基于人機工程的多功能護理床設計

張建國，譚云麗，薛 強

（天津科技大學 機械工程學院，天津 300222）

基于人機工程的多功能護理床設計

張建國，譚云麗，薛 強

（天津科技大學 機械工程學院，天津 300222）

0 引言

目前我國六十歲以上老年人口已經達到了1.53億，老齡化率為11.6%，并且預計2026年將超過3億，我國不僅是老齡人口最多的國家，而且也是老齡化速度最快的國家，老齡化問題已上升到事關國計民生的大事。隨著科學技術進步和生活水平的提高，老年人和殘疾人也越來越受到社會的廣泛關注。

本護理床就是從人性化角度出發，基于人因工程的理念，借助PROE三維實體建模分析軟件來設計的。在設計尺寸和功能上，不但滿足殘障病人和行動不便的老年人的基本生理需要，更注重舒適度和便于醫護人員進行康復護理，因此，不僅具有護理作用，還能促進病人病情的緩和和康復。

1 人機工程設計的任務和要求

臥床的病人，如果身體各個部位不經常活動，不僅會造成肌肉僵硬，關節功能萎縮，并且嚴重的還會影響局部血液流通，引發褥瘡等疾病。因此，該護理床在設計時，首先在機械機構上將人體分為四個模塊：上身，臀部，大腿和小腿，保證身體這四個部位都能單獨活動，具體人體設計尺寸，參考了我國成年人人體主要尺寸標準[1]，又從人體工程學的角度對活動空間范圍進行適當的修正。

設計該護理床適合90%的人群使用，故以第5百分位為下限和第95百分位為上線，取變換系數K=1.645[1]。

四塊躺板不僅滿足病人活動不同部位的需要，以滿足人體日常生活和功能康復以及舒適度的要求。由于人體各部位的尺寸因人而異，而且人體的活動姿勢隨著具體情況的不同而不斷變化，因而利用人體結構和尺度關系，采用標準的人體外形模板，便可以直觀的求出人體相對位置的設計參數。本護理床在躺板活動的角度設計上就借鑒了人體外形模板，以實現各部位活動角度和坐姿功能的實現。GB/T 14779-93標準規定了三種身高等級的成年人坐姿模板的功能設計基本條件、功能尺寸，是對人機系統進行考察研究、分析評價、試驗設計不可缺少的重要輔助手段。目前，人體坐姿模板在轎車駕駛室的設計上應用比較成熟，該護理床通過對人體模板要求進行簡化如圖1所示，選擇設計需要的尺寸角度進而指導設計。

圖1 坐姿實現角度

2 機構設計

康復床的躺板由四塊組成，以滿足機構設計要求的四個模塊：背部抬升，大腿抬升，小腿抬升和坐姿功能的實現。前三個模塊分別由四個電機推動，可單獨作用，也可以協調運動完成人體坐姿不同角度的需要。床體還能整體上升和整體傾斜，該功能由兩個電機控制實現，可以調整床體的高度，設計流程圖如2所示。

圖2 設計流程圖

2.1 整體上升機構設計

圖3 整體上升結構簡圖

此機構自由度計算：F=3n-(2p1+ph)=3×8-(2×11+0)=2，電機推桿AB和MN同時伸出，床體整體上升，其中一個電機推桿不動，另一個單獨伸出時，床體整體傾斜。

圖4 上升結構分析圖

若此時電推桿NM也由L推出至L'，整個床體上升高度H=|E1E| ，若此時電推桿NM保持原長L，則床體整體傾斜，傾斜角度為

2.2 抬腿機構設計

抬腿機構簡圖如圖5所示。

圖5 抬腿機構簡圖

驗證當推桿HI伸出，使得＜HGI旋轉設計要求角度γ時，HI的伸長量是否在電推桿推程（L）范圍內：GI旋轉角度γ，I點運動至I1點，

若S＞L，則根據L及求得的KG、GI及＜KGI，反求KI及其與GK的夾角，并進行強度校核，直至達到設計要求。

3 ProE三維模型建立及仿真分析

選材后，在proe環境下進行三維模型的建構和裝配。進行運動分析和仿真，直觀顯示機構中各部件的運行情況，并對機構進行速度和加速度分析。并將運動分析的結果通過動畫的形式表現出來，從而可以清晰的看到兩件之間是否存在干涉情況，零件的運動是否達到預期的結果。根據仿真的結果再對零件進行修正，直到符合設計要求。以背部抬升機構為例說明模擬過程，對裝配好的機構首先進行運動學仿真如圖6、圖7所示，查看各機構之間運動是否有干涉情況，運動軌跡是否滿足設計需要。

根據電機運速度設定模擬電機的速度為5mm/s，運行28s，行程為140mm，設計電機達到抬背角度行程是146mm，與設計相差4%，所以設計在合適誤差范圍內，并且速度和加速度變化均勻，沒有明顯峰值和跳動，機構間沒有干涉，設計滿足要求。

4 結束語

該康復床從人機工程的角度進行設計，體現了人性化的設計理念，在模塊化方面正在進一步改進，努力實現個性化設計要求，使背部躺板可以根據人體不同尺寸要求任意拆卸，根據客戶的個性化選擇進行調試。在功能上，智能化康復床仍然有很大的改進空間，比如，增加輔助康復的娛樂模塊和人體檢測模塊，實現更加智能化和人性化，進一步輔助康復治療，有利于病人的身心健康。

參考資料：

[1]何燦群.產品設計人機工程學[M].北京:化學工業出版社,2004.

[2]毛友新.機械設計基礎[M].武漢:華中科技大學出版社,2007.

[3]丁玉蘭.人因工程學[M].上海:上海交通大學出版社,2004.

[4]老虎工作室.Pro/ENGINEER Wildfire 中文版高級應用[M].北京:人民郵電大學出版社,2007.

[5]姜生元.智能化多功能功能電動康復床的研制[J].機械設計,2008,5(5):61-62.

[6]侯春林.褥瘡治療和預防[M].上海:上海科學技術出版社1997.

The development of a multifunctional nursing bed based on humanized design

ZHANG Jian-guo, TAN Yun-li, XUE Qiang

人性化設計是現代設計的一個重要理念，它強調在設計產品時從人體工學、生態學、美學等角度達到完美，體現了科技以人為本的思想。該護理床的設計正是基于這種理念，它不僅能夠實現抬背、抬大腿，曲小腿和調整坐姿的功能，并將設計通過Pro/E三維實體建模軟件進行模擬和仿真分析，進一步指導和驗證設計的合理性。

人機工程；護理床；防褥瘡

張建國（1955－）男，天津人，教授，研究方向為現代設計理論及機械CAD研究。

TP242.3

A

1009-0134(2010)06-0088-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.30

2009-08-29

科技部項目：殘障人生活保障輔具研究（2006BAI22B05）