韓富 李璐 李維

（西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710123）

1 多功能護(hù)理病床布局

多功能護(hù)理床的設(shè)計(jì)既要考慮人體工程學(xué)、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等設(shè)計(jì)需求，又要考慮到多功能護(hù)理床各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造是否合理、經(jīng)濟(jì)，以及設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到患者、護(hù)理人的生理和心理特點(diǎn)，考慮到患者的身高、坐高、坐深、視野等多重因素，盡量使設(shè)計(jì)富有人性化[1]。按照中國(guó)成人常規(guī)身體尺寸規(guī)范，36～60 周歲的婦女，平均身高147.7cm，坐高80.5cm，下肢和足高共33.8cm，坐姿40.0 cm；36-60歲的男性平均身高176.1cm，坐高95.2cm，下肢和腳高共44.2cm，坐姿49.4cm[2]。通常，設(shè)計(jì)多用途護(hù)理床，基本的要求是：支背角最大可達(dá)到85 度，翻轉(zhuǎn)部分最大80 度，并可自行調(diào)直，上伸腿可上折40 度，下彎腿可彎曲90 度，上身、大腿和小腿的獨(dú)立活動(dòng)。根據(jù)I 型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，護(hù)理床既可以適合女性第五百分位下限確定的尺寸界限值，又應(yīng)當(dāng)滿足男性第九十五百分位上限確定的尺寸界限值。鑒于人的體型和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的差異，我們運(yùn)用了人體的身體構(gòu)造與比例，建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的人體模型，從而得出了人體各部位的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。本設(shè)計(jì)是適用于90%患者的護(hù)理床，下限選擇第5 百分位，上限選擇第95 個(gè)百分位，按照附圖2 所顯示的順序排列多功能護(hù)理床的床板。床板采用模塊化設(shè)計(jì)，既可以滿足患者的各種活動(dòng)需要，又可以方便地進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并可改善每張床板的動(dòng)作靈活性。根據(jù)這一理念和模塊化設(shè)計(jì)的多功能護(hù)理床，可以用于支背、保護(hù)、翻身，也具有屈腿、抬腿、康復(fù)訓(xùn)練，還能用作遠(yuǎn)程監(jiān)控、人體生命體征檢測(cè)等方面。本文主要設(shè)計(jì)和分析該護(hù)理床的側(cè)身機(jī)構(gòu)。

圖1 人體坐姿尺寸圖

圖2 多功能護(hù)理床模塊化布局圖

2 側(cè)身運(yùn)動(dòng)分析

在改善多功能護(hù)理病床側(cè)身裝置時(shí)，必須符合下列條件：(1)側(cè)身機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到輔助病人做側(cè)身運(yùn)動(dòng)的目的；(2)側(cè)身機(jī)構(gòu)必須滿足人體工程學(xué)的要求；(3)各機(jī)構(gòu)在進(jìn)行側(cè)身動(dòng)作時(shí)，必須穩(wěn)定、可靠、安全；(4)為了改善身體在運(yùn)動(dòng)中的舒適度，側(cè)身機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與身體自主方向或狀態(tài)相一致。所以，在設(shè)計(jì)側(cè)身機(jī)構(gòu)時(shí)，必須對(duì)身體的自主側(cè)身進(jìn)行分析。本文從人的自主側(cè)身動(dòng)作和癱瘓患者的側(cè)向動(dòng)作角度出發(fā)，把身體側(cè)移的研究對(duì)象抽象成了人的肩部，并利用肩部在床上的可變曲線來(lái)分析身體的側(cè)向動(dòng)作[3]，見圖3。從圖中可以看到，身體的重心總是在床上，肩部承受著垂直的正壓力和橫向的摩擦力，通過(guò)摩擦來(lái)克服重力和正壓力所產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩，從而實(shí)現(xiàn)了身體的側(cè)身運(yùn)動(dòng)。

圖3 人體側(cè)身變曲率滾動(dòng)模式

當(dāng)患者側(cè)身運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要盡量減小或規(guī)避皮膚與床面的相對(duì)移動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)皮膚和手術(shù)創(chuàng)面的保護(hù)效果，同時(shí)也要求在側(cè)臥時(shí)，身體的重心在身體的活動(dòng)方向上盡量與身體的自主側(cè)移的軌跡保持一致。本文采用定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)方式進(jìn)行側(cè)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使身體在側(cè)身動(dòng)作時(shí)，只靠上身側(cè)板和中間床板施加的正壓，避免了身體與床面的相對(duì)滑移，并確保了重心的移動(dòng)軌跡接近真實(shí)的軌跡，增加病人在側(cè)躺時(shí)的舒適度[4]。

2.1 定軸轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)身模式

按照人體側(cè)身時(shí)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出一種定軸側(cè)身模式，該模式側(cè)身時(shí)所設(shè)計(jì)的側(cè)身框由左側(cè)框、右側(cè)框和中間框三部組成，如圖4 所示。

圖4 側(cè)身床框示意圖

當(dāng)身體側(cè)身，中間框架旋轉(zhuǎn)，在身體的后背施加支撐，帶動(dòng)身體側(cè)身。為了避免由于身體側(cè)面的傾角而造成的身體滑動(dòng)，必須在肩膀部位施加支撐力來(lái)減少身體和中床之間的摩擦。在側(cè)身時(shí)，身體的受力和床板位置見圖5。左邊框架和中間框架以固定的角度圍繞著一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)身體的后背和肩膀來(lái)平衡身體的重量，減少身體與床板之間的摩擦力，防止身體在側(cè)臥時(shí)與床體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；其中心線與人體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡一致，給病人帶來(lái)了很大的舒適感。

圖5 人體側(cè)身受力圖

這種方式的左側(cè)側(cè)身流程見圖6，當(dāng)病人朝左邊側(cè)身時(shí)，左邊的框架會(huì)開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)你到達(dá)一個(gè)特定的位置時(shí)就會(huì)停止；與中間框架聯(lián)動(dòng)，使人的身體在一定角度上向左側(cè)傾斜，可以達(dá)到90 度的側(cè)面；當(dāng)身體再次平臥時(shí)，左框架和中間框架在一個(gè)固定的角度上再次旋轉(zhuǎn)并復(fù)位；左邊的框架旋轉(zhuǎn)到橫向，完成了整個(gè)左邊的橫向移動(dòng)。在側(cè)身的時(shí)候，他的身體一直被固定在一個(gè)V 型的槽里[4]。右側(cè)身流程與左側(cè)身的原理是一樣的。

圖6 向左側(cè)側(cè)身示意圖

2.2 側(cè)身框布置

當(dāng)臥床者側(cè)身時(shí)，床框主要從人體的上身、臀部和大腿給人體提供支撐力。所以將中間側(cè)身框其分成三部分，分別作用于人體的上身、臀部和大腿，見附圖7 。

圖7 中間翻身框分段位置示意圖

在側(cè)身時(shí)，側(cè)身框1、2、3 必需同時(shí)運(yùn)動(dòng)，維持共平面；在照護(hù)過(guò)程中，被照管部位的側(cè)身框被復(fù)位，另外兩個(gè)側(cè)身框用于支持身體；三個(gè)中間側(cè)身框輪流抬起，協(xié)助進(jìn)行了全身的護(hù)理工作[5]。

3 實(shí)現(xiàn)側(cè)身功能的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 側(cè)身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

側(cè)身機(jī)構(gòu)工作時(shí)，由于側(cè)框與中間框運(yùn)動(dòng)獨(dú)立，需要兩個(gè)原動(dòng)件，為實(shí)現(xiàn)通過(guò)兩個(gè)電機(jī)完成向左和向右側(cè)身運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)如圖8 所示的側(cè)身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖8 側(cè)身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該傳動(dòng)裝置是用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，它是用有規(guī)則地控制的主動(dòng)滑塊13、16 沿導(dǎo)軌10 來(lái)回運(yùn)動(dòng)，來(lái)協(xié)助患者完成側(cè)身。當(dāng)轉(zhuǎn)向右側(cè)的時(shí)候，側(cè)面框架的主動(dòng)滑塊13將側(cè)框架的右被動(dòng)滑塊13 推向右邊，并且由連桿9、杠桿10 和滾輪6 將運(yùn)動(dòng)傳送到右邊框架4，從而可以進(jìn)行右邊框架的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到規(guī)定的角度時(shí)，該側(cè)面的側(cè)框主動(dòng)滑塊13 在中間框架的主動(dòng)滑塊16 的作用下將該中央內(nèi)框被動(dòng)滑塊15 推向右邊，以使得該中間內(nèi)框2 和右邊框架4 的一個(gè)固定的角旋轉(zhuǎn)到右邊，從而達(dá)到一個(gè)恒定的側(cè)身夾角。在護(hù)理工作結(jié)束后，將中央框架的主動(dòng)滑塊16 和側(cè)面的主動(dòng)滑塊13 反轉(zhuǎn)，使得臥床的人仍然保持固定的姿勢(shì)，并且將側(cè)面框架的主動(dòng)滑塊13 撥動(dòng)到中部，從而使得右邊框架4 復(fù)位。在復(fù)位的過(guò)程中，在中間框2,3 和側(cè)框1,4 上，壓力彈簧將對(duì)應(yīng)的被動(dòng)滑塊與主動(dòng)滑塊相接觸，而所述驅(qū)動(dòng)桿返回拉伸彈簧則為所述返回張力，以保持所述中間框架和所述測(cè)量框與所述對(duì)應(yīng)的支持桿的終端輥相接觸；確保中間框架及邊框的復(fù)位連續(xù)穩(wěn)定可靠[6]。當(dāng)向左側(cè)身的時(shí)候，動(dòng)作和原理也是一樣的。

3.2 側(cè)身機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

側(cè)身床板的中間外框的傳動(dòng)裝置是由一個(gè)曲軸滑動(dòng)裝置和一個(gè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿裝置組成的，它的驅(qū)動(dòng)上半身平板的工作機(jī)理是把它分解成兩個(gè)單獨(dú)的機(jī)械裝置來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，并利用中間外框杠桿20 來(lái)確定兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在圖9 中，對(duì)中間外框架驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)建了直角座標(biāo)系。

圖9 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)建立

3.3 中間框和側(cè)框恒夾角翻身運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)圖10 所示的左側(cè)框傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，建立左側(cè)框的矢量回路方程，可解出左側(cè)框狀態(tài)角與滑塊的位置關(guān)系。

圖10 左側(cè)框傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

恒定夾角翻身過(guò)程中要求側(cè)框與相應(yīng)框的夾角保持恒定不變，左側(cè)翻身時(shí)如圖11 所示。

圖11 左側(cè)恒定夾角翻身示意圖

式(4)表示輔助側(cè)身框主動(dòng)滑塊與中間框之間所具有運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，為運(yùn)動(dòng)控制提供了條件。

4 結(jié)論

本文根據(jù)身體曲線及側(cè)身運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，提出了一種定軸側(cè)身模式，并利用這種模型，設(shè)計(jì)了一種新的嵌套式復(fù)合床邊運(yùn)動(dòng)裝置。通過(guò)兩個(gè)對(duì)稱排列的曲軸滑動(dòng)裝置與搖桿串聯(lián)的組合裝置，使其具有左右側(cè)翻的功能，傳動(dòng)滑塊置于兩個(gè)對(duì)稱排列的組合機(jī)構(gòu)的中心，其設(shè)計(jì)合理，既可充分充分地發(fā)揮多用途病床的下部空間，又可降低驅(qū)動(dòng)馬達(dá)數(shù)量；采用兩臺(tái)馬達(dá)對(duì)四個(gè)不同的方向進(jìn)行間歇的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)采用定軸轉(zhuǎn)動(dòng)模式側(cè)身時(shí)，患者總是處于由床板，上身側(cè)板組成的V 字形的區(qū)域內(nèi)，而中、下、上半身左右板對(duì)身體起到很好的支持，防止了在翻身時(shí)后背和中間床板之間發(fā)生的滑動(dòng)，從而改善了身體的舒適性。本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究，得到了該系統(tǒng)的上身側(cè)身框架的翻轉(zhuǎn)角度與驅(qū)動(dòng)滑塊位移之間的關(guān)系，從而為多用途護(hù)理床的側(cè)身運(yùn)動(dòng)控制提供了一定的理論依據(jù)。