護理床椅抬背機構的設計與分析

摘 要：為實現背板可在0°～70°范圍轉動，對護理床椅的抬背機構進行了尺寸設計與運動學分析。該機構主要采用連桿結構實現抬背功能，首先通過繪制出運動簡圖進行尺寸參數的設計，其次通過運動學分析與計算得到對應函數關系式，并通過Cero7.0的仿真模塊進行運動學仿真，以開展驗證分析。結果表明：計算結果與仿真數據曲線的趨勢較好，抬背機構的設計符合護理床椅的設計要求。

關鍵詞：護理床椅；抬背機構；運動學分析

中圖分類號：TH123+.1；TH789" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0044-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.011

0" " 引言

護理床椅作為醫療器械，其設計必須考慮到可行性及舒適性。在護理床椅的抬背機構運動時，要確保護理床椅可靠、穩定，就必須保證床面運動平穩，避免忽快忽慢、急停等情況的出現讓使用者沒有安全感。

為滿足該要求，首先需通過確定好的抬背機構的構型，對抬背機構的構件尺寸、安放位置與轉動角度進行設計與計算，然后分析抬背機構的運動特性，并對機構進行運動學分析與仿真。

該過程是實現護理床椅功能的重要環節，是驗證機構設計合理性的必要手段，且為護理床椅的設計計算以及抬背機構的動力選擇及有限元分析提供了理論依據。

1" " 結構設計

護理床椅的抬背機構是通過推桿電機的伸縮帶動背板繞合頁軸進行轉動，從而實現背板0°～70°的轉動，進而完成抬背功能。

針對抬背運動的實現，設計了如圖1所示的抬背機構。此機構結構簡單，操作方便，在進行抬背運動時，能夠滿足推桿電機所需要的工作行程，并且不會與坐板產生機構干涉，此機構有3個自由部件、3個轉動副和1個螺旋副，自由度為F=3×3-2×4=1，因此抬背機構能夠進行運動。

2" " 尺寸設計

抬背機構的運動簡圖如圖2所示，并以O1A1為Y軸，垂直于O1A1方向作為X軸建立坐標系。圖中，O1為抬背機構推桿電機下端安裝支撐座，A1為背板轉動的合頁軸，A1B1為固定連接件，該固定連接件將背板與推桿電機進行連接，其中B1為推桿電機末端位置，α1為推桿電機與X軸的夾角，β1為背板與水平位置的夾角，θ1為背板與固定連接件的夾角，設A1B1的長度為Lab，O1A1的長度為Loa，O1B1的長度為x1。

確定A1點的位置：A1為背板轉動的合頁軸，是固定位置，故確定A1點的位置就是確定O1點的位置。O1點位置的確定要考慮護理床椅床板下的空間大小、推桿電機的安裝及初始長度。若O1A1的豎直長度過短，在實現背板0°～70°的轉動時，會導致推桿電機與背板干涉；若O1A1的豎直長度過長，則會占用過多的床板下的空間。故經過綜合分析，可以確定γ1的大小為33.1°，O1A1的長度為220 mm，即O1點與A1點的水平距離為184.30 mm，豎直距離為120.14 mm。

確定B1點的位置：B1點位置的確定要考慮護理床椅床板下的空間大小和背板的抬背角度。若θ1的角度過小，則無法滿足背板進行0°～70°的轉動；若θ1的角度過大，則會增加推桿電機的初始長度，進而占用過多的床板下的空間。故經過綜合分析，可以確定A1B1的長度為120 mm，θ1的大小為100°。

推桿電機的長度即為O1B1的長度，當背板的抬背角度為0°時，推桿電機長度即為初始長度，通過三角函數關系進行計算，可以得到推桿電機的初始長度為164 mm。

綜上所述，可以得到抬背機構的固定參數取值如表1所示。

根據表1的數據，在三維軟件中繪制出抬背機構的模型圖，如圖3所示。

3" " 運動學分析

3.1" " 位置分析

由圖2中封閉矢量多邊形和為0可得環路方程如下：

將式（1）中的向量分別向X、Y軸投影可得如下方程組：

將方程組（2）中的α1消去并化簡即可得到抬背機構的轉動角度β1的表達式為：

將表1中的數據代入式（3）中，即可得到抬背機構的轉動角度β1與推桿電機長度x1的函數關系式。護理床椅抬背機構的最大轉動角度為70°，根據上述數據并通過三角函數關系進行計算，可以得到此時推桿電機的長度為295 mm，即推桿電機在抬背過程中的行程為131 mm。

推桿電機做勻速的伸縮運動，取v1=5 mm/s，通過Creo7.0的仿真模塊對護理床椅的抬背機構進行運動學仿真，可以得到抬背機構中固定連接件端點處的位移曲線圖和抬背機構轉動角度β1的曲線圖，如圖4和圖5所示。

3.2" " 角速度分析

將式（3）對時間t求導可得：

設背板的轉動角速度為ω1，推桿電機的移動速度為v1，則可以將式（4）化簡，從而得到背板轉動角速度ω1的表達式為：

通過Creo7.0的仿真模塊對護理床椅的抬背機構進行運動學仿真，可以得到背板的轉動角速度ω1在推桿電機做勻速運動時的曲線圖，如圖6所示。

3.3" " 角加速度分析

將式（5）對時間t求導可得背板角加速度的表達式為：

將上述數據代入式（6）中，可以得到角加速度的變化情況。

通過Creo7.0的仿真模塊對護理床椅的抬背機構進行運動學仿真，可以得到背板的角加速度在推桿電機做勻速運動時的曲線圖，如圖7所示。

由圖4至圖7可知，各曲線趨勢與理論結果相符且圖像平滑，沒有發生突變的情況，此情況同丁軍政[1]和高峰[2]研發出的多功能護理床中對支背機構運動學分析的結論相一致，由此可以說明在護理床椅進行抬背運動時，抬背機構的位移變化趨勢緩慢且運動較為平緩，保證了老人在進行人體姿態改變時的舒適性；同時，也說明了背板在護理床椅進行抬背運動時受力均勻，從而使得老人的腰背部處受力均勻，不易產生不適感。

從上述曲線中的數值可以看出，抬背機構的角速度在2.4～3.2（°）/s的區間內，角加速度在-0.03～0.11（°）/s2的區間內，而朱愛潔[3]通過計算分析得到起背機構的角速度在2.0～7.7（°）/s的區間內，角加速度在-0.3～2.9（°）/s2的區間內，通過對比分析可以看出，本文抬背機構中角速度和角加速度的區間遠遠小于朱愛潔[3]研發的起背機構中角速度和角加速度的區間，由此可以說明抬背機構在抬背過程中運動更為緩慢、舒適性更好、更適于老年人使用；且最大抬背角度為70°，能滿足抬背機構的轉動角度要求。綜上所述，此抬背機構的設計符合護理床椅的設計要求。

4" " 結束語

本研究主要是對護理床椅的抬背機構進行尺寸設計與運動學分析。通過對抬背機構的設計、分析計算以及運動學仿真，得到相應曲線圖，并同理論計算的結果進行驗證分析，從而發現各曲線趨勢與理論結果相符且圖像平滑，沒有發生突變的情況，說明抬背機構的位移變化趨勢緩慢且運動較為平緩，不易產生不適感。

根據各曲線上的數值，將抬背機構角速度和角加速度的數值范圍同其他學者的實驗結果進行對比，可知護理床椅在抬背過程中運動更為緩慢、舒適性更好、更適于老年人使用，且各機構的最大轉動角度均能夠滿足轉動角度要求，進而能夠確定抬背機構的設計符合護理床椅的設計要求。

[參考文獻]

[1] 丁軍政.多功能電動護理床設計與關鍵技術研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2017.

[2] 高峰.多功能護理床的設計與研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2019.

[3] 朱愛潔.多功能智能護理床研制[D].合肥：合肥工業大學，2018.

收稿日期：2024-12-30

作者簡介：曹馨穎（1997—），女，山東煙臺人，碩士，助教，研究方向：康復輔具和機械結構設計。