多功能電動(dòng)護(hù)理床的研制

辛紹杰，張歡歡，馬西沛

(上海電動(dòng)機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 200245)

多功能電動(dòng)護(hù)理床的研制

辛紹杰，張歡歡，馬西沛

(上海電動(dòng)機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 200245)

基于人體工學(xué)原理和現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論，采用機(jī)器人化的多自由度結(jié)構(gòu)、多軸協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)多功能電動(dòng)護(hù)理床。床面采用多折床面結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)按鍵控制完成平躺、抬背、坐起、屈或伸腿等基本動(dòng)作，并具有翻身、輔助解便與多軸同步等功能。應(yīng)用仿真分析技術(shù)，優(yōu)化了多功能護(hù)理床的機(jī)構(gòu)，使床的結(jié)構(gòu)符合人體工學(xué)原理。設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的控制器控制各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)滿足使用者的功能要求。完成了多功能護(hù)理床樣機(jī)的研制。

多功能護(hù)理床; 機(jī)構(gòu)優(yōu)化; 控制系統(tǒng)

機(jī)器人是繼個(gè)人電腦之后的一個(gè)熱門領(lǐng)域，其快速發(fā)展必將徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?。面?duì)智能服務(wù)機(jī)器人的巨大商機(jī)，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛出臺(tái)相應(yīng)的研究和發(fā)展計(jì)劃。日本、美國(guó)和歐盟各國(guó)政府都加大了智能服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)投入，韓國(guó)也在大力推動(dòng)家家都有機(jī)器人的計(jì)劃。日本機(jī)械工程研究所(MEL)研制的護(hù)理機(jī)器人MELKONG、德國(guó)的Care-O-bot Ⅱ護(hù)理機(jī)器人、韓國(guó)的KARES Ⅱ護(hù)理機(jī)器人等在機(jī)器人的一些關(guān)鍵技術(shù)上面取得了重大進(jìn)展。如機(jī)器人的?？俊⑿凶?、抓取、液壓執(zhí)行器、能源供給及人機(jī)界面；硬件和機(jī)構(gòu)的模塊化、軟件庫(kù)的可擴(kuò)展性、交互式任務(wù)規(guī)劃器、面向復(fù)雜操作的環(huán)境感知系統(tǒng)等方面。這些機(jī)器人主要完成一般的家政服務(wù)、行走輔助-通信與社會(huì)交流輔助等任務(wù)。在國(guó)內(nèi)，服務(wù)機(jī)器人研究主要集中在各單項(xiàng)技術(shù)和單項(xiàng)功能方面。多功能護(hù)理床是針對(duì)長(zhǎng)期臥床不起的老年人和病人的特殊需要而設(shè)計(jì)的，通過(guò)手控器能自主調(diào)節(jié)人在床上的體位的機(jī)電一體化產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)諸多單位和企業(yè)進(jìn)行了研究，也取得了一些成果[1-14]。目前，我國(guó)人口已經(jīng)逐漸進(jìn)入老齡化，且我國(guó)的殘疾人以及病人的比重也較高；因此，未來(lái)我國(guó)家庭對(duì)助老助殘、照顧病人的服務(wù)機(jī)器人的需求存在巨大的潛在市場(chǎng)。

常見(jiàn)的護(hù)理床通常采用連桿機(jī)構(gòu)的連架桿作為主動(dòng)件來(lái)完成抬背、側(cè)翻、屈腿等動(dòng)作。但是根據(jù)人體工學(xué)，在通過(guò)連架桿來(lái)完成以上動(dòng)作的時(shí)候，通常會(huì)由于人的轉(zhuǎn)動(dòng)中心和機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心不一致，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人的背部有擠壓或拉拖的感覺(jué)。本文根據(jù)《人體工程學(xué)圖解》所提供的我國(guó)成年男性的身體各部位尺寸和現(xiàn)有護(hù)理床產(chǎn)品尺寸，確定連桿機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)尺寸。通過(guò)在轉(zhuǎn)動(dòng)中心附近設(shè)置柔性床板，依靠人體自身重力，使柔性床板貼近人身體，增大整體接觸面積，避免在背部升起時(shí)的體位移動(dòng)，利用連桿機(jī)構(gòu)的連桿來(lái)驅(qū)動(dòng)面板，以真實(shí)反映人的運(yùn)動(dòng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

護(hù)理床的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。床框架除了固定的機(jī)械機(jī)構(gòu)以外，還包括各個(gè)電動(dòng)機(jī)安裝模塊、輔助解便系統(tǒng)接口等模塊。其中，機(jī)械機(jī)構(gòu)包括：側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)、屈腿機(jī)構(gòu)、臀部坐板開(kāi)合機(jī)構(gòu)。床板由床板框架和床面板組成。整臺(tái)護(hù)理床有7臺(tái)電動(dòng)推桿，分別完成前部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻、臀部中部開(kāi)合和馬桶移動(dòng)等動(dòng)作。

圖1 多功能護(hù)理床框圖Fig.1 Block diagram of multifunction nursing bed

1.1護(hù)理床的工作環(huán)境

護(hù)理床主要用于病房和家庭居室，考慮到上述環(huán)境對(duì)噪聲的限制，故電動(dòng)機(jī)類型及型號(hào)的選取應(yīng)滿足工作噪聲低于20dB，并且在床體上附加一些必要的減震降音材料。

1.2護(hù)理床的位姿要求

護(hù)理床應(yīng)有利于被護(hù)理人康復(fù)、生活自理所需的各種必要的體位、位姿。為了防止褥瘡等一系列由于長(zhǎng)時(shí)間臥床造成血流不暢所引起的并發(fā)癥，護(hù)理床應(yīng)實(shí)現(xiàn)床面的左右側(cè)翻身。對(duì)于危重、高度癱瘓等生活上不能自理的病人，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮病人在床上可以坐姿或是臥姿排便。

1.3構(gòu)思的提出

為了實(shí)現(xiàn)床面某一個(gè)特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)一套特定的機(jī)構(gòu)與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來(lái)越多時(shí)，所需機(jī)構(gòu)數(shù)目也隨之增加，造成護(hù)理床體積增大。而床體的總體積是有一定限制的，即床體的長(zhǎng)、寬、高尺寸必須符合有關(guān)護(hù)理床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這樣才能夠滿足病人的舒適感要求和空間限制要求。多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運(yùn)動(dòng)，人體的運(yùn)動(dòng)具有極大的柔性。受此啟發(fā)將護(hù)理床的床面進(jìn)一步加以細(xì)分，成為彼此之間相互獨(dú)立的8個(gè)面板，如圖2所示。通過(guò)各個(gè)床面板之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)護(hù)理床所需的各種體位、位姿。

1.4相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn)

為了滿足患者在使用護(hù)理床時(shí)的舒適程度以及有效地減緩護(hù)理人員護(hù)理強(qiáng)度的要求。護(hù)理床結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求。

(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)護(hù)理所需的各種體位、位姿要求。

(2) 各個(gè)活動(dòng)床面板的擺動(dòng)角度范圍應(yīng)參照有關(guān)醫(yī)療護(hù)理要求和人體的舒適感要求，各床面板擺動(dòng)角度及標(biāo)準(zhǔn)如下。① 背板擺動(dòng)角度：0°～75°；② 左/右翻身板擺動(dòng)角度：0°～75°；③ 左/右臀部板擺動(dòng)角度：0°～75°；④ 左/右臀部板前后擺動(dòng)角度：0°～-5°；⑤大腿板擺動(dòng)角度：0°～-35°。

圖2 多功能醫(yī)用護(hù)理床床面板圖Fig.2 Bed panel of multifunction nursing bed

(3) 護(hù)理床床體的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要符合醫(yī)護(hù)要求。

(4) 床體的結(jié)構(gòu)尺寸有一定的空間范圍限制。

(5) 要考慮護(hù)理床在房間內(nèi)移動(dòng)的簡(jiǎn)易性以及護(hù)理床醫(yī)護(hù)輔助裝置(如吊液架、書飯桌)在護(hù)理床上的可安裝性。

1.5電源及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)形式

考慮護(hù)理床使用的安全性，采用24V直流電，為護(hù)理床的電路控制系統(tǒng)、電動(dòng)推桿以及其他相關(guān)部分提供驅(qū)動(dòng)電源。選用的電動(dòng)推桿的最大推力為6kN，最大拉力為4kN，工作速度為5.5mm/s。

1.6護(hù)理床控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由微控制器、各電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、各執(zhí)行電動(dòng)機(jī)等部分組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。按鍵操作器分為兩個(gè)功能模塊，一個(gè)為操作護(hù)理床所用，另一個(gè)為操作輔助解便系統(tǒng)所用。護(hù)理床的操作器上共有12個(gè)按鍵，分別完成相關(guān)動(dòng)作。通過(guò)兩個(gè)操作器完成護(hù)理床的全部動(dòng)作，方便護(hù)理人員和病人實(shí)現(xiàn)自行監(jiān)護(hù)。

圖3 護(hù)理床的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the nursing bed’s control system

2 護(hù)理床機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)理床包括：床體部分、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分、動(dòng)力部分和電源部分、控制系統(tǒng)和輔助解便裝置。護(hù)理床機(jī)器人沿床身設(shè)計(jì)成4折床板結(jié)構(gòu)(背板、臀板、腿板、腳板)，其中腿板為軟連接。背板和臀板、腿板和腳板各由一個(gè)線性推桿驅(qū)動(dòng)，根據(jù)人的需要，兩個(gè)線性推桿同步聯(lián)動(dòng)。輔助解便裝置為一獨(dú)立裝置，輔助解便裝置的功能鍵啟用通過(guò)中間臀板的下擺來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1側(cè)翻機(jī)構(gòu)

側(cè)翻機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)患者在護(hù)理床上的左右翻身。

2.1.1 側(cè)翻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 側(cè)翻機(jī)構(gòu)采用雙4桿機(jī)構(gòu)，由雙電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。電動(dòng)推桿推動(dòng)側(cè)翻構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾子的作用，使得背部側(cè)板繞著它與中部床板的鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。側(cè)翻示意如圖5所示。

圖4 側(cè)翻機(jī)構(gòu)Fig.4 Rollover mechanism

圖5 側(cè)翻示意圖Fig.5 Schematic diagram of rolling over

2.1.2 側(cè)翻機(jī)構(gòu)的優(yōu)化 機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用電動(dòng)推桿，且有一定的安裝尺寸要求。另外，床面高度，側(cè)翻機(jī)構(gòu)的側(cè)翻角度也有一定的要求。設(shè)定線性推桿的初始長(zhǎng)度為278mm，機(jī)架的最大高度230mm。按照?qǐng)D解法確定各構(gòu)件的尺寸和固定鉸支點(diǎn)的位置點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)定義為初始設(shè)計(jì)變量。根據(jù)這些數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)側(cè)翻機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并選定如圖6所示的5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在Adams中通過(guò)各初始設(shè)計(jì)變量，完成整個(gè)樣機(jī)的建模，如圖7所示。

圖6 模型中的關(guān)鍵點(diǎn)Fig.6 Key points in the model

圖7 側(cè)翻機(jī)構(gòu)在ADAMS建模Fig.7 ADAMS modeling of rollover mechanism

通過(guò)ADAMS[15]提供設(shè)計(jì)研究模塊，分析各個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)側(cè)翻背板角加速度的影響，從中找出對(duì)側(cè)翻背板角加速度影響較大的3個(gè)設(shè)計(jì)變量。隨后，樣機(jī)以側(cè)翻背板的角加速度的最大值、最小化為目標(biāo)函數(shù)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化前后的結(jié)果如圖8所示。通過(guò)對(duì)比，很容易發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后角加速度明顯減小，圖中實(shí)線為初始角加速度曲線，虛線為優(yōu)化后曲線。

圖8 優(yōu)化前后角加速度對(duì)比Fig.8 Comparison of angular acceleration before and after optimization

優(yōu)化之后主要變動(dòng)B點(diǎn)的安裝尺寸及BD桿的長(zhǎng)度，具體變化見(jiàn)表1。

2.2抬背機(jī)構(gòu)

抬背機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)患者在護(hù)理床上的抬背及端坐功能。

表1 桿件尺寸變化表

2.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 抬背機(jī)構(gòu)為一個(gè)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，采用單線性推桿驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)護(hù)理床的抬背功能。但傳統(tǒng)的抬背機(jī)構(gòu)在抬背的同時(shí)會(huì)有滑移的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)在搖桿滑塊機(jī)構(gòu)中加入一個(gè)擺桿，使得在抬背的時(shí)候，臀部會(huì)伴有輕微的下降，克服了患者的滑移現(xiàn)象。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9所示。

圖9 抬背機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.9 Schematic diagram of back-lifting mechanism

線性推桿運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)使背板繞著轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了抬背的功能；與此同時(shí)，由于擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，臀部滾子沿著擺桿向下滾動(dòng)，使得臀板繞著軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了落臀的功能；當(dāng)擺桿繼續(xù)擺動(dòng)，背部被繼續(xù)抬高而臀部滾子脫離擺桿，臀板接觸到臀部擋板，臀板搭于臀部擋板上方，完成了整個(gè)抬背動(dòng)作；當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)至床板水平狀況時(shí)，擺桿接觸于床架上而轉(zhuǎn)動(dòng)抱死器，由于單向抱死擺桿，使得在反轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)抱死器仍能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起到了保護(hù)電動(dòng)機(jī)的效果，實(shí)現(xiàn)了在平常的狀態(tài)下不受力。抬背屈腿聯(lián)動(dòng)如圖10所示。

圖10 抬背屈腿聯(lián)動(dòng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of linkage of back-lifting and leg-bending

2.2.2 抬背機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化 抬背機(jī)構(gòu)中各關(guān)鍵點(diǎn)的位置如圖11所示。選取對(duì)側(cè)翻背板角加速度影響較大的設(shè)計(jì)變量做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)以背板翻轉(zhuǎn)角加速度的最大值、最小化作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。本機(jī)構(gòu)選擇了4個(gè)設(shè)計(jì)變量作為優(yōu)化的變量值，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，如圖12所示。背板的角加速度得到了改善。根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，可得優(yōu)化前后的連桿尺寸對(duì)比見(jiàn)表2。

圖11 抬背機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)Fig.11 Key points of back-lifting mechanism

圖12 抬背機(jī)構(gòu)優(yōu)化前后背板角加速度對(duì)比Fig.12 Comparison of angular acceleration before and after optimization of back-lifting mechanism

表2 優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)連桿尺寸對(duì)比表

2.3屈腿機(jī)構(gòu)

屈腿機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)腿部床板的向上和向下彎曲。在向上彎曲的時(shí)候，腿部床板要求有一個(gè)圓??；在向下彎曲的時(shí)候，腳板必須嚴(yán)格的保持水平下降。

2.3.1 屈腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理 多功能醫(yī)用護(hù)理床的屈腿機(jī)構(gòu)是一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，采用單線性推桿驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)屈腿這一動(dòng)作，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖13所示。

圖13 屈腿機(jī)構(gòu)及各關(guān)鍵點(diǎn)Fig.13 Key points of leg-bending mechanism

多功能醫(yī)用護(hù)理床的屈腿機(jī)構(gòu)包括：屈腿連架桿I、屈腿連架桿I延伸段、屈腿連桿、平行四邊形桿組、腿部可彎曲床板、腳板、腳板延伸支架板及所涉及的部分機(jī)架。

平行四邊形桿組的兩端分別鉸接于機(jī)架，另一端與床板鉸接，曲線連桿自身具有彈性伸縮功能，兩端分別于平行四邊形桿組上部桿的兩端進(jìn)行鉸接，線性推桿的一端與連架桿一端鉸接，通過(guò)線性推桿推拉來(lái)實(shí)現(xiàn)床板的上下移動(dòng)。當(dāng)推桿縮短時(shí)，平行四邊形機(jī)構(gòu)往上運(yùn)動(dòng)，使得IJ連桿從滑塊中伸出，推動(dòng)AK連桿往上擺動(dòng)，帶動(dòng)曲線連桿的彎曲動(dòng)作，達(dá)到圖14所示的上屈腿功能。當(dāng)推桿伸長(zhǎng)時(shí)，平行四邊形機(jī)構(gòu)往下運(yùn)動(dòng)，IJ連桿從滑塊中縮回，對(duì)曲線連桿不作用，實(shí)現(xiàn)如圖15所示的下屈腿的功能。

圖14 多功能護(hù)理機(jī)器人上屈腿示意圖Fig.14 Schematic diagram of upper-leg bending of multifunction nursing robots

圖15 多功能護(hù)理機(jī)器人下屈腿示意圖Fig.15 Schematic diagram of lower-leg bending of multifunction nursing robots

2.3.2 屈腿機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化 對(duì)圖13所示的屈腿機(jī)構(gòu)中各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值建立設(shè)計(jì)變量，以小腿板轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度最大值的最小化為目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)桿件尺寸對(duì)比表如表3所示。

表3 優(yōu)化前后屈腿機(jī)構(gòu)桿件尺寸變化表

由圖16可看出，屈腿機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化之后，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能得到了顯著的改善，其角加速度的最大值由原來(lái)的1.0°/s2減小為優(yōu)化后的0.46°/s2。由此可知，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化之后，機(jī)構(gòu)的整體的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性得到了改善。

圖16 屈腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化前后腿板角加速度曲線Fig.16 Angular acceleration curve of leg-bending mechanism before and after optimization

3 輔助解便系統(tǒng)

輔助解便系統(tǒng)幫助老人在不下床的情況下，通過(guò)按鍵操作輔助完成解便過(guò)程，系統(tǒng)如圖17所示。接便模塊的功能是完成接便容器的左右移動(dòng)，并在病人需要解便時(shí)通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)接便容器及時(shí)移動(dòng)至病人臀部下方。當(dāng)病人解便完之后，接便容器移動(dòng)至原位，并自行傾倒排泄物以及清洗解便容器。臀部清洗模塊通過(guò) 24V 微型直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)，控制噴頭的伸出與回縮。通過(guò)水泵提供壓力水，對(duì)臀部進(jìn)行沖洗。水箱模塊對(duì)水箱內(nèi)的潔凈水進(jìn)行加熱，經(jīng)水泵輸出潔凈溫水清洗病人臀部。烘干模塊產(chǎn)生暖風(fēng)對(duì)臀部進(jìn)行吹干，防止因潮濕而使病人患上其他疾病。除臭模塊通過(guò)吸風(fēng)機(jī)將臭氣吸掉再經(jīng)活性炭過(guò)濾，排放至空氣中。

圖17 護(hù)理床機(jī)器人輔助解便系統(tǒng)組成框圖Fig.17 Block diagram of robotic excretion-assisting system components

輔助解便系統(tǒng)工作順序如圖18所示。

圖18護(hù)理床機(jī)器人輔助解便系統(tǒng)工作順序圖

Fig.18 Flow chart of robotic excretion-assisting system

輔助解便系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖19所示，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪，由皮帶來(lái)完成便盆的移動(dòng)功能，利用一個(gè)線性推桿驅(qū)動(dòng)一個(gè)桿機(jī)構(gòu)，來(lái)完成解便床板的開(kāi)閉功能。

圖19 護(hù)理床機(jī)器人輔助解便系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.19 Schematic diagram structure of robotic excretion-assisting system

4 護(hù)理床的控制系統(tǒng)

功能護(hù)理床的控制系統(tǒng)主要由微控制器、通訊模塊、各電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、各執(zhí)行電動(dòng)機(jī)等部分組成。

為了便于控制系統(tǒng)對(duì)護(hù)理床進(jìn)行智能控制，及時(shí)了解護(hù)理床的當(dāng)前工作狀態(tài)，在護(hù)理床的床身上安置了傳感器。通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)了解控制床面板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防止不同機(jī)構(gòu)的干涉對(duì)床體以及人員造成不必要的傷害。在控制系統(tǒng)最終確定之前，應(yīng)完成護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析。在床體體位的控制方式上，采用通行的鍵盤按鈕輸入方式，操作者可以用按鍵指令操縱護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)。護(hù)理床的控制模塊由一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，可采用多種方式控制多功能護(hù)理床的所有動(dòng)作，注意抬背動(dòng)作必須在左右水平的前提下實(shí)現(xiàn)。

護(hù)理床控制器采用以AVR單片機(jī)為核心的控制方案，其印刷電路板PCB，如圖20所示。

圖20 護(hù)理床控制系統(tǒng)PCB圖Fig.20 PCB of nursing bed’s control system

5 樣機(jī)制作

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的尺寸和開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)的軟硬件，完成了如圖21所示的多功能護(hù)理床的制作，樣機(jī)的各運(yùn)動(dòng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)的試驗(yàn)表明，所研制的護(hù)理床的性能符合要求，并經(jīng)歷了“上海世博會(huì)”歷時(shí)半年的工作驗(yàn)證。

圖21 多功能護(hù)理床機(jī)器人樣機(jī)Fig.21 Prototype of multifunction nursing bed robot

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合人體工學(xué)和機(jī)械學(xué)原理，基于ADAMS軟件，根據(jù)圖解法得到的電動(dòng)床的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立了虛擬樣機(jī)模型，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化之后，得到了滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的參數(shù)及尺寸?；趩纹瑱C(jī)技術(shù)，研制了護(hù)理床的控制器。該電動(dòng)床的背板、腿板與臀板采用軟連接，使得抬背、屈伸腿功能較好的滿足了使用者體位變換的要求，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了平躺、端坐下屈腿、端坐平腿、平躺上屈腿和平躺下屈腿等功能。研制的樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證了這些使用功能。

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Development of Multifunction Electric Nursing Bed

XINShaojie,ZHANGHuanhuan,MAXipei

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)

A multifunction electric nursing bed has a robotic structure with multiple degrees of freedom, and uses coordinated multi-axis control.The nursing bed is designed based on ergonomic principles and modern mechanical design theories.The bed panel uses a multi-folding structure.Basic movements including lying, back-lifting, sitting up, and leg flexion and extension can be completed through button control.Besides, the bed has various functions such as turning and excretion assistance, as well as synchronization between different axes.Simulation analysis is performed to optimize the structure to meet ergonomic requirements.A controller based on a single-chip microcontroller is used to control drive motors of corresponding mechanisms to fulfill functional requirements of users.A prototype is developed.

multifunction nursing bed; mechanism optimization; control system

2095-0020(2013)06 -0322-08

TH 789

A

2013-10-02

國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助( 2007AA041604)；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科資助(J51902)

辛紹杰(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：daqxinsj@163.com