多功能护理床的机构设计和运动分析

第32卷第1期2017年2月青岛大学学报（工程技术版）JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T)Vol.32No.1Feb.2017文章编号：1006-9798(2017)01-0108-04;DOI:10.13306/j.1006-9798.2017.01.021多功能护理床的机构设计和运动分析任久帅，王继荣，李军，苏明顺，牛山(青岛大学机电工程学院，山东青岛266071)摘要：针对生活不能自理的病人的特殊需要，本文根据护理床能够完成的动作，对多功能护理床进行了总体结构设计。设计了具有抬背、翻身、落腿以及排泄功能的4个机构，并对所有运动机构进行了运动学分析，同时采用Pro/e的运动仿真模块对护理床进行了运动仿真。仿真结果表明，该护理床各机构在运动过程中，速度和加速度的变化都比较平缓，且冲击力较小，符合设计要求。该护理床不但能帮助缺乏自理能力的患者实现翻身、抬背、屈膝动作及患者床上大小便功能，而且还解决了护理人员在照顾病人过程中的诸多不便，减小了护理人员的劳动强度。该设计更好地满足了特殊人群的需要，解决了长期以来普遍存在的病人护理难等多方面的问题，具有一定的现实意义。关键词：多功能护理床；运动学分析；机构设计；四杆机构；急回特性中图分类号：TH162+.0;TH122文献标识码：A目前，人口老龄化问题已成为世界各国都必须面对的问题。在高度发达的欧美国家中，人口老龄化问题更加严重，对于老年人及残障人士的护理也成为影响各个国家社会生活质量的重要问题，作为社会中的功能障碍群体，老年人同残疾人士一样，受到越来越多的社会关注，因此，护理行业的升级空间巨大[h]。在发达国家率先研制出多功能护理床之后，各个发展中国家也相继开发出来一系列的手动型、电动型护理床以满足社会需求[3]。近年来，我国多家本地企业已经具有生产简单的护理床的能力，但由于研发能力有限，技术不高，只能靠引进国外先进设备之后进行纯粹的模仿，生产出来的设备简单、粗糙，控制方式单一，已经无法满足用户对护理床的使用需求[4]。因此，本文根据当前国内外护理床的研究发展状况和中国国情[5]，考虑病人的实际需要，兼顾了基础型护理床的价格优势和高级型护理床的多项功能，对一款多功能护理床[6进行机构设计，分析了护理床的机构及功能要求，使护理床在满足病人完成抬背、落腿等基本动作的前提下，主要对护理床的翻身部分进行设计，并对护理床各部分机构进行力学分析。该研究可以帮助病人实现抬背、落腿、翻身和排泄功能，满足了特殊人群的需要。1多功能护理床功能要求电动型多功能护理床主要有抬背功能、落腿功能、翻身功能和排泄功能[8]。这4个功能的机构要求如下：1)抬背功能，帮助病人实现抬背，角度范围是〇°〜80°。2)落腿功能，使病人小腿部能够处于所需的舒适位置，角度范围是0°〜40°。3)翻身功能，帮助病人实现左右翻身，角度范围是〇°〜60°。4)排泄功能，对于失去排泄知觉或移动不便不能下床的病人，可以直接在护理床上排泄。机构可以实现便盆直线移动，可以拿下便盆进行清洗。24种运动机构的设计2.1翻身机构的结构设计护理床可以进行翻身运动，左翻身时，左侧电磁铁通电，通过支撑杆连接左翻身身板与三角形构件；右翻身时，右侧电磁铁通电，通过支撑杆连接右翻身身板与三角形构件。1)电缸1为翻身电缸，作为实现翻身运动的动力源，根据两个极限位置设计出翻身机构。护理床右翻身机收稿日期：2016-09-11;修回日期：2016-12-07作者简介：任久帅（1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为机械CAD。通讯作者：王继荣，女，博士，教授，主要研究方向为机械CAD。Email:[e-mail]第1期任久帅，等：多功能护理床的机构设计和运动分析109构运动筒圈如图.1所示^由图r可..以看出:，当电缸1处于位餐,i时，位于平衡位董，护理床_的上身床板水平，此时电.缸的总长.度A=415mm19电缸收缩时，眉过餐链使骂顯形构件逆时针旋转，三角形构件的右侧上:升，其上面的连杆上猶上身板的右翻身身板，右翻身身板通过与上身板相连的铰链逆时针旋转*当电缸1收缩到极限，达到位置2时，右翻身身板也达到极限位置，翻转80°，此时电缸1的总长度:I^=36__Q:因此电缸1的单侧行程L/一定要大乎等于两位置的电缸总长度距离差，即“In—Lz=552)当护理床做左翻身运动时，左翻身的机构运动筒:圈如.图_2所示由图■2可以看出，运动原理跟右翻身时相同，因此，电缸1的另一侧行程55mm，所以电缸1的总行程1^=L/+110mm。因为弩电缸i处乎初始位羞时s左右翻身的受力是对称的，所以只分析一侧即可，考虑到实际情况会有摩擦等因素，因此选取电缸时将负载加大，此时摩擦可忽略不计„当电缸运行翻身动作的瞬间，受力最大，假设病人质肇为1,50kg.上半身总质暈占全身的30K，即150XS0:K=45kg,电缸1_襄難起病人一侧的上身，质羹为45/2=2_2.Skg,加上翻身板的魇量大约为施kg屬承受总质量为22._§+l&==3_2.Skg+不考虑全:部.摩.擦时;i:由杠杆原理受力平衡可知.其受力为ngH—mgIsin60°—418.5X215Xsin60°图1右翻身机构运动筒图图2左翻身机构运动筒图F1201197N整个机构为一个乎面连杆机构，在运动过程中，左右翻身板面速度处于43〜108mia/:s之间，加速度处〒1部〜部mm/s2之间，速度和加遵度变化都比较平缓，冲击力较小，符合要求*2.2抬背运动机构的结构设计电缸2为抬背推出电缸，根据两个极限位置设计了抬背推出机构。抬背机构运动简W如图__.3所示〇电缸2作为_抬背运动的动力源，_.起始位：釐1的位置关系可以计算出电缸在位置1时的总长度“=589mm,寿运行抬背动作財，电:缸伸长》带动上身板绕铰链旋转〗_电缸.运动到位置2时5上身板上翻到极限位置，角度为80°，此时通过位置2各部件的尺寸和安装关系可以得舟电fe：在德:費？时的总长度L2=1_00〇..mm。：因此，电缸2的运动行程—定要大f等宁两位璧的电缸总长度距离差，即1^=411rom。考虑到实际情况存在摩擦等因素，因此选取电缸时将负载加大，此时摩擦可以忽略不计。当电缸运行抬背运动的瞬间，此时受力最大，假设病人爾量为15Dkg,其北半身总质量:占全身的撒％，电缸2需要撑遐的病人部分体罵1S:_0X,ffllK；=75kg，_加上上渾身床板的质:量:大约为20kg，初始状态时，电缸与垂直地面的夹角为7°，因此电缸的最小推力为F：95X9.cos7°937.8N整个机构为一个简单的摇杆机构，在运动过程中，速度平缓增加，介于27.8〜44mm./s之间，加速度平缓增加，介f.2〜6.5mm./s2之间符脅要求。.2.3便盆运动机构的结构设计电缸1为便盆运动电缸，根据两个极限位置设计出便盆运动机构。便盆机构运动简图如图4所示。1xo青岛大学学报（工程技术版）第■卷电缸3作为便盆伸缩机构的动力源，由起始位置1的位髮关系可以计算出电缸在位亶1时的总长度L:=637mm,当电缸运动到位董2时，通过位董2各部件的尺寸和安装关系可以得出电缸在位.置2时的总长度L2=327mm，因此，电缸3的行程定要大于等于两位置的电缸总长度距离差;Blfgjp-Ji—Li=.31.0mm。便盆运动电缸1的作用是来推动便盆水平运动和中部板的旋转，因此承受的力主要来自各个旋转副之间的摩擦和下部轴承和导轨之间的摩擦力■，取钢材_興摩擦系数户=〇.3，总质fim=_2〇_kg，所.以电粗:最小推:力'为Ff=pang=0,3X20X9.6=58.8M图4_便盆机构运动简图该机构为一个简单的摇杆机构，在整个运动过程中，中部板面心速度处子22.S〜63mm/s之间，加速度处予■4~_9_1mm/ss之间.，符合要求2.4落腿机构的结构设计电缸2为落腿电缸，落腿运动的机构运动筒圈.如图S所示。电叙2作胃为落腿运动的动力源，由起始位置1的位置关系可以计算出电缸在位置1时的总长度In=«6mm，此时通过位置2各部件的尺寸和安装尺寸关系1C以得称电缸在位蠻2时的总长度込=M0mm，靡此，电缸4的行程‘一定要大手等乎两位置的电缸总长度距离差，即1^=224mm。考虑到实际情况时，会有摩擦等因素，因此选取电缸时将负载加大，此时摩擦就可以忽略不计当电缸运行屈膝动作@1程的瞬间，此时受力最大，假设病人质量为150kg,其上半身总质量占全身的3(}艽，电缸2需要撑起的病人部分朦量1W_:Z3〇%=__45kg,加上下身床板的质纛大约为£Qkg，初始状态时，.朽“=F2L3电缸.塞痕地面向的推力:朽=203_:惠由__电缸与地商的夹角1T以_推#电缸的最小推力为F^F,cos40°203cos40°255N该机构为一个简单摇杆机构，在整:个运动过提中，逮度处乎2良1〜3:1mm/s之间，加速度处—II.〜3,1mm/s2之间，速度和加速度都比较平缓，冲击力比较小，符合要求。3结束语基于原多功能护理床，本文对多功能护理床进行了总体的结构设计,并采用.具有断电自锁功能的电缸，能够安全稳定的帮助病人实现翻身、抬背、屈膝动作以及患者床上大小便功能，减轻护理人员的劳动强度，更好的照顾病人。多功能护理床作为一种新型的医疗康复设备，发展越来越迅速，将会逐步代替人力，将会越来越引起人们的重视，对医疗康复方面所作出的贡献也将会随着科技的不断发展而更加巨大，研究电动型多功能护理床对整个医疗行业甚至整个社会都有着十分重要的意义。电动型多功能护理床的功能将随着人;c智能、计算机技术、嵌人式控制和传感器技术的发展变得更为完善、丰富，也能更好的为老年人和残障人i服务。参考文献:PJ汪:婵.多功能电.动护理床'控制系统研制_155.制造业言动化_,3〇〇m(6)t70-[2]韦娜.墻蠢病人_复_护遒多功錐病床_的研MM.南_,南:暮大学，継a[3]刘價積.多功能护理床的结构设计与方学分析[_.北家:：中嵐地质大学s201:1.[43郑r琴*_费.ftfesu翁，卖甩护理床猶研制及临床ftBDr]._裏.龙»99;t5(:ps韵-切，[5]MickeyWhite,TonyAdamo，SylvainLigonde.CorrelationbetweenExperimentalApproachandCAEADAMSRigidBodyModeling[C]//NorthAmericanADAMSUsersConference.HealthPolicyAmerica：ADAMS,2001.[6]SeoKap-Ho.UnifiedFrameworkforObjectTrackingandRecognitionBasedonCondensationPrincipalComponentAnalysisinaStructuredEnvironment[D].Daejeon：KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology,2009.[7]MascaroS,SpanoJ,AsadaHH.AReconfigurableHolonomicOmnidirectionalMobileBedwithUnifiedSeating(RHOM­BUS)forBedriddenPatients[J].IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,1997,2(2)：1277-1282.[8]姚银花，王金海，郑羽，等.基于SoC单片机的医疗护理床系统设计[J].天津工业大学学报，2006,25(4):44-47.第1期任久帅，等：多功能护理床的机构设计和运动分析111[9]张朝晖.ANSYS结构分析工程应用实例解析[M].3版.北京：机械工业出版社，2011.[10]张建国，张渤海，薛强.新型护理床的起身机构设计与运动仿真[J].机械设计与制造，2009(9):19-20.[11]刘宇，赵京，李谦.多功能护理翻身床的设计[J]