辅助老人起居支架设计

赵纪卓 陈鸿跃 万宏强 薛焱丰

（西安工业大学机电工程学院，陕西西安 710021）

近年来，随着我国逐步迈入老龄化社会，人口老龄化问题也日趋严重[1]。根据人口普查结果显示，60 岁及其以上人口接近1.78 亿人，占总人口的13.26%，并以每年3.3%的速度增加，并且这种发展趋势在短时间内不会缓解[2]。第十九次全国人大代表会议指出，加强人口发展战略研究，严阵以待应对人口老龄化问题，建立完善养、孝、敬老的社会体系，鼓励发展相应的老龄事业和产业。由于社会压力等问题，一部分年轻人不能全身心照顾老人[3]，空巢老人独自起居存在摔倒、滑倒等安全隐患[4]，对老人身体机能造成较大伤害。因此多功能辅助老人起居支架应运而生，旨在优化老人居家自理环境，减免老人因腿脚不便而造成的上下床困难等问题。

本设计针对性解决老人独自起居困难，辅助老人上下床以及实现轮椅与起居床的对接，独自完成轮椅到起居床的转换。本文从结构、工艺性能以及实用性等方面设计一种能够给予老人上下床的便捷与保障的辅助起居支架。对关键元件进行有限元分析[5]，确保机构在运行中拥有足够的强度和刚度。

1 起居床的总体结构设计

该起居支架通过实现床板的自动升降，辅助独居老人上下床及坐姿和卧姿的转换，其整体的三维模型如图1 所示，起居支架的主体框架由夹持机构、传动机构、抬腿机构和固定机构组成。整个多功能起居支架的夹持机构由底板和夹具组成，抬腿机构由四杆机构和抬腿板构成，传动装置由电机带动曲柄进行旋转实现活动板的自动升降。使用时，根据调节可控开关来实现电机带动运动杆实现回摆，并调节转动的快慢，按下反向开关，可以实现杆件反转，此时老人可以通过抬腿板的升降实现上下床。

2 起居床主要机构设计

2.1 传动机构的设计

传动机构由减速电机和曲柄机构构成，通过控制减速电机的丝杆带动曲柄连杆进行回摆运动，电机丝杆与驱动杆相连，丝杆带动曲柄连杆进行回摆，进而带动活动板的自动升降，完成轮椅与床板的对接工作。

2.2 夹持机构的设计

起居支架的夹持机构由两侧夹具和底板构成，两侧夹具通过螺栓固定于底板件第一层构成夹持机构。当四杆机构作回摆运动时，老人可以手持两侧夹具挪动身体，进而实现坐卧姿的转变。

3 起居床部件的设计

3.1 底板尺寸的设计

活动的底板应满足医疗护理方面的相关尺寸要求，且支撑结构应满足强度要求。根据YY0003-1990《病床》的有关规定[2]，并参考市场上护理床相关尺寸和设计目的，杆件与底板的重量不能超过1kg，载重不能超过80kg，所设计的底板总体尺寸长为600mm，宽600mm，高100mm。

3.2 底板的结构设计

底板设计为两层机构，可以节省成本同时提高整体结构的稳定性，考虑到整体结构的装配要求将电机和连接杆件放置在第一层。底板的三维模型图如图2 所示。

图1 整体的三维模型

3.3 支撑杆的设计

如图3 所示为起居支架的运动杆件，图中支撑杆EF、连架杆AD 和底板CF 组成三角结构以提升运动结构稳定性。根据起居床的设计要求，设EF=DF 且∠ADF=80°，支撑杆EF 为1015mm。

图2 底板的三维模型图

3.4 连杆机构的设计

如图4 所示的连杆机构的三维模型图，由连架杆和活动板构成，杆件和活动板通过螺栓连接。其在工作时由电机带动实现回摆运动，同时作为主体框架配合支撑杆起到支撑作用。经调查，市面上多数平板床件，其底板距地面H=340mm,考虑到最终四连杆受力情况，则在AD 中间放置支撑杆EF，起到增力的效果。则由勾股定理：

根据AB=600mm，DC=400mm，则AD+DC≤AB+BC 则存在曲柄。

图3 机构简图

图4 连杆机构的三维模型图

3.5 电机型号的选取

传动机构采用可调式交流电机传动，通过电机转动带动曲柄进行旋转。老人体重以70kg 计，身高以170mm 计，小腿占体重的约10%，小腿长约为身高的20%，起居床需将小腿抬高340mm，需做功23.8 焦耳，以转速4 转/分，抬起时长4s，所需功率5.95w。据此选定68KTYZ 型号电动机，其基本参数为额定转速2.5 转/分，额定功率为120W，额定电压220V。

4 关键部件的校核

起居支架在工作时，电机带动曲柄做回摆运动，此时连架杆在工作行进过程中，主要受到轴向压力与弯曲应力。老人小腿置于活动板上，板面受力可看为重力作用下的分布力，板所受分布载荷约为300N/m，连架杆直径为6mm。行进过程中，连架杆承载弯曲应力与压应力的组合应力。

连架杆主要用来承受载荷，为了保证设计的可靠性和安全性，在以下的结构设计与校核计算终对以上参数上浮10%作为设计参考和校核，确保其的承载能力，从而延长杆件的使用寿命。通过Solidworks 软件对连架杆进行有限元分析，根据杆件在垂直状态和行进状态的受力分析，对整个杆件进行静应力分析，分析结果如图5（a）和图5（c）所示，判断出杆件与抬腿板和底板连接处所受应力最大，且最大受力为1.22MPa 和1.05MPa远处小于许用应力，满足强度要求；最后对杆件进行安全系数的分析，分析结果如图5（b）和5（d）所示，其安全系数均满足要求。因此，连架杆的设计满足设计要求。

图5 杆件的分析

5 实物搭建

通过对起居支架各个结构的设计分析以及关键部件的强度校核分析，分析结果均满足设计要求，现对起居支架各个结构进行实物搭建，如图6 所示。通过电机带动曲柄完成抬腿板的自动升降，辅助老人完成坐卧姿的转换，起居支架作为机电一体化产品，结构简单，操作便捷，为空巢老人的生活起居提供便捷。

图6 实物图及测试

6 结论

本文利用SolidWorks 软件对辅助老人起居支架的三维模型进行搭建并对起居支架的结构进行设计，提出了总体的设计方案，根据各个原动件的运动规律，确定各个机构的运动性能，从而验证各机构的合理性。最后，用SolidWorks 对其强度进行分析，通过对支撑件的受力分析可知，辅助老人起居支架的运动平稳性良好，床板受力均匀，达到预期设计要求。