護理床功能探索與技術應用研究＊

解 浩，劉超山，王 輝，張軍平，李向陽

（蘭州工業學院機電工程學院，甘肅 蘭州 730050）

關鍵字:護理床；自動翻身；坐臥角度調整；智能家居；PLC

目前市面上有諸多醫用護理床，大多通過手動控制搖桿來實現起臥、翻身等功能，此類傳統翻身床在翻身時會造成腰部扭曲且并沒有專門針對于身體不便的老年人或者重病病人的護理床。

為克服現有護理床所存在的不足之處，提出一種多功能智能護理床，包括傳動機構、圓筒姿態控制系統、測控系統和坐臥機構，彌補現有護理床的功能不足。

1 多功能智能護理床方案設計

多功能智能護理床床身采用鏤空圓筒設計，通過圓筒旋轉幫助使用者左側身、平躺和右側身體位切換。圓筒內設置坐臥機構，實現使用者平躺和不同角度坐起體位切換。床架采用桁架結構設計，在空擋位置安裝PLC、伺服電機等測控元件。使用者通過操作按鈕即可實現自動翻身和坐臥姿勢切換。多功能智能護理床三維設計模型如圖1 所示。

圖1 多功能智能護理床三維設計模型

2 傳動機構設計

多功能智能護理床采用伺服電機作為原動機，通過帶傳動和齒輪傳動驅動圓筒旋轉以實現左側身、平躺、右側身等動作，傳動機構設計如圖2 所示。

圖2 傳動機構三維設計模型

2.1 電機選型

為確保使用者在整個使用過程中安全舒適、精準控制、本機構采用伺服電機作為動力來源[1]。設計旋轉圓筒外徑為0.6m,旋轉圓筒速度不超過1r/min，設使用者體重及床身重量共為50kg,則所需電機功率和轉速確定如下：

m——床身及人體總重，Kg；

g——重力加速度，m/s2。

v——旋轉圓筒轉動線速度，m/s；

d——旋轉圓筒外徑，m；

n——旋轉圓筒轉速，r/min；

P-旋轉圓筒功率，W；

由式（1）、（2）、（3）得電機功率：

伺服電機皮帶輪與旋轉圓筒傳動軸皮帶輪之間：

d1——單相電機皮帶輪外徑;

d2——旋轉圓筒傳動軸皮帶輪外徑。

傳動齒輪與旋轉圓筒齒輪之間：

z1——傳動齒輪齒數；

z2——旋轉圓筒齒輪齒數。

由式（4）、（5）得電機轉速：

n'=i1i2n

綜上選擇博麗國際貿易有限公司的60DA40130D6M 電機，參數見表1：

表1 伺服電機相關參數

2.2 傳動軸選型

本設計多功能護理床采用伺服電機進行傳動，為保證其安全性及使用壽命，現對多功能護理床傳動軸進行選型計算及應力仿真[1]。

經上文計算得旋轉軸轉速為n=24r/min

功率P=0.012kW。緊接著通過上述數據對傳動軸直徑進行確定，表2 為軸的常用材料及其力學性能。

表2 常用軸類材料的常用材料的[τ]值和C 值

考慮到材料的機械性能及成本，選取軸的材料為45 鋼，經調質處理。

參考上表，取下列各值：

[τ]=30Mpa C=110 n=24r/min P=0.012kW

將上述數據代入計算公式

計算得，d≥24.2mm

d——軸直徑，mm

[τ]——軸的許用切應力,Mpa；

P——傳遞的功率，kW；

n——軸的轉速，r/min；

C——由軸的材料和承載情況確定的常數。

3 圓筒姿態控制系統及測控系統設計

本設計多功能智能護理床采用圓筒姿態控制系統及測控系統配合運行，確保使用者的安全，防止圓筒轉動角度過大導致使用者跌落。圓筒姿態控制系統由3 個接近開關組成，測控系統由西門子S7-200 系列PLC 組成。測控系統接線如圖3 所示。

圖3 測控系統接線圖

測控系統在工作之前須對其工作流程進行編程，分為手動控制模式與自動控制模式，系統啟動，使用者可根據自身需求選擇手動模式或自動模式進行控制，在自動模式下，系統根據程序指令中的時間間隔對圓筒位置進行控制，在手動模式下，使用者須通過控制按鈕對其進行位置控制。測控系統主程序如圖4 所示。

圖4 測控系統主程序

在自動控制模式下，為準確完成平躺、左側身、右側身等動作，給PLC 設置指令為：當PLC 發送10000 個脈沖信號時，電機轉動一圈，當PLC 發送脈沖數量達到100000 時，電機停止轉動，并且以100000 個脈沖信號為一個周期[3]。手動控制模式下，為防止由于使用者操作失誤導致圓筒旋轉過度，故圓筒姿態控制系統所用的接近開關均為三線常開式NPN 型接近開關，當檢測到圓筒轉動至90°、0°、90°位置時，接近開關工作，同時測控系統停止。

4 坐臥機構設計

本設計多功能護理床坐臥機構采用電動推桿作為原動機，坐臥機構還包括推桿夾片、轉軸、旋轉架等，使用者操作按鍵，通過PLC 驅動電動推桿，電動推桿帶動活動床板實現平躺和不同角度坐起體位切換。坐臥機構三維設計圖如圖5 所示。

圖5 坐臥機構三維設計圖

為保證使用者安全，推桿推力可達1000N,推桿伸縮速度為9mm/s。為避免死點位置出現，旋轉架旋轉角度應小于70°。

5 結論

（1）本設計多功能智能護理床采用電動推桿推動活動床板實現平躺和不同角度坐起體位切換。

（2）本設計多功能智能護理床采用PLC 可編程控制器，通過按鈕即可幫助使用者實現自動翻身和坐臥。

（3）本多功能護理床采用圓筒床身結構，重新定義床的結構，打破固有思維束縛,給用戶全新的使用體驗。

綜上，本設計多功能智能護理床，可滿足癱瘓病人、行動不便老人等對翻身、坐臥的主要需求，對豐富護理床種類，智慧家居的發展具有一定指導意義。