新型多功能護理床的結構設計

何磊 韓慶玨 陳 燕 郭子毅 楊司琪

摘要：我國是老齡化大國，當前對護理床的需求量不斷增加。基于對現使用護理床的調研分析，為擴大護理床使用群體和改善使用者的體驗，提出新型多功能護理床的概念，在現有護理床的基礎上，首先對結構進行創新設計，隨后對關鍵構件進行有限元分析，推動了護理床產業發展，為各企業優化護理床提供了新思路。

關鍵詞：多功能護理床;運動學分析;有限元分析

0 ? ?引言

近些年來，醫院、養老院和家庭等對護理床需求增加，特別是我國推行居家護理政策后，居家護理對護理床的需求量進一步提升。

日本松下公司設計的護理床已經可以實現大部分功能，但操作比較復雜，且價格昂貴。美國METROCARE公司和DEVICELINK公司設計的護理床只能完成部分功能，且存在運動笨重、功能單一等缺點。

本文主要基于我國老齡化程度，分析了多功能護理床的市場可行性：我國自主研發進度相對較慢，依賴進口特別嚴重，因此自主研發一款定價低廉、功能齊全、適用范圍廣的護理床將具有很好的市場前景。技術方面，可與目前的智能化、物聯網有效結合;安全方面，以老人的舒適性為前提，安全性為核心，在人機交互方面有良好的提升。無論是在養老院、醫院還是家庭使用，該護理床都能讓被護理人員感到安心，也減少了護理人員的工作量，使雙方心情愉悅，更有利于被護理人恢復健康。

1 ? ?新型多功能護理床的總體設計方案

根據中華人民共和國國家標準《可調式康復訓練床》（GB/T 26340—2010）中對具體尺寸的建議，該護理床的總體尺寸為：長×寬×高=2 100 mm×1 350 mm×500 mm。

該新型多功能護理床要求滿足起背、翻身和曲腿等功能，所以將床板分成12塊單獨運動的模塊，如圖1所示。圖1中（1）號模塊為背部板，長×寬×高=800 mm×600 mm×15 mm，最大起背角度為85°;（2）號模塊為臀部板，長×寬×高=600 mm×600 mm×20 mm，最大旋轉角度為30°;（3）號模塊為大腿板，長×寬×高=380 mm×600 mm×10 mm，相對臀部板的最大旋轉角度為30°;（4）號模塊為小腿版，長×寬×高=270 mm×600 mm×10 mm，相對大腿板的最大旋轉角度為20°。

2 ? ?重要結構設計

2.1 ? ?側翻機構設計

側翻機構如圖2所示。在臀部板下端安裝4個電動推桿，推桿兩端都采用球鉸鏈連接，球鉸鏈的鎖緊和放松由電磁鐵控制。當進行左側側翻運動時，推桿2、4以一定比例的速度伸長，1號桿就是臀部板，將繞著O點進行旋轉運動，使板逐漸傾斜，直至到達規定角度，最終完成左側側翻運動。若執行右側側翻運動，將所有運動機構與左側側翻運動反向即可。

在△AOB中，對該機構進行運動學分析：

r1+r3=r2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

即：

l1e+l3=l2e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

解得：

l2=[l3cos φ2-l1cos（φ1-φ2）]1/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

l1/l3=sin φ2/sin（φ1-φ2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

對機構進行速度分析：

針對式（2），對時間t進行求導：

iω1l1e+l2′e+iω2l2e=0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

可以解出電動推桿速度l2′和桿1角速度ω1：

l2′=-ω1l1sin（φ1-φ2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

ω1=ω2l2′/cos（φ1-φ2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

對機構進行加速度分析：

針對式（5），對時間t進行求導：

l2"e+2l2′ω2e-ω22l2e-iε1l1e+ω12l1e=0 ? ? ? ? ? （8）

解得知桿2加速度l2"和支桿角加速度ε1：

ε1=2l2′ω2+ω12l1sin（φ1-φ2）/l1cos（φ1-φ2） ? ? ? ? （9）

l2"=ω22l2-ω12l1cos（φ1-φ2）-ω12l1sin（φ1-φ2）tan（φ1-φ2）-

2l2′ω2tan（φ1-φ2） ?（10）

根據計算結果，可知不同的t時刻電動推桿或板的線速度、角速度、加速度和角加速度。以上結果也為以后的模擬器仿真分析提供了進一步的數據支撐，驗證了機構在運動時速度和加速度的穩定性，確保了設計機構的合理性和可靠性。

2.2 ? ?曲腿機構設計

曲腿機構如圖3所示。采用兩個電動推桿，3號電動推桿主要用于大腿板的運動，5號電動推桿主要用于臀部板的運動。電動推桿5以一定比例的速度運動，使桿1繞A點進行逆時針旋轉，同時也可以單獨控制電動推桿3拉動桿2使它繞鉸接點進行順時針旋轉。兩電動推桿均可單獨運動，以便使用者得到最舒適的曲腿動作。

在△CDE中，對該機構進行力學分析：

r1+r3=r2 ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

即：

L1e+L3e=L2e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

解得：

L3=[L32-L12-2L1L2cos（φ1-φ2）]1/2 ? ? ? ? ? ? ? ?（13）

φ3=arctan（L2sin φ2-L1sin φ1/L2cos φ2-L1cos φ1） ? ? ?（14）

對機構進行速度分析：

針對式（12），對時間t進行求導：

iω1L1e+L3′e+iω3L3e=iω2L2e ? ? ? ? ?（15）

可以解出電動推桿速度L3′和桿3角速度ω3：

L3′=ω2L2sin（φ1-φ3）-ω1L1sin（φ1-φ3） ? ? ? ?（16）

ω3=[ω3cos（φ1-φ3）-ω1cos（φ1-φ3）]/L3 ? ? ? ?（17）

對機構進行加速度分析：

針對式（15），對時間t進行求導：

iL1ε1e-L1ω12e+2iL3′ω3e+iε3L3e-L3ω32e+L3"e=

iL2ε1e-L2ω32e ? ? ?（18）

解得知桿3加速度L3"和支桿角加速度ε3：

L3"=ε1L1sin（φ1-φ3）-ω12L1cos（φ1-φ3）-L3ω32-

ε2L2sin（φ2-φ3）+ω22L2cos（φ2-φ3） ?（19）

ε3=[ε2L2cos（φ2-φ3）-ω22L2sin（φ2-φ3）-2L3′ω3+

ε1L1cos（φ1-φ3）+ω12L1sin（φ1-φ3）]/L3 ? ?（20）

通過對機構位置、速度和加速度的分析，得到了任意時刻t對應的各構件角速度和角加速度變化關系，為后續的控制過程做好了數據準備。

3 ? ?關鍵部件有限元分析

新型多功能護理床結構設計完成后，對球鉸鏈和支撐板進行有限元分析。

3.1 ? ?球鉸鏈有限元分析

球鉸鏈作為連接部件，要保證其強度符合設計標準。將球鉸鏈底座進行網格化處理，球鉸鏈底座在受到500 N壓力時，其構件的受力情況如圖4所示，變形位移量如圖5所示。

球鉸鏈底座在最大受力500 N下，最大壓應力為1.89 MPa，遠小于材料屈服應力530 MPa，材料最大變形量為1.148×10-4 mm，滿足功能性和安全性要求。

3.2 ? ?支撐板有限元分析

板塊主要支撐對象為人體，所以臀部板在受最大外力700 N時，該構件的應力情況如圖6所示，臀部板在受力情況下變形位移量如圖7所示。

推桿在最大受力700 N下，最大壓應力為11.65 MPa，遠小于材料屈服應力27.57 MPa，材料最大變形量為1.137×10-2 mm，滿足功能性和安全性要求。

4 ? ?結語

本文對新型多功能護理床的結構設計進行了介紹，主要詳細說明了側翻機構和曲腿機構的設計并進行了運動學分析，證明了設計的可行性和運動時的平穩性。隨后對關鍵部件進行有限元分析，確定所設計的結構擁有足夠的強度和剛度，安全性能得到保障。一系列的設計、驗算和校核證實了新型多功能護理床在理論上的可行性，并為以后繼續深入研究提供了理論依據。

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收稿日期：2020-07-09

作者簡介：何磊（1998—），男，四川綿陽人，研究方向：機械設計。

通信作者：韓慶玨（1980—），男，河南新鄉人，博士研究生，講師，從事車輛動力學、車輛自主導航、路徑規劃與路徑跟蹤控制等研究工作。