周浩東，肖 桐，陳有廣，任樹娟，褚亞旭*，呂金賀，李洪洲

(1.北華大學 機械工程學院 ，吉林 吉林 132021； 2.中國第一汽車股份有限公司 質量保證部 ，吉林 長春 130011)

隨著醫(yī)療水平的發(fā)展，世界人均壽命有著顯著的提升，這使得人口老齡化成為世界各國都必須面對的問題[1-2].多功能護理床作為一種醫(yī)療器械，被廣泛應用于醫(yī)院、養(yǎng)老院以及家庭中.護理床行業(yè)發(fā)源于歐美發(fā)達國家，而我國護理床行業(yè)起步較晚，缺乏護理床的核心技術研究，大多數(shù)廠家只對國外護理床進行純粹的模仿和生產(chǎn)，缺乏創(chuàng)新性[3-4].

多功能護理床的核心技術由美國、德國、日本等發(fā)達國家掌握[5].美國德州大學拉斯分校Manohar等在現(xiàn)有護理床結構的基礎上，在床褥下安裝壓力傳感器，用于檢測臥床患者的體位狀況，當患者保持一個體位較長時間時，護理床會自動調整患者的體位.日本松下公司也對現(xiàn)有護理床進行了改進，加入了語音識別技術，豐富了患者與護理床的交互方式[6].國內研制的多功能護理床，相較于國外產(chǎn)品，有一定的差距，但差距正在逐漸減少.晉新敏等人研發(fā)設計了一款老年人家用護理床，能夠幫助老人實現(xiàn)坐起、屈膝、看書、吃飯的功能，并且能夠轉變成輪椅狀態(tài)，減輕看護人員的負擔[7].武漢大學人民醫(yī)院的胡小林設計了一款通過3組麥克風信號的識別來實現(xiàn)語音控制，通過單片機來驅動電動推桿實現(xiàn)一系列操作[8].但我國現(xiàn)有護理床的多功能集成還是不夠全面.

綜上，設計了一種新型多功能護理床，可以為老人和病人提供起背、潔便和救治的功能，并且該護理床具有快速折疊和快速運輸?shù)墓δ埽谖词褂脮r能夠增加空間利用率，并且能夠應用于突發(fā)事件暴發(fā)的救治中.運用SolidWorks進行三維建模，并將模型導入ANSYS Workbench中進行力學仿真分析，從而證明該模型設計的合理性和可行性，為后續(xù)的研究做準備.

1 整體結構設計

此護理床具有折疊、起背、潔便和救治的功能，整體結構主要分為折疊機構、潔便機構和起背機構.護理床整體結構如圖1所示，采用二折病床的床體形式，分別為起背板和床板.根據(jù)國家病床標準YY0003-90，設計病床基本尺寸數(shù)據(jù)，如表1所示.

1.1 起背機構設計

起背機構示意圖如圖2所示，包括自鎖型氣彈簧和起背板.為了減少床體折疊后的空間大小，盡可能地縮減垂直地面方向上的距離.為了確保氣彈簧氣缸內的油膜效果，將氣彈簧的汽缸處連接件與背板基座相連，推桿處連接件與床體基座相連.護理人員可通過操作把手來實現(xiàn)氣彈簧推桿的推出，從而達到起背的目的.把手設置在起背板底部的兩側，護理人員在兩邊都能進行起背操作，相對減少了護理人員的負擔.

1.1.1 起背機構力矩分析

對起背機構進行受力分析，將背部的重量看作為人體重量的45%，初設背部的重量F1為360 N.如圖2可知，背部重量所產(chǎn)生的力矩：

T1=F1×L1=360×372.5=134 100 N·mm=134.1 N·m .

(1)

護理人員會在起背過程中協(xié)同氣彈簧推動起背板，來達到輕松起背的目的.護理人員多為女生，因此初設護理人員所能夠提供的抬起力為80 N.

護理人員所能提供的力矩為:

T2=F2×L3=80×745=59 600 N·mm

=59.6 N·m ，

(2)

可得氣彈簧所需要提供的力矩為:

T3=T1-T2=134.1-59.6=74.5 N·m ，

(3)

可知氣彈簧的力臂L2=64.78 mm.

可得氣彈簧推出力:

(4)

氣彈簧的推出力所需1 200 N，為考慮氣彈簧廠家的規(guī)格和制作要求，所以使用兩個氣彈簧，每個氣彈簧注入600 N的拉伸力.

除了起背所需要力矩，還需考慮氣彈簧推出桿的行程，否則達不到國家病床的起背標準.根據(jù)起背后氣彈簧的打開長度S2，減去氣彈簧起背前的長度S1，就是所需氣彈簧的行程S.如下圖3所示.

1.1.2 起背機構運動分析

如圖4起背機構運動簡圖可得，a=77.78 mm，r=328 mm，S2=S1+S=278.5+S，β2=135°.研究主要參數(shù)為起背板的起背角度β3和角速度ω3.

三角形OAO′的封閉矢量方程為：

LO′A=LO′O+LOA，

(5)

其復數(shù)矢量形式為：

LO′Aeiβ3=LO′Oei(180°+β2)+LOAeiβ1，

(6)

運用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將式(6)的實部和虛部分離，可得：

LO′Acosβ3=LO′Ocos(180°+β2)+LOAcosβ1,

LO′Asinβ3=LO′Osin(180°+β2)+LOAsinβ1,

即：

LO′Acosβ3=-LO′Ocosβ2+LOAcosβ1，

(7)

LO′Asinβ3=-LO′Osinβ2+LOAsinβ1，

(8)

將式(7)、(8)中含有β1的一項移到一邊，兩邊分別平方，然后兩式相加，可得：

(9)

將式(9)簡化，可得：

(10)

同理，可得：

(11)

將已知數(shù)據(jù)代入式(10)，即可得出起背角度β3與S的函數(shù)關系式.

(12)

由于氣彈簧的行程為90 mm，代入可得，起背角度β3為70°.對此，再基于患者能接受的起背時間，對起背角速度進行分析，通過角速度曲線的平滑度，來判斷患者的舒適程度.

進行速度分析，將式(6)對時間t求導可得：

(13)

將式(13)中的實部和虛部分離，得到：

(14)

(15)

將式(14)、(15)兩式的左右兩端分別平方，并左右相加得：

(16)

根據(jù)式(16)簡化可得：

(17)

ω3為起背板的角速度，將已知數(shù)據(jù)代入式(17)，得到ω3的變化情況，來判斷起背板的角速度是否有突變情況.

1.2 床腿折疊機構設計

床腿折疊機構包括旋轉桿、支撐桿和床腿.如圖5所示.當護理床需要使用的時候，護理人員握住床腿使其旋轉展開，并將旋轉桿架在床體下，支撐桿也能在床體和床腿之間撐起.當需要運輸或者不使用時，只要將床腿向內折疊，并將床腿扣緊在床腿鎖緊扣上，防止床腿在搬運過程中自行下落，從而傷到搬運人員.床腿折疊機構的設計是為了符合護理床緊急救治的要求，能夠快速折疊進行運輸，并且到達目的地后快速展開，對病人或者老人進行護理救治.為了擴大救治的空間，在前床腿上附加了床欄插拔機構，護理人員只要將插銷拔出，就能拿下前床欄，從而更方便地對病人或者老人進行救治.

對于床腿折疊機構的設計，需要確定旋轉桿和支撐桿的旋轉點，如圖6所示.通過已知展開后旋轉桿MI和床腿IH的位置數(shù)據(jù)，再考慮床腿折疊后需要達到水平位置以及要留給床下氣彈簧的所需空間，來確定折疊后旋轉桿NI′和床腿H′I′的位置.通過以H和H′為圓心畫圓來確定垂直于H′H的中垂線PQ，支撐桿的旋轉點必須在中垂線PQ上，為了工藝方便，旋轉點N和M在同一水平線上，從而確定了兩個旋轉點的位置.

1.3 潔便機構設計

潔便機構包括補墊機構、連接桿、絲杠絲母和手柄.手柄作為輸入，通過絲杠絲母傳動，將動力傳遞到與絲母相連的連接桿上，通過連接桿使補墊機構旋轉，補上床面上便口.潔便機構示意圖如圖7所示.

為了減少護理人員轉動手柄的次數(shù)以及防止患者的重量使絲杠絲母自行旋轉，在設計絲杠時需要進行自鎖條件的計算.螺紋自鎖條件為螺紋升角小于當量摩擦角.

λ

(18)

λ=arctan (S∕πd)，

(19)

fv=f∕cosβ，

(20)

式中：λ為螺紋升角；fv為當量摩擦角；f為摩擦系數(shù)；S為螺紋導程；d為螺紋中徑；π為圓周率；β為牙型斜角.

將式(19)和式(20)代入式(18)可得：

arctan(S∕πd)

查得鋼對鋼的摩擦系數(shù)為0.11～0.17.取摩擦系數(shù)為0.11,

可得:

絲杠使用的是單線螺紋，導程S等于螺距P，為了減少手柄的轉動次數(shù)，選擇P=S=6 mm.

2 運動學仿真

2.1 起背機構運動學仿真

利用Ansys Workbench建立Rigid Dynamics模塊，并將護理床中簡化好的起背機構三維模型導入其中，將系統(tǒng)默認的接觸都刪除，利用連接副來代替接觸.先將床體和軸承座用固定副固定，并將起背板的旋轉軸以及氣彈簧的連接件賦予旋轉副，再賦予氣彈簧氣缸和伸出桿的位移副.將連接副賦予完畢后，劃分網(wǎng)格，添加氣彈簧位移副的速度，數(shù)值為10 mm·s-1.進行剛體動力學仿真，得到起背板的起背角度和起背角速度，從而驗證護理床起背機構的可行性.

簡化的起背機構示意圖如圖8所示.

起背機構運動學仿真結果如圖9所示.得到角度和角速度與氣彈簧推桿位移的關系，起背板的最大旋轉角度為70°，滿足設計要求.并且角速度曲線平滑，沒有速度突變，最大角速度為9.2°·s-1，根據(jù)醫(yī)院實際調研，角速度處于0～10°·s-1，不會讓患者感覺到不舒服，驗證了起背機構設計的可行性.

2.2 潔便機構運動學仿真

通過Rigid Dynamics模塊，將護理床中簡化好的潔便機構三維模型導入其中，將系統(tǒng)默認的接觸都刪除，利用連接副來代替接觸.將該添加的旋轉副和固定副都賦予上，再添加絲杠絲母所需要的Screw連接副，輸入Pitch的值為6 mm，并調整局部坐標系.最后添加位移輸入，調整時間步，求解得出所需要的數(shù)據(jù)，從而驗證潔便機構的可行性.

簡化的潔便機構示意圖如圖10所示.

潔便機構運動學仿真結果如圖11所示.得到便盆旋轉角度與絲母位移的關系，便盆所能打開的角度為0°～90°.角度變化平緩，沒有明顯的突變，說明便盆運動平穩(wěn)，滿足設計要求.

3 靜力學仿真

根據(jù)國家病床標準YY0003-90，對病床進行靜力學分析，將建立好的三維模型導入到ANSYS Workbench中，對所需要分析的部分進行網(wǎng)格劃分，添加約束，施加外部載荷[9].

根據(jù)國家標準，需對床面3個長1 000 mm、寬500 mm的范圍內施加240 kg的重物.根據(jù)實際情況，簡化床體，固定4個床體U型板，添加運動副，劃分網(wǎng)格，并在床體中心位置施加4 800 N·m-2的壓力，即0.004 8 MPa，得到分析結構.如圖12為床板受力位置圖.

床板仿真位移結果圖和床板仿真應力結果圖如圖13、14所示.床板最大位移為0.097 mm，變化量較小，符合設計要求.床板所受的最大應力為11.923 MPa，應力遠遠小于其材料的屈服極限.結果說明了床板結構的合理性，不需對其結構進行強化.其中床板應力較大位置處于起背板中下部分和下身板的中間部分.

4 結 論

本文提出一種新型多功能護理床，針對突發(fā)傳染病患者所具有的地點、時間不確定性和病情緊急性，對其結構進行針對性設計，主要包括起背機構、床體折疊機構和潔便機構.動力采用自鎖型氣彈簧，可根據(jù)患者所需的位姿進行調節(jié).通過將模型導入到ANSYS Workbench中，進行運動學和靜力學分析，來確定設計方案中各個機構的合理性和穩(wěn)定性，驗證了此方案的正確性，為后續(xù)的研究打下基礎.