DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.009

摘" 要：我國(guó)人口老齡化日益嚴(yán)重，老年人及腦卒中患者的護(hù)理問(wèn)題已經(jīng)逐漸地凸顯出來(lái)。因此，對(duì)功能完善的智能輔助護(hù)理床的需求在不斷增加。一款價(jià)格低廉、實(shí)用的智能輔助護(hù)理床的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等問(wèn)題亟待解決。該文基于ADAMS軟件對(duì)一款智能輔助護(hù)理床進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)3種機(jī)構(gòu)的位姿切換、床板的起升角度和抬升高度符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可以滿足老人家庭護(hù)理要求的同時(shí)也減輕家庭的負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞：護(hù)理床；結(jié)構(gòu)；ADAMS；仿真；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH789" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0035-04

Abstract： With the increasingly serious aging of the population in China， the nursing problems of the elderly and stroke patients have been gradually highlighted. Therefore， the demand for fully functional smart auxiliary nursing beds is increasing. The design and application of a cheap and practical smart auxiliary nursing bed need to be solved urgently. This paper designs the structure of an smart auxiliary nursing bed based on ADAMS software， and carries on the motion simulation analysis of the back-lifting mechanism. The simulation results show that the design can realize the position and attitude switching of the three mechanisms， and the lifting angle and height of the bed plate meet the design requirements. At the same time， the design has the characteristics of simple structure and low price， which can not only meet the family nursing requirements of the elderly， but can also reduce the burden of the family.

Keywords： nursing bed; structure; ADAMS; simulation; mechanism design

我國(guó)的老齡化日益嚴(yán)重，同時(shí)人們的壽命也在不斷增加，目前我國(guó)65歲及以上的人口就占到12%[1-2]，而且每年都在增加，我國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)老齡化的國(guó)家，我國(guó)的人口老齡化程度日益嚴(yán)重，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展不能完全與之匹配。因此，對(duì)一款智能輔助護(hù)理床結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其可以滿足老年人的家庭護(hù)理要求，能夠讓在家中的老人得到更好的照顧，同時(shí)減輕家庭的勞動(dòng)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

1" 總體方案

1.1" 護(hù)理床概況

智能輔助護(hù)理床一般都是動(dòng)力床，分為按鍵或手搖動(dòng)智能輔助護(hù)理床。應(yīng)具有多項(xiàng)功能，包括吃飯看書(shū)、報(bào)警功能、移動(dòng)運(yùn)輸及輸液提示等功能。按照動(dòng)力可以分為2種類型：手動(dòng)智能輔助護(hù)理床和電動(dòng)智能輔助護(hù)理床；按照功能類型分為3種：功能基礎(chǔ)型護(hù)理床、動(dòng)能普通型護(hù)理床、功能高級(jí)型護(hù)理床。

1.2" 護(hù)理床的基本要求

在智能輔助護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，智能輔助護(hù)理床主要實(shí)現(xiàn)以下4大功能：①可以使病人自動(dòng)調(diào)節(jié)智能輔助護(hù)理床的高度，上升或下降達(dá)到自己想要的位置。②可以支起病人的后背，一方面，可以促進(jìn)病人的血液循環(huán)；另一方面可以滿足病人吃飯、看書(shū)等需求，豐富病人的生活。③可以使病人的腿部彎曲或抬起，達(dá)到病人自己想要的舒適狀態(tài)。④可以解決病人的生活排便問(wèn)題。

1.3" 智能輔助護(hù)理床的設(shè)計(jì)指標(biāo)及尺寸

以相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]，作為智能輔助護(hù)理床的設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)智能輔助護(hù)理床的長(zhǎng)為2 200 mm，寬為1 100 mm，高為400～500 mm。

1.4" 智能護(hù)理床體整體結(jié)構(gòu)

智能輔助護(hù)理床由床框架（包含床板、支架等機(jī)械部分）、平面機(jī)構(gòu)（包含智能輔助護(hù)理床升降機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)、曲伸腿機(jī)構(gòu)和坐便機(jī)構(gòu)）、電機(jī)模塊（升降電機(jī)、抬背電機(jī)、曲伸腿電機(jī)）等部件組成。在智能輔助護(hù)理床的總體布局上，需要全面考慮各個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，解決好各個(gè)模塊之間的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，避免各個(gè)模塊之間相互干涉，影響智能輔助護(hù)理床的正常動(dòng)作，設(shè)計(jì)時(shí)需要在智能輔助護(hù)理床有限的空間里合理劃分好各個(gè)模塊。

按功能分類智能輔助護(hù)理床共分為升降模塊、抬背模塊、曲伸腿模塊和排便模塊。在機(jī)構(gòu)上選擇連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)副形狀簡(jiǎn)單，容易制造，承載能力大，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)等特點(diǎn)，能改變構(gòu)件相對(duì)長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)要求，能更好地實(shí)現(xiàn)各個(gè)床板的運(yùn)動(dòng)。各驅(qū)動(dòng)元件裝置安裝在支撐框架的下面，每個(gè)機(jī)械零件都盡可能地均勻?qū)ΨQ地分布在床板下方，使智能輔助護(hù)理床的整體處于平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。整體結(jié)構(gòu)建模如圖1所示。

根據(jù)YY 0571—2013《醫(yī)用電氣設(shè)備 第2部分：醫(yī)院電動(dòng)床安全專用要求》以及對(duì)人類身體體重的分布的考慮，抬背床板的負(fù)載為人體體重的45%，座位床板的負(fù)載為人體體重的25%，曲伸腿床板的負(fù)載為人體體重的30%。

護(hù)理床載荷分布如圖2所示，圖中A為抬背床板，B為座位床板，C為大腿床板，D為小腿床板，CD為曲伸腿床板。

2" 智能輔助護(hù)理床各模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1" 智能輔助護(hù)理床的抬背機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)為一個(gè)螺旋一連桿組合機(jī)構(gòu)，如圖3所示，通過(guò)對(duì)該模型進(jìn)行分析，可以看出該模型有4個(gè)活動(dòng)件，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，1個(gè)移動(dòng)副，也可以看成1個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，自由度F=1，由此可知該機(jī)構(gòu)只需要1個(gè)原動(dòng)件就能滿足運(yùn)動(dòng)。這樣就可以采用電動(dòng)機(jī)來(lái)作為動(dòng)力源，從而獲得很大的翻身角度，符合要求。

2.2" 智能輔助護(hù)理床的曲伸腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能輔助護(hù)理床的曲伸腿機(jī)構(gòu)圖如圖4所示，經(jīng)過(guò)與抬背機(jī)構(gòu)相同的分析對(duì)比，考慮到曲伸腿機(jī)構(gòu)和抬背機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍都在0～70°[4]，并且運(yùn)動(dòng)原理一樣，所以曲伸腿機(jī)構(gòu)采取和抬背機(jī)構(gòu)相同的機(jī)構(gòu)。

2.3" 智能輔助護(hù)理床升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)如圖5所示，通過(guò)對(duì)比選擇帶有平行四邊形機(jī)構(gòu)的升降機(jī)構(gòu)，對(duì)該模型進(jìn)行分析，該機(jī)構(gòu)為1個(gè)自由度，模型系統(tǒng)穩(wěn)定，連接緊密，成本較小。

3" 智能輔助護(hù)理床的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

在病人平躺狀態(tài)的時(shí)候，智能輔助護(hù)理床是水平放置的，各個(gè)電機(jī)是不需要運(yùn)作的，此時(shí)智能輔助護(hù)理床的狀態(tài)就跟普通的病床一樣。

智能輔助護(hù)理床平放狀態(tài)如圖6所示，其中：1為抬背床板；2為臀部床板；3為大腿板；4為小腿板；5為連桿；6為螺帽；7為螺桿；8為連桿；9為螺帽；10為螺桿。

智能輔助護(hù)理床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖如圖7所示，當(dāng)病人需要抬背時(shí)，左邊的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，來(lái)使螺桿7進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)螺帽6朝右移動(dòng)，然后帶著連桿5推著床板1升起，實(shí)現(xiàn)智能輔助護(hù)理床的抬背功能。當(dāng)病人需要曲伸腿時(shí)，通過(guò)右邊的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)使螺桿10進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)螺帽9朝左邊移動(dòng)，然后帶著連桿8推動(dòng)床板3升起，實(shí)現(xiàn)智能輔助護(hù)理床的曲伸腿功能。當(dāng)病人需要排便時(shí)，左邊的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺桿7運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)螺帽6朝右移動(dòng)，然后帶著連桿5推著床板1升起，同時(shí)右邊的電動(dòng)機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)使螺桿10進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而拉著螺帽9朝右邊移動(dòng)，床板3被連桿8拉著向下旋轉(zhuǎn)，此時(shí)智能輔助護(hù)理床狀態(tài)就類似于輪椅，從而實(shí)現(xiàn)智能輔助護(hù)理床的坐便功能。當(dāng)病人需要翻身時(shí)，可把腿部的翻身板掀起，通過(guò)人工輔助病人實(shí)現(xiàn)翻身功能。

4" 護(hù)理床運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

創(chuàng)建ADAMS模型，將護(hù)理床抬背機(jī)構(gòu)、連桿、螺桿進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，簡(jiǎn)化模型如圖8所示。添加約束條件，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。添加給運(yùn)動(dòng)副并賦予運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行護(hù)理床的剛體動(dòng)力學(xué)仿真，由PostProcessor分析得到抬背板的抬背角度和抬背角速度，驗(yàn)證護(hù)理床抬背機(jī)構(gòu)的可行性。

抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果如圖9所示。得到角度和角速度隨螺旋副距離的關(guān)系。由圖9可知，在初始點(diǎn)，角速度由9°/s逐漸減少到0，抬背時(shí)間18 s，抬背板的最大旋轉(zhuǎn)角度為70°，滿足設(shè)計(jì)要求。并且角速度曲線平滑，沒(méi)有速度突變，最大角速度為9°/s，驗(yàn)證了起背機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，滿足設(shè)計(jì)要求。

Curve1為角速度隨螺桿距離的變化曲線，Curve2為抬背板角度隨螺桿距離的變化曲線。

5" 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ADAMS虛擬仿真軟件，對(duì)一款多功能智能輔助護(hù)理床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案，對(duì)護(hù)理床運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的可行性。最后通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了智能輔助護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。智能輔助護(hù)理床的應(yīng)用不僅可以緩解護(hù)理人員以及家庭的壓力，緩解人手不夠等問(wèn)題，同時(shí)也能夠給病人提供一些簡(jiǎn)單的生活自理能力，有利于病人的恢復(fù)。所以一款多功能的智能輔助護(hù)理床還是具有很大的市場(chǎng)潛力，具有廣闊的發(fā)展前景，值得我們?nèi)パ芯縖5]。

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基金項(xiàng)目：滄州市科技計(jì)劃自籌項(xiàng)目（213105005）

作者簡(jiǎn)介：劉禹（1982-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榇笮蜋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D打印技術(shù)。