輪椅床機(jī)構(gòu)及人機(jī)一體化模型研究

（天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

0 引言

中國目前已經(jīng)進(jìn)入快速老齡化的階段，老齡化問題日益嚴(yán)峻，失能老人的照顧護(hù)理成為我國老齡化所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。我國的國情和社情決定了中國老人主要的養(yǎng)老方式是居家養(yǎng)老。隨著生活質(zhì)量的提高，對(duì)養(yǎng)老服務(wù)和保障在智能化、柔性化、差異化提出了更高的要求，本文針對(duì)失能老人的護(hù)理最為重要的輪椅床的抬背位姿變換進(jìn)行研究，將人體簡化模型與動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行一體化建模，研究人機(jī)一體化模型，解決在位姿變換過程中的柔性化問題，研究人體在位姿變換的過程中身體各個(gè)部位擠壓和相對(duì)于床面的滑動(dòng)問題，最終使得位姿變化人性化、舒適化[1～3]。

長期臥床的老人，由于身體機(jī)能退化，行動(dòng)不便，無法自主進(jìn)行位姿變換，身體部位長期受到壓迫，導(dǎo)致壓瘡的產(chǎn)生，傳統(tǒng)輪椅床、護(hù)理床多采用機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)床板轉(zhuǎn)動(dòng)來改變身體位姿，由于床板和人體之間有一定的距離，位姿變換會(huì)帶來擠壓、滑動(dòng)，造成身體產(chǎn)生剪切力與摩擦力，局部組織受到剪切力導(dǎo)致的損傷會(huì)更容易誘發(fā)壓瘡的產(chǎn)生，危害老年人的身體健康。本方案針對(duì)這一問題，采用機(jī)械機(jī)構(gòu)與柔性氣囊裝置結(jié)合起來的思想，機(jī)械機(jī)構(gòu)保證位姿變換的安全穩(wěn)定，柔性氣囊裝置調(diào)節(jié)人體部位的受力方向與受力面積，改變?nèi)梭w與床板的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)柔性化位姿變換，根據(jù)人機(jī)一體化模型得到的人體位姿變換參數(shù)，調(diào)節(jié)氣囊的狀態(tài)，減小人體在位姿變換過程中的滑動(dòng)，調(diào)節(jié)人體各個(gè)部位的受力狀況，實(shí)現(xiàn)位姿變換的柔性化與智能化[4,5]。

1 輪椅床方案

本設(shè)計(jì)方案立足于老年人日常養(yǎng)老的需求，集成了位姿變換、床椅分離、二便處理功能，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，增強(qiáng)老人獨(dú)立生活的能力，減輕社會(huì)和家庭負(fù)擔(dān)。針對(duì)目前護(hù)理床、輪椅床位姿變換的機(jī)械化問題，本設(shè)計(jì)方案采取機(jī)械機(jī)構(gòu)變換結(jié)合柔性氣囊裝置共同進(jìn)行老人的位姿變換，通過與人機(jī)一體化模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)柔性化的位姿變換。

圖1 輪椅床整體結(jié)構(gòu)

抬背屈腿位姿變換由機(jī)械機(jī)構(gòu)和柔性氣囊裝置協(xié)作完成，機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)床板翻轉(zhuǎn)，柔性氣囊裝置調(diào)節(jié)人體與床面的距離、接觸角度與接觸面積。機(jī)械機(jī)構(gòu)承擔(dān)人體重量，在電推桿伸縮下，帶動(dòng)床板轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行位姿變換，柔性氣囊裝置通過改變身體部位的受力方向及受力狀況，基于下文所研究的人機(jī)一體化模型，根據(jù)人體各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)及關(guān)鍵部位的受力，分析得到最為合理的位姿變換狀態(tài)，調(diào)節(jié)電推桿和柔性氣囊裝置，使得位姿變換柔性化與智能化，變換成坐姿姿態(tài)后，可進(jìn)行床椅分離、二便處理、釋放身體局部壓力功能。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抬背曲腿位姿變換

輪椅床經(jīng)過位姿變換呈坐姿姿態(tài)，左側(cè)床板打開，由床的一側(cè)分離出來進(jìn)行，擴(kuò)展老人的生活空間。床體分離如圖3所示。

圖3 床椅分離示意圖

人體變換到坐姿姿態(tài)，將設(shè)計(jì)的智能馬桶集成在輪椅床一側(cè)下方的中間位置，通過平移抬升機(jī)構(gòu)運(yùn)送到人體臀部位置，臀板打開，進(jìn)行二便處理。

柔性氣囊裝置，本方案采取嵌入式氣囊位于床墊中對(duì)應(yīng)人體的腰部、背部、肩部、頸頭部。氣囊為兩層結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)與對(duì)應(yīng)部位接觸的角度，小氣囊陣列可以做到調(diào)節(jié)變化的柔性與精準(zhǔn)。如圖4所示。

2 人機(jī)一體化模型和運(yùn)動(dòng)計(jì)算

圖4 柔性氣囊裝置

目前的輪椅床、護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型僅僅考慮到機(jī)械機(jī)構(gòu)，沒有考慮到人體在位姿變化過程中的受力、滑動(dòng)，人體各個(gè)部位在不同位姿狀態(tài)下對(duì)于其他部位的壓力也沒有考慮[7～10]。一些學(xué)者采用附加的機(jī)構(gòu)來，如腰部提升、背部隨動(dòng)的方式來減小人體的滑動(dòng)[6]，但是并未考慮到人體的差異化，并且機(jī)構(gòu)的變化也是剛性的，無法與人體上半身的彎曲進(jìn)行匹配，柔性化問題無法解決。本文研究在位姿變換過程中的人機(jī)一體化模型，將機(jī)械機(jī)構(gòu)、人體、柔性氣囊裝置聯(lián)合建模，充分考慮到人體在位姿變化所受到的影響，將人體的的滑動(dòng)、受力狀態(tài)用柔性氣囊裝置來調(diào)節(jié)，對(duì)腰部、背部、肩部、頸頭部單獨(dú)調(diào)節(jié)狀態(tài)，做到位姿變化的安全、穩(wěn)定，并且兼顧柔性化與舒適性。

2.1 人機(jī)一體化模型的組成

1）機(jī)械連桿模型，將機(jī)械機(jī)構(gòu)和床板簡化為連桿鉸鏈模型，電推桿帶動(dòng)床板轉(zhuǎn)動(dòng)改變?nèi)梭w的位置姿態(tài)，以電推桿為原動(dòng)件，分析床板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、角速度、角加速度變化。分析機(jī)械機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，以設(shè)計(jì)的輪椅床參數(shù)為基準(zhǔn)，建立模型，得到床板運(yùn)動(dòng)參數(shù)的表達(dá)式。

2）人體連桿鉸鏈質(zhì)量塊模型。輪椅床、護(hù)理床的位姿變換不同于外骨骼等技術(shù)的人機(jī)協(xié)作[11,12]，由于老人身體機(jī)能的退化，位姿變換多為被動(dòng)接受，身體相對(duì)于正常人要更加柔軟，需要考慮機(jī)械機(jī)構(gòu)在可能對(duì)人體的一些影響，自身各個(gè)部位由于重力因素造成的擠壓也需要考慮其中。人體可以簡化成為連桿質(zhì)量塊模型，各個(gè)部位之間鉸接，腿部、腳踝、臀部之間的可簡化為連桿鉸鏈，腰部、背部、頸部、頭部由于在位姿變換過程中會(huì)有很大的角度變化、不能將上身看做一個(gè)整體，將其分別作為質(zhì)量塊、連桿鉸接。

3）柔性氣囊、床墊作為連接介質(zhì)的連桿鉸接模型：由于人體與床面有一定的距離在位姿變換的過程中會(huì)有一定的相對(duì)移動(dòng)，會(huì)造成擠壓、局部組織錯(cuò)位，容易誘發(fā)多種疾病，錯(cuò)位所產(chǎn)生的剪切力還會(huì)極大誘發(fā)壓瘡的產(chǎn)生。柔性氣囊裝置采用改變氣囊狀態(tài)的方式改變?nèi)梭w各個(gè)部位相對(duì)床板的位置，受力方向和受力面積，每個(gè)部位的陣列氣囊狀態(tài)的組合變化簡化為伸縮連桿。

圖5 人機(jī)一體化模型圖

2.2 抬背模型

抬背屈腿位姿變換模型包括三部分，機(jī)械機(jī)構(gòu)，人體簡化模型。人體與床面的接觸模型。將三者做一個(gè)簡化，將人體分為以下部分，臀部與大腿由于在抬背屈腿位姿變化過程中保持不動(dòng)，將臀部大腿固定在臀板上，在下方鉸接小腿，小腿鉸接腳部。上半身分為腰部、背部、雙肩雙臂，頸頭部。腰部以連桿質(zhì)量塊鉸接在臀部上，背部和雙肩、雙臂鉸接在腰部。頸頭部鉸接在肩部，人體以臀部A點(diǎn)為固定點(diǎn)，腰部鉸接在A點(diǎn)上，水平距離為h1，腰部氣囊簡化為連桿d1，與床板的變化角度為θ1。背部鉸接在腰部，水平距離為h2，背部氣囊簡化為連桿d2，與床板的變化角度為θ2。肩部鉸接在背部，水平距離為h3，背部氣囊簡化為連桿d3，與床板的變化角度為θ3。頸頭部鉸接在背部，水平距離為h4，頸頭部氣囊簡化為連桿d4，與床板的變化角度為θ4。

由于機(jī)械機(jī)構(gòu)和柔性氣囊裝置在位姿變換過程中運(yùn)動(dòng)較慢，可以假設(shè)在位姿變換的每一時(shí)刻，人體都處于靜力學(xué)狀態(tài)，腰部、背部、肩部、頸頭部的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4。人體與床板的距離為H，代表床墊對(duì)人體與床板的間距，人機(jī)一體化模型圖如圖5所示。

2.2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)分析

對(duì)床板進(jìn)行分析，由：

由歐拉公式eiγ=cosγ+isinγ得：

式中β=90°，LOD=322mm，LOC=220mm，電推桿LCD的初始值為390mm，LCD=vt+390，v表示原動(dòng)件電動(dòng)推桿的伸長速度。將式(1)對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，得到：

由于電推桿CD轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化較小，ω'可取均值0.0486rad/s。對(duì)式(1)對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間求二階導(dǎo)可得到床板轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度α1。

α初始值為34.34°。

2.2.2 人機(jī)一體化模型分析

人體與床板的距離H為150mm，各個(gè)部位氣囊的初始長度等于H。氣囊調(diào)整身體各個(gè)部位相對(duì)于上一部位的角度分別為腰部φ1，背部φ2，肩部φ3，頸頭部φ4，在整個(gè)位姿變化的過程中以φ1=5°，φ2=5°，φ3=5°，φ4=5°進(jìn)行計(jì)算，此角度可根據(jù)使用者的需求修改。

身體各個(gè)部分受力情況如下，床板的支持力為F，垂直于床板，頸頭部重力為G4，柔性氣囊的支持力為f1。肩部、背部、腰部受力類似頸頭部，將重力沿著床板方向進(jìn)行分解，使得各個(gè)部分達(dá)到靜力平衡，減小對(duì)其他部分的壓力，如圖6所示。

調(diào)節(jié)柔性氣囊的推力及與床板的夾角可以使人體各個(gè)部位在位姿變換過程中減少擠壓，機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)床板轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的推力為：

圖6 人機(jī)一體化模型受力分析圖

由于人體的差異化問題[13～15]，按照人體質(zhì)量分布，以75kg成年男子為例，頸頭部為5.8kg，肩部15kg，背部11.25，腰部11.25kg，G為人體上半身的重力，G=G1+G2+G3+G4=424.34N。

床板對(duì)人體上半身的各個(gè)部分推力分別為F1、F2、F3、F4，床板提供90%的支持力，氣囊提供10%的垂直于床板的支持力。

對(duì)于腰部氣囊的推力和角度進(jìn)行計(jì)算。

聯(lián)立求解得腰部氣囊推力f1，與床板夾角η1：

背部氣囊推力f2，與床板夾角η2：

肩部氣囊推力f3，與床板夾角η3：

頸頭部氣囊推力f4，與床板夾角η4：

在抬背位姿變化過程中，隨著床板的轉(zhuǎn)動(dòng)人體各個(gè)部分沿著床板的運(yùn)動(dòng)向上滑動(dòng)，柔性氣囊裝置不同部位氣囊的角度調(diào)節(jié)會(huì)減小這一趨勢。

腰部沿床板移動(dòng)：

背部沿床板移動(dòng)：

肩部沿床板移動(dòng)：

頸頭部沿床板移動(dòng)：

3 仿真分析

利用MATLAB對(duì)床板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，分別得到的床板角度、角速度、角加速度變化如圖7所示，角度范圍滿足設(shè)計(jì)的0～90°要求。角速度范圍控制在1.7～5.5°之間，床板在0～90°轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的理想平均角速度為4.5°/s，本方案角速度變化更加合理，前半段角速度由1.7～4°平穩(wěn)增加，人體受床板垂向支持力較大，較小的角速度有利于減小對(duì)人體的壓迫感，后半段角速度由4～5.5°平穩(wěn)增加，隨著床板轉(zhuǎn)動(dòng)角度增加，人體受床板垂向支持力逐漸減小，角速度增大以加快床板轉(zhuǎn)動(dòng)過程。角加速度變化范圍0.14～0.34°/s2，變化范圍較小，且數(shù)值變化平穩(wěn)減小，無突變。本設(shè)計(jì)方案符合上述要求，機(jī)械機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)的選取是合理的。

圖7 床板的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

隨著床板的轉(zhuǎn)動(dòng)，腰部、背部、肩部、頸頭部氣囊推動(dòng)身體對(duì)應(yīng)部位協(xié)助完成抬背位姿變換， 頸頭部氣囊在20s的抬背位姿變化過程中推力變換為94.8～100N，與床板夾角變化為90°～69°，如圖8所示，肩部氣囊推力變化為245～263N，與床板夾角變化為90°～66°，如圖9所示，背部氣囊推力變化為187～205N，與床板夾角變化為90°～63.5°，如圖10所示，腰部氣囊推力變化為187.5～208.5N，與床板夾角變化為90°～61°，如圖11所示。在抬背位姿變換過程中，各個(gè)氣囊推力變換平緩增加，與床板夾角變換較為平穩(wěn)，通過控制充入氣囊的氣體可以實(shí)現(xiàn)這一過程，整個(gè)過程為單一充氣，減少因充放氣所造成的身體震動(dòng)。腰部、背部、肩部、頸頭部氣囊減少了各身體部位對(duì)其他部位的擠壓，將人體的重量分散到多個(gè)氣囊共同支撐，協(xié)同調(diào)節(jié)氣囊使得柔性氣囊裝置更加貼合人體曲線，實(shí)現(xiàn)抬背位姿調(diào)節(jié)的柔性化與舒適性。

圖8 頸頭部氣囊推力和角度

圖9 肩部氣囊推力和角度

4 結(jié)束語

圖10 背部氣囊推力和角度

圖11 腰部氣囊推力和角度

本文的輪椅床方案機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠，柔性氣囊裝置減少了人體各個(gè)部分的擠壓，使得抬背位姿變換柔性化，采用三維軟件SOLIDWORKS進(jìn)行建模，并對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)和柔性氣囊裝置進(jìn)行理論分析，MATLAB仿真計(jì)算得到的曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案和人機(jī)一體化模型的合理性，滿足了位姿變換的柔性化與舒適性，柔性氣囊對(duì)于身體頸頭部、肩部、背部、腰部的分別調(diào)節(jié)更加契合人體曲線。下一部分將開展人體壓力數(shù)據(jù)的工作，將根據(jù)使用者的具體身體參數(shù)，對(duì)人機(jī)一體化模型進(jìn)行修正，使得輪椅床的位姿變換更加智能化、柔性化，并解決人體的差異化問題。