（天津市先進機電系統(tǒng)設計與智能控制重點實驗室，天津 300384）

0 引言

中國目前已經進入快速老齡化的階段，老齡化問題日益嚴峻，失能老人的照顧護理成為我國老齡化所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。我國的國情和社情決定了中國老人主要的養(yǎng)老方式是居家養(yǎng)老。隨著生活質量的提高，對養(yǎng)老服務和保障在智能化、柔性化、差異化提出了更高的要求，本文針對失能老人的護理最為重要的輪椅床的抬背位姿變換進行研究，將人體簡化模型與動力機構進行一體化建模，研究人機一體化模型，解決在位姿變換過程中的柔性化問題，研究人體在位姿變換的過程中身體各個部位擠壓和相對于床面的滑動問題，最終使得位姿變化人性化、舒適化[1～3]。

長期臥床的老人，由于身體機能退化，行動不便，無法自主進行位姿變換，身體部位長期受到壓迫，導致壓瘡的產生，傳統(tǒng)輪椅床、護理床多采用機械機構帶動床板轉動來改變身體位姿，由于床板和人體之間有一定的距離，位姿變換會帶來擠壓、滑動，造成身體產生剪切力與摩擦力，局部組織受到剪切力導致的損傷會更容易誘發(fā)壓瘡的產生，危害老年人的身體健康。本方案針對這一問題，采用機械機構與柔性氣囊裝置結合起來的思想，機械機構保證位姿變換的安全穩(wěn)定，柔性氣囊裝置調節(jié)人體部位的受力方向與受力面積，改變人體與床板的相對位置，實現(xiàn)柔性化位姿變換，根據(jù)人機一體化模型得到的人體位姿變換參數(shù)，調節(jié)氣囊的狀態(tài)，減小人體在位姿變換過程中的滑動，調節(jié)人體各個部位的受力狀況，實現(xiàn)位姿變換的柔性化與智能化[4,5]。

1 輪椅床方案

本設計方案立足于老年人日常養(yǎng)老的需求，集成了位姿變換、床椅分離、二便處理功能，整體結構如圖1所示，增強老人獨立生活的能力，減輕社會和家庭負擔。針對目前護理床、輪椅床位姿變換的機械化問題，本設計方案采取機械機構變換結合柔性氣囊裝置共同進行老人的位姿變換，通過與人機一體化模型結合，實現(xiàn)柔性化的位姿變換。

圖1 輪椅床整體結構

抬背屈腿位姿變換由機械機構和柔性氣囊裝置協(xié)作完成，機械機構帶動床板翻轉，柔性氣囊裝置調節(jié)人體與床面的距離、接觸角度與接觸面積。機械機構承擔人體重量，在電推桿伸縮下，帶動床板轉動，進行位姿變換，柔性氣囊裝置通過改變身體部位的受力方向及受力狀況，基于下文所研究的人機一體化模型，根據(jù)人體各個部位的運動學、動力學參數(shù)及關鍵部位的受力，分析得到最為合理的位姿變換狀態(tài)，調節(jié)電推桿和柔性氣囊裝置，使得位姿變換柔性化與智能化，變換成坐姿姿態(tài)后，可進行床椅分離、二便處理、釋放身體局部壓力功能。整體結構如圖2所示。

圖2 抬背曲腿位姿變換

輪椅床經過位姿變換呈坐姿姿態(tài)，左側床板打開，由床的一側分離出來進行，擴展老人的生活空間。床體分離如圖3所示。

圖3 床椅分離示意圖

人體變換到坐姿姿態(tài)，將設計的智能馬桶集成在輪椅床一側下方的中間位置，通過平移抬升機構運送到人體臀部位置，臀板打開，進行二便處理。

柔性氣囊裝置，本方案采取嵌入式氣囊位于床墊中對應人體的腰部、背部、肩部、頸頭部。氣囊為兩層結構，可調節(jié)與對應部位接觸的角度，小氣囊陣列可以做到調節(jié)變化的柔性與精準。如圖4所示。

2 人機一體化模型和運動計算

圖4 柔性氣囊裝置

目前的輪椅床、護理床的運動學、動力學模型僅僅考慮到機械機構，沒有考慮到人體在位姿變化過程中的受力、滑動，人體各個部位在不同位姿狀態(tài)下對于其他部位的壓力也沒有考慮[7～10]。一些學者采用附加的機構來，如腰部提升、背部隨動的方式來減小人體的滑動[6]，但是并未考慮到人體的差異化，并且機構的變化也是剛性的，無法與人體上半身的彎曲進行匹配，柔性化問題無法解決。本文研究在位姿變換過程中的人機一體化模型，將機械機構、人體、柔性氣囊裝置聯(lián)合建模，充分考慮到人體在位姿變化所受到的影響，將人體的的滑動、受力狀態(tài)用柔性氣囊裝置來調節(jié)，對腰部、背部、肩部、頸頭部單獨調節(jié)狀態(tài)，做到位姿變化的安全、穩(wěn)定，并且兼顧柔性化與舒適性。

2.1 人機一體化模型的組成

1）機械連桿模型，將機械機構和床板簡化為連桿鉸鏈模型，電推桿帶動床板轉動改變人體的位置姿態(tài)，以電推桿為原動件，分析床板轉動的角度、角速度、角加速度變化。分析機械機構的穩(wěn)定性，以設計的輪椅床參數(shù)為基準，建立模型，得到床板運動參數(shù)的表達式。

2）人體連桿鉸鏈質量塊模型。輪椅床、護理床的位姿變換不同于外骨骼等技術的人機協(xié)作[11,12]，由于老人身體機能的退化，位姿變換多為被動接受，身體相對于正常人要更加柔軟，需要考慮機械機構在可能對人體的一些影響，自身各個部位由于重力因素造成的擠壓也需要考慮其中。人體可以簡化成為連桿質量塊模型，各個部位之間鉸接，腿部、腳踝、臀部之間的可簡化為連桿鉸鏈，腰部、背部、頸部、頭部由于在位姿變換過程中會有很大的角度變化、不能將上身看做一個整體，將其分別作為質量塊、連桿鉸接。

3）柔性氣囊、床墊作為連接介質的連桿鉸接模型：由于人體與床面有一定的距離在位姿變換的過程中會有一定的相對移動，會造成擠壓、局部組織錯位，容易誘發(fā)多種疾病，錯位所產生的剪切力還會極大誘發(fā)壓瘡的產生。柔性氣囊裝置采用改變氣囊狀態(tài)的方式改變人體各個部位相對床板的位置，受力方向和受力面積，每個部位的陣列氣囊狀態(tài)的組合變化簡化為伸縮連桿。

圖5 人機一體化模型圖

2.2 抬背模型

抬背屈腿位姿變換模型包括三部分，機械機構，人體簡化模型。人體與床面的接觸模型。將三者做一個簡化，將人體分為以下部分，臀部與大腿由于在抬背屈腿位姿變化過程中保持不動，將臀部大腿固定在臀板上，在下方鉸接小腿，小腿鉸接腳部。上半身分為腰部、背部、雙肩雙臂，頸頭部。腰部以連桿質量塊鉸接在臀部上，背部和雙肩、雙臂鉸接在腰部。頸頭部鉸接在肩部，人體以臀部A點為固定點，腰部鉸接在A點上，水平距離為h1，腰部氣囊簡化為連桿d1，與床板的變化角度為θ1。背部鉸接在腰部，水平距離為h2，背部氣囊簡化為連桿d2，與床板的變化角度為θ2。肩部鉸接在背部，水平距離為h3，背部氣囊簡化為連桿d3，與床板的變化角度為θ3。頸頭部鉸接在背部，水平距離為h4，頸頭部氣囊簡化為連桿d4，與床板的變化角度為θ4。

由于機械機構和柔性氣囊裝置在位姿變換過程中運動較慢，可以假設在位姿變換的每一時刻，人體都處于靜力學狀態(tài)，腰部、背部、肩部、頸頭部的質量分別為m1、m2、m3、m4。人體與床板的距離為H，代表床墊對人體與床板的間距，人機一體化模型圖如圖5所示。

2.2.1 機械機構分析

對床板進行分析，由：

由歐拉公式eiγ=cosγ+isinγ得：

式中β=90°，LOD=322mm，LOC=220mm，電推桿LCD的初始值為390mm，LCD=vt+390，v表示原動件電動推桿的伸長速度。將式(1)對運動時間t進行求導，得到：

由于電推桿CD轉動速度變化較小，ω'可取均值0.0486rad/s。對式(1)對運動時間求二階導可得到床板轉動的加速度α1。

α初始值為34.34°。

2.2.2 人機一體化模型分析

人體與床板的距離H為150mm，各個部位氣囊的初始長度等于H。氣囊調整身體各個部位相對于上一部位的角度分別為腰部φ1，背部φ2，肩部φ3，頸頭部φ4，在整個位姿變化的過程中以φ1=5°，φ2=5°，φ3=5°，φ4=5°進行計算，此角度可根據(jù)使用者的需求修改。

身體各個部分受力情況如下，床板的支持力為F，垂直于床板，頸頭部重力為G4，柔性氣囊的支持力為f1。肩部、背部、腰部受力類似頸頭部，將重力沿著床板方向進行分解，使得各個部分達到靜力平衡，減小對其他部分的壓力，如圖6所示。

調節(jié)柔性氣囊的推力及與床板的夾角可以使人體各個部位在位姿變換過程中減少擠壓，機械機構帶動床板轉動所產生的推力為：

圖6 人機一體化模型受力分析圖

由于人體的差異化問題[13～15]，按照人體質量分布，以75kg成年男子為例，頸頭部為5.8kg，肩部15kg，背部11.25，腰部11.25kg，G為人體上半身的重力，G=G1+G2+G3+G4=424.34N。

床板對人體上半身的各個部分推力分別為F1、F2、F3、F4，床板提供90%的支持力，氣囊提供10%的垂直于床板的支持力。

對于腰部氣囊的推力和角度進行計算。

聯(lián)立求解得腰部氣囊推力f1，與床板夾角η1：

背部氣囊推力f2，與床板夾角η2：

肩部氣囊推力f3，與床板夾角η3：

頸頭部氣囊推力f4，與床板夾角η4：

在抬背位姿變化過程中，隨著床板的轉動人體各個部分沿著床板的運動向上滑動，柔性氣囊裝置不同部位氣囊的角度調節(jié)會減小這一趨勢。

腰部沿床板移動：

背部沿床板移動：

肩部沿床板移動：

頸頭部沿床板移動：

3 仿真分析

利用MATLAB對床板進行運動分析，分別得到的床板角度、角速度、角加速度變化如圖7所示，角度范圍滿足設計的0～90°要求。角速度范圍控制在1.7～5.5°之間，床板在0～90°轉動過程中的理想平均角速度為4.5°/s，本方案角速度變化更加合理，前半段角速度由1.7～4°平穩(wěn)增加，人體受床板垂向支持力較大，較小的角速度有利于減小對人體的壓迫感，后半段角速度由4～5.5°平穩(wěn)增加，隨著床板轉動角度增加，人體受床板垂向支持力逐漸減小，角速度增大以加快床板轉動過程。角加速度變化范圍0.14～0.34°/s2，變化范圍較小，且數(shù)值變化平穩(wěn)減小，無突變。本設計方案符合上述要求，機械機構的尺寸參數(shù)的選取是合理的。

圖7 床板的運動學參數(shù)

隨著床板的轉動，腰部、背部、肩部、頸頭部氣囊推動身體對應部位協(xié)助完成抬背位姿變換， 頸頭部氣囊在20s的抬背位姿變化過程中推力變換為94.8～100N，與床板夾角變化為90°～69°，如圖8所示，肩部氣囊推力變化為245～263N，與床板夾角變化為90°～66°，如圖9所示，背部氣囊推力變化為187～205N，與床板夾角變化為90°～63.5°，如圖10所示，腰部氣囊推力變化為187.5～208.5N，與床板夾角變化為90°～61°，如圖11所示。在抬背位姿變換過程中，各個氣囊推力變換平緩增加，與床板夾角變換較為平穩(wěn)，通過控制充入氣囊的氣體可以實現(xiàn)這一過程，整個過程為單一充氣，減少因充放氣所造成的身體震動。腰部、背部、肩部、頸頭部氣囊減少了各身體部位對其他部位的擠壓，將人體的重量分散到多個氣囊共同支撐，協(xié)同調節(jié)氣囊使得柔性氣囊裝置更加貼合人體曲線，實現(xiàn)抬背位姿調節(jié)的柔性化與舒適性。

圖8 頸頭部氣囊推力和角度

圖9 肩部氣囊推力和角度

4 結束語

圖10 背部氣囊推力和角度

圖11 腰部氣囊推力和角度

本文的輪椅床方案機械機構運動可靠，柔性氣囊裝置減少了人體各個部分的擠壓，使得抬背位姿變換柔性化，采用三維軟件SOLIDWORKS進行建模，并對機械機構和柔性氣囊裝置進行理論分析，MATLAB仿真計算得到的曲線進一步驗證了設計方案和人機一體化模型的合理性，滿足了位姿變換的柔性化與舒適性，柔性氣囊對于身體頸頭部、肩部、背部、腰部的分別調節(jié)更加契合人體曲線。下一部分將開展人體壓力數(shù)據(jù)的工作，將根據(jù)使用者的具體身體參數(shù)，對人機一體化模型進行修正，使得輪椅床的位姿變換更加智能化、柔性化，并解決人體的差異化問題。