汪亦寒 劉明閣 楊興進 劉李林 王 遠

（1.西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.云南建投機械制造安裝工程有限公司，云南 昆明 650120）

0 引言

醫(yī)用床是能承載患者，協(xié)助患者調整體位，促進患者康復，方便理療人員實現(xiàn)治療操作過程的一種設備，主要在各大醫(yī)院、社區(qū)服務中心、私人理療會所等使用。

目前市場上的醫(yī)用床主要分為手動醫(yī)用床、電動醫(yī)用床和床板三大類，也存在一些兼具特殊功能的醫(yī)用床，如家居理療床、燙傷床、帶便盆醫(yī)用床和超低三功能電動床等。但目前市面上的醫(yī)用床或護理床都是以協(xié)助病患起身、平躺為主要功能展開的研發(fā)，如可分離的多功能助老床、聯(lián)動式護理床和模塊化多功能護理床，都沒有協(xié)助患者倒立、定位、夾緊固定等功能。

已有研究表明，倒立能協(xié)助某些醫(yī)療過程取得理想的臨床治療效果。如：廣西來賓市武宣縣中醫(yī)院采取半倒立俯臥位，ESWL治療后尿道結石，可讓沖擊波自恥骨聯(lián)合上經充盈的膀胱斜射向膀胱頸至后尿道，聚焦于結石上，以中等沖擊功率即可碎石，并且定位準確，移動方便，比原位ESWL治療后尿道結石取得的臨床效果更加令人滿意。福建省泉州市光前醫(yī)院對單純性腎下盞結石患者應用體外碎石后，輔助倒立體位排石，可明顯提高結石排凈率，且簡便易行。

可見，采用倒立體位協(xié)助某些理療或醫(yī)療過程可取得有益效果。但病患或理療者倒立后難以自行控制與維持身體平衡，理療或醫(yī)療過程中，必須有輔助醫(yī)用設備才能長時間維持倒立狀態(tài)，因而亟需研發(fā)具有夾緊、定位功能的倒立式醫(yī)用床，以在一定程度上解決這一難題。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

本設計的醫(yī)用輔助倒立病床主要由床板2、推桿電機9和床架1等組成，總體結構示意圖如圖1所示。其中床架1主要由交叉式電機支撐桿11、床板支撐框10、4根立腿12和4個萬向輪8等組成，推桿電機9一端連接在交叉式電機支撐桿11上，另一端支撐在床板2上。左/右側護板7/3、左/右護肩5/4安裝在床板2上，構成床框。床架1與床框采用鉸鏈6連接形成轉動副，以使床框可繞床架1一端在一定角度范圍內翻轉。左/右護肩5/4及左/右側護板7/3采用絲桿傳動機構，由電機帶動可實現(xiàn)上下升降。床板上可以附設安全帶，以進一步協(xié)助固定醫(yī)療過程中的患者。

該醫(yī)用輔助倒立病床在床框未翻轉狀態(tài)下的長、寬、高分別為1 800 mm、800 mm和640 mm，可供身高低于1 900 mm、體重小于110 kg的患者使用，能滿足絕大部分患者需求。

1.2 工作原理

圖1所示位置為患者平躺，床框處于一定角度的翻轉狀態(tài)。

使用前，床框位于水平位置，左/右側護板7/3、左/右護肩5/4位于床板2之下。

使用時，先讓患者按照所需體側位躺于床板2上。

當患者需要倒立、仰臥平躺體位時，讓患者仰臥平躺于床板2左右側的居中位置后，先升起左/右護肩5/4，讓患者肩部抵靠在護肩上，再升起左/右側護板7/3，之后使護板橫向移動，直至抵靠在人腰部附近的兩側。左/右護肩5/4、左/右側護板7/3移動到位，系上附加安全帶后，開啟推桿電機9，驅動床框繞鉸鏈軸翻轉至醫(yī)療過程所需角度，患者此時便處于一定角度的倒立狀態(tài)，以協(xié)助需倒立輔助治療的過程。

倒立、平臥位治療結束后，反向開啟推桿電機9，使床框繞鉸鏈軸反向翻轉，放平床框，再下降左/右護肩5/4、左/右側護板7/3與床板平齊，卸下附加安全帶，此時患者便可離開醫(yī)用床，結束平躺、倒立體位的治療過程。

當患者需要處于倒立、右側臥位時，讓患者右側臥于床板2上，單邊升起右護肩4、右側護板3，使患者側躺時的下肩抵靠在右護肩4上，后背抵靠在右側護板3上，系上附加安全帶后，開啟推桿電機9，驅使床框繞鉸鏈軸翻轉至治療過程所需角度，患者此時便位于一定的倒立角度、右側臥體位，待治療過程結束后，反向開啟推桿電機9，放平床框，下降右護肩4和右側護板3與床板2平齊，卸下安全帶，此時患者便可離開醫(yī)用床。

患者需要倒立、俯臥平躺時的操作流程與倒立、仰臥平躺時相同。需要倒立、左側臥位時與倒立、右側臥時相似，只需單邊升降左護肩和左側護板即可。

2 醫(yī)用輔助倒立病床主要部件的設計

2.1 護肩機構

兩個護肩采用絲桿傳動機構控制其升降，絲桿機構采用直流電機驅動。絲桿采用梯形螺紋傳動螺桿1，螺距2 mm，螺紋外徑16 mm，設置移動距離100 mm，護肩3安裝在移動導槽2中，其結構示意圖如圖2所示。

護肩3外形長120 mm、高120 mm、厚30 mm，其內加工與傳動螺桿相旋合的內螺紋孔。直流電機采用聯(lián)軸器安裝在傳動螺桿1下端，并固定在床框上的專用安裝板上。

工作時，直流電機驅動絲桿轉動時，護肩3只能在移動導槽2內做升降運動。護肩升起支撐肩部時，升起高度超出床板平面90 mm，此高度低于單側肩膀寬度與厚度，即患者處于平躺、側臥位時，均能達到護肩并支撐患者的效果，保證患者處在倒立位置時不會沿著床板面下滑，起到了定位與固定的作用。護肩的升降通過控制直流電機的正反轉來實現(xiàn)，同時設置限位開關，達到限位預定升降高度后，限位開關發(fā)出信號，控制電機停止工作，從而確保在工作過程中護肩能處在所需的位置。

2.2 護板機構

護板的升降與左/右移動傳動原理如圖3所示，該傳動機構由垂直相交的兩組絲桿傳動機構組成，絲桿傳動采用與護肩傳動機構相同規(guī)格的梯形螺旋傳動機構。護板外形長300 mm、高120 mm、厚30 mm，長度兩端設計為半圓柱形，頂端棱邊倒圓，以免使用過程中劃傷患者。

護板1內加工與升降螺桿3相旋合的螺紋，升降螺桿3的另一端采用聯(lián)軸器與直流電機連接，滑塊4與升降螺桿3之間形成間隙滑動配合，同時也起著支撐升降螺桿3的作用。滑塊4與水平移動螺桿5形成絲桿傳動機構，滑塊4與水平移動導槽6形成間隙滑動配合，水平移動螺桿5的另一端采用聯(lián)軸器與直流電機連接。兩直流電機都固定在各自的專用安裝板上。

工作時，先開啟升降螺桿3直流電機，驅動其轉動，把護板1升到預定高度后，再開啟水平移動螺桿5直流電機，驅動其轉動，推動滑塊4在水平移動導槽內移動，從而把護板1推動到預定位置。護板1上安裝上下、左右位置限位開關，當護板1運動到與身體接觸時，位置開關發(fā)出一個信號，切斷直流電機電源，使兩側護板以預設壓緊力緊靠在患者身體兩側，達到定位、夾緊作用，保證患者在整個倒立輔助醫(yī)療過程中不會發(fā)生身體側翻等意外。

2.3 主推桿電機的安裝與選取

主推桿電機指推起床框繞鉸鏈轉軸翻轉一定角度的電機，參照陳磊等人的多功能護理床主推桿電機的安裝設計要求，其安裝尺寸如圖4所示，床框翻轉一定角度θ時的位置為圖中雙點劃線所示，圖4中點O代表床框與床架鉸鏈連接的轉動副，點A、B分別代表主推桿電機底端與床架、頂端與床框鉸鏈連接的轉動副。設計中翻轉角θ設定在0°～50°，此角度范圍能滿足絕大多數(shù)需倒立輔助醫(yī)療過程的需要。

當轉角為θ時進行受力分析，由余弦定理有：

由正弦與余弦關系可得：

受力分析時，忽略各轉動副摩擦和主電機推桿自身的質量，可把工作過程中主電機推桿AB視作二力桿。同時，床框與患者對轉軸O的合力作用點取距點O為300 mm處，并對點O取矩，可得電機推力F和力G之間的關系：

300G×cos θ=500F×sin∠ABO

代入數(shù)據(jù)可得：

考慮現(xiàn)實中大部分患者體重小于110 kg，設計中床板、護肩與護板等總重小于40 kg，取重力加速度為10 N/kg。在Matlab軟件中對算式（1）求值，得到主電機推桿受力F與轉角θ的關系曲線如圖5所示，隨著轉角θ在0°～50°范圍內增大，力F減小，轉角θ=0°時，最大值約為1 212 N。取安全系數(shù)1.5，得主電機推桿推力應大于1 818 N。故選取推力為2 000 N、速度為5 mm/s、電壓24 V的直流推桿電機。依據(jù)安裝要求和最大轉角θ=50°計算，推桿行程應大于326 mm，取行程335 mm。推桿電機行程大于300 mm時，其安裝尺寸一般為行程距離加210 mm，故此設計的最小安裝長度為545 mm，小于設計初始安裝長度560 mm，可以進行安裝，設計合理。

3 結語

該醫(yī)用輔助倒立病床設計可協(xié)助患者處于不同體位、以一定角度倒立，并固定患者，使患者在整個需倒立輔助治療的過程中不會發(fā)生體位改變與下滑，能保證患者在全治療過程中的安全。希望本設計能為相關領域的設計提供一定的技術借鑒與參考。