一種可分離的多功能助老床結構設計

麥智鵬 杜凱強 劉雨達 洪郭彬

（廈門大學嘉庚學院 機電工程學院，漳州 363000）

隨著我國社會經濟的迅速發展，人口老齡化已成為我國極為嚴峻的社會問題[1-2]。截至2020年11月，我國60歲以上老年人口數量已達2.64億，占總人口數的18.70%[3]。隨著年齡的增長，人們身體的各項機能會逐漸下降，從而造成行動遲緩或是不便的現象，甚至失去自理能力。這些老年人需要在子女或護工的照顧下才能實現起身、如廁、移動等[4]。

本文針對這一情況，設計出一種多功能助老床，用以解決行動不便或臥床老人的一些問題，幫助老人實現起身、如廁、移動等。與市面上的助老床相比，這款多功能助老床采用簡易的機械結構，不僅能實現床廁一體，而且結構巧妙、成本低，能有效保障老人的安全。多功能助老床設計時應遵循的設計原則有功能合理原則、簡潔性原則、安全性原則、易用性原則、共用性原則和主動性原則[5]。

1 多功能助老床的機械結構設計

1.1 助老床的機械結構組成

多功能助老床的機械結構主要分為母床和子輪椅兩部分，其主要受力部分為支撐框架與底板的連接處以及4個支撐底座與支撐框架的連接處，模型如圖1所示。其中，4個支撐底座受力均勻，取其中一個進行受力分析可得，床體床架可采用強度足夠的45鋼[6]。

本設計的床體床架均采用足夠強度的不銹鋼材料，通過焊接工藝進行連接。其中，床板采用多板塊結構設計和高強度的活頁連接，且在主要承重部位加裝了加強鋼板保證床板的結構強度。對于床體的結構設計，采用了床椅一體化結構，可實現床椅的分離與拼接。母床可以實現上下床、起身與躺下等功能，子輪椅可以解決移動、如廁等問題。

子輪椅對接母床的一側設置有與輪椅對接的磁吸機構，通電則吸合，不通電則松開。同時，輪椅上也設置有與之配合的磁鐵管。當老人或患者不需要使用輪椅時，可通過遙控器把多功能護理床上的磁吸機構收回。多功能護理床床架底下固定，以免妨礙醫護人員開展護理工作。當要用到輪椅對接時，只需把輪椅移到相對應的位置，使其接觸吸合，這時輪椅與多功能護理床融為一體，可固定不動。老人或患者在自己站立轉身、從坐在輪椅上轉移到多功能護理床上或者從多功能護理床轉到輪椅上時，無需醫護人員的幫忙，減輕了醫護人員的負擔。

1.2 母床結構設計

1.2.1 抬背機構設計

助老床的抬背機構主要由滑軌、滑塊、滑軌轉向頭、推桿、齒輪齒條結構以及步進電機A組成，如圖2所示。其中，步進電機A和推桿分別固定在電機固定塊和推桿固定塊上，推桿的一端與滑塊相連。當步進電機A啟動時，電機轉動帶動與其相連的齒輪結構。電機相對于地面保持靜止狀態，通過齒輪傳動帶動與其相連的推桿，進而帶動滑塊在其相應的滑軌上運動形成一定的角度。當達到適當距離時，由于步進電機A有自鎖功能，能夠停止抬升或落下，從而保證上床板穩定在舒適的位置。當老人想要下床時，可以先依賴起臥模塊呈現坐起狀態，然后撐住子輪椅扶手，借力起身實現由坐姿轉為臥姿或者臥姿轉為坐姿的結構改變。整體抬升機構采用雙推桿對立呈雙八字型機構，且向內收縮，在提升穩定性的同時節省空間。在抬升過程中，雙電機兩側同時抬升，解決了局部受力不均勻的問題，同時解決了在抬升過程中水平方向上的位移偏差。推桿推力為1 000 N，推桿總長度為900 mm，由步進電機A帶動齒輪齒條傳動將推桿往上推起時，共用時100 s，由試驗測算出推桿伸縮速度為9 mm·s-1。另外，為避免出現死點位置，旋轉架的旋轉角度應小于70°[7]。

1.2.2 導軌機構

助老床的床體可分成母床和子輪椅兩部分，母床配有定向導軌，子輪椅和母床之間通過導軌確保對接及分離的準確性和穩定性。在床體結構分離及拼接時，采用這種結構能夠減少由于對接所造成的機械結構滑動及振動，從而減少對老人身體的創傷。導軌機構三維圖如圖3所示。

1.3 子輪椅設計

1.3.1 抬腿機構

抬腿機構三維圖如圖4所示，主要由步進電機B、連桿1、連桿2、連桿軸以及連桿架組成。其中，步進電機B與子輪椅中座椅底部相連，另一端與連桿1相連，連桿1一端連接連桿2，另一端通過連桿軸與連桿架相連，進而與曲腿板相連。該機構采用電機轉動帶動連桿機構運動將兩側抬升，從而實現腿部由平放狀態轉換成屈膝狀態，腿位調節范圍可達90°。該機構工作時，通過遙控器調節電機反轉，實現從平躺狀態轉換成坐姿狀態，同時通過控制電機正反轉，實現腿部由平放狀態轉換成屈膝狀態。此外，可通過遙控器控制電機轉動實現整體上升，以便調節到適宜的高度。

1.3.2 如廁機構

如廁機構主要由齒輪、齒條、輪椅滑板、輪椅滑板固定滑道、輪椅滑板滑軌和永磁交流同步電機C組成。老人如廁時，通過電機與齒輪齒條結構的配合帶動可移動輪椅滑板塊在輪椅滑塊固定滑道中定向運動，通過遙控器控制電機轉動實現整體機構的橫移，從而實現輪椅滑板的開啟與關閉。當達到一定位置時，步進電機會自鎖，從而達到開關作用。如廁機構設計如圖5所示。

1.3.3 棘爪機構

棘爪機構主要由扶手、扶手連桿、靠背定桿和棘條組成。其中，靠背定桿上的棘爪通過靠背定桿與扶手連桿相連。通過調節靠背定桿的位置能夠控制靠背傾斜度，同時調節擋位的增多能夠使背框調節范圍增大，從而為老人提供更多角度的靠背姿勢選擇。棘爪機構設計如圖6所示。

1.3.4 剎車裝置

剎車裝置主要由手剎、剎車塊、剎車片和剎車線組成。利用手剎能夠將子輪椅速度調整到合適大小。剎車動力傳遞過程為先由手剎傳遞到剎車線，再由剎車線控制剎車塊，最后由兩側剎車片將車輪夾緊，達到減速效果。剎車裝置設計如圖7所示。

2 助老床主要零部件的仿真

Simulation模塊由有限元分析軟件Cosmos works改名而來。為了體現設計和仿真一體化的解決方案，SolidWorks將仿真界面和仿真流程的Simulation模塊直接嵌入到了SolidWorks的圖形設計界面[8]。通過用SolidWorks Simulation對輪椅中間座椅進行靜應力學分析，以此來驗證設計方案的合理性與可行性。

分析過程中，中間座椅選用ABS材料，利用夾具將兩側夾緊后，在輪椅中間座椅加入外部載荷5 000 N，最后通過運行算例得出分析結果。中間座椅的應力分布圖、位移變化圖和應變云圖分別如圖8～圖10所示。根據圖8可以看出，輪椅中間座椅應力最大變形出現在座椅兩側，最大形變量為5.346×106Pa，明顯低于對應材料ABS的許用應力值24.5 MPa，符合設計要求。根據圖9可以看出，輪椅中間座椅位移最大變形出現在座椅中間部位，最大形變量為3.994×10-1mm，位移距離變化不大，符合設計要求。根據圖10可以看出，輪椅中間座椅應變最大變形出現在座椅兩側，最大形變量為2.159×10-3mm，最大形變量處于材料的允許范圍內，符合設計要求。

3 理論設計計算

設計的輪椅滑板所需拉力為50 N，輪椅滑板的徑向速度需為0.23 m·s-1。根據電機工作的實際工況和功能要求，設計選用永磁交流同步電機[9]。

3.1 功率選擇

確定電動機效率Pw可按式（1）計算：

式中：F為輪椅滑板所需拉力，取值為200 N；V為輪椅滑板的徑向速度，取值為0.23 m·s-1；由于裝置的工作效率還需要考慮齒輪嚙合的效率、數據選擇和其他誤差的情況，因此取ηw=1。

將數據代入式（1），得Pw=11.5 W。

3.2 電動機的類型選擇

電動機輸出功率Pd的計算方式為：

為計算電動機負載所需要的輸出功率Pd，要先確定電動機與工作負載之間的總功率η總。設η1、η2分別為閉式齒輪的傳動效率（設齒輪精度等級為7級）和負載工作機的效率，查表得η1=0.98，η2=0.96，則傳動裝置的總效率η總為0.940 8。因此，電動機所需工作功率Pd為12.22 W。

考慮到誤差關系，上述計算結果需要滿足實際功率P≥Pd。按工作要求、工作條件查表選用電機的型號為60KTYZ，其數據參數如下：電機的額定功率為14 W；額定轉速為50 r·min-1；電機軸的輸出轉矩T電機軸為2.33 N·m。

4 多功能助老床的控制系統設計

4.1 單片機的選擇

本次設計選用STM32單片機。與傳統51單片機相比，STM32單片機具有更多的功能，運算速度也更快。STM32單片機程序都是模塊化程序，接口處簡單且不需要太多的外圍元件，具有實時性、數字信號處理快、低功耗和低電壓等特點[10-11]。

4.2 多功能助老床控制流程

多功能助老床中抬背機構、抬腿機構、如廁機構均由STM32單片機控制。其中：抬背機構有抬起與下落兩種功能，分別用3個按鈕控制，按鈕的功能分別為抬起、下落和暫停，可以讓老人抬升或下落到舒適位置；抬腿機構具有抬腿和屈膝兩種工作模式，同樣由3個按鈕控制，功能分別為抬腿、屈膝和暫停；如廁機構由2個按鈕組成，能夠利用電機正反轉控制該機構的開啟與關閉。控制系統原理如圖11所示。

5 結語

本產品操作簡單、使用周期長、成本相對較低，不僅可以應用于養老機構、醫院等場所，而且能夠解決當今社會助老齡化器材短缺問題，對于提高老年人的生活的質量和助老服務行業發展具有重要意義。