一種聯動式護理床抬背機構的設計與研究

張軒銘，周浩東，王子鈺，褚亞旭，呂金賀，李洪洲

（北華大學機械工程學院，吉林 吉林 132000）

0 引言

目前，無論在醫院、養老院、護理中心，還是在家里，護理床應用極為普遍，減輕了醫護人員、病人家屬的負擔[1-4]。2016年，上海工程技術大學的王玉昭[5]對起背機構的保護單元進行模塊劃分設計。2018年，天津工業大學的秦帥華[6]將起背機構中的抬背板分成腰部支板和背部支板，分別對病人的腰部和背部進行支撐，另外設置獨立支撐病人臀部的座板，三板聯動完成起背動作。2019年，遼寧工程技術大學的高峰[7]在起背機構中設計了一種移臀單元，解決了患者的體位在初始位置時偏下的問題，提高了病人的自我調節性。

上述護理床起背過程中都存在背板拉病人背部衣服的現象，使得病人頸部、后背受到衣服的擠壓，造成病人不舒服，甚者產生窒息，特別是對于失去運動功能的病人，就更加的危險。因此，急需解決上述問題[8]。

1 現有護理床抬背機構扯背原因分析

現有護理床抬背機構原理，如圖1所示，護理床以O為抬背板的旋轉中心，O′為人體重心的旋轉中心, 人體中心高為O′B=68.5 mm。根據人體工程學中的中國成年人人體尺寸，人體背部的肩胛骨和抬背板接觸的同一點記為A，選取BA=500 mm。當抬背板OA抬起一定角度α時，抬背板上的A點的位置為C′,體旋轉中心與抬背板的旋轉中心不重合，而使人體背部的肩胛骨上的A點位置變化為C點，人體背部與抬背板產生了滑移，滑移量為CC′，因此采用該結構雖能實現其基本運動功能，但因患者位姿改變，從而對患者背部衣物造成牽扯，造成患者不適。

圖1 現有護理床抬背機構運動原理示意圖

2 聯動式護理床機構設計及理論分析

為解決因患者的位姿改變，患者背部衣物牽扯造成患者出現不適問題，設計了一種聯動式護理床抬背機構簡圖，通過主動補償的方式，將人體背部與抬背板產生的滑移量行補償，消除扯背現象。聯動護理床抬背機構簡圖如圖2所示，該機構主要由電動推桿、抬背板、背靠板滑動機構和多連桿等組成，該機構在電動推桿的推動下，通過多連桿傳動實現抬背板和背靠板移動。

如圖2可知，建立直角坐標系，首先研究的主要參數為抬背板的角位移θ5、角速度ω5、角加速度α5。

圖2 抬背機構方案示意圖

式中:L1為桿AB的長度；L2為桿BC的長度；L3為鉸鏈A與鉸鏈E之間的長度。

應用歐拉公式eix=cos x+isin x，將式（2）中的實部和虛部分離，得到

抬背板的角速度和角加速度分別為ω5和α5，將電動推桿速度和已知桿的長度代入，可得到抬背板的角速度和角加速度的變化情況，據此判斷抬背板的角速度和角加速度是否有突變情況，如果沒有說明其運動平穩，該機構的設計符合要求。

同理通過矢量方程式，計算背靠板的相對位移情況。

通過式（23）得出θ9是關于lMH和lHE的函數，之后輸入已知條件，代入可求得lMH和lHE的值。LHE為靠背板的位移量。

3 聯動式護理床機構的運動仿真

依據運動學平衡方程，采用MATLAB軟件搭建機構仿真模型并進行運動學仿真，分析抬背板的角速度和人體背部位移量與背靠板補償量情況，對患者抬背過程中的舒適性和機構的正確性等問題進行驗證，仿真分析結果，如圖3、圖4所示。人體背部位移量與背靠板補償量對比分析，如表1所示。

表1 人體背部位移量與背靠板補償量對比分析

圖3 抬背板角速度

圖4 人體背部位移量和背靠板補償量對比曲線

由圖3、圖4可知，從整體趨勢來看，抬背板角速度曲線平滑，沒有出現斷點和突變，運行較為平穩，能夠保證抬背過程中的舒適性。人體背部位移量與背靠板補償量曲線相比，隨著靠背板抬背角度變化，該靠背板在徑向方向上位移有規律變化，先比人體背部位移量曲線滯后，近19°時，滯后量達到最大值為2.55 mm，其后滯后量變小，在47°時，與人體背部位移量曲線重合，之后，背靠板補償量與人體背部位移量相比，背靠板補償量開始超前，至75°時，達到最大值105.83 mm。在75°時，人體背部位移量為105.12 mm。

背靠板補償量維持在0～2.55 mm范圍內。經分析產生原因為：由于該機構結構特性引起的。當t=12 s時，抬背板角度達到75°，靠背板與抬背板的相對位移量為105.83 mm。通過實驗得出人體位移量差3 mm患者感覺無明顯，而本機構的最大位移量為2.55 mm，小于3 mm，防止了扯背現象的發生。

4 結語

設計的聯動病床抬背機構可以用于現有護理床。采用連桿滑塊聯動機構建立了二維原理圖；采用矢量方程建立了其理論模型；在MATLAB中進行運動仿真分析；對比了仿真與理論位移結果，得出其在不同起背角度時的位移變化規律，通過分析曲線，驗證了該機構模型的正確性和良好的位移性能，防止了扯背現象發生。