韓富 李璐 李維

（西京學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西西安 710123）

1 多功能護理病床布局

多功能護理床的設(shè)計既要考慮人體工程學(xué)、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等設(shè)計需求，又要考慮到多功能護理床各個執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計和制造是否合理、經(jīng)濟，以及設(shè)計時要考慮到患者、護理人的生理和心理特點，考慮到患者的身高、坐高、坐深、視野等多重因素，盡量使設(shè)計富有人性化[1]。按照中國成人常規(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)計多用途護理床，基本的要求是：支背角最大可達到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、大腿和小腿的獨立活動。根據(jù)I 型產(chǎn)品的設(shè)計，護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。鑒于人的體型和運動姿態(tài)的差異，我們運用了人體的身體構(gòu)造與比例，建立了一個標(biāo)準(zhǔn)的人體模型，從而得出了人體各部位的相關(guān)設(shè)計參數(shù)。本設(shè)計是適用于90%患者的護理床，下限選擇第5 百分位，上限選擇第95 個百分位，按照附圖2 所顯示的順序排列多功能護理床的床板。床板采用模塊化設(shè)計，既可以滿足患者的各種活動需要，又可以方便地進行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并可改善每張床板的動作靈活性。根據(jù)這一理念和模塊化設(shè)計的多功能護理床，可以用于支背、保護、翻身，也具有屈腿、抬腿、康復(fù)訓(xùn)練，還能用作遠程監(jiān)控、人體生命體征檢測等方面。本文主要設(shè)計和分析該護理床的側(cè)身機構(gòu)。

圖1 人體坐姿尺寸圖

圖2 多功能護理床模塊化布局圖

2 側(cè)身運動分析

在改善多功能護理病床側(cè)身裝置時，必須符合下列條件：(1)側(cè)身機構(gòu)能夠達到輔助病人做側(cè)身運動的目的；(2)側(cè)身機構(gòu)必須滿足人體工程學(xué)的要求；(3)各機構(gòu)在進行側(cè)身動作時，必須穩(wěn)定、可靠、安全；(4)為了改善身體在運動中的舒適度，側(cè)身機構(gòu)應(yīng)當(dāng)與身體自主方向或狀態(tài)相一致。所以，在設(shè)計側(cè)身機構(gòu)時，必須對身體的自主側(cè)身進行分析。本文從人的自主側(cè)身動作和癱瘓患者的側(cè)向動作角度出發(fā)，把身體側(cè)移的研究對象抽象成了人的肩部，并利用肩部在床上的可變曲線來分析身體的側(cè)向動作[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，通過摩擦來克服重力和正壓力所產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩，從而實現(xiàn)了身體的側(cè)身運動。

圖3 人體側(cè)身變曲率滾動模式

當(dāng)患者側(cè)身運動時，需要盡量減小或規(guī)避皮膚與床面的相對移動，從而達到對皮膚和手術(shù)創(chuàng)面的保護效果，同時也要求在側(cè)臥時，身體的重心在身體的活動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)動方式進行側(cè)身機構(gòu)的設(shè)計，使身體在側(cè)身動作時，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滑移，并確保了重心的移動軌跡接近真實的軌跡，增加病人在側(cè)躺時的舒適度[4]。

2.1 定軸轉(zhuǎn)動側(cè)身模式

按照人體側(cè)身時的運動特點，提出一種定軸側(cè)身模式，該模式側(cè)身時所設(shè)計的側(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，必須在肩膀部位施加支撐力來減少身體和中床之間的摩擦。在側(cè)身時，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軸旋轉(zhuǎn)，通過身體的后背和肩膀來平衡身體的重量，減少身體與床板之間的摩擦力，防止身體在側(cè)臥時與床體發(fā)生相對滑動；其中心線與人體的真實運動軌跡一致，給病人帶來了很大的舒適感。

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，左邊的框架會開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)你到達一個特定的位置時就會停止；與中間框架聯(lián)動，使人的身體在一定角度上向左側(cè)傾斜，可以達到90 度的側(cè)面；當(dāng)身體再次平臥時，左框架和中間框架在一個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，完成了整個左邊的橫向移動。在側(cè)身的時候，他的身體一直被固定在一個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，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，側(cè)身框1、2、3 必需同時運動，維持共平面；在照護過程中，被照管部位的側(cè)身框被復(fù)位，另外兩個側(cè)身框用于支持身體；三個中間側(cè)身框輪流抬起，協(xié)助進行了全身的護理工作[5]。

3 實現(xiàn)側(cè)身功能的機構(gòu)設(shè)計與分析

3.1 側(cè)身傳動機構(gòu)原理

側(cè)身機構(gòu)工作時，由于側(cè)框與中間框運動獨立，需要兩個原動件，為實現(xiàn)通過兩個電機完成向左和向右側(cè)身運動，設(shè)計如圖8 所示的側(cè)身傳動機構(gòu)。

圖8 側(cè)身傳動機構(gòu)簡圖

該傳動裝置是用兩臺電動機來驅(qū)動的，它是用有規(guī)則地控制的主動滑塊13、16 沿導(dǎo)軌10 來回運動，來協(xié)助患者完成側(cè)身。當(dāng)轉(zhuǎn)向右側(cè)的時候，側(cè)面框架的主動滑塊13將側(cè)框架的右被動滑塊13 推向右邊，并且由連桿9、杠桿10 和滾輪6 將運動傳送到右邊框架4，從而可以進行右邊框架的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到規(guī)定的角度時，該側(cè)面的側(cè)框主動滑塊13 在中間框架的主動滑塊16 的作用下將該中央內(nèi)框被動滑塊15 推向右邊，以使得該中間內(nèi)框2 和右邊框架4 的一個固定的角旋轉(zhuǎn)到右邊，從而達到一個恒定的側(cè)身夾角。在護理工作結(jié)束后，將中央框架的主動滑塊16 和側(cè)面的主動滑塊13 反轉(zhuǎn)，使得臥床的人仍然保持固定的姿勢，并且將側(cè)面框架的主動滑塊13 撥動到中部，從而使得右邊框架4 復(fù)位。在復(fù)位的過程中，在中間框2,3 和側(cè)框1,4 上，壓力彈簧將對應(yīng)的被動滑塊與主動滑塊相接觸，而所述驅(qū)動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量框與所述對應(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)身的時候，動作和原理也是一樣的。

3.2 側(cè)身機構(gòu)運動學(xué)分析

側(cè)身床板的中間外框的傳動裝置是由一個曲軸滑動裝置和一個旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿裝置組成的，它的驅(qū)動上半身平板的工作機理是把它分解成兩個單獨的機械裝置來進行運動學(xué)的計算，并利用中間外框杠桿20 來確定兩個執(zhí)行機構(gòu)之間的運動關(guān)系。在圖9 中，對中間外框架驅(qū)動裝置構(gòu)建了直角座標(biāo)系。

圖9 傳動機構(gòu)坐標(biāo)建立

3.3 中間框和側(cè)框恒夾角翻身運動分析

根據(jù)圖10 所示的左側(cè)框傳動機構(gòu)簡圖，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)框傳動機構(gòu)簡圖

恒定夾角翻身過程中要求側(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)身框主動滑塊與中間框之間所具有運動約束關(guān)系，為運動控制提供了條件。

4 結(jié)論

本文根據(jù)身體曲線及側(cè)身運動的規(guī)律，提出了一種定軸側(cè)身模式，并利用這種模型，設(shè)計了一種新的嵌套式復(fù)合床邊運動裝置。通過兩個對稱排列的曲軸滑動裝置與搖桿串聯(lián)的組合裝置，使其具有左右側(cè)翻的功能，傳動滑塊置于兩個對稱排列的組合機構(gòu)的中心，其設(shè)計合理，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)動馬達數(shù)量；采用兩臺馬達對四個不同的方向進行間歇的驅(qū)動。當(dāng)采用定軸轉(zhuǎn)動模式側(cè)身時，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、上半身左右板對身體起到很好的支持，防止了在翻身時后背和中間床板之間發(fā)生的滑動，從而改善了身體的舒適性。本文對該系統(tǒng)進行了運動學(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)動滑塊位移之間的關(guān)系，從而為多用途護理床的側(cè)身運動控制提供了一定的理論依據(jù)。