基于人体工程学的多功能护理床抬背机构的三维模型仿真设计

王学龙

【摘 要】本篇文章针对护理床的抬背机构，基于人体工程学提出了三种不同的方式来实现，并对其进行比较分析，从而选择出功能最为完善，且应用性最好的机构。在进行多功能护理床抬背机构设计时，首先对其预期功能进行了补充和完善，并在三维软件中建立了相关模型，完成了技术可行性分析，同时根据机械设计和机械原理来实现关键参数的采集和计算，利用 MATLAB来进行机构的运动仿真，确定了机构的运行方式，为进一步分析打下了坚实的基础。

【关键词】人体工程学；多功能；护理床；抬背机构；仿真

中图分类号： TS664.01 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0015-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.005

【Abstract】Targeting the back-lifting mechanism of nursing beds， in this paper， the author proposed three different methods on the basis of ergonomics and analyzed the methods through comparison， thus selecting the mechanism with the most complete functions and the best practicability. Upon design of the back-lifting mechanism of a multifunctional nursing bed， the author first supplemented and improved its intended functions， and established relevant models in the 3D software to complete technical feasibility analysis； in the meantime， the author realized the collection and calculation of key parameters in accordance with mechanical design and principles of machinery. Using MATLAB for motion simulation of the mechanism， the author further determined the operation mode of the mechanism， laying down a solid foundation for the next analysis.

【Key words】Ergonomics； Multifunctional； Nursing Bed； Back-lifting Mechanism； Simulation

0 引言

隨着社会经济的不断发展和人民生活水平的显著提高，我国平均寿命较十年前已有了明显的增长，但生活成本以及教育成本的不断提升使得人口出生率呈现逐年下降的态势，低出生率和严重的人口老龄化现象是我国当前所面临的主要社会问题之一。根据权威部门的统计信息可知，截至2017年底，我国60岁及以上老年人口有2.41亿人，占总人口17.3%，这在很大程度上说明我国已经迈入了老龄化国家，预计到2050年前后，我国老年人口数将达到峰值4.87亿，占总人口的34.9%。除了老龄化现象严重之外，我国还存在大量的伤残人士，社会中的功能障碍群体是社会发展和建设中不可忽略的部分，因而需要满足他们对护理床的功能需求。针对上述问题，护理床受众主要是生活不能自理的老年人或残障人士，在护理床中加入了坐便器模块，能够有效解决起身难的问题。本文基于此设计了一种新型的护理床抬背机构，能够完成患者的抬背、翻身以及坐立等功能，并在此基础上添加了坐便器模块，可实现患者的大小便自理，有效减少了回来人员的工作强度，同时对于患者而言也十分简便安全，该抬背机构在设计之初考虑了不同使用群体在日常生活中的各种需求，可实现肢体的辅助性锻炼，结构安全可靠。

1 抬背机构方案设计

经过调查研究发现，若人体长时间处于平躺状态会对背部造成很大压力，长期未进行有效活动会导致肌肉萎缩，对人体各器官也具有一定的损害，当前临床上主要运用人工的方式帮助患者进行抬背户或翻身，护理上的抬背功能有利于患者身体状态的恢复，同时也能够提高患者的舒适感。本文设计了三种方案来进行护理床抬背机构的设计，运行结构需要满足的前提是具备较强的安全性以及运动平稳性。

（1）根据图1中的机构简图可知，该抬背机构的自由度为1即该机构只有一个原动机按，具备确定的运行形势。该机构安全方便，易于实现，且具备较好的安全性，传动效率较高。

（2）根据图2 可知，该机构为四连杆机构，且自由度为1，即该机构只有一个原动机按，具备确定的运行形势。该机构具有结构简单，行程较大等诸多特点，在滚轮和背板之间的连接为高副连接，但其对空间尺寸要求较为苛刻。

综合是哪个可知，方法1中设计的抬背机构具有结构简单，功能性强、具备一定的可靠性等诸多优势，因而在护理床的设计中采用此机构形式。机构的驱动件均为电动件。如图4所示。

2 电动推杆控制电路设计

电动推杆控制电路的控制模块主要是继承芯片BTS7960B，该款芯片功率较大，能够实现过载保护。根据原理图3所示，使用两块芯片的连接可自称全桥电路，因而可实现电动推杆的长度变化。 控制端口与单片机相连，推杆的运行受单片机控制。

3 机构的运动计算和仿真

抬背机构简化后，如图5所示。

经过数学分析以及运动学分析可知：

该机构能够实现的抬背角度上限为80°，在从最低角度上升到最大角度用时共 25s，在此期间内推板始终保持匀速运动。由此可根据相关公式推出：背部床面以活页为中心进行转动的角速度大小为 ù=3.2°/s=0.0559rad/s，代入相关参数可得如图 5（a）所示，当床面匀速转动时，推杆的负载也会随着人体重心位置的改变而发生变化，在该状态下进行分析，整个床面重心位于床面的中心线上，取动态变化的重心与合页的距离为R，取 R=220mm，G=900N，则可求出整个床面的重力势能在单位时间内的变化量：dw=Gdh=GRùcosùtdt

将各参数值代入，可得到负载随时间变化的曲线为图6（b）所示。

从图中的曲线可看出，推杆在6秒时负载最大，因而选取该时間节点为分界点，在该时间节点之间负载处于匀速增大状态。在6秒之后，床面负载会减小，因而理论速度会增大，为了使使用者不产生不舒适之感，因此需要知道负载和速度之间的变化量。

从图中的曲线可看出，推杆在6秒时负载最大，因而选取该时间节点为分界点，在该时间节点之间负载处于匀速增大状态。在6秒之后，床面负载会减小，因而理论速度会增大，为了使使用者不产生不舒适之感，因此需要知道负载和速度之间的变化量。

经过对电动推杆的分析可知，可以通过控制推杆输入平均电压来实现推杆的运行，电压的递减速率约0.48V/s，这是实现近似匀速的最优参量。

4 结论

本篇文章针对护理床的抬背机构，基于人体工程学提出了三种不同的方式来实现，并对其进行比较分析，从而选择出功能最为完善，且应用性最好的机构。在进行多功能护理床抬背机构设计时，首先对其预期功能进行了不潮红和完善，并在三维软件中建立了相关模型，完成了技术可行性分析，同时根据机械设计和机械原理来实现关键参数的采集和计算，利用 MATLAB来进行机构的运动方正，确定了机构的运行方式，为进一步分析打下了坚实的基础。

【参考文献】

[1]Her I，Midha H. A Compliant Number Concept for Compliant Mechanisms and Type Synthesis [J].Journal of Mechanisms，Transmissions，and Automation in Design，Trans.ASME，1987，109（3）：348-355.

[2]余跃庆.柔顺机构学[M].北京：高等教育出版社，2007：1-3.

[3]吴鹰飞，周兆英.柔性铰链的设计计算[J].工程力学，2002，19（6）：136-140.（Wu Ying-fei，Zhou Zhao-ying. Design of flexure hinges[J]Engineering Mechanics，2002，19（6）：136-140.）

[4]陈贵敏，刘小院，贾建援.椭圆柔性铰链的柔度计算[J].中国机械工程学报，2006（42）：111-115.