胡木華 劉靜華 陳殿生 王田苗

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京，100191）

1.背景

1.1 人口老齡化現(xiàn)狀

截至2012年底，中國(guó)老年人口數(shù)量達(dá)到1.94億，比上年增加891萬(wàn)，占總?cè)丝诘?4.3%。2013年，老年人口數(shù)量將突破2億大關(guān)，達(dá)到2.02億，老齡化水平將達(dá)到14.8%。老年人口的高齡、失能和空巢化將進(jìn)一步加劇應(yīng)對(duì)人口老齡化的嚴(yán)峻性和復(fù)雜性[1]。首先，高齡（75歲以上）與失能老年人口繼續(xù)增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率超過(guò)100萬(wàn)，今年將分別達(dá)到2300萬(wàn)人與3750萬(wàn)人；其次，慢性病與空巢老年人持續(xù)增多，到今年均將突破1億人大關(guān)；再者，無(wú)子女老年人和失獨(dú)老年人開(kāi)始增多，由于執(zhí)行計(jì)劃生育政策的一代陸續(xù)開(kāi)始進(jìn)入老年期，加上子女風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生等因素，無(wú)子女老年人越來(lái)越多。2012年，中國(guó)至少有100萬(wàn)個(gè)失獨(dú)家庭，且每年以約7.6萬(wàn)個(gè)的數(shù)量持續(xù)增加。

老齡人口的持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)法完全自理老人越來(lái)越多，均對(duì)社會(huì)服務(wù)的需求越來(lái)越大。據(jù)估計(jì)，老齡化問(wèn)題將伴隨21世紀(jì)始終，2050年到2100年期間，老年人口將維持在4億人左右，占總?cè)丝诒壤?0%[2]。因此，當(dāng)前必須加以足夠的重視并立即采取行動(dòng)，才能夠應(yīng)對(duì)老齡化所帶來(lái)的未富先老、未備先老以及孤獨(dú)終老的問(wèn)題。

1.2 養(yǎng)老服務(wù)缺口

老齡、失能、慢性病、空巢、無(wú)子以及失獨(dú)老年人口的持續(xù)增長(zhǎng)引起對(duì)專(zhuān)業(yè)老年護(hù)理的需求激增，養(yǎng)老服務(wù)缺口主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)床位數(shù)量不足以及專(zhuān)業(yè)護(hù)理人士的人數(shù)不夠，并且養(yǎng)老服務(wù)專(zhuān)業(yè)度不高，這些現(xiàn)狀都與老齡化的問(wèn)題形成了巨大的矛盾。發(fā)達(dá)國(guó)家的養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)的床位能夠供5%-7%的老人入住。在中國(guó)，床位數(shù)僅能滿足2.35%的老人的需求，這樣的數(shù)量顯然難以滿足需要。以北京為例，目前全市養(yǎng)老床位數(shù)約為6.5萬(wàn)張，僅能供約2.5%的老人入住。北京市統(tǒng)計(jì)局的調(diào)查顯示，31.6%的被訪老人表示可能會(huì)選擇入住養(yǎng)老機(jī)構(gòu)。從四季青敬老院調(diào)研得知，養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)部每位護(hù)理人士照料10位左右的老人，其中還包括3-4位完全失能老人，2-3位半失能老人。護(hù)理人員緊缺。

以上這兩方面的問(wèn)題引起的養(yǎng)老服務(wù)缺口會(huì)隨著老齡人口的持續(xù)增長(zhǎng)而不斷擴(kuò)大，所以必須增大養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的建設(shè)以及護(hù)理人員的培訓(xùn)。在增加養(yǎng)老服務(wù)的同時(shí)，也可探索尋求能夠輔助并保障老人安全舒適的、利用高科技的養(yǎng)老模式。

1.3 高科技輔助護(hù)理

在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，我國(guó)在服務(wù)機(jī)器人研究和產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)做了大量工作，并取得了一定的成績(jī)，其中包括助老／助殘機(jī)器人方向[3]。

利用科技養(yǎng)老，填補(bǔ)養(yǎng)老服務(wù)缺口，護(hù)理機(jī)器人系統(tǒng)的研制刻不容緩。該項(xiàng)目屬于國(guó)家“863計(jì)劃”服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)項(xiàng)目《助老/助殘機(jī)器人系統(tǒng)集成、監(jiān)控與產(chǎn)品綜合展示平臺(tái)》子項(xiàng)目。

2.創(chuàng)意設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)所在的北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所，擁有先進(jìn)的技術(shù)研究設(shè)備與儀器，在護(hù)理機(jī)器人的研究上有深刻的認(rèn)識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)人員由機(jī)電控制、機(jī)械設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)等不同專(zhuān)業(yè)方向人士組成，可從不同專(zhuān)業(yè)角度來(lái)審視問(wèn)題，并相互協(xié)作完成該項(xiàng)目目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與藝術(shù)的融合。

2.1 設(shè)計(jì)路線

a)實(shí)地考察調(diào)研。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)前往四季青敬老院、國(guó)家康復(fù)輔具中心及北京航空航天大學(xué)老人社區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察調(diào)研，以訪談、發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷以及入住敬老院親身體驗(yàn)老人生活和護(hù)理人員的工作方式，調(diào)研老人、殘疾人、護(hù)理人員以及家屬的相關(guān)需求，如：翻身、清潔、如廁（床內(nèi)或者衛(wèi)浴空間完成）、喂食、康復(fù)、拿取物品、出行、娛樂(lè)交流等。從目標(biāo)人群心理、生理特征出發(fā)，結(jié)合市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)學(xué)和用戶心理學(xué)，對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行深入研究和詳細(xì)分析（分析現(xiàn)存問(wèn)題和其原因以及市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)），最終找到產(chǎn)品切入點(diǎn)——適合身體衰弱但智力正常的臥床老年人使用的床椅一體化多功能護(hù)理床。

b)從人機(jī)工程學(xué)以及老人護(hù)理學(xué)的角度進(jìn)行調(diào)研設(shè)計(jì)，以保證安全性、實(shí)用性和舒適性。具體來(lái)說(shuō)，從人體測(cè)量學(xué)出發(fā)，研究老年人的機(jī)體變化，并通過(guò)人體變化率推算出老年人人體尺寸數(shù)據(jù)，如表1所示，用以輔助確定產(chǎn)品尺寸。結(jié)合國(guó)標(biāo)相關(guān)規(guī)定，確定e-Bed整體尺寸，長(zhǎng)×寬×高：2030mm×950mm×540mm。其中輪椅部分尺寸：座深即座面的前后距離，應(yīng)能保證臀部得到全部支承，其深度一般相當(dāng)于大腿全長(zhǎng)的3/4，按標(biāo)準(zhǔn)取400-430mm；座寬即座面的左右距離。座寬要滿足臀部橫寬所需要的尺度，應(yīng)大于400mm，并小于國(guó)標(biāo)中規(guī)定的居家使用的極限650mm。座高應(yīng)考慮坐姿膝蓋的高度，合適高度為430mm左右。

表1中P5、P50、P95分別代表第5百分位、第50百分位及第95百分位的人群。

表1 老年人人體尺寸（單位：mm）[4]

通過(guò)實(shí)驗(yàn)法和觀察法將關(guān)鍵動(dòng)作提取出來(lái)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)、相關(guān)的人機(jī)工程學(xué)因素以及老人的護(hù)理要求，對(duì)e-Bed各部位的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)老年人需求以及同類(lèi)產(chǎn)品的缺陷，確定e-Bed的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行初步的可行性分析。

c)本著滿足用戶使用習(xí)慣的原則，進(jìn)行機(jī)械模型建立及樣機(jī)效果驗(yàn)證。其中影響到整體功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)包括翻身、抬背、曲腿、如廁等結(jié)構(gòu)。模型經(jīng)過(guò)仿真力學(xué)分析，符合要求后進(jìn)行制作加工裝配，并驗(yàn)證樣機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)功能需求。

d)優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用示范。樣機(jī)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與不足之后，再進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，并前往北京四季青敬老院進(jìn)行應(yīng)用示范。

2.2 構(gòu)成與工作原理

圖1 床、椅轉(zhuǎn)換與分離過(guò)程

床椅一體化多功能護(hù)理床主要由床體、座椅、信息與控制系統(tǒng)四大部分組成，床椅轉(zhuǎn)換和自動(dòng)對(duì)接如圖1、圖2所示。經(jīng)過(guò)四代產(chǎn)品的技術(shù)探索，e-Bed不斷改進(jìn)，床椅分離、對(duì)接技術(shù)已得到成熟的研究成果，性能穩(wěn)定。為適合不同格局的室內(nèi)環(huán)境，有不同的對(duì)接分離方式與之適應(yīng)，更降低了產(chǎn)品成本。

a.分離對(duì)接方式：激光雷達(dá)對(duì)接；巡線對(duì)接。

b.獨(dú)創(chuàng)分離方式：開(kāi)門(mén)式；旋轉(zhuǎn)座椅式；旋轉(zhuǎn)底盤(pán)式。

圖2 床椅自動(dòng)對(duì)接

該多功能床椅一體化系統(tǒng)既可自動(dòng)從護(hù)理床變形為輪椅，又可從輪椅變換回護(hù)理床。在護(hù)理床狀態(tài)時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音控制可以實(shí)現(xiàn)翻身、抬背與曲腿等功能，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 e-BedⅠ部分機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

該床還配備了血壓、脈搏、體溫等生理參數(shù)監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)視頻娛樂(lè)與吃藥提醒系統(tǒng)等，可以與遠(yuǎn)方的子女進(jìn)行視頻情感交流；在輪椅狀態(tài)時(shí)，通過(guò)手柄控制輪椅可以在衛(wèi)生間、室內(nèi)和走廊等空間進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)行大小便自理，也可自動(dòng)尋路對(duì)接回床的功能。

3.設(shè)計(jì)成果

以“模塊化可重構(gòu)”為設(shè)計(jì)理念的床椅一體化多功能護(hù)理床，兼顧了人體工程學(xué)的需求，實(shí)現(xiàn)人性化操作；結(jié)合藝術(shù)美感與工程美感，保證安全性與穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)四代的不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了一定的學(xué)術(shù)研究成果。更重要的是：滿足老年人切實(shí)需求的護(hù)理產(chǎn)品，必將影響未來(lái)老年人生活的模式和概念，引導(dǎo)助老機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展的新潮流。

3.1 系列產(chǎn)品展示

表2 系列產(chǎn)品展示

3.3 適用人群

a)面向臥床的老年人：自理或半自理解決褥瘡翻身、大小便自理、精神孤寂等問(wèn)題。

b)行動(dòng)不便的住院病人：自主控制床椅分離、去衛(wèi)生間大小便自理等。

c)下肢癱瘓的殘疾人：從臥床狀態(tài)轉(zhuǎn)移至移動(dòng)器具，如輪椅上時(shí)，必須有護(hù)理人員的抱起搬動(dòng)，而且轉(zhuǎn)移時(shí)還有跌落的危險(xiǎn)。該系統(tǒng)不需要在人床與椅之間的變動(dòng)，通過(guò)自動(dòng)進(jìn)行床椅轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)大了殘疾人的活動(dòng)范圍，提高其生活自理能力，減輕了護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.4 功能特點(diǎn)

a)具有抬背、曲腿和翻身的多功能護(hù)理床基本功能。

圖4 抬背、曲腿和翻身

b）具有床椅轉(zhuǎn)換、自動(dòng)分離與對(duì)接的功能：可自己操作，在保持安全舒適的姿態(tài)下，變形成床或輪椅，解決了在床和移動(dòng)器具之間自理轉(zhuǎn)移的難題。

c)具備大小便處理功能：在座椅下部設(shè)置電動(dòng)的大小便升降機(jī)構(gòu)，輕松解決臥床人士如廁的問(wèn)題。

d)具有網(wǎng)絡(luò)信息交互的系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)吃藥提醒、遠(yuǎn)程視頻交流以及生理參數(shù)監(jiān)控檢測(cè)功能。

3.5 特色與技術(shù)創(chuàng)新

a)床椅一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)意：

床椅互換，有效解決了臥床人士在床和輪椅之間自理轉(zhuǎn)換的難題；e-Bed A在設(shè)計(jì)中，集成了如廁模塊，解決了老人由于生理機(jī)能退化行動(dòng)困難、如廁不便等問(wèn)題。在原始狀態(tài)下，e-Bed以護(hù)理床的形式存在；當(dāng)需要出行時(shí)，一鍵操作便可實(shí)現(xiàn)床體向電動(dòng)輪椅的轉(zhuǎn)換，并輕松出行；當(dāng)需要如廁時(shí)，同樣是一鍵操作便可實(shí)現(xiàn)。

b)床椅分離與自動(dòng)對(duì)接技術(shù)：

一鍵自動(dòng)分離與對(duì)接，操作簡(jiǎn)單、可靠實(shí)用，臥床老人可駕駛輪椅實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)的夢(mèng)想；當(dāng)需要變?yōu)樽o(hù)理床狀態(tài)時(shí)，也僅需一鍵便可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅與床體的自動(dòng)準(zhǔn)確對(duì)接。經(jīng)過(guò)實(shí)際需求反饋與不斷改進(jìn)，e-Bed以安全可靠的品質(zhì)，切實(shí)滿足了目標(biāo)群體的需求，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出了不同方位的分離后輪椅出行方式，包括側(cè)向出行方式（e-BedⅢ）與橫向出行方式（e-BedⅠ、Ⅲ、A），可分別適應(yīng)縱向空間較廣與橫向空間較廣的環(huán)境要求。

c)語(yǔ)音等多模式人機(jī)交互技術(shù)：

語(yǔ)音控制，實(shí)現(xiàn)宜人化交互操作。e-Bed以床椅互換為平臺(tái)，設(shè)有生活、康復(fù)、醫(yī)療、信息四類(lèi)功能模塊，并細(xì)分出如廁系統(tǒng)、清潔輔助、尿濕報(bào)警、腿部康復(fù)運(yùn)動(dòng)、吃藥提醒、生理參數(shù)檢測(cè)、視頻聊天等功能模塊。通過(guò)添加不同的模塊而形成的動(dòng)態(tài)產(chǎn)品模型，可針對(duì)不同用戶快速配置出滿足其個(gè)性化需求的產(chǎn)品。當(dāng)某個(gè)功能需要升級(jí)或研發(fā)出新的功能時(shí)，用戶僅需對(duì)相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行更新操作，不影響其他功能的使用。

d)技術(shù)與藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的一體化融合：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、符合人機(jī)工學(xué)，人、機(jī)和使用環(huán)境和諧自然。如圖8，四款護(hù)理床在床頭板以及護(hù)欄的設(shè)計(jì)中，考慮到老人行走、坐下以及站起都有可能需要借助其他物品，才能更好保持平穩(wěn)，因此皆有鏤空，以形成符合手扶持的形態(tài)；e-Bed 表面粗糙度也符合防滑的標(biāo)準(zhǔn)，并且手感舒適。e-Bed本著造型友好的理念，多使用以下幾種元素：水平形體和線條（安全、穩(wěn)定感），豎直形體和線條（挺拔感），如圖8 e-BedⅠ、Ⅱ、Ⅲ 床頭板及床邊護(hù)小角度圓角（嚴(yán)謹(jǐn)感），多部位倒角，手感圓滑，并能防止意外發(fā)生，提升安全性；大圓角（柔和、親近感）如圖8 e-Bed A床頭板。

在色彩與材料方面，該床按使用環(huán)境主要設(shè)計(jì)了兩種搭配，一種適用于醫(yī)院的白藍(lán)顏色組合的塑料材質(zhì)，色彩干凈鮮明，材質(zhì)觸感溫和，給人以整潔大方的印象；另一種適用于居家環(huán)境的橙紅色木質(zhì)材料，色彩溫暖宜人，為老人提供溫馨居室環(huán)境。他們的組合兼具簡(jiǎn)潔、大氣的藝術(shù)風(fēng)格，符合老人對(duì)造型典雅簡(jiǎn)潔、安全穩(wěn)定產(chǎn)品特征的喜好。同時(shí)，床頭采用多款造型及色彩設(shè)計(jì)，滿足不同家居環(huán)境下的個(gè)性化需求。

e-Bed從技術(shù)、藝術(shù)、心理等角度對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)性、模塊化設(shè)計(jì)，形成未來(lái)老年生活的新模式和新概念，在縱向上提升，在橫向上拓寬，引導(dǎo)了助老機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展的新潮流！

4.產(chǎn)品應(yīng)用示范

e-Bed有效針對(duì)老年人以及行動(dòng)不便人群的切實(shí)需求，創(chuàng)新性地提出了護(hù)理床與智能輪椅的高效、便捷、可靠轉(zhuǎn)換的理念。其一鍵操作方便了使用者對(duì)e-Bed進(jìn)行控制；電動(dòng)輪椅出行時(shí)，速度適中并可調(diào)，操作靈敏，符合該人群的使用習(xí)慣；具有極大的實(shí)用性和可靠性；有效集成生活、康復(fù)、醫(yī)療以及信息方面的功能，能夠?yàn)槟繕?biāo)人群提供綜合全面的服務(wù)；模塊化組件，用戶能夠個(gè)性化定制，經(jīng)濟(jì)實(shí)際；造型簡(jiǎn)潔友好，且不失典雅時(shí)尚，特別根據(jù)目標(biāo)人群的美學(xué)喜好而設(shè)計(jì)，符合人機(jī)使用習(xí)慣；在材料使用方面，盡可能選擇可降解環(huán)保的家居材料，符合綠色設(shè)計(jì)的要求。

e-Bed各個(gè)功能模塊的定位均基于前期詳盡完備的用戶研究。設(shè)計(jì)者深入敬老院親自照顧老人，并請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的護(hù)理人員參與到設(shè)計(jì)的各個(gè)流程中，設(shè)計(jì)制作完成之后，設(shè)計(jì)師親身體驗(yàn)，并請(qǐng)護(hù)理人員試驗(yàn)指出不足與需要改進(jìn)的地方，使床椅一體化機(jī)器人符合人機(jī)工程原理，有著良好的實(shí)用性和可靠性。經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試之后，方請(qǐng)老人用戶進(jìn)行體驗(yàn)，提出意見(jiàn)。

在應(yīng)用示范過(guò)程中，研究人員也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的不足：如廁模塊口徑較??；半失能老人日常需要一些康復(fù)訓(xùn)練，可以為此類(lèi)老人創(chuàng)造一定自我鍛煉的環(huán)境。這些也是后續(xù)研發(fā)需要著手的地方。

圖9 四季青敬老院應(yīng)用示范

床椅一體化多功能護(hù)理床已處于小批量試制階段，目前已經(jīng)投產(chǎn)10余臺(tái)套，在北京市四季青鎮(zhèn)國(guó)家級(jí)模范敬老院等單位應(yīng)用示范已一年，極大地提高了臥床老人的自理能力，減輕了護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，得到了護(hù)理人員和老人的高度認(rèn)可，并在《英國(guó)衛(wèi)報(bào)》、《科技日?qǐng)?bào)》、《北京青年報(bào)》以及《北京日?qǐng)?bào)》上進(jìn)行了報(bào)道，擴(kuò)到了社會(huì)影響，取得了很好的社會(huì)效益。

5.研究方向展望

經(jīng)過(guò)前期的技術(shù)探索與應(yīng)用示范的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，繼續(xù)研究的方向可在于針對(duì)不同的群體，實(shí)現(xiàn)模塊化、系列化產(chǎn)品。各系列中，主體機(jī)械結(jié)構(gòu)相同，便于批量化生產(chǎn)，各型號(hào)不同的結(jié)構(gòu)可做成模塊化產(chǎn)品組件。其目的是滿足不同人群的功能需求，避免多種功能集中可能導(dǎo)致的功能浪費(fèi)，力求實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)，減輕消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)時(shí)的經(jīng)濟(jì)壓力。

多系列、多規(guī)格的產(chǎn)品，有利于進(jìn)行用戶的細(xì)化，而模塊化的設(shè)計(jì)令e-Bed系列產(chǎn)品可以同中存異，差異之處通過(guò)模塊化的拆卸組件方便地實(shí)現(xiàn)，有利于拓寬用戶群體，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

床椅一體化多功能護(hù)理床最終要實(shí)現(xiàn)的目的是針對(duì)不同人群提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并保證創(chuàng)新性、實(shí)用性、操作簡(jiǎn)便、造型優(yōu)美，引領(lǐng)未來(lái)銀發(fā)生活的高品質(zhì)享受。

[1] 張希敏. 中國(guó)老年人口增長(zhǎng)現(xiàn)高峰空巢失獨(dú)老人增多[EB/OL]. 2013. http://finance.sina.com.cn/china/20130227/142414664013.shtml.

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