml.

[2] 穆光宗,張團. 我國人口老齡化的發(fā)展趨勢及其戰(zhàn)略應對[EB/OL]. 2012. http://news.hexun.com/2012-10-16/146838120.html.

[3] 黃建民, 楊軍. 服務機器人發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 裝備機械, 2007(4):2-5.

[4] 殷蘭蘭. 床椅一體化服務機器人的人機工程研究設計及應用[D]. 北京航空航天大學, 2011.