電動治療床的設計與仿真分析*

趙展

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093)

1 引 言

據統計，我國現有60歲以上的老年人超過兩億，其中約2/3的老年人有一種或一種以上的慢性病。如何提高老年人的生活質量，解決日益嚴重的人口老齡化對社會造成的諸多負面影響，特別是滿足各種慢性病所引起的醫療保健等需求，是現今社會的研究熱點之一[1-4]。中醫推拿具有消除疲勞、促循環、加速代謝、增強關節活動性、調節人體免疫系統等作用，其適應癥多達500余種，是治療老年人腰腿疼痛等慢性疾病的有效方法[5-9]。推拿治療床作為常見的推拿設備，其功能越來越多樣化、電子化。國外進口電動治療床一般結構復雜，價格高，不適合大規模推廣使用。隨著經濟發展和人口老齡化問題的需求，國內對治療床進行了諸多改進設計，但因結構設計不合理，仍需不斷完善?？傊?，包括治療床在內的我國醫療器械行業狀況雖然得到了很大改善，但制造水平仍較低，特別是銷售規模僅占全球5.4%左右[10-11]。本研究設計了一款柔軟舒適，讓患者身心放松，能減少治療師體能消耗、降低工作強度，從而確保治療師長時間工作的治療效果和工作效率的較輕量化電動治療床。

2 基于虛擬樣機技術的結構設計

2.1 設計要求

由于中醫推拿的特殊性，對治療床的功能、外觀、性能等有諸多要求。對關鍵設計要求總結如下。

床面尺寸：設計時需要考慮患者的身高、體寬，及治療師的操作方便，經查詢并參照GB10000-88《中國成年人人體尺寸》標準，對床面進行設計，選用尺寸為200×55 cm。

承重要求：參照GB/T10357.6-2013《家具力學性能試驗 第6部分：單層床強度和耐久性》，結合治療師手法和施力方向，治療床需至少承受220 kg載荷仍能正常工作而不被破壞，并同時考慮結構變形情況。

床高要求：考慮到患者在床上不同姿態時，方便治療師操作使用，減少治療師側身彎腰或推拿反向壓力對手部和腕部損傷的風險，采用床高可調設計，且使用電機驅動，節省人力。需考慮床體升高速度、電控方式、動力源、防水、防電、電源線拉扯造成電氣內部損傷等問題。

另外還需考慮治療床的舒適性，外觀不應有銳變、尖角等，結構穩固，在地面上不易滑動，消毒使用方便，噪聲小、重量輕、方便移動等。

2.2 結構設計與三維建模

CATIA是法國達索公司開發的一款集CAD/CAE/CAM一體化的三維設計軟件，其模塊化的混合建模技術具有全相關性[12-13]。本研究應用CATIA三維軟件對電動治療床進行了結構建模設計，所設計的電動治療床主要包括底架、床板、傳動驅動機構三大部分，見圖1。

注：1為底架機構，2為床板機構，3為傳動驅動機構。圖1 治療床總體效果圖Fig.1 Overall effect of massage bed

2.2.1底架機構 考慮到強度和輕質，選用方管為主，通過焊接及螺紋連接的方式對底架機構進行設計，見圖2。

置物臺是針對痰多、流涕的患者設計的，用于放置一次性塑料盒、生活垃圾盤等，也可直接放置雜物或重要物品。合理設計物品的放置區，能有效避免污染醫院環境，防止感染。治療床升降可用線控開關手控操作，也可用腳控桿控制，腳控桿為可選床高控制方式，治療師可通過抬腳或腳踩來驅動腳控桿，控制治療床升降。兩個選擇能改善治療師的使用方式，提高工作效率，增強便利性。另外，底架機構的前后兩端各設有一套升降輪機構，用腳踩即可降下輪子，輕松移動治療床。

注：11為患者置物臺及一次性塑料盒，12為主框架，13為腳控桿，14為防滑腿套，15為升降輪機構，16為電氣控制箱，17為電推桿底座。

2.2.2床板機構 床板機構包含床板架及床板，見圖3。

注：21為臂部凹，22為匙形孔，23為可調平板座，24-26依次為床板皮革、床板海綿、床板木板，27為手臂托，28為床板架。

床板架采用方管焊接，以增強床板的強度和剛度，使其結實、穩固、耐用，給治療提供強有力支撐。床板使用木板、海綿加皮革的三層結構方式，保證舒適性。距床頭大概40 cm處設有匙形孔，改進了傳統長圓孔的設計，使患者眼鼻口懸空。不僅可用于呼吸及觀察，也可用于固定頭部，避免長時間治療造成的呼吸困難、窒息感?？紤]不同年齡段的患者需求，特設隨床板一起升降的可調式平板電腦座，用于放置圖書、手機或平板電腦等。可調式設計以適合不同患者的視力要求，方便患者邊瀏覽邊治療，緩解緊張情緒，降低長時間治療的厭倦乏味感。床板上切有臂部凹，與床板架上高度可調的下沉式手臂托相配合，患者可選擇將肘或手放置在手臂托上，也可雙手自然平放在軀干兩側。整體設計調節方便，功能實用，能改善醫療服務質量，讓患者身心放松，以最佳心態接受治療。

2.2.3傳動驅動機構 采用醫用電推桿作為驅動動力，推動床升高，見圖4。

注：31為前推升架，32為連接桿，33為電推桿，34為后推升架。

傳動驅動機構主要包括電推桿、前后推升架及連接前后推升架同步運動的連接桿。前后推升架完全對稱，其上端與床板機構相連，中間與底架機構相連，下端通過連接桿連接，組成了上下兩對平行四邊形，通過電推桿推動其中一個推升架的下端即可聯動所有傳動機構，電推桿下端與底架機構的電推桿底座連接?？紤]到無線控制器易丟失、跌落損毀，本研究電推桿采用線控開關手控操作按鍵來實現伸縮，完成推動床的升降動作。

2.3 虛擬裝配設計

對整個樣機進行虛擬裝配，通過軟件內測量工具測得床高約在48～1 000 mm范圍內變化，可用作推拿按摩治療用，還能作藥熏、針刺、拔罐治療，及對患者進行床邊站立、床上床下轉移訓練等用途。選用身高人體百分位數為50%的治療師，經CATIA仿真分析得知，床高為595 mm時該治療師能輕松推拿施力，見圖5，此高度在床高設計的范圍內。

另外，應用CATIA對患者可視區域仿真分析[14]，見圖6。圖6(a)為患者俯臥時的仿真圖，圖6(b)為患者的可視區域，可見視域覆蓋了整個可調平板座及患者置物臺的范圍，設計合理。

3 機構仿真分析

3.1 機構運動簡圖與自由度

3.1.1機構簡圖 根據治療床各構件之間連接及相對運動情況，簡化成平面運動機構并繪制其運動簡圖，見圖7。借助CATIA能更直觀地展示治療床的運動簡圖，動起來的簡圖更易理解其運動原理[15]，圖8(a)為CATIA繪制的運動圖，圖8(b)是對應生成的avi視頻，可更清晰地演示機構的運動原理。

圖5 治療仿真圖Fig.5 Massage simulation

圖6 患者視野分析(a).患者俯臥；(b).可視區域Fig.6 Patient vision analysis(a).prone position；(b).view area

圖7 機構運動簡圖Fig.7 Kinematic diagram

3.1.2自由度計算 機構自由度的計算公式為F=3n-2PL-PH，式中n為活動構件的數目，PL為低副的數目，PH為高副的數目?？紤]復合鉸鏈及剔除虛約束后，得到治療床的自由度數為1，因有1個原動件電推桿，故運動能完全確定。

圖8 草圖工具繪制的機構簡圖(a).運動簡圖；(b).生成視頻文件Fig.8 Kinematic diagram by sketch tools(a).kinematic diagram；(b).motion video

3.2 運動仿真

應用CATIA DMU虛擬樣機技術可三維顯示其運動情況，并得到相關的運動參數圖，讓非專業人員也能直觀地了解其運動原理[16]。圖9(a)是運動仿真分析結果，圖9(b)為進一步得到的電推桿-床高曲線圖，實際高度可能會因海綿的壓縮而略有差別。

3.3 力學分析

治療床的主框架、傳動架為主要受力變形機構，為保證設計結構的有效性和安全性，需驗證其結構強度和剛度。集成化的CATIA軟件可實現對零件及其裝配體的靜態應力分析及模態分析，無需不同格式間的導出和讀入操作，能及時看到修改后的分析結果，為產品設計師而非分析專家提供了一個便利且行之有效的分析系統[17]。其力學有限元分析通過設定材料、劃分網格、添加約束后計算即可得到結果，關鍵結構的分析結果見圖10。

圖10(a)-(c)是對主框架、床板和傳動架進行合理簡化后,分析得到的劃分網格圖、應力及位移圖。由靜力學分析結果得知，前推升架受力及變形最大，特別是拐角及連接軸處，把它單獨顯示見圖10(d)，不過最大應力仍遠小于材料的屈服極限，最大變形約2 mm較小，關鍵零部件的強度和剛度均滿足要求，安全系數高，結構安全可靠。

圖9 運動仿真分析(a).仿真曲線；(b).電推桿-床高圖Fig.9 Kinematics simulation analysis(a).simulation curves；(b).linear actuator-bed height graph

3.4 動力學分析

在不考慮自身重量和治療師推拿力時，針對電推桿選型問題對治療床進行受力分析，見圖11。

左邊前推升架4的力矩平衡方程為：

T0=(g1×LDE×cosα+T1×LDA×cosβ)/(LDA×cosγ)

(1)

右邊后推升架6的力矩平衡方程為：

T1=g2×LGF×cosα/(LGH×cosβ)

(2)

考慮到前后推升架4、6同形：

LDE=LGF、LDA=LGH

(3)

又，g1=g×L2/(L1+L2)，g2=g×L1/(L1+L2)

(4)

聯立上述式子，最終可解得電推桿的推力T0。其中L在設計時已確定，β、γ、α可分別通過△DAH、△DAB、△DEE′平面幾何關系求解得到，E′為E點在通過D點的豎線上的投影。

為了更清晰地了解電推桿在驅動床板升降時的力矩變化情況，可通過軟件測距來追蹤。分別選取電推桿及床板機構的力臂作為測量參數，得到兩者的變化曲線圖，通過比對可找到電推桿的最大推力處，從而計算校核電推桿的選型，因有其他更方便的動力學分析軟件，此處不再贅述。

圖10 力學分析(a).網格圖；(b).應力圖；(c).位移圖；(d).前推升架的應力圖Fig.10 Mechanical analysis(a). mesh；(b).mises stress;(c).displacement;(d).mises stress of front driving frame

4 結論

本研究采用虛擬樣機技術對所設計的電動治療床的關鍵技術點,從結構設計、力學、運動學及動力學等方面進行仿真分析研究，結果表明，其結構符合人機工程學要求，設計合理有效，能減輕治療師的勞動強度，改善被治療者的舒適性。采用虛擬樣機技術不僅能縮短設計時間，提高設計效率，還能更直觀地看到設計效果，減少失誤，并為后續加工生產提供參考依據。

圖11 受力分析圖Fig.11 Force analysis diagram