翻背式助老電動床設計與研究*

樊 輝,王建波,趙南生

(1.南通職業大學 機械工程學院,江蘇 南通 226000;2.南通大學 工程訓練中心,江蘇 南通 226000)

0 引言

隨著社會經濟飛速發展和城鎮化進程推進,城鄉人口老齡化問題成為我國人口結構轉變過程中的顯著特征[1]。截至2018年末,60歲以上的老年人口約為2.49億人,占總人口比重的17.90%;65歲以上的老年人口約為1.67億人,占總人口比重的11.90%[2]。社會老齡化程度加深,青壯年因為學習、工作、婚姻等原因離開家庭,老年人自主生活難度大大提升。為了提高老年人生活的安全性和便利性,改進養老條件,提升老年人群生活品質,眾多智能化適老、助老家具開始走向市場[3]。多功能助老床,作為老年人必不可少的護理產品,受到老年人群的青睞。但是,現階段電動、手動護理床多為陪護、觀察使用,均屬于有人護理的情況,不適合獨居老年人操作使用[4]。

國內外對護理助老床的研究起步較晚,近年來關注度逐步提高。美國Metrocard公司研發了一種護理床,該床能完成支背和曲腿功能[5]。日本Murate Machinery公司研發了一種遠程遙控護理床,該護理床由電動床體與輪椅組成,可相互轉換[6]。曹元等人基于人機一體化模型,研究在位姿變換過程中人體的狀態,設計了一種新型輪椅床[7]。廣東工業大學張欣等人將TRIZ功能裁剪法應用于養老護理床的設計[8]。但上述對護理助老床的研究都相對簡單,功能不夠全面。

對于大部分老年人,正確的護理不僅可以幫助老年人緩解長期臥床的病痛、心理壓力以及提高自身的免疫能力,還可以預防多種病變的產生[9]。針對上述問題,本文設計了一種新型助老電動床。

1 設計方案與原理

1.1 設計方案

本文設計的助老電動床共有3個主要機構,分別為升降機構、起背曲腿機構、翻背機構。具體結構示意圖如圖1所示。

圖1 助老電動床結構示意圖

1.2 設計原理

圖2所示為助老電動床的設計原理。

圖2 助老電動床設計原理

圖2中:a為電動床初始狀態;b為老年人準備上床前,固定于床底支座與床身之間的一號、二號升降電機工作,床身抬升到與老年人身高相匹配的位置,同時兩側扶手處于折疊狀態;c為老年人準備從床側面坐上床時,固定在床板背面的起背曲腿電機工作,電動床調整成坐姿狀態;d為當老年人準備入睡時,起背曲腿電機再次工作,推動床背框架使床調整成平躺姿勢,期間老年人可順勢將扶手拉起,此時可調整床身高度,以方便護理人員護理或適應不同老年人需求;e為固定在床背框架上的翻背電機工作,推動翻背擺桿,進行右翻背;f為左側翻背狀態;g為當老年人想進行休閑娛樂等活動時,可再次將床調整為坐姿狀態;h為當老年人準備下床時,一號、二號升降電機工作,降低床身高度,老年人放下折疊護欄,下床。

特別地,老年人可以根據實際需要自由調整動作流程。

2 機構運動學模型分析

本助老床分為3個主要機構,分別為升降機構、起背曲腿機構和翻背機構。其主要研究參數如表1所示,其中位移量反映運動的趨勢與幅度,加速度量反映運動的平穩程度[10]。

表1 研究參數表

2.1 升降機構運動學模型分析

該機構主要包括前升降床腿、后升降床腿和兩個升降電機,可實現助老床升降功能。根據老年人實際需要可調整至老年人最適合上下床的高度,并根據老年人不同的睡眠習慣,進行調整[11]。對于那些需要護理的老年人,升降功能也能幫助護理人員更方便地照料。升降機構示意圖如圖3所示。

圖3 升降機構

升降機構運動模型如圖4所示。各構件長度及點之間距離均以該構件或兩點的字母表示(如BE表示BE桿的長度,BC表示B、C兩點之間的距離)。特別地,EFx與EFy分別表示EF桿在x與y方向的投影長度(下文中均如此,且字母僅對對應部分有效)。

圖4 升降機構運動模型

由于BE=CD,所以FED桿做平移運動,所以F點與E點在x方向的位移大小相同,即AF與EB在x方向的投影變化量的絕對值相同,由此可得:

EBx-EBcosa1

(1)

以L1表示a1,解得:

(2)

其中:

(3)

由此可得,床升降高度:

h=EBsina1+382(其余固定部分高度)

(4)

對h求二階導數即可獲得加速度d。

根據人機工程學,可以初步確定一些與人體尺寸、機構運動相關的參數[12],并在此基礎上進行優化,得到優選參數。升降機構優選參數如表2所示。

表2 升降機構優選參數

根據機構模型分析及優選參數,計算得到助老電動床升降機構位移和加速度。電動床抬升位移和加速度曲線如圖5所示,下降曲線類同。

圖5 升降機構運動學曲線

由圖5可知,升降機構初始高度為600 mm,可在25 s內完成抬升或下降,距離為110 mm,最大加速度約為0.38 mm/s2,運行平緩,人體感覺舒適,符合針對老年人的設計要求。

2.2 起背曲腿機構運動學模型分析

許多老年人在起身或入睡下躺時,都存在著或多或少的困難。在躺下的過程中,由于沒有支撐背部的物體,老年人很難控制力度,有時背部直接栽倒在床上,難免會出現一些損傷[13]。因此,設計了圖6所示的起背曲腿機構,可以在老年人躺下或起身的時候,給予其足夠的支撐力,幫助老年人順利、輕松地完成起身及躺下的動作。在起背的同時,腿部連桿隨之轉動,幫助老年人落腿,使老年人更快捷地下床。

圖6 起背曲腿機構

起背曲腿機構運動模型如圖7所示。

圖7 起背曲腿機構運動模型

EBx-EBcosa1

(5)

以L2表示a2,解得:

(6)

其中:

(7)

由此可得,床起背落腿時的角位移為:

b2=a2-a0(ED桿與x負方向初始夾角)

(8)

對b2求兩階導數即可獲得加速度α2。

起背曲腿機構優選參數如表3所示。

表3 起背曲腿機構優選參數

根據機構模型分析與優選參數,計算分析得到的起背曲腿機構運動曲線如圖8所示。

圖8 起背曲腿機構運動曲線

由圖8可知,起背曲腿機構可同時實現起背和曲腿,最大角度為71°左右,老人基本處于坐姿,可方便娛樂或下床。機構運行時間為12 s,最大角加速度約為0.027°/s2,運行平穩。

2.3 翻背機構運動學模型分析

當自理能力較差的老年人睡在床上時,僅憑自身力氣很難完成翻身動作,降低了老年人在床上的舒適度,長此以往老年人還容易患壓瘡[14]。圖9所示的翻背機構使這一難題迎刃而解,而且左右兩邊的背板都可以實現翻轉,老年人能輕松實現左翻或右翻。

圖9 翻背機構

翻背機構運動模型如圖10所示。

圖10 翻背機構運動模型

(9)

以L3表示a3,解得:

(10)

其中:

(11)

由幾何關系可知:CF與EC旋轉角度相同,設EC與x負方向初始夾角為c,則:

(12)

又因為,

(13)

所以,

EDxsinb3-EDycosb3=r

(14)

解得:

(15)

其中:

(16)

依次代入式(12)、式(10)便可獲得b3與L3的關系式,對b3求二階導數即可獲得加速度α3。

翻背機構左翻板優選參數如表4所示。

表4 翻背機構左翻板優選參數

根據翻背機構左翻板模型分析與優選參數,計算得到左翻板上翻運動曲線圖(圖11)。

圖11 翻背機構左翻板運動曲線

由圖11可知,左翻板可在0°至60°的范圍內運行,可達到輔助老年人翻身的作用,同時左翻板最大角加速度為0.034°/s2左右,運動平穩,設計合理。對于右翻板,其運動分析與左翻板完全一致。

3 助老電動床控制結構設計

根據助老電動床設計原理與功能需要,設計了一個控制系統。系統主要包括以下模塊:主控板,遙控模塊,手柄模塊,顯示屏,監護模塊等。主控芯片采用STM32微控制器。遙控模塊采用帶紅外功能的遙控器,可以對助老電動床進行自主控制。手柄模塊作為備用控制模塊安裝在床身側面,防止遙控器遺失時,無法操作。顯示屏可以顯示床正處于的狀態,方便遙控模塊或手柄模塊操作。監護模塊采用監測系統,系統包括攝像頭和手機,監護人可以在手機上實時查看老年人畫面,防止意外。助老電動床控制結構如圖12所示。

圖12 助老電動床控制結構示意圖

4 實驗與結果

根據前述設計與運動模型分析,綜合考慮強度、加工性能、經濟等因素,使用壁厚為2 mm的50 mm×25mm、50 mm×30 mm以及25 mm×25 mm三種規格的Q235空心方鋼管制作床的主體結構;選用優質木板制造床板,切割為五個板塊,分別支撐頭部、背部的左右部分、臀及大腿部以及小腿延伸至腳部分。翻背機構部分的連接軸及連桿等構件由鋁合金加工而成。各部分連接通過螺紋緊固件、銷連接、焊接等方法實現。參照市場上現有的醫用護理床尺寸[15],制作的助老電動床如圖13所示,實物尺寸為:200 cm×90 cm×(60～72)cm(長×寬×高)。

圖13 助老電動床實物圖

通過對實物進行測試實驗,結果表明:升降機構可實現床身高度的調節,方便不同身高的老年人上下床;起背曲腿機構實現了起背功能和曲腿功能的聯動,可任意調節角度,幫助老年人更自由地起身和上下床;翻背機構設計合理,僅利用一個推桿電機,實現了左右兩側翻背功能。并且,驗證了實物運作過程中位移量及加速度量,發現符合機構運動學曲線,證明了運動學模型分析的正確性,表明助老電動床運動平穩,適合老年人使用。

通過簡單的控制電路,實現了實物主要機構的高效運作。遙控模塊、手控模塊正常運作,監護人通過監護模塊可以清楚地在手機上實時查看老年人畫面。

助老電動床實物相關參數已由當地相關檢測部門進行檢測,測試報告結果表明助老電動床符合設計要求。

5 結論

從當下社會老年人實際需求著手,設計了一種翻背式助老電動床。電動床包括升降機構、起背曲腿機構和翻背機構。機構運動學模型分析與實物驗證充分表明,助老床結構穩定、運動平穩、設計合理,滿足老年人需要。通過控制結構實現整床的高效運作,同時監護模塊可以時刻關注老年人起居狀態。