任曉莉，李文華，胡 航，張 成，劉云峰，李晨傲，項夢嬌

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械工程系，陜西 西安 710018)

隨著人口老齡化日趨嚴(yán)重，有更多的老人需要照顧。老人除身體機(jī)能下降外，病痛也比較多，尤其表現(xiàn)在腿部和腰部，這些導(dǎo)致老人在上下床過程中，腿不能順利上下床，在床上坐臥也較困難。市面上常見的協(xié)助老人上下及坐臥的床主要為扶手床、支架床、多功能活動床以及座椅床等。扶手床實(shí)際上是在床邊設(shè)置扶手，在上下床過程中提供一定的支撐；支架床主要通過背部床板上的支架運(yùn)動輔助老人坐臥；多功能活動床主要幫助老人在床上坐臥，但不能輔助老人上下床；座椅床可以輔助老人上下及坐臥，但價格昂貴。

除此之外，還有獨(dú)立配套的輔助式上床輪椅[1]、輔助老人上下床裝置[2]及助老多功能老人床[3]等，都是靠輪椅幫助老人上下床，沒有解決老人在床上坐臥困難的問題。武漢理工大學(xué)的“一種老年人上下床的輔助裝置”[4]主要是針對輔助老年人在床上坐臥進(jìn)行的設(shè)計，沒有兼顧老人上下床的問題。為此，設(shè)計一款與床融為一體、以幫助老人在腰腿部無力或病痛情況下上下床并能輕松坐臥的輔助裝置是非常有必要的。

1 老人上下、坐臥自助床裝置整體方案

為有效解決老人上下床不便及在床上坐臥困難的問題，設(shè)計一種與床體結(jié)合的抬腿和托背裝置。自助床裝置整體布局如圖1所示，抬腿裝置和托背裝置均由機(jī)械和控制兩部分組成。抬腿裝置可實(shí)現(xiàn)腿部的抬起和落下，托背裝置可實(shí)現(xiàn)背部的升降，從而使老人輕松上床、坐臥及下床?？刂撇糠植捎脝纹瑱C(jī)來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及動作順序，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。為保證安全可靠，需對抬腿裝置和托背裝置進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖1 自助床裝置整體布局

2 機(jī)械部分設(shè)計

2.1 床體

床體由床架和床板組成。床架設(shè)有護(hù)欄及頭部擋板。根據(jù)人體一般身高確定床面長度、寬度和床面離地高度，其參數(shù)見表1。

表1 自助床床面參數(shù)

如圖1所示，以人體腰部為分割點(diǎn)，將床板分為腿部床板和背部床板兩部分，床體采用木質(zhì)材料；托背裝置位于下身板下方中央位置，并與上身板支撐結(jié)構(gòu)鉸接，抬腿裝置布置于床架前側(cè)。如果采用床墊，則床墊設(shè)計成可折疊式。

2.2 抬腿裝置

2.2.1抬腿裝置設(shè)計

抬腿裝置布置在床的側(cè)面，需要將老人的腿從床側(cè)抬升到與床平齊的位置。設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)抬腿板從與地面垂直位置運(yùn)動到與床面平齊的水平位置，再從該位置回到與地面垂直位置。通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真及計算，確定各個構(gòu)件的最佳設(shè)計尺寸。優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)由直線模組、萬向節(jié)支撐桿、搖臂及機(jī)架等組成，如圖2所示。

圖2 抬腿機(jī)構(gòu)

抬腿裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。直線模組由電機(jī)、絲杠和滑座組成，搖臂與直線模組連接，滑座與抬腿板固結(jié)。萬向節(jié)支撐桿與搖臂上的直線模組的滑塊相連。

圖3 抬腿裝置結(jié)構(gòu)

工作時，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滑座的移動，進(jìn)而帶動搖臂在90°范圍內(nèi)擺動；抬腿板隨滑座移動，萬向節(jié)支撐桿支撐整個裝置并實(shí)現(xiàn)腿部的曲線升降。根據(jù)直線模組的行程和抬腿板起始的工作位置，通過計算和調(diào)整萬向節(jié)、支撐桿與抬腿板之間的相對尺寸，使得抬腿板從與地面垂直狀態(tài)運(yùn)動到與床等高時正好處于水平狀態(tài)，保證老人的腿部在抬起后能到達(dá)與床面平齊的位置；落下時抬腿板與地面垂直，使老人順利上下床。為了防止老人從床上跌落，床側(cè)設(shè)置了護(hù)欄，同時可在抬腿板側(cè)設(shè)置擋板和安全帶，保障老人安全。

2.2.2抬腿裝置支撐桿強(qiáng)度校核

在《玩命俄羅斯》中，雅文女士描寫過幾起案例，思來令人心驚。其中有位中年醫(yī)生，常跟已成為法官的周賀玉磨叨離婚的事情。原來他的妻子是個精神病患者。根據(jù)法律，如若精神病患者沒有其他監(jiān)護(hù)人，其配偶不準(zhǔn)離婚，避免給社會造成麻煩。他無法與妻子離婚，只能在擔(dān)負(fù)經(jīng)濟(jì)壓力的同時無從尋覓精神伴侶。我看到這位先生“講到傷心處竟然抱頭痛哭”，并道“我這輩子活活會在一個瘋子身上，太痛苦了?！?/p>

抬腿裝置中主要由支撐桿承受人體腿部質(zhì)量，故對支撐桿的強(qiáng)度進(jìn)行校核。有效行程為500 mm的FSL40型號直線模組，質(zhì)量約10 kg。如果人體小腿部的質(zhì)量按人體總質(zhì)量的50%來計算，老人體重取100 kg，可知該抬腿裝置支撐桿需承載的最大質(zhì)量為直線模組與腿部質(zhì)量之和，即60 kg。選用材料為45鋼、外徑為20 mm、壁厚為2 mm的空心鋼管作為支撐桿，可計算該空心桿件的截面面積為113.1 mm2。

支撐桿工作強(qiáng)度條件為

σ=F/A≤[σ]

(1)

式中：F為空心桿所受載荷，N；A為支撐桿橫截面面積，mm2；σ為應(yīng)力，MPa；[σ]為許用應(yīng)力，MPa。代入數(shù)值計算：σ=F/A=600/113.1≈5.31(MPa)，45鋼許用應(yīng)力[σ] =190 MPa[5]，即σ<[σ]，由此可知，支撐桿的強(qiáng)度滿足使用要求。

2.3 托背裝置

2.3.1托背裝置設(shè)計

床板在托起和放下的過程中，需將人體整個背部平穩(wěn)托住。液壓傳動具有平穩(wěn)和承載力大的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，存在液壓油泄漏風(fēng)險。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，選用具有螺旋運(yùn)動的電動推桿，以實(shí)現(xiàn)老人在床上安全平穩(wěn)地坐起和躺下。機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示，電動推桿與托架鉸接，托架上滾輪與背部床板接觸。

圖4 托背機(jī)構(gòu)

圖5 托背裝置結(jié)構(gòu)

2.3.2電動推桿的強(qiáng)度校核

以質(zhì)量100 kg的人為例，如果人體質(zhì)量全部集中在背部托板上，忽略床板質(zhì)量，則背部床板的承受力為1 000 N；為提高安全性，取1.5的載荷系數(shù)[6]，則其最大承受力為1 500 N。當(dāng)人躺下時，背部床板承受的力最大，此時托架與推桿間的水平夾角接近30°，力學(xué)示意如圖6所示。以整體機(jī)構(gòu)為研究對象，滾輪受到垂直向下的力，推桿的推力為水平方向，托架受力方向與推桿成30°夾角。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系計算電動推桿的所需推力F′為：

圖6 托背機(jī)構(gòu)力學(xué)示意圖

F′=1 500/tan30°=2 943.9(N)

因此選用龍翔公司DTL200型臥式電動推桿，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，其主要參數(shù)見表2。

表2 DTL200型臥式電動推桿參數(shù)

3 自動控制

基于89C52單片機(jī)開發(fā)控制程序，分別控制兩個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。按鍵控制流程圖如圖7所示，實(shí)現(xiàn)抬腿和托背裝置依次自動運(yùn)行。

圖7 按鍵控制流程圖

抬腿裝置、托背裝置控制步驟及老人上下床過程如圖8所示，為使老人使用方便，采用按鍵式控制面板進(jìn)行操作。

圖8 操作步驟

1)老人上床、躺下過程：①老人坐在床邊抬腿板位置，啟動托背裝置處電機(jī)，背部床板升起；②啟動抬腿裝置處電機(jī)，抬腿板升起至與床面平齊；③老人將腿逐漸放到床內(nèi)，將背靠在背部床板上；④托背裝置處電機(jī)反轉(zhuǎn)，背部床板落下；⑤老人隨之躺下，并將雙腿自主挪向床的內(nèi)側(cè)；⑥抬腿裝置電機(jī)反轉(zhuǎn)，抬腿板放下歸位，與地面垂直。

2)坐起、下床過程：①老人躺在床上，啟動抬腿裝置處電機(jī)；②抬腿板抬起，直至與床面平齊；③啟動托背裝置處電機(jī)，背部床板抬起；④老人隨之坐起，并將腿移至抬腿板上；⑤托背裝置處電機(jī)反轉(zhuǎn)，背部床板落下歸位；⑥抬腿裝置電機(jī)反轉(zhuǎn)，抬腿板落下至與地面垂直，老人下床。

4 實(shí)踐與總結(jié)

對裝配調(diào)試后的上下、坐臥自助床裝置進(jìn)行現(xiàn)場測試，所有的動作和功能均能按預(yù)定設(shè)計目標(biāo)安全可靠實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計在第九屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽中獲得省級二等獎。

老人上下、坐臥自助床裝置采用電機(jī)驅(qū)動，傳動平穩(wěn)、安全可靠、操作簡便，老人可通過面板按鍵，輕松地完成上下床及床上坐臥的動作，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，承載力大。該裝置不但適用于具有一定自理能力的居家老人使用，也可用于養(yǎng)老院及醫(yī)院等場所，具有一定的推廣應(yīng)用價值。