分體式老年人移位椅的系統化設計與仿真分析

孫騰蛟SUN Teng-jiao；范雅璇FAN Ya-xuan；宋群SONG Qun；郭婷婷GUO Ting-ting；劉楊LIU Yang

（①濱州職業學院，濱州 256603；②范海自動化技術（山東）有限責任公司，濱州 256603；③上海新南洋合鳴教育有限公司，上海 201499）

0 引言

全國第七次人口普查數據顯示，老年人口數量和占總人口的比重持續增長，2010 年至2020 年，60 歲及以上老年人口從1.78 億增加到2.64 億，老年人口占總人口的比重從13.26%上升至18.70%，老年人口規模龐大，老齡化進程明顯加快。[1]

人口老齡化程度進一步加深，對于老年康復輔具的需求進一步加強。工信部明確指出，要將康復輔具裝備的系統化和智能化作為重點發展領域[2]。但是，目前現有的移位椅存在嚴重的不足，比如工業化生產痕跡明顯，不符合人機工程學；結構性設計缺陷突出，致醫患糾紛頻出；產品零件大多低端貨，操作復雜且易損；整體安全性有待改善，且功能過于單一。本研究采用分體式方法設計一種移位椅，改善上述問題，滿足使用功能。

1 功能

針對市場需求，結合當今市場康復移位輔具產品的優勢與不足，提出此設計方案，該產品可滿足使用者在戶外運動、室內基本生活需求，以期滿足更多人的需要，實現老年人日常生活自理，降低護理強度。

①分體移位功能。采用分體式設計即坐墊與移位椅框架分離，使用時將坐墊放到病床上，病人只需坐起轉身即可坐到坐墊上，不會產生其他干涉，然后推動支撐移位結構對接到坐墊上，使支撐移位結構和坐墊結合到一塊形成移位椅，病人在移位椅上，推動移位椅移動即可。降低護理人員在幫助老年人移位時的護理強度，老年人可以更加自如的實現身體移位，最大化實現生活自理。②自主對接功能。本產品可在床、馬桶、餐廳、沙發之間自主移位對接。對于老年人來說，由于自身機體功能退化，如廁、沐浴等涉及體位移動的活動均受限制，自主對接功能的實現可進一步幫助老年人可用遙控器自主操控此產品，實現生活移位自理，降低護理時間。③人機工學設計。設計隱藏式背板安全帶及輪部自鎖安全機構，考慮到老年人會出現一定的行為遲緩障礙，為避免因失誤導致安全事故的發生，進一步提高使用安全性。④人性化設計。采用一體式坐墊采用恒溫墊圈設計，提升使用者的體感舒適度，在此設計中充分考慮到對老年人的尊重和人文關懷，提高晚年生活質量。

2 系統化設計

SolidWorks 是一款功能多樣的CAD/CAM 軟件設計系統，可以方便實現各種復雜結構的建模與仿真。根據移位椅的基本功能，按照人機工學要求，使用此軟件對移位椅的背板、椅坐、底架、扶手、安全制動機構、驅動輪進進行零件建模，并將各零件裝配成統一整體[3]，最終的裝配圖，如圖1 所示。

圖1 移位椅裝配圖

2.1 一體化坐板結構

如圖2 所示，一體化坐板設計，包括臀部墊板和腳部支撐板，腳部支撐板位于臀部墊板的前下方，腳部支撐板與臀部墊板之間通過銜接板連接，銜接板用于腿的支撐一體式設置，增強支撐以及舒適度，減少陪護人員及護士的操作力度。

圖2 一體化坐板

坐板自帶加熱功能，解決老人下肢運動量不足造成血液循環不暢、腰部以下體溫低于上肢溫度的問題，提升病人的使用體感舒適度；坐板帶有MCS40 傳感器，可測量體重、BMI 值，并將數據顯示在移位椅右側扶手下方顯示屏上，隨時監測健康數據。同時減少了護理人員的操作強度，減少其與病人之間的肢體接觸。

2.2 隱藏式背板安全帶結構

隱藏式背板安全帶結構如圖3 所示，支撐結構上安裝有背板，背板呈弧形板，背板中內有有安全帶，安全帶隱藏于背板中。弧形板能夠增強倚靠的舒適度，背板的一側鉸接在支撐移位結構上，背板的另一側設置有鎖合件。通過鎖合件與支撐移位結構實現鎖合，也可以打開。鎖合件可以為卡扣結構也可以是安全帶結構，能夠實現背板合攏時與支撐移位結構的鎖合即可。本方案中優選為安全帶結構，該側設置有凹槽，安全帶的鎖扣位于凹槽中，合理利用背板空間，減少誤碰。

圖3 隱藏式背板安全帶結構

2.3 可切換底盤模式

如圖4 所示，四邊形底盤模式主要配合馬桶使用，實現病人乘坐移位椅如廁的功能，在路面坑洼環境下切換到四方形底盤模式，可以有效避免側翻風險。

圖4 四方形底盤

如圖5 所示，三角形底盤模式下，適于低速行駛，兩個較大的主動輪依靠電機差速轉向，兩個較小的從動輪為萬向輪，當處于電力驅動模式下，為3 輪轉向。輸出功率更高，所需驅動力更小，相對于四邊形的四輪結構，減少了一個車輪的阻力，造價更低廉。三角形結構具有物理穩定性，三輪轉向更加靈活，操作更加方便，實現相對良好的均衡性。

圖5 三角形底盤

3 有限元分析

ANSYS有限元分析軟件能夠與 SolidWorks 軟件接口，實現建模數據的共享與交換，是先進制造設計中的CAE 工具之一。ANSYSWorkbench 整合ANSYS 力學、熱學各模塊，實現多場耦合作用，將前處理、參數分析、后處理等一體化操作。[4]本文將分析移位椅各組成部件的力學情況，檢驗各部件是否符合強度與硬度條件。因此，在進行受力分析時，去掉扶手、腳架等對力學性能影響較小的輔助部分，將主要受力部件坐板進行有限元分析。

3.1 有限元分析模塊建立

Ansys Workbench 可與SolidWorks 進行雙向及時互動的數據連接，便于開展相關設計流程，將SolidWorks 文件輸出為stp.格式，即可導入Ansys Workbench 進行有限元分析。使用Ansys Workbench 軟件，在 Static Structure 模塊中進行靜力學分析。鑒于移位椅主要由坐板和框架承受重量，因此將此部分進行有限元分析，校核其鋼度和強度。

3.2 前處理

①材料屬性的設置。坐板采用鋁合金材料，其材料屬性參數設置為：彈性模量68.9GPa，泊松比0.33，密度2750kg/m3，屈服強度245MPa。框架采用45#鋼，其材料屬性參數設置為：彈性模量210GPa，泊松比0.31，密度7850kg/m3，屈服強度355MPa。[5]②網格劃分。對主體部分采用Hex Dominant 進行網格劃分，將應力集中部分進行局部網格細分，提高計算精度，劃分單元格數量為10457個，節點為20980 個。網格劃分如圖6 所示。③添加邊界條件。移位椅設計考慮人體最大質量為110kg，載荷均勻分布在坐板上。

圖6 網格劃分結果

3.3 有限元結果分析

前處理將各項參數預設定好后，點擊solve 按鈕，開始仿真計算，對模型進行分析求解后，得到主體結構的等效應力情況和變形情況。

①強度校核。通過等效應力數據得知，坐板與框架結構整體最大應力值為112.16MPa，均小于材料的許用應力，滿足材料的強度要求。通過分析等效應力云圖7、圖8，應力集中點位于坐板與框架結構的交界處。②剛度校核。在最大外部載荷110kg 的作用下，坐板與框架結構最大變形量為3.55mm，僅為微小變形，不影響正常功能使用，滿足設計的剛度要求。變形分析如圖9、圖10 所示。

圖7 坐板應力云圖

圖8 框架結構應力云圖

圖9 坐板變形云圖

圖10 框架結構變形云圖

4 操控模塊

此移位椅引入互聯網+技術，使得本產品具有了遠程遙控功能、監控功能、無線遙控功能，根據病人身體情況，選擇相應操控模塊。本設計可遠程收集實時健康數據，制定抗康復醫療方案。人工智能語音喚醒，實現人機互動、線上尋醫。①遠程遙控。遠程遙控技術部分硬件。通過客戶端APP 對移位椅進行遠程遙控（配有攝像頭，實時數據傳輸功能），以便家屬或者看護人員可以遠程對病人進行監控，實現了遠程移執行位功能的同時又起到了監控病人活動的作用。②監控系統。當老人完全喪失自主控制能力，借助監控系統，即護理人員全程操作，幫助老人完成如廁、沐浴、進食等功能。③無線遙控。無線遙控功能，條件允許的病人可以自主遙控移位椅滿足自身需求，或者醫護人員手持遙控器近距離操控移位椅。

5 結論

本文面向老年人需求，設計了一種分體式康復移位輔具，主要創新點如下：①該產品可實現輪部安全自鎖、分體移位、自主控制等功能，滿足人體工程學設計。②三角型底盤與四邊形相互切換，滿足不同場景、不同功能需求，使移位椅適應性更強。③利用Ansys 軟件進行分析保證其機械性能，本文通過三維模型設計與有限元仿真分析相結合的方式，借助Ansys Workbench 中的 Static Structure 模塊對移位椅進行靜力學分析，確保本設計符合結構強度和剛度要求。