基于多機構協調技術實現姿位變化需求的多功能電動護理床設計

摘要：根據人體工學及機械原理，筆者設計了一款多自由度護理床，床面采用折疊面板的形式，可通過按鍵進行控制，完成抬背、屈腿、起坐等諸多動作，同時還有輔助解便的功能。為了實現某種特定的姿態需要設計一套與之相應的機構來進行位姿支撐，但是這種傳統的設計方法只適用于單個位姿的設計，在由多位姿需求時利用這種設計方式將會造成體積過大，且不同機構之間會出現運動干涉現象。本文在設計中利用了多機構協調的技術，可實現柔性化運動和支撐，因而受此啟發可將護理床床面進行細分為八個獨立的控制面板，通過面板的配合運動，可實現想要獲得的多種位姿，滿足了用戶需求。本次所設計的電動多功能護理床基于人力工學和機械原理進行結構設計，同時在ADAMS軟件中進行仿真，利用原始數據構建了虛擬樣機模型，經過運動學優化后，利用基于單片機技術，進行了控制模塊的設計。該護理床和實現患者的多種姿位變化需求。研制的樣機驗證了護理床的可行性。

關鍵詞：多功能；ADAMS；人體工學；護理床

從實際的市場調研能夠看出，大部分護理床都歸屬于醫療器械領域，雖然說能夠基本滿足患者的實際需求，但是價格定位較高，不符合經濟性原則；選取價格較低的產品在功能上又有所缺陷，并且使用起來較為繁瑣，不符合實用性的要求。根據上述現象對現有的產品進行有效改進和升級，使其滿足大多數患者的實際需求。

1、總體設計方案

本次所設計的多功能護理床框圖結構如下圖所示。除了固定的框架之外，還包含連桿機構、解便系統、面板以及輔助控制系統等。整臺護理床通過通過電機踐行驅動，可完成翻身、屈腿、解便和馬桶移動等動作。

1.1護理床的工作環境

護理床可用于家庭或醫院等有功能障礙患者的照料的諸多場景，考慮上上述護理床的應用對象均為行動障礙的患病者，且使用環境對于噪聲的限制，本文所設計的護理床驅動機構選擇電機驅動，同時采取一些降噪手段，如應用隔音材料等方式來實現。

1.2護理床的位姿要求

護理床的應用需要滿足病人的康復需求，因而需要進行位姿勢的調整，防止長期臥床引起的并發癥。對于一些高度行動不便的患者，在設計時應當考慮坐姿或臥姿排便。

1.3構思的提出

為了實現某種特定的姿態需要設計一套與之相應的機構來進行位姿支撐，但是這種傳統的設計方法只適用于單個位姿的設計，在由多位姿需求時利用這種設計方式將會造成體積過大，且不同機構之間會出現運動干涉現象。本文在設計中利用了多機構協調的技術，可實現柔性化運動和支撐，因而受此啟發可將護理床床面進行細分為八個獨立的控制面板如下圖2所示。通過面板的配合運動，可實現想要獲得的多種位姿，基本能夠滿足用戶需求。

1.4護理床控制系統

控制系統主要由控制器、驅動機構和執行結構等部分組成，其結構組成如下圖3所示。

2、護理床機械機構設計

護理床的機械結構設計包含床體設計、運動機構設計以及動力部分、電源模塊、解便系統設計。

2.1側翻機構

側翻機構主要實現患者在床上的翻身需求，采用四連桿機構實現，其結構簡圖如下圖4所示。電動推桿會推動側翻構件繞著床架轉動，并通過滾子作用使其背部側板繞著鉸接點發生轉動，側翻示意圖如下圖5所示。

根據結構簡圖和機械原理相關知識確定構建尺寸和鉸接點位置，將這些數據定義為初始變量，完成側翻機構的設計，同時選定如上圖6中所示的五個關鍵點在ADAMS軟件中進行側翻機構建模，如上圖7所示。

2.2抬背機構

抬背機構又一個搖桿滑塊機構構成，通過電機轉的動帶動推桿來實現抬背動作。在設計時在其中加入了一個擺桿，因而在抬背時患者臀部會略微下降，克服了傳統抬背機構可能造成的滑移現象。抬背機構運動簡圖如下圖8所示：

2.3屈腿機構

屈腿機構的工作原理為連桿機構，采用推桿運動來實現屈腿動作，其結構簡圖和屈腿示意圖如下圖9圖10所示：

3、輔助解便系統

輔助解便系統可幫助行動不便的患者或老人在床上完成解便，輔助解便系統組成框圖如下圖11所示。患者可通過按鍵來控制便桶移動至臀部下放，當病人完成解便之后，便桶會回到初始位置，并自行傾倒和進行便桶清理。臀部排便完成后通過直流電機控制臀部清洗噴頭進行臀部清洗，清洗水來源于水箱，水箱中配有加熱裝置，經水泵控制后輸出溫水清潔病人臀部。烘干模塊所產生的暖風可實現對臀部的吹干，防止病人患上其他疾病。吹風機吹過的臭氣可經過過濾裝置再排放至空氣之中。輔助解便系統結構示意圖如下圖12所示。

4、護理床的控制系統

功能護理床的控制系統由控制器，通訊模塊、驅動模塊和按鍵模塊等部分組成。為了便于控制，在床體各部位中胺基裝了傳感器，在控制系統最終確定之前需要完成護理床的結構設計、運動學和動力學設計，以此避免對患者造成傷害。在床體的控制上，可采用鍵盤指令的方式來實現，通過按鈕輸入來控制護理床的運動。護理床的控制器采用以 AVR 單片機為核心的控制方案，其印刷電路板PCB，如圖13所示。

5、樣機制作

完成系統的機械結構設計和尺寸設計后完成了如下圖14所示的多功能護理床的之制作，樣機試樣表明其性能符合設計要求。

6、結 語

本次所設計的電動多功能護理床基于人力工學和機械原理進行結構設計，同時在ADAMS軟件中進行仿真，利用原始數據構建了虛擬樣機模型，經過運動學優化后，利用基于單片機技術，進行了控制模塊的設計。該護理床和實現患者的多種姿位變化需求。研制的樣機驗證了護理床的可行性。

參考文獻：

[1]姜生元，胡艷娟，李建永，等.智能化多功能電動康復床的研制[J]機械設計，2008，18（5）：61-62.

[2]張建國，譚云麗，薛強.基于人機工程的多功能護理床設計[J]制造業自動化，2010，32（6）：88-90.

[3]張歡歡，辛紹杰.基于ADAMS的多功能床的結構參數優化[J]上海電動機學院學報，2008，11（3）：197-200.

[4]卜薇薇，酈鳴陽，喻洪流，等.具有防墜床功能的智能護理床的研制[J]中國組織工程研究與臨床康復，20-7，11（48）：9765-9767.