趙紀(jì)卓 陳鴻躍 萬宏強(qiáng) 薛焱豐

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021）

近年來，隨著我國逐步邁入老齡化社會，人口老齡化問題也日趨嚴(yán)重[1]。根據(jù)人口普查結(jié)果顯示，60 歲及其以上人口接近1.78 億人，占總?cè)丝诘?3.26%，并以每年3.3%的速度增加，并且這種發(fā)展趨勢在短時間內(nèi)不會緩解[2]。第十九次全國人大代表會議指出，加強(qiáng)人口發(fā)展戰(zhàn)略研究，嚴(yán)陣以待應(yīng)對人口老齡化問題，建立完善養(yǎng)、孝、敬老的社會體系，鼓勵發(fā)展相應(yīng)的老齡事業(yè)和產(chǎn)業(yè)。由于社會壓力等問題，一部分年輕人不能全身心照顧老人[3]，空巢老人獨(dú)自起居存在摔倒、滑倒等安全隱患[4]，對老人身體機(jī)能造成較大傷害。因此多功能輔助老人起居支架應(yīng)運(yùn)而生，旨在優(yōu)化老人居家自理環(huán)境，減免老人因腿腳不便而造成的上下床困難等問題。

本設(shè)計針對性解決老人獨(dú)自起居困難，輔助老人上下床以及實(shí)現(xiàn)輪椅與起居床的對接，獨(dú)自完成輪椅到起居床的轉(zhuǎn)換。本文從結(jié)構(gòu)、工藝性能以及實(shí)用性等方面設(shè)計一種能夠給予老人上下床的便捷與保障的輔助起居支架。對關(guān)鍵元件進(jìn)行有限元分析[5]，確保機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中擁有足夠的強(qiáng)度和剛度。

1 起居床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該起居支架通過實(shí)現(xiàn)床板的自動升降，輔助獨(dú)居老人上下床及坐姿和臥姿的轉(zhuǎn)換，其整體的三維模型如圖1 所示，起居支架的主體框架由夾持機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、抬腿機(jī)構(gòu)和固定機(jī)構(gòu)組成。整個多功能起居支架的夾持機(jī)構(gòu)由底板和夾具組成，抬腿機(jī)構(gòu)由四桿機(jī)構(gòu)和抬腿板構(gòu)成，傳動裝置由電機(jī)帶動曲柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)活動板的自動升降。使用時，根據(jù)調(diào)節(jié)可控開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動運(yùn)動桿實(shí)現(xiàn)回擺，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動的快慢，按下反向開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)桿件反轉(zhuǎn)，此時老人可以通過抬腿板的升降實(shí)現(xiàn)上下床。

2 起居床主要機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計

傳動機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)和曲柄機(jī)構(gòu)構(gòu)成，通過控制減速電機(jī)的絲桿帶動曲柄連桿進(jìn)行回擺運(yùn)動，電機(jī)絲桿與驅(qū)動桿相連，絲桿帶動曲柄連桿進(jìn)行回擺，進(jìn)而帶動活動板的自動升降，完成輪椅與床板的對接工作。

2.2 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計

起居支架的夾持機(jī)構(gòu)由兩側(cè)夾具和底板構(gòu)成，兩側(cè)夾具通過螺栓固定于底板件第一層構(gòu)成夾持機(jī)構(gòu)。當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)作回擺運(yùn)動時，老人可以手持兩側(cè)夾具挪動身體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)坐臥姿的轉(zhuǎn)變。

3 起居床部件的設(shè)計

3.1 底板尺寸的設(shè)計

活動的底板應(yīng)滿足醫(yī)療護(hù)理方面的相關(guān)尺寸要求，且支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)YY0003-1990《病床》的有關(guān)規(guī)定[2]，并參考市場上護(hù)理床相關(guān)尺寸和設(shè)計目的，桿件與底板的重量不能超過1kg，載重不能超過80kg，所設(shè)計的底板總體尺寸長為600mm，寬600mm，高100mm。

3.2 底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

底板設(shè)計為兩層機(jī)構(gòu)，可以節(jié)省成本同時提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，考慮到整體結(jié)構(gòu)的裝配要求將電機(jī)和連接桿件放置在第一層。底板的三維模型圖如圖2 所示。

圖1 整體的三維模型

3.3 支撐桿的設(shè)計

如圖3 所示為起居支架的運(yùn)動桿件，圖中支撐桿EF、連架桿AD 和底板CF 組成三角結(jié)構(gòu)以提升運(yùn)動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)起居床的設(shè)計要求，設(shè)EF=DF 且∠ADF=80°，支撐桿EF 為1015mm。

圖2 底板的三維模型圖

3.4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

如圖4 所示的連桿機(jī)構(gòu)的三維模型圖，由連架桿和活動板構(gòu)成，桿件和活動板通過螺栓連接。其在工作時由電機(jī)帶動實(shí)現(xiàn)回擺運(yùn)動，同時作為主體框架配合支撐桿起到支撐作用。經(jīng)調(diào)查，市面上多數(shù)平板床件，其底板距地面H=340mm,考慮到最終四連桿受力情況，則在AD 中間放置支撐桿EF，起到增力的效果。則由勾股定理：

根據(jù)AB=600mm，DC=400mm，則AD+DC≤AB+BC 則存在曲柄。

圖3 機(jī)構(gòu)簡圖

圖4 連桿機(jī)構(gòu)的三維模型圖

3.5 電機(jī)型號的選取

傳動機(jī)構(gòu)采用可調(diào)式交流電機(jī)傳動，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動曲柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。老人體重以70kg 計，身高以170mm 計，小腿占體重的約10%，小腿長約為身高的20%，起居床需將小腿抬高340mm，需做功23.8 焦耳，以轉(zhuǎn)速4 轉(zhuǎn)/分，抬起時長4s，所需功率5.95w。據(jù)此選定68KTYZ 型號電動機(jī)，其基本參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速2.5 轉(zhuǎn)/分，額定功率為120W，額定電壓220V。

4 關(guān)鍵部件的校核

起居支架在工作時，電機(jī)帶動曲柄做回擺運(yùn)動，此時連架桿在工作行進(jìn)過程中，主要受到軸向壓力與彎曲應(yīng)力。老人小腿置于活動板上，板面受力可看為重力作用下的分布力，板所受分布載荷約為300N/m，連架桿直徑為6mm。行進(jìn)過程中，連架桿承載彎曲應(yīng)力與壓應(yīng)力的組合應(yīng)力。

連架桿主要用來承受載荷，為了保證設(shè)計的可靠性和安全性，在以下的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核計算終對以上參數(shù)上浮10%作為設(shè)計參考和校核，確保其的承載能力，從而延長桿件的使用壽命。通過Solidworks 軟件對連架桿進(jìn)行有限元分析，根據(jù)桿件在垂直狀態(tài)和行進(jìn)狀態(tài)的受力分析，對整個桿件進(jìn)行靜應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖5（a）和圖5（c）所示，判斷出桿件與抬腿板和底板連接處所受應(yīng)力最大，且最大受力為1.22MPa 和1.05MPa遠(yuǎn)處小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；最后對桿件進(jìn)行安全系數(shù)的分析，分析結(jié)果如圖5（b）和5（d）所示，其安全系數(shù)均滿足要求。因此，連架桿的設(shè)計滿足設(shè)計要求。

圖5 桿件的分析

5 實(shí)物搭建

通過對起居支架各個結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析以及關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核分析，分析結(jié)果均滿足設(shè)計要求，現(xiàn)對起居支架各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物搭建，如圖6 所示。通過電機(jī)帶動曲柄完成抬腿板的自動升降，輔助老人完成坐臥姿的轉(zhuǎn)換，起居支架作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，為空巢老人的生活起居提供便捷。

圖6 實(shí)物圖及測試

6 結(jié)論

本文利用SolidWorks 軟件對輔助老人起居支架的三維模型進(jìn)行搭建并對起居支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，提出了總體的設(shè)計方案，根據(jù)各個原動件的運(yùn)動規(guī)律，確定各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能，從而驗(yàn)證各機(jī)構(gòu)的合理性。最后，用SolidWorks 對其強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過對支撐件的受力分析可知，輔助老人起居支架的運(yùn)動平穩(wěn)性良好，床板受力均勻，達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。