輔助老人起居支架設計

趙紀卓 陳鴻躍 萬宏強 薛焱豐

（西安工業大學機電工程學院，陜西西安 710021）

近年來，隨著我國逐步邁入老齡化社會，人口老齡化問題也日趨嚴重[1]。根據人口普查結果顯示，60 歲及其以上人口接近1.78 億人，占總人口的13.26%，并以每年3.3%的速度增加，并且這種發展趨勢在短時間內不會緩解[2]。第十九次全國人大代表會議指出，加強人口發展戰略研究，嚴陣以待應對人口老齡化問題，建立完善養、孝、敬老的社會體系，鼓勵發展相應的老齡事業和產業。由于社會壓力等問題，一部分年輕人不能全身心照顧老人[3]，空巢老人獨自起居存在摔倒、滑倒等安全隱患[4]，對老人身體機能造成較大傷害。因此多功能輔助老人起居支架應運而生，旨在優化老人居家自理環境，減免老人因腿腳不便而造成的上下床困難等問題。

本設計針對性解決老人獨自起居困難，輔助老人上下床以及實現輪椅與起居床的對接，獨自完成輪椅到起居床的轉換。本文從結構、工藝性能以及實用性等方面設計一種能夠給予老人上下床的便捷與保障的輔助起居支架。對關鍵元件進行有限元分析[5]，確保機構在運行中擁有足夠的強度和剛度。

1 起居床的總體結構設計

該起居支架通過實現床板的自動升降，輔助獨居老人上下床及坐姿和臥姿的轉換，其整體的三維模型如圖1 所示，起居支架的主體框架由夾持機構、傳動機構、抬腿機構和固定機構組成。整個多功能起居支架的夾持機構由底板和夾具組成，抬腿機構由四桿機構和抬腿板構成，傳動裝置由電機帶動曲柄進行旋轉實現活動板的自動升降。使用時，根據調節可控開關來實現電機帶動運動桿實現回擺，并調節轉動的快慢，按下反向開關，可以實現桿件反轉，此時老人可以通過抬腿板的升降實現上下床。

2 起居床主要機構設計

2.1 傳動機構的設計

傳動機構由減速電機和曲柄機構構成，通過控制減速電機的絲桿帶動曲柄連桿進行回擺運動，電機絲桿與驅動桿相連，絲桿帶動曲柄連桿進行回擺，進而帶動活動板的自動升降，完成輪椅與床板的對接工作。

2.2 夾持機構的設計

起居支架的夾持機構由兩側夾具和底板構成，兩側夾具通過螺栓固定于底板件第一層構成夾持機構。當四桿機構作回擺運動時，老人可以手持兩側夾具挪動身體，進而實現坐臥姿的轉變。

3 起居床部件的設計

3.1 底板尺寸的設計

活動的底板應滿足醫療護理方面的相關尺寸要求，且支撐結構應滿足強度要求。根據YY0003-1990《病床》的有關規定[2]，并參考市場上護理床相關尺寸和設計目的，桿件與底板的重量不能超過1kg，載重不能超過80kg，所設計的底板總體尺寸長為600mm，寬600mm，高100mm。

3.2 底板的結構設計

底板設計為兩層機構，可以節省成本同時提高整體結構的穩定性，考慮到整體結構的裝配要求將電機和連接桿件放置在第一層。底板的三維模型圖如圖2 所示。

圖1 整體的三維模型

3.3 支撐桿的設計

如圖3 所示為起居支架的運動桿件，圖中支撐桿EF、連架桿AD 和底板CF 組成三角結構以提升運動結構穩定性。根據起居床的設計要求，設EF=DF 且∠ADF=80°，支撐桿EF 為1015mm。

圖2 底板的三維模型圖

3.4 連桿機構的設計

如圖4 所示的連桿機構的三維模型圖，由連架桿和活動板構成，桿件和活動板通過螺栓連接。其在工作時由電機帶動實現回擺運動，同時作為主體框架配合支撐桿起到支撐作用。經調查，市面上多數平板床件，其底板距地面H=340mm,考慮到最終四連桿受力情況，則在AD 中間放置支撐桿EF，起到增力的效果。則由勾股定理：

根據AB=600mm，DC=400mm，則AD+DC≤AB+BC 則存在曲柄。

圖3 機構簡圖

圖4 連桿機構的三維模型圖

3.5 電機型號的選取

傳動機構采用可調式交流電機傳動，通過電機轉動帶動曲柄進行旋轉。老人體重以70kg 計，身高以170mm 計，小腿占體重的約10%，小腿長約為身高的20%，起居床需將小腿抬高340mm，需做功23.8 焦耳，以轉速4 轉/分，抬起時長4s，所需功率5.95w。據此選定68KTYZ 型號電動機，其基本參數為額定轉速2.5 轉/分，額定功率為120W，額定電壓220V。

4 關鍵部件的校核

起居支架在工作時，電機帶動曲柄做回擺運動，此時連架桿在工作行進過程中，主要受到軸向壓力與彎曲應力。老人小腿置于活動板上，板面受力可看為重力作用下的分布力，板所受分布載荷約為300N/m，連架桿直徑為6mm。行進過程中，連架桿承載彎曲應力與壓應力的組合應力。

連架桿主要用來承受載荷，為了保證設計的可靠性和安全性，在以下的結構設計與校核計算終對以上參數上浮10%作為設計參考和校核，確保其的承載能力，從而延長桿件的使用壽命。通過Solidworks 軟件對連架桿進行有限元分析，根據桿件在垂直狀態和行進狀態的受力分析，對整個桿件進行靜應力分析，分析結果如圖5（a）和圖5（c）所示，判斷出桿件與抬腿板和底板連接處所受應力最大，且最大受力為1.22MPa 和1.05MPa遠處小于許用應力，滿足強度要求；最后對桿件進行安全系數的分析，分析結果如圖5（b）和5（d）所示，其安全系數均滿足要求。因此，連架桿的設計滿足設計要求。

圖5 桿件的分析

5 實物搭建

通過對起居支架各個結構的設計分析以及關鍵部件的強度校核分析，分析結果均滿足設計要求，現對起居支架各個結構進行實物搭建，如圖6 所示。通過電機帶動曲柄完成抬腿板的自動升降，輔助老人完成坐臥姿的轉換，起居支架作為機電一體化產品，結構簡單，操作便捷，為空巢老人的生活起居提供便捷。

圖6 實物圖及測試

6 結論

本文利用SolidWorks 軟件對輔助老人起居支架的三維模型進行搭建并對起居支架的結構進行設計，提出了總體的設計方案，根據各個原動件的運動規律，確定各個機構的運動性能，從而驗證各機構的合理性。最后，用SolidWorks 對其強度進行分析，通過對支撐件的受力分析可知，輔助老人起居支架的運動平穩性良好，床板受力均勻，達到預期設計要求。