孫騰蛟SUN Teng-jiao；范雅璇FAN Ya-xuan；宋群SONG Qun；郭婷婷GUO Ting-ting；劉楊LIU Yang

（①濱州職業(yè)學(xué)院，濱州 256603；②范海自動化技術(shù)（山東）有限責任公司，濱州 256603；③上海新南洋合鳴教育有限公司，上海 201499）

0 引言

全國第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，老年人口數(shù)量和占總?cè)丝诘谋戎爻掷m(xù)增長，2010 年至2020 年，60 歲及以上老年人口從1.78 億增加到2.64 億，老年人口占總?cè)丝诘谋戎貜?3.26%上升至18.70%，老年人口規(guī)模龐大，老齡化進程明顯加快。[1]

人口老齡化程度進一步加深，對于老年康復(fù)輔具的需求進一步加強。工信部明確指出，要將康復(fù)輔具裝備的系統(tǒng)化和智能化作為重點發(fā)展領(lǐng)域[2]。但是，目前現(xiàn)有的移位椅存在嚴重的不足，比如工業(yè)化生產(chǎn)痕跡明顯，不符合人機工程學(xué)；結(jié)構(gòu)性設(shè)計缺陷突出，致醫(yī)患糾紛頻出；產(chǎn)品零件大多低端貨，操作復(fù)雜且易損；整體安全性有待改善，且功能過于單一。本研究采用分體式方法設(shè)計一種移位椅，改善上述問題，滿足使用功能。

1 功能

針對市場需求，結(jié)合當今市場康復(fù)移位輔具產(chǎn)品的優(yōu)勢與不足，提出此設(shè)計方案，該產(chǎn)品可滿足使用者在戶外運動、室內(nèi)基本生活需求，以期滿足更多人的需要，實現(xiàn)老年人日常生活自理，降低護理強度。

①分體移位功能。采用分體式設(shè)計即坐墊與移位椅框架分離，使用時將坐墊放到病床上，病人只需坐起轉(zhuǎn)身即可坐到坐墊上，不會產(chǎn)生其他干涉，然后推動支撐移位結(jié)構(gòu)對接到坐墊上，使支撐移位結(jié)構(gòu)和坐墊結(jié)合到一塊形成移位椅，病人在移位椅上，推動移位椅移動即可。降低護理人員在幫助老年人移位時的護理強度，老年人可以更加自如的實現(xiàn)身體移位，最大化實現(xiàn)生活自理。②自主對接功能。本產(chǎn)品可在床、馬桶、餐廳、沙發(fā)之間自主移位對接。對于老年人來說，由于自身機體功能退化，如廁、沐浴等涉及體位移動的活動均受限制，自主對接功能的實現(xiàn)可進一步幫助老年人可用遙控器自主操控此產(chǎn)品，實現(xiàn)生活移位自理，降低護理時間。③人機工學(xué)設(shè)計。設(shè)計隱藏式背板安全帶及輪部自鎖安全機構(gòu)，考慮到老年人會出現(xiàn)一定的行為遲緩障礙，為避免因失誤導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，進一步提高使用安全性。④人性化設(shè)計。采用一體式坐墊采用恒溫墊圈設(shè)計，提升使用者的體感舒適度，在此設(shè)計中充分考慮到對老年人的尊重和人文關(guān)懷，提高晚年生活質(zhì)量。

2 系統(tǒng)化設(shè)計

SolidWorks 是一款功能多樣的CAD/CAM 軟件設(shè)計系統(tǒng)，可以方便實現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模與仿真。根據(jù)移位椅的基本功能，按照人機工學(xué)要求，使用此軟件對移位椅的背板、椅坐、底架、扶手、安全制動機構(gòu)、驅(qū)動輪進進行零件建模，并將各零件裝配成統(tǒng)一整體[3]，最終的裝配圖，如圖1 所示。

圖1 移位椅裝配圖

2.1 一體化坐板結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，一體化坐板設(shè)計，包括臀部墊板和腳部支撐板，腳部支撐板位于臀部墊板的前下方，腳部支撐板與臀部墊板之間通過銜接板連接，銜接板用于腿的支撐一體式設(shè)置，增強支撐以及舒適度，減少陪護人員及護士的操作力度。

圖2 一體化坐板

坐板自帶加熱功能，解決老人下肢運動量不足造成血液循環(huán)不暢、腰部以下體溫低于上肢溫度的問題，提升病人的使用體感舒適度；坐板帶有MCS40 傳感器，可測量體重、BMI 值，并將數(shù)據(jù)顯示在移位椅右側(cè)扶手下方顯示屏上，隨時監(jiān)測健康數(shù)據(jù)。同時減少了護理人員的操作強度，減少其與病人之間的肢體接觸。

2.2 隱藏式背板安全帶結(jié)構(gòu)

隱藏式背板安全帶結(jié)構(gòu)如圖3 所示，支撐結(jié)構(gòu)上安裝有背板，背板呈弧形板，背板中內(nèi)有有安全帶，安全帶隱藏于背板中?；⌒伟迥軌蛟鰪娨锌康氖孢m度，背板的一側(cè)鉸接在支撐移位結(jié)構(gòu)上，背板的另一側(cè)設(shè)置有鎖合件。通過鎖合件與支撐移位結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鎖合，也可以打開。鎖合件可以為卡扣結(jié)構(gòu)也可以是安全帶結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)背板合攏時與支撐移位結(jié)構(gòu)的鎖合即可。本方案中優(yōu)選為安全帶結(jié)構(gòu)，該側(cè)設(shè)置有凹槽，安全帶的鎖扣位于凹槽中，合理利用背板空間，減少誤碰。

圖3 隱藏式背板安全帶結(jié)構(gòu)

2.3 可切換底盤模式

如圖4 所示，四邊形底盤模式主要配合馬桶使用，實現(xiàn)病人乘坐移位椅如廁的功能，在路面坑洼環(huán)境下切換到四方形底盤模式，可以有效避免側(cè)翻風(fēng)險。

圖4 四方形底盤

如圖5 所示，三角形底盤模式下，適于低速行駛，兩個較大的主動輪依靠電機差速轉(zhuǎn)向，兩個較小的從動輪為萬向輪，當處于電力驅(qū)動模式下，為3 輪轉(zhuǎn)向。輸出功率更高，所需驅(qū)動力更小，相對于四邊形的四輪結(jié)構(gòu)，減少了一個車輪的阻力，造價更低廉。三角形結(jié)構(gòu)具有物理穩(wěn)定性，三輪轉(zhuǎn)向更加靈活，操作更加方便，實現(xiàn)相對良好的均衡性。

圖5 三角形底盤

3 有限元分析

ANSYS有限元分析軟件能夠與 SolidWorks 軟件接口，實現(xiàn)建模數(shù)據(jù)的共享與交換，是先進制造設(shè)計中的CAE 工具之一。ANSYSWorkbench 整合ANSYS 力學(xué)、熱學(xué)各模塊，實現(xiàn)多場耦合作用，將前處理、參數(shù)分析、后處理等一體化操作。[4]本文將分析移位椅各組成部件的力學(xué)情況，檢驗各部件是否符合強度與硬度條件。因此，在進行受力分析時，去掉扶手、腳架等對力學(xué)性能影響較小的輔助部分，將主要受力部件坐板進行有限元分析。

3.1 有限元分析模塊建立

Ansys Workbench 可與SolidWorks 進行雙向及時互動的數(shù)據(jù)連接，便于開展相關(guān)設(shè)計流程，將SolidWorks 文件輸出為stp.格式，即可導(dǎo)入Ansys Workbench 進行有限元分析。使用Ansys Workbench 軟件，在 Static Structure 模塊中進行靜力學(xué)分析。鑒于移位椅主要由坐板和框架承受重量，因此將此部分進行有限元分析，校核其鋼度和強度。

3.2 前處理

①材料屬性的設(shè)置。坐板采用鋁合金材料，其材料屬性參數(shù)設(shè)置為：彈性模量68.9GPa，泊松比0.33，密度2750kg/m3，屈服強度245MPa?？蚣懿捎?5#鋼，其材料屬性參數(shù)設(shè)置為：彈性模量210GPa，泊松比0.31，密度7850kg/m3，屈服強度355MPa。[5]②網(wǎng)格劃分。對主體部分采用Hex Dominant 進行網(wǎng)格劃分，將應(yīng)力集中部分進行局部網(wǎng)格細分，提高計算精度，劃分單元格數(shù)量為10457個，節(jié)點為20980 個。網(wǎng)格劃分如圖6 所示。③添加邊界條件。移位椅設(shè)計考慮人體最大質(zhì)量為110kg，載荷均勻分布在坐板上。

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.3 有限元結(jié)果分析

前處理將各項參數(shù)預(yù)設(shè)定好后，點擊solve 按鈕，開始仿真計算，對模型進行分析求解后，得到主體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力情況和變形情況。

①強度校核。通過等效應(yīng)力數(shù)據(jù)得知，坐板與框架結(jié)構(gòu)整體最大應(yīng)力值為112.16MPa，均小于材料的許用應(yīng)力，滿足材料的強度要求。通過分析等效應(yīng)力云圖7、圖8，應(yīng)力集中點位于坐板與框架結(jié)構(gòu)的交界處。②剛度校核。在最大外部載荷110kg 的作用下，坐板與框架結(jié)構(gòu)最大變形量為3.55mm，僅為微小變形，不影響正常功能使用，滿足設(shè)計的剛度要求。變形分析如圖9、圖10 所示。

圖7 坐板應(yīng)力云圖

圖8 框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 坐板變形云圖

圖10 框架結(jié)構(gòu)變形云圖

4 操控模塊

此移位椅引入互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，使得本產(chǎn)品具有了遠程遙控功能、監(jiān)控功能、無線遙控功能，根據(jù)病人身體情況，選擇相應(yīng)操控模塊。本設(shè)計可遠程收集實時健康數(shù)據(jù)，制定抗康復(fù)醫(yī)療方案。人工智能語音喚醒，實現(xiàn)人機互動、線上尋醫(yī)。①遠程遙控。遠程遙控技術(shù)部分硬件。通過客戶端APP 對移位椅進行遠程遙控（配有攝像頭，實時數(shù)據(jù)傳輸功能），以便家屬或者看護人員可以遠程對病人進行監(jiān)控，實現(xiàn)了遠程移執(zhí)行位功能的同時又起到了監(jiān)控病人活動的作用。②監(jiān)控系統(tǒng)。當老人完全喪失自主控制能力，借助監(jiān)控系統(tǒng)，即護理人員全程操作，幫助老人完成如廁、沐浴、進食等功能。③無線遙控。無線遙控功能，條件允許的病人可以自主遙控移位椅滿足自身需求，或者醫(yī)護人員手持遙控器近距離操控移位椅。

5 結(jié)論

本文面向老年人需求，設(shè)計了一種分體式康復(fù)移位輔具，主要創(chuàng)新點如下：①該產(chǎn)品可實現(xiàn)輪部安全自鎖、分體移位、自主控制等功能，滿足人體工程學(xué)設(shè)計。②三角型底盤與四邊形相互切換，滿足不同場景、不同功能需求，使移位椅適應(yīng)性更強。③利用Ansys 軟件進行分析保證其機械性能，本文通過三維模型設(shè)計與有限元仿真分析相結(jié)合的方式，借助Ansys Workbench 中的 Static Structure 模塊對移位椅進行靜力學(xué)分析，確保本設(shè)計符合結(jié)構(gòu)強度和剛度要求。