張軒銘，周浩東，王子鈺，褚亞旭，呂金賀，李洪洲

（北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132000）

0 引言

目前，無論在醫(yī)院、養(yǎng)老院、護(hù)理中心，還是在家里，護(hù)理床應(yīng)用極為普遍，減輕了醫(yī)護(hù)人員、病人家屬的負(fù)擔(dān)[1-4]。2016年，上海工程技術(shù)大學(xué)的王玉昭[5]對起背機(jī)構(gòu)的保護(hù)單元進(jìn)行模塊劃分設(shè)計(jì)。2018年，天津工業(yè)大學(xué)的秦帥華[6]將起背機(jī)構(gòu)中的抬背板分成腰部支板和背部支板，分別對病人的腰部和背部進(jìn)行支撐，另外設(shè)置獨(dú)立支撐病人臀部的座板，三板聯(lián)動完成起背動作。2019年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)的高峰[7]在起背機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)了一種移臀單元，解決了患者的體位在初始位置時(shí)偏下的問題，提高了病人的自我調(diào)節(jié)性。

上述護(hù)理床起背過程中都存在背板拉病人背部衣服的現(xiàn)象，使得病人頸部、后背受到衣服的擠壓，造成病人不舒服，甚者產(chǎn)生窒息，特別是對于失去運(yùn)動功能的病人，就更加的危險(xiǎn)。因此，急需解決上述問題[8]。

1 現(xiàn)有護(hù)理床抬背機(jī)構(gòu)扯背原因分析

現(xiàn)有護(hù)理床抬背機(jī)構(gòu)原理，如圖1所示，護(hù)理床以O(shè)為抬背板的旋轉(zhuǎn)中心，O′為人體重心的旋轉(zhuǎn)中心, 人體中心高為O′B=68.5 mm。根據(jù)人體工程學(xué)中的中國成年人人體尺寸，人體背部的肩胛骨和抬背板接觸的同一點(diǎn)記為A，選取BA=500 mm。當(dāng)抬背板OA抬起一定角度α?xí)r，抬背板上的A點(diǎn)的位置為C′,體旋轉(zhuǎn)中心與抬背板的旋轉(zhuǎn)中心不重合，而使人體背部的肩胛骨上的A點(diǎn)位置變化為C點(diǎn)，人體背部與抬背板產(chǎn)生了滑移，滑移量為CC′，因此采用該結(jié)構(gòu)雖能實(shí)現(xiàn)其基本運(yùn)動功能，但因患者位姿改變，從而對患者背部衣物造成牽扯，造成患者不適。

圖1 現(xiàn)有護(hù)理床抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理示意圖

2 聯(lián)動式護(hù)理床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析

為解決因患者的位姿改變，患者背部衣物牽扯造成患者出現(xiàn)不適問題，設(shè)計(jì)了一種聯(lián)動式護(hù)理床抬背機(jī)構(gòu)簡圖，通過主動補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑢⑷梭w背部與抬背板產(chǎn)生的滑移量行補(bǔ)償，消除扯背現(xiàn)象。聯(lián)動護(hù)理床抬背機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示，該機(jī)構(gòu)主要由電動推桿、抬背板、背靠板滑動機(jī)構(gòu)和多連桿等組成，該機(jī)構(gòu)在電動推桿的推動下，通過多連桿傳動實(shí)現(xiàn)抬背板和背靠板移動。

如圖2可知，建立直角坐標(biāo)系，首先研究的主要參數(shù)為抬背板的角位移θ5、角速度ω5、角加速度α5。

圖2 抬背機(jī)構(gòu)方案示意圖

式中:L1為桿AB的長度；L2為桿BC的長度；L3為鉸鏈A與鉸鏈E之間的長度。

應(yīng)用歐拉公式eix=cos x+isin x，將式（2）中的實(shí)部和虛部分離，得到

抬背板的角速度和角加速度分別為ω5和α5，將電動推桿速度和已知桿的長度代入，可得到抬背板的角速度和角加速度的變化情況，據(jù)此判斷抬背板的角速度和角加速度是否有突變情況，如果沒有說明其運(yùn)動平穩(wěn)，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合要求。

同理通過矢量方程式，計(jì)算背靠板的相對位移情況。

通過式（23）得出θ9是關(guān)于lMH和lHE的函數(shù)，之后輸入已知條件，代入可求得lMH和lHE的值。LHE為靠背板的位移量。

3 聯(lián)動式護(hù)理床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真

依據(jù)運(yùn)動學(xué)平衡方程，采用MATLAB軟件搭建機(jī)構(gòu)仿真模型并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，分析抬背板的角速度和人體背部位移量與背靠板補(bǔ)償量情況，對患者抬背過程中的舒適性和機(jī)構(gòu)的正確性等問題進(jìn)行驗(yàn)證，仿真分析結(jié)果，如圖3、圖4所示。人體背部位移量與背靠板補(bǔ)償量對比分析，如表1所示。

表1 人體背部位移量與背靠板補(bǔ)償量對比分析

圖3 抬背板角速度

圖4 人體背部位移量和背靠板補(bǔ)償量對比曲線

由圖3、圖4可知，從整體趨勢來看，抬背板角速度曲線平滑，沒有出現(xiàn)斷點(diǎn)和突變，運(yùn)行較為平穩(wěn)，能夠保證抬背過程中的舒適性。人體背部位移量與背靠板補(bǔ)償量曲線相比，隨著靠背板抬背角度變化，該靠背板在徑向方向上位移有規(guī)律變化，先比人體背部位移量曲線滯后，近19°時(shí)，滯后量達(dá)到最大值為2.55 mm，其后滯后量變小，在47°時(shí)，與人體背部位移量曲線重合，之后，背靠板補(bǔ)償量與人體背部位移量相比，背靠板補(bǔ)償量開始超前，至75°時(shí)，達(dá)到最大值105.83 mm。在75°時(shí)，人體背部位移量為105.12 mm。

背靠板補(bǔ)償量維持在0～2.55 mm范圍內(nèi)。經(jīng)分析產(chǎn)生原因?yàn)椋河捎谠摍C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特性引起的。當(dāng)t=12 s時(shí)，抬背板角度達(dá)到75°，靠背板與抬背板的相對位移量為105.83 mm。通過實(shí)驗(yàn)得出人體位移量差3 mm患者感覺無明顯，而本機(jī)構(gòu)的最大位移量為2.55 mm，小于3 mm，防止了扯背現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的聯(lián)動病床抬背機(jī)構(gòu)可以用于現(xiàn)有護(hù)理床。采用連桿滑塊聯(lián)動機(jī)構(gòu)建立了二維原理圖；采用矢量方程建立了其理論模型；在MATLAB中進(jìn)行運(yùn)動仿真分析；對比了仿真與理論位移結(jié)果，得出其在不同起背角度時(shí)的位移變化規(guī)律，通過分析曲線，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)模型的正確性和良好的位移性能，防止了扯背現(xiàn)象發(fā)生。