麥智鵬 杜凱強 劉雨達 洪郭彬

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 機電工程學(xué)院，漳州 363000）

隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人口老齡化已成為我國極為嚴峻的社會問題[1-2]。截至2020年11月，我國60歲以上老年人口數(shù)量已達2.64億，占總?cè)丝跀?shù)的18.70%[3]。隨著年齡的增長，人們身體的各項機能會逐漸下降，從而造成行動遲緩或是不便的現(xiàn)象，甚至失去自理能力。這些老年人需要在子女或護工的照顧下才能實現(xiàn)起身、如廁、移動等[4]。

本文針對這一情況，設(shè)計出一種多功能助老床，用以解決行動不便或臥床老人的一些問題，幫助老人實現(xiàn)起身、如廁、移動等。與市面上的助老床相比，這款多功能助老床采用簡易的機械結(jié)構(gòu)，不僅能實現(xiàn)床廁一體，而且結(jié)構(gòu)巧妙、成本低，能有效保障老人的安全。多功能助老床設(shè)計時應(yīng)遵循的設(shè)計原則有功能合理原則、簡潔性原則、安全性原則、易用性原則、共用性原則和主動性原則[5]。

1 多功能助老床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 助老床的機械結(jié)構(gòu)組成

多功能助老床的機械結(jié)構(gòu)主要分為母床和子輪椅兩部分，其主要受力部分為支撐框架與底板的連接處以及4個支撐底座與支撐框架的連接處，模型如圖1所示。其中，4個支撐底座受力均勻，取其中一個進行受力分析可得，床體床架可采用強度足夠的45鋼[6]。

本設(shè)計的床體床架均采用足夠強度的不銹鋼材料，通過焊接工藝進行連接。其中，床板采用多板塊結(jié)構(gòu)設(shè)計和高強度的活頁連接，且在主要承重部位加裝了加強鋼板保證床板的結(jié)構(gòu)強度。對于床體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用了床椅一體化結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)床椅的分離與拼接。母床可以實現(xiàn)上下床、起身與躺下等功能，子輪椅可以解決移動、如廁等問題。

子輪椅對接母床的一側(cè)設(shè)置有與輪椅對接的磁吸機構(gòu)，通電則吸合，不通電則松開。同時，輪椅上也設(shè)置有與之配合的磁鐵管。當(dāng)老人或患者不需要使用輪椅時，可通過遙控器把多功能護理床上的磁吸機構(gòu)收回。多功能護理床床架底下固定，以免妨礙醫(yī)護人員開展護理工作。當(dāng)要用到輪椅對接時，只需把輪椅移到相對應(yīng)的位置，使其接觸吸合，這時輪椅與多功能護理床融為一體，可固定不動。老人或患者在自己站立轉(zhuǎn)身、從坐在輪椅上轉(zhuǎn)移到多功能護理床上或者從多功能護理床轉(zhuǎn)到輪椅上時，無需醫(yī)護人員的幫忙，減輕了醫(yī)護人員的負擔(dān)。

1.2 母床結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 抬背機構(gòu)設(shè)計

助老床的抬背機構(gòu)主要由滑軌、滑塊、滑軌轉(zhuǎn)向頭、推桿、齒輪齒條結(jié)構(gòu)以及步進電機A組成，如圖2所示。其中，步進電機A和推桿分別固定在電機固定塊和推桿固定塊上，推桿的一端與滑塊相連。當(dāng)步進電機A啟動時，電機轉(zhuǎn)動帶動與其相連的齒輪結(jié)構(gòu)。電機相對于地面保持靜止狀態(tài)，通過齒輪傳動帶動與其相連的推桿，進而帶動滑塊在其相應(yīng)的滑軌上運動形成一定的角度。當(dāng)達到適當(dāng)距離時，由于步進電機A有自鎖功能，能夠停止抬升或落下，從而保證上床板穩(wěn)定在舒適的位置。當(dāng)老人想要下床時，可以先依賴起臥模塊呈現(xiàn)坐起狀態(tài)，然后撐住子輪椅扶手，借力起身實現(xiàn)由坐姿轉(zhuǎn)為臥姿或者臥姿轉(zhuǎn)為坐姿的結(jié)構(gòu)改變。整體抬升機構(gòu)采用雙推桿對立呈雙八字型機構(gòu)，且向內(nèi)收縮，在提升穩(wěn)定性的同時節(jié)省空間。在抬升過程中，雙電機兩側(cè)同時抬升，解決了局部受力不均勻的問題，同時解決了在抬升過程中水平方向上的位移偏差。推桿推力為1 000 N，推桿總長度為900 mm，由步進電機A帶動齒輪齒條傳動將推桿往上推起時，共用時100 s，由試驗測算出推桿伸縮速度為9 mm·s-1。另外，為避免出現(xiàn)死點位置，旋轉(zhuǎn)架的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于70°[7]。

1.2.2 導(dǎo)軌機構(gòu)

助老床的床體可分成母床和子輪椅兩部分，母床配有定向?qū)к?，子輪椅和母床之間通過導(dǎo)軌確保對接及分離的準確性和穩(wěn)定性。在床體結(jié)構(gòu)分離及拼接時，采用這種結(jié)構(gòu)能夠減少由于對接所造成的機械結(jié)構(gòu)滑動及振動，從而減少對老人身體的創(chuàng)傷。導(dǎo)軌機構(gòu)三維圖如圖3所示。

1.3 子輪椅設(shè)計

1.3.1 抬腿機構(gòu)

抬腿機構(gòu)三維圖如圖4所示，主要由步進電機B、連桿1、連桿2、連桿軸以及連桿架組成。其中，步進電機B與子輪椅中座椅底部相連，另一端與連桿1相連，連桿1一端連接連桿2，另一端通過連桿軸與連桿架相連，進而與曲腿板相連。該機構(gòu)采用電機轉(zhuǎn)動帶動連桿機構(gòu)運動將兩側(cè)抬升，從而實現(xiàn)腿部由平放狀態(tài)轉(zhuǎn)換成屈膝狀態(tài)，腿位調(diào)節(jié)范圍可達90°。該機構(gòu)工作時，通過遙控器調(diào)節(jié)電機反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)從平躺狀態(tài)轉(zhuǎn)換成坐姿狀態(tài)，同時通過控制電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)腿部由平放狀態(tài)轉(zhuǎn)換成屈膝狀態(tài)。此外，可通過遙控器控制電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)整體上升，以便調(diào)節(jié)到適宜的高度。

1.3.2 如廁機構(gòu)

如廁機構(gòu)主要由齒輪、齒條、輪椅滑板、輪椅滑板固定滑道、輪椅滑板滑軌和永磁交流同步電機C組成。老人如廁時，通過電機與齒輪齒條結(jié)構(gòu)的配合帶動可移動輪椅滑板塊在輪椅滑塊固定滑道中定向運動，通過遙控器控制電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)整體機構(gòu)的橫移，從而實現(xiàn)輪椅滑板的開啟與關(guān)閉。當(dāng)達到一定位置時，步進電機會自鎖，從而達到開關(guān)作用。如廁機構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

1.3.3 棘爪機構(gòu)

棘爪機構(gòu)主要由扶手、扶手連桿、靠背定桿和棘條組成。其中，靠背定桿上的棘爪通過靠背定桿與扶手連桿相連。通過調(diào)節(jié)靠背定桿的位置能夠控制靠背傾斜度，同時調(diào)節(jié)擋位的增多能夠使背框調(diào)節(jié)范圍增大，從而為老人提供更多角度的靠背姿勢選擇。棘爪機構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

1.3.4 剎車裝置

剎車裝置主要由手剎、剎車塊、剎車片和剎車線組成。利用手剎能夠?qū)⒆虞喴嗡俣日{(diào)整到合適大小。剎車動力傳遞過程為先由手剎傳遞到剎車線，再由剎車線控制剎車塊，最后由兩側(cè)剎車片將車輪夾緊，達到減速效果。剎車裝置設(shè)計如圖7所示。

2 助老床主要零部件的仿真

Simulation模塊由有限元分析軟件Cosmos works改名而來。為了體現(xiàn)設(shè)計和仿真一體化的解決方案，SolidWorks將仿真界面和仿真流程的Simulation模塊直接嵌入到了SolidWorks的圖形設(shè)計界面[8]。通過用SolidWorks Simulation對輪椅中間座椅進行靜應(yīng)力學(xué)分析，以此來驗證設(shè)計方案的合理性與可行性。

分析過程中，中間座椅選用ABS材料，利用夾具將兩側(cè)夾緊后，在輪椅中間座椅加入外部載荷5 000 N，最后通過運行算例得出分析結(jié)果。中間座椅的應(yīng)力分布圖、位移變化圖和應(yīng)變云圖分別如圖8～圖10所示。根據(jù)圖8可以看出，輪椅中間座椅應(yīng)力最大變形出現(xiàn)在座椅兩側(cè)，最大形變量為5.346×106Pa，明顯低于對應(yīng)材料ABS的許用應(yīng)力值24.5 MPa，符合設(shè)計要求。根據(jù)圖9可以看出，輪椅中間座椅位移最大變形出現(xiàn)在座椅中間部位，最大形變量為3.994×10-1mm，位移距離變化不大，符合設(shè)計要求。根據(jù)圖10可以看出，輪椅中間座椅應(yīng)變最大變形出現(xiàn)在座椅兩側(cè)，最大形變量為2.159×10-3mm，最大形變量處于材料的允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。

3 理論設(shè)計計算

設(shè)計的輪椅滑板所需拉力為50 N，輪椅滑板的徑向速度需為0.23 m·s-1。根據(jù)電機工作的實際工況和功能要求，設(shè)計選用永磁交流同步電機[9]。

3.1 功率選擇

確定電動機效率Pw可按式（1）計算：

式中：F為輪椅滑板所需拉力，取值為200 N；V為輪椅滑板的徑向速度，取值為0.23 m·s-1；由于裝置的工作效率還需要考慮齒輪嚙合的效率、數(shù)據(jù)選擇和其他誤差的情況，因此取ηw=1。

將數(shù)據(jù)代入式（1），得Pw=11.5 W。

3.2 電動機的類型選擇

電動機輸出功率Pd的計算方式為：

為計算電動機負載所需要的輸出功率Pd，要先確定電動機與工作負載之間的總功率η總。設(shè)η1、η2分別為閉式齒輪的傳動效率（設(shè)齒輪精度等級為7級）和負載工作機的效率，查表得η1=0.98，η2=0.96，則傳動裝置的總效率η總為0.940 8。因此，電動機所需工作功率Pd為12.22 W。

考慮到誤差關(guān)系，上述計算結(jié)果需要滿足實際功率P≥Pd。按工作要求、工作條件查表選用電機的型號為60KTYZ，其數(shù)據(jù)參數(shù)如下：電機的額定功率為14 W；額定轉(zhuǎn)速為50 r·min-1；電機軸的輸出轉(zhuǎn)矩T電機軸為2.33 N·m。

4 多功能助老床的控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 單片機的選擇

本次設(shè)計選用STM32單片機。與傳統(tǒng)51單片機相比，STM32單片機具有更多的功能，運算速度也更快。STM32單片機程序都是模塊化程序，接口處簡單且不需要太多的外圍元件，具有實時性、數(shù)字信號處理快、低功耗和低電壓等特點[10-11]。

4.2 多功能助老床控制流程

多功能助老床中抬背機構(gòu)、抬腿機構(gòu)、如廁機構(gòu)均由STM32單片機控制。其中：抬背機構(gòu)有抬起與下落兩種功能，分別用3個按鈕控制，按鈕的功能分別為抬起、下落和暫停，可以讓老人抬升或下落到舒適位置；抬腿機構(gòu)具有抬腿和屈膝兩種工作模式，同樣由3個按鈕控制，功能分別為抬腿、屈膝和暫停；如廁機構(gòu)由2個按鈕組成，能夠利用電機正反轉(zhuǎn)控制該機構(gòu)的開啟與關(guān)閉?？刂葡到y(tǒng)原理如圖11所示。

5 結(jié)語

本產(chǎn)品操作簡單、使用周期長、成本相對較低，不僅可以應(yīng)用于養(yǎng)老機構(gòu)、醫(yī)院等場所，而且能夠解決當(dāng)今社會助老齡化器材短缺問題，對于提高老年人的生活的質(zhì)量和助老服務(wù)行業(yè)發(fā)展具有重要意義。