周浩東，肖 桐，陳有廣，任樹娟，褚亞旭*，呂金賀，李洪洲

(1.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，吉林 吉林 132021； 2.中國第一汽車股份有限公司 質(zhì)量保證部 ，吉林 長春 130011)

隨著醫(yī)療水平的發(fā)展，世界人均壽命有著顯著的提升，這使得人口老齡化成為世界各國都必須面對的問題[1-2].多功能護(hù)理床作為一種醫(yī)療器械，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、養(yǎng)老院以及家庭中.護(hù)理床行業(yè)發(fā)源于歐美發(fā)達(dá)國家，而我國護(hù)理床行業(yè)起步較晚，缺乏護(hù)理床的核心技術(shù)研究，大多數(shù)廠家只對國外護(hù)理床進(jìn)行純粹的模仿和生產(chǎn)，缺乏創(chuàng)新性[3-4].

多功能護(hù)理床的核心技術(shù)由美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家掌握[5].美國德州大學(xué)拉斯分校Manohar等在現(xiàn)有護(hù)理床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在床褥下安裝壓力傳感器，用于檢測臥床患者的體位狀況，當(dāng)患者保持一個(gè)體位較長時(shí)間時(shí)，護(hù)理床會(huì)自動(dòng)調(diào)整患者的體位.日本松下公司也對現(xiàn)有護(hù)理床進(jìn)行了改進(jìn)，加入了語音識別技術(shù)，豐富了患者與護(hù)理床的交互方式[6].國內(nèi)研制的多功能護(hù)理床，相較于國外產(chǎn)品，有一定的差距，但差距正在逐漸減少.晉新敏等人研發(fā)設(shè)計(jì)了一款老年人家用護(hù)理床，能夠幫助老人實(shí)現(xiàn)坐起、屈膝、看書、吃飯的功能，并且能夠轉(zhuǎn)變成輪椅狀態(tài)，減輕看護(hù)人員的負(fù)擔(dān)[7].武漢大學(xué)人民醫(yī)院的胡小林設(shè)計(jì)了一款通過3組麥克風(fēng)信號的識別來實(shí)現(xiàn)語音控制，通過單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)一系列操作[8].但我國現(xiàn)有護(hù)理床的多功能集成還是不夠全面.

綜上，設(shè)計(jì)了一種新型多功能護(hù)理床，可以為老人和病人提供起背、潔便和救治的功能，并且該護(hù)理床具有快速折疊和快速運(yùn)輸?shù)墓δ埽谖词褂脮r(shí)能夠增加空間利用率，并且能夠應(yīng)用于突發(fā)事件暴發(fā)的救治中.運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行三維建模，并將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行力學(xué)仿真分析，從而證明該模型設(shè)計(jì)的合理性和可行性，為后續(xù)的研究做準(zhǔn)備.

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此護(hù)理床具有折疊、起背、潔便和救治的功能，整體結(jié)構(gòu)主要分為折疊機(jī)構(gòu)、潔便機(jī)構(gòu)和起背機(jī)構(gòu).護(hù)理床整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用二折病床的床體形式，分別為起背板和床板.根據(jù)國家病床標(biāo)準(zhǔn)YY0003-90，設(shè)計(jì)病床基本尺寸數(shù)據(jù)，如表1所示.

1.1 起背機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

起背機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括自鎖型氣彈簧和起背板.為了減少床體折疊后的空間大小，盡可能地縮減垂直地面方向上的距離.為了確保氣彈簧氣缸內(nèi)的油膜效果，將氣彈簧的汽缸處連接件與背板基座相連，推桿處連接件與床體基座相連.護(hù)理人員可通過操作把手來實(shí)現(xiàn)氣彈簧推桿的推出，從而達(dá)到起背的目的.把手設(shè)置在起背板底部的兩側(cè)，護(hù)理人員在兩邊都能進(jìn)行起背操作，相對減少了護(hù)理人員的負(fù)擔(dān).

1.1.1 起背機(jī)構(gòu)力矩分析

對起背機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，將背部的重量看作為人體重量的45%，初設(shè)背部的重量F1為360 N.如圖2可知，背部重量所產(chǎn)生的力矩：

T1=F1×L1=360×372.5=134 100 N·mm=134.1 N·m .

(1)

護(hù)理人員會(huì)在起背過程中協(xié)同氣彈簧推動(dòng)起背板，來達(dá)到輕松起背的目的.護(hù)理人員多為女生，因此初設(shè)護(hù)理人員所能夠提供的抬起力為80 N.

護(hù)理人員所能提供的力矩為:

T2=F2×L3=80×745=59 600 N·mm

=59.6 N·m ，

(2)

可得氣彈簧所需要提供的力矩為:

T3=T1-T2=134.1-59.6=74.5 N·m ，

(3)

可知?dú)鈴椈傻牧Ρ跮2=64.78 mm.

可得氣彈簧推出力:

(4)

氣彈簧的推出力所需1 200 N，為考慮氣彈簧廠家的規(guī)格和制作要求，所以使用兩個(gè)氣彈簧，每個(gè)氣彈簧注入600 N的拉伸力.

除了起背所需要力矩，還需考慮氣彈簧推出桿的行程，否則達(dá)不到國家病床的起背標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)起背后氣彈簧的打開長度S2，減去氣彈簧起背前的長度S1，就是所需氣彈簧的行程S.如下圖3所示.

1.1.2 起背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

如圖4起背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖可得，a=77.78 mm，r=328 mm，S2=S1+S=278.5+S，β2=135°.研究主要參數(shù)為起背板的起背角度β3和角速度ω3.

三角形OAO′的封閉矢量方程為：

LO′A=LO′O+LOA，

(5)

其復(fù)數(shù)矢量形式為：

LO′Aeiβ3=LO′Oei(180°+β2)+LOAeiβ1，

(6)

運(yùn)用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將式(6)的實(shí)部和虛部分離，可得：

LO′Acosβ3=LO′Ocos(180°+β2)+LOAcosβ1,

LO′Asinβ3=LO′Osin(180°+β2)+LOAsinβ1,

即：

LO′Acosβ3=-LO′Ocosβ2+LOAcosβ1，

(7)

LO′Asinβ3=-LO′Osinβ2+LOAsinβ1，

(8)

將式(7)、(8)中含有β1的一項(xiàng)移到一邊，兩邊分別平方，然后兩式相加，可得：

(9)

將式(9)簡化，可得：

(10)

同理，可得：

(11)

將已知數(shù)據(jù)代入式(10)，即可得出起背角度β3與S的函數(shù)關(guān)系式.

(12)

由于氣彈簧的行程為90 mm，代入可得，起背角度β3為70°.對此，再基于患者能接受的起背時(shí)間，對起背角速度進(jìn)行分析，通過角速度曲線的平滑度，來判斷患者的舒適程度.

進(jìn)行速度分析，將式(6)對時(shí)間t求導(dǎo)可得：

(13)

將式(13)中的實(shí)部和虛部分離，得到：

(14)

(15)

將式(14)、(15)兩式的左右兩端分別平方，并左右相加得：

(16)

根據(jù)式(16)簡化可得：

(17)

ω3為起背板的角速度，將已知數(shù)據(jù)代入式(17)，得到ω3的變化情況，來判斷起背板的角速度是否有突變情況.

1.2 床腿折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

床腿折疊機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)桿、支撐桿和床腿.如圖5所示.當(dāng)護(hù)理床需要使用的時(shí)候，護(hù)理人員握住床腿使其旋轉(zhuǎn)展開，并將旋轉(zhuǎn)桿架在床體下，支撐桿也能在床體和床腿之間撐起.當(dāng)需要運(yùn)輸或者不使用時(shí)，只要將床腿向內(nèi)折疊，并將床腿扣緊在床腿鎖緊扣上，防止床腿在搬運(yùn)過程中自行下落，從而傷到搬運(yùn)人員.床腿折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了符合護(hù)理床緊急救治的要求，能夠快速折疊進(jìn)行運(yùn)輸，并且到達(dá)目的地后快速展開，對病人或者老人進(jìn)行護(hù)理救治.為了擴(kuò)大救治的空間，在前床腿上附加了床欄插拔機(jī)構(gòu)，護(hù)理人員只要將插銷拔出，就能拿下前床欄，從而更方便地對病人或者老人進(jìn)行救治.

對于床腿折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要確定旋轉(zhuǎn)桿和支撐桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，如圖6所示.通過已知展開后旋轉(zhuǎn)桿MI和床腿IH的位置數(shù)據(jù)，再考慮床腿折疊后需要達(dá)到水平位置以及要留給床下氣彈簧的所需空間，來確定折疊后旋轉(zhuǎn)桿NI′和床腿H′I′的位置.通過以H和H′為圓心畫圓來確定垂直于H′H的中垂線PQ，支撐桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)必須在中垂線PQ上，為了工藝方便，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)N和M在同一水平線上，從而確定了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置.

1.3 潔便機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

潔便機(jī)構(gòu)包括補(bǔ)墊機(jī)構(gòu)、連接桿、絲杠絲母和手柄.手柄作為輸入，通過絲杠絲母傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到與絲母相連的連接桿上，通過連接桿使補(bǔ)墊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，補(bǔ)上床面上便口.潔便機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示.

為了減少護(hù)理人員轉(zhuǎn)動(dòng)手柄的次數(shù)以及防止患者的重量使絲杠絲母自行旋轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)絲杠時(shí)需要進(jìn)行自鎖條件的計(jì)算.螺紋自鎖條件為螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角.

λ

(18)

λ=arctan (S∕πd)，

(19)

fv=f∕cosβ，

(20)

式中：λ為螺紋升角；fv為當(dāng)量摩擦角；f為摩擦系數(shù)；S為螺紋導(dǎo)程；d為螺紋中徑；π為圓周率；β為牙型斜角.

將式(19)和式(20)代入式(18)可得：

arctan(S∕πd)

查得鋼對鋼的摩擦系數(shù)為0.11～0.17.取摩擦系數(shù)為0.11,

可得:

絲杠使用的是單線螺紋，導(dǎo)程S等于螺距P，為了減少手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，選擇P=S=6 mm.

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.1 起背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

利用Ansys Workbench建立Rigid Dynamics模塊，并將護(hù)理床中簡化好的起背機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入其中，將系統(tǒng)默認(rèn)的接觸都刪除，利用連接副來代替接觸.先將床體和軸承座用固定副固定，并將起背板的旋轉(zhuǎn)軸以及氣彈簧的連接件賦予旋轉(zhuǎn)副，再賦予氣彈簧氣缸和伸出桿的位移副.將連接副賦予完畢后，劃分網(wǎng)格，添加氣彈簧位移副的速度，數(shù)值為10 mm·s-1.進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)仿真，得到起背板的起背角度和起背角速度，從而驗(yàn)證護(hù)理床起背機(jī)構(gòu)的可行性.

簡化的起背機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示.

起背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果如圖9所示.得到角度和角速度與氣彈簧推桿位移的關(guān)系，起背板的最大旋轉(zhuǎn)角度為70°，滿足設(shè)計(jì)要求.并且角速度曲線平滑，沒有速度突變，最大角速度為9.2°·s-1，根據(jù)醫(yī)院實(shí)際調(diào)研，角速度處于0～10°·s-1，不會(huì)讓患者感覺到不舒服，驗(yàn)證了起背機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性.

2.2 潔便機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

通過Rigid Dynamics模塊，將護(hù)理床中簡化好的潔便機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入其中，將系統(tǒng)默認(rèn)的接觸都刪除，利用連接副來代替接觸.將該添加的旋轉(zhuǎn)副和固定副都賦予上，再添加絲杠絲母所需要的Screw連接副，輸入Pitch的值為6 mm，并調(diào)整局部坐標(biāo)系.最后添加位移輸入，調(diào)整時(shí)間步，求解得出所需要的數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證潔便機(jī)構(gòu)的可行性.

簡化的潔便機(jī)構(gòu)示意圖如圖10所示.

潔便機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果如圖11所示.得到便盆旋轉(zhuǎn)角度與絲母位移的關(guān)系，便盆所能打開的角度為0°～90°.角度變化平緩，沒有明顯的突變，說明便盆運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)要求.

3 靜力學(xué)仿真

根據(jù)國家病床標(biāo)準(zhǔn)YY0003-90，對病床進(jìn)行靜力學(xué)分析，將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，對所需要分析的部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，添加約束，施加外部載荷[9].

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，需對床面3個(gè)長1 000 mm、寬500 mm的范圍內(nèi)施加240 kg的重物.根據(jù)實(shí)際情況，簡化床體，固定4個(gè)床體U型板，添加運(yùn)動(dòng)副，劃分網(wǎng)格，并在床體中心位置施加4 800 N·m-2的壓力，即0.004 8 MPa，得到分析結(jié)構(gòu).如圖12為床板受力位置圖.

床板仿真位移結(jié)果圖和床板仿真應(yīng)力結(jié)果圖如圖13、14所示.床板最大位移為0.097 mm，變化量較小，符合設(shè)計(jì)要求.床板所受的最大應(yīng)力為11.923 MPa，應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料的屈服極限.結(jié)果說明了床板結(jié)構(gòu)的合理性，不需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化.其中床板應(yīng)力較大位置處于起背板中下部分和下身板的中間部分.

4 結(jié) 論

本文提出一種新型多功能護(hù)理床，針對突發(fā)傳染病患者所具有的地點(diǎn)、時(shí)間不確定性和病情緊急性，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，主要包括起背機(jī)構(gòu)、床體折疊機(jī)構(gòu)和潔便機(jī)構(gòu).動(dòng)力采用自鎖型氣彈簧，可根據(jù)患者所需的位姿進(jìn)行調(diào)節(jié).通過將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析，來確定設(shè)計(jì)方案中各個(gè)機(jī)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性，驗(yàn)證了此方案的正確性，為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ).