可移動坐臥兩用半失能老人護理床設計

摘 要：本文針對半失能老人的護理需求和自主參與日常活動的心理訴求，設計了一款多功能護理床，采用床椅一體化結構，搭載多種類型的傳感器和微控制器，除滿足日常護理需求外，還能幫助老人完成更多的自主活動。該護理床搭配伸縮推桿和基于ROS（Robot Operating System）的機器人移動底盤，多端可控，在安全的前提下為老人提供盡可能多的操作空間，并使用JACK軟件的人因工程仿真和實物控制檢驗。該護理床具有安全性和舒適性，可滿足半失能老人的使用需求。

關鍵詞：智能護理床；半失能老人；智能化控制；ROS

中圖分類號：TH 122" " " " 文獻標志碼：A

我國人口老齡化現象正從深度老齡化邁向超級老齡化，隨著老齡化程度持續上升，失能、半失能老人數量不斷增加，與之對應的護理服務需求激增，全社會面臨前所未有的壓力[1]。護理床是老年人護理的關鍵保障設備之一，其更新發展刻不容緩。

目前，在護理床的使用人群中，半失能老人比失能老人人數占比更多且具有一定的身體自控能力，有比較強的獨立自主參與日常活動的心理訴求[2]。而現階段的護理床幾乎都是針對失能老人設計的，很難找到針對半失能老人設計的護理床[3]，面向半失能老人護理床方面的研究方興未艾。本文針對半失能老人的生理需要和心理訴求，設計了一種適用半失能老人的可移動坐臥兩用多功能護理床。該護理床以移動機器人為底盤，采用床椅一體化設計，既滿足半失能老人的實用需求、保障其安全，也能有效降低家屬的護理勞動強度。該型護理床結合人工智能、物聯網和智能硬件等技術，具有較好的社會效益和市場推廣價值[4]。

1 總體結構設計

綜合考慮人體工程學原理，可移動坐臥兩用護理床總體設計方案如圖1所示。床體根據人體結構分為4個部分，即床頭部分（8）、床身部分（11），床尾部分（5）和踏板（4），并輔以周邊擋板，保障使用安全。為保證老人在使用過程中的舒適度，該護理床采用床頭、床身和床尾三段式設計，每一段均可獨立調節。該結構符合人體的自然曲線，能提供更舒適的支撐，尤其是在長時間使用的情況下，能夠有效減少壓力點和不適感。

在圖1所示的總體結構設計方案中，針對半失能老人的特殊護理需求，床體采用坐臥兩用的可變換設計，能夠實現從坐姿到臥姿的無障礙轉換。床頭部分可輔助老人起身、平躺和倚靠，床尾部分可支撐身體和輔助下床。為保證坐姿的穩定性，該護理床設計了放腳踏板。為避免單根推桿推動受力不均的問題，由2個電動伸縮推桿（構件3與9，共4個）分別連接床體的5號板和8號板，推動5號、8號板完成坐、臥姿態的變換。

在坐姿狀態下，床頭部分（構件8）上升，為老人提供充分的背部支撐，保證老人能穩定、舒適地坐立。床身部分（構件11）保持水平，提供軀干和下肢的堅實承托。床尾部分（構件5）適度上升，以支撐雙腿并防止滑動，踏板（構件4）在此狀態下增強了坐姿的穩定性與安全性。在躺姿狀態下，床頭部分（構件8）逐步放平，床身部分（構件11）與床尾部分（構件5）根據人體自然曲線展開，形成一個平坦的睡眠表面，提供全身均勻的支撐和舒適感。電動伸縮推桿的精確調節機制與限位開關的使用能保證狀態轉換過程中的平穩與無障礙，實現無縫過渡。這一設計不僅優化了老人在不同狀態下的舒適度，還便于護理人員根據具體需求進行靈活調整，從而顯著提高護理效率與安全性。

圖1中的桌板（構件6）可滿足老人的日常使用，例如進食、閱讀和使用其他設備等，同時床身下方平臺用于置物。推桿、底盤機器人、控制器組成了護理床的運動結構，可利用手機App控制床體的移動。輪子采用麥克納姆輪，可以自由轉向，老人在護理床上由臥姿變換為坐姿時，可以操縱護理床快捷地移動。坐、臥姿態如圖2所示。

2 控制系統設計

可移動坐臥兩用護理床的控制系統綜合使用物聯網、傳感器和無線通信等技術，主要進行護理床姿態控制、移動底盤的平穩移動、環境與體征的監測以及與終端系統使用交互，其功能模塊如圖3所示。

護理床控制系統架構如圖4所示。系統核心為主控芯片，該芯片接收來自手機App、按鍵板和PC端的指令。在傳感器獲取信息的輔助下，能夠精準控制床體的姿態變換和移動。

環境監測模塊采用DHT11溫濕度采集芯片。該芯片將采集的模擬數據進行校正和濾波，再發送到主控芯片的模擬引腳上，經A/D轉換為數字值。這些數字值由主控STM32芯片發送至PC端。系統還集成了光電測距傳感器，用于實時檢測周邊空間，保證床體在伸展過程中不會與周圍物體發生碰撞。傳感器檢測到的距離數據會轉化為高、低電平信號，由主控芯片判斷是否符合伸展的空間要求。這一機制增加了床體操作的安全性，可防止潛在的碰撞事故。

移動控制模塊將4個麥克納姆輪（脈輪）作為主輪，輔以4個萬向輪增強支撐結構。與傳統差速轉彎相比，這種輪式結構具有多個優勢，其緊湊的設計適合于空間限制大的場所，能夠實現原地旋轉，具有更自由的轉向能力，可保證床體在狹窄且轉彎頻繁的環境中能夠靈活移動，結合比例-積分-微分（PID）[5-6]控制策略，該系統能夠在運行過程中達到最大的穩定性。該轉向系統在復雜環境中的優越性能如圖5所示。

護理床的起臥功能由2組成對的電動推桿實現，頭尾兩端獨立控制，允許使用者調節至個人感覺最舒適的位置。電動推桿的控制基于TB6600驅動器和STM32控制板的協同作用。在工作環境下，TB6600驅動器將STM32控制板輸出的脈沖信號轉換為電動推桿所需的精確驅動力，在共陰極接法下，系統更穩定，兼容性更好。利用STM32控制板對TB6600驅動器輸出的信號進行控制，從而準確控制電動推桿的速度、運行方向和位置。推桿限位控制的引入可保證推桿在運動過程中不超出預設范圍。

系統的控制優先級依次為PC端、APP和按鍵板。按鍵板的中心按鍵具有自鎖功能，以防止誤操作。移動設備端可以利用藍牙連接并使用App將控制指令發送至主控芯片，從而遠程操控護理床，滿足家屬或護理人員的遠程控制需求[7]。

在實際使用中，App與按鍵控制均采用長按式控制方式，按下與松開可分別發送2個不同的指令，以進行精確控制。當按下按鍵時，系統會接收并處理一個初始控制指令，激活相應的功能模塊。保持按住狀態可持續發送該指令，使系統維持激活狀態，并在滿足運動的條件下進行預定操作。當松開按鍵時，系統會接收并處理一個終止指令，停止當前操作并返回初始狀態。

本文在設計中還引入了ROS（Robot Operating System）。ROS采用Linux設備進行搭載，可與主控芯片相互通信。ROS提升了護理床的智能性和自主性，能為老人提供更好的服務，其主要技術優勢體現在以下3個方面。1） 定位與避障。激光雷達用于收集周邊環境的信息，以點云形式傳輸數據，達到使機器識別周圍環境的目的。在該基礎上，搭配SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法，確定自身位置，并自主導航到指定位置，避免障礙物的碰撞[8]。2） 遠程控制與檢測。基于ROS的護理床可以連接手機App或電腦端，進行遠程控制和監控功能。家屬或護理人員可以通過App遠程控制床的姿態調整，監測老人的實時狀態和生理參數，及時了解老人的周身狀況。3） 功能拓展。ROS支持更多交互功能，例如查詢天氣、播放語音等，并能結合機器學習和數據分析技術，分析收集的信息，提供個性化的護理建議和健康管理。

3 試驗仿真

為保證該護理床設計滿足半失能老人的具體需求，本文采用JACK軟件進行人體工程學分析。相關研究指出，半失能老人常因長期受力導致第四腰椎（L4）與第五腰椎（L5）受損，進而引發腰腹和下肢疼痛等問題[9]。因此，分析的重點為模擬病患的下背部受力情況。

在分析過程中，選取一名成年男性（身高176cm，體重78kg）作為仿真對象，主要考察護理床在不同姿態下對人體下背部的支撐效果。采用模擬分析，詳細觀察并評估護理床對關鍵脊椎區域的支持和壓力分布，保證護理床能夠為半失能老人提供必要的支持，減少長期臥床帶來的不適和潛在健康風險。仿真對象在護理床上的具體姿態如圖6所示。

坐姿和躺姿下L4和L5腰椎的具體受力情況分別如圖7、圖8所示。分析結果顯示，在這2種姿態下，腰椎承受的壓縮力為700N～900N，同時伴隨的滑移力相對較小，遠低于美國國家職業安全衛生研究所（NIOSH）規定的安全標準值。

肌肉受力仿真結果分別如圖9、圖10所示。仿真結果指出，無論是平躺還是靜坐狀態，腹部尤其是腹直肌是主要的受力部位。躺姿時腹直肌的受力可達近500N，這種力量水平可能導致使用者有疲勞感。因此，盡管該護理床的機械結構設計基本上滿足了人體工程學要求，但是在長期使用的舒適性方面還存在改進空間。為了減輕腹部受力帶來的不適和疲勞，本文在護理床床身的設計中加入可額外的墊材，以提供更好的支持和減震效果[10]。

4 結論

智能護理床綜合應用多種技術，顯著降低了護理人員的工作強度，緩解了失能老人臥床時的心理壓力。本文針對半失能老人的日常生活需求和基本護理需求，設計了一種床椅一體化的智能護理床，兼具移動、監測和使用者自主控制的特點。利用物聯網技術實現了信息采集和實時可視化，同時具備靈活的移動系統、安全的多傳感器判斷以及多端控制功能。樣機表現出穩定的結構和良好的控制效果。該護理床在使用上符合預期標準，滿足設計目標。

參考文獻

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[10]趙芳華，孫惠東，關玉明.基于JACK虛擬仿真分析的介助老人護理床人機工程學設計[J].包裝工程，2020，41（24）：30-39.

通信作者：杜雷（1966-），男，河南周口市人，博士研究生，副教授，研究方向為機械設計、CAD/CAM。

電子郵箱：408787189@qq.com。

基金項目：浙江省國家級創新訓練項目“半失能老人多功能護理床開發”（項目編號：202110350044）。