一种可分离的多功能助老床结构设计

麦智鹏 杜凯强 刘雨达 洪郭彬

（厦门大学嘉庚学院 机电工程学院，漳州 363000）

随着我国社会经济的迅速发展，人口老龄化已成为我国极为严峻的社会问题[1-2]。截至2020年11月，我国60岁以上老年人口数量已达2.64亿，占总人口数的18.70%[3]。随着年龄的增长，人们身体的各项机能会逐渐下降，从而造成行动迟缓或是不便的现象，甚至失去自理能力。这些老年人需要在子女或护工的照顾下才能实现起身、如厕、移动等[4]。

本文针对这一情况，设计出一种多功能助老床，用以解决行动不便或卧床老人的一些问题，帮助老人实现起身、如厕、移动等。与市面上的助老床相比，这款多功能助老床采用简易的机械结构，不仅能实现床厕一体，而且结构巧妙、成本低，能有效保障老人的安全。多功能助老床设计时应遵循的设计原则有功能合理原则、简洁性原则、安全性原则、易用性原则、共用性原则和主动性原则[5]。

1 多功能助老床的机械结构设计

1.1 助老床的机械结构组成

多功能助老床的机械结构主要分为母床和子轮椅两部分，其主要受力部分为支撑框架与底板的连接处以及4个支撑底座与支撑框架的连接处，模型如图1所示。其中，4个支撑底座受力均匀，取其中一个进行受力分析可得，床体床架可采用强度足够的45钢[6]。

本设计的床体床架均采用足够强度的不锈钢材料，通过焊接工艺进行连接。其中，床板采用多板块结构设计和高强度的活页连接，且在主要承重部位加装了加强钢板保证床板的结构强度。对于床体的结构设计，采用了床椅一体化结构，可实现床椅的分离与拼接。母床可以实现上下床、起身与躺下等功能，子轮椅可以解决移动、如厕等问题。

子轮椅对接母床的一侧设置有与轮椅对接的磁吸机构，通电则吸合，不通电则松开。同时，轮椅上也设置有与之配合的磁铁管。当老人或患者不需要使用轮椅时，可通过遥控器把多功能护理床上的磁吸机构收回。多功能护理床床架底下固定，以免妨碍医护人员开展护理工作。当要用到轮椅对接时，只需把轮椅移到相对应的位置，使其接触吸合，这时轮椅与多功能护理床融为一体，可固定不动。老人或患者在自己站立转身、从坐在轮椅上转移到多功能护理床上或者从多功能护理床转到轮椅上时，无需医护人员的帮忙，减轻了医护人员的负担。

1.2 母床结构设计

1.2.1 抬背机构设计

助老床的抬背机构主要由滑轨、滑块、滑轨转向头、推杆、齿轮齿条结构以及步进电机A组成，如图2所示。其中，步进电机A和推杆分别固定在电机固定块和推杆固定块上，推杆的一端与滑块相连。当步进电机A启动时，电机转动带动与其相连的齿轮结构。电机相对于地面保持静止状态，通过齿轮传动带动与其相连的推杆，进而带动滑块在其相应的滑轨上运动形成一定的角度。当达到适当距离时，由于步进电机A有自锁功能，能够停止抬升或落下，从而保证上床板稳定在舒适的位置。当老人想要下床时，可以先依赖起卧模块呈现坐起状态，然后撑住子轮椅扶手，借力起身实现由坐姿转为卧姿或者卧姿转为坐姿的结构改变。整体抬升机构采用双推杆对立呈双八字型机构，且向内收缩，在提升稳定性的同时节省空间。在抬升过程中，双电机两侧同时抬升，解决了局部受力不均匀的问题，同时解决了在抬升过程中水平方向上的位移偏差。推杆推力为1 000 N，推杆总长度为900 mm，由步进电机A带动齿轮齿条传动将推杆往上推起时，共用时100 s，由试验测算出推杆伸缩速度为9 mm·s-1。另外，为避免出现死点位置，旋转架的旋转角度应小于70°[7]。

1.2.2 导轨机构

助老床的床体可分成母床和子轮椅两部分，母床配有定向导轨，子轮椅和母床之间通过导轨确保对接及分离的准确性和稳定性。在床体结构分离及拼接时，采用这种结构能够减少由于对接所造成的机械结构滑动及振动，从而减少对老人身体的创伤。导轨机构三维图如图3所示。

1.3 子轮椅设计

1.3.1 抬腿机构

抬腿机构三维图如图4所示，主要由步进电机B、连杆1、连杆2、连杆轴以及连杆架组成。其中，步进电机B与子轮椅中座椅底部相连，另一端与连杆1相连，连杆1一端连接连杆2，另一端通过连杆轴与连杆架相连，进而与曲腿板相连。该机构采用电机转动带动连杆机构运动将两侧抬升，从而实现腿部由平放状态转换成屈膝状态，腿位调节范围可达90°。该机构工作时，通过遥控器调节电机反转，实现从平躺状态转换成坐姿状态，同时通过控制电机正反转，实现腿部由平放状态转换成屈膝状态。此外，可通过遥控器控制电机转动实现整体上升，以便调节到适宜的高度。

1.3.2 如厕机构

如厕机构主要由齿轮、齿条、轮椅滑板、轮椅滑板固定滑道、轮椅滑板滑轨和永磁交流同步电机C组成。老人如厕时，通过电机与齿轮齿条结构的配合带动可移动轮椅滑板块在轮椅滑块固定滑道中定向运动，通过遥控器控制电机转动实现整体机构的横移，从而实现轮椅滑板的开启与关闭。当达到一定位置时，步进电机会自锁，从而达到开关作用。如厕机构设计如图5所示。

1.3.3 棘爪机构

棘爪机构主要由扶手、扶手连杆、靠背定杆和棘条组成。其中，靠背定杆上的棘爪通过靠背定杆与扶手连杆相连。通过调节靠背定杆的位置能够控制靠背倾斜度，同时调节挡位的增多能够使背框调节范围增大，从而为老人提供更多角度的靠背姿势选择。棘爪机构设计如图6所示。

1.3.4 刹车装置

刹车装置主要由手刹、刹车块、刹车片和刹车线组成。利用手刹能够将子轮椅速度调整到合适大小。刹车动力传递过程为先由手刹传递到刹车线，再由刹车线控制刹车块，最后由两侧刹车片将车轮夹紧，达到减速效果。刹车装置设计如图7所示。

2 助老床主要零部件的仿真

Simulation模块由有限元分析软件Cosmos works改名而来。为了体现设计和仿真一体化的解决方案，SolidWorks将仿真界面和仿真流程的Simulation模块直接嵌入到了SolidWorks的图形设计界面[8]。通过用SolidWorks Simulation对轮椅中间座椅进行静应力学分析，以此来验证设计方案的合理性与可行性。

分析过程中，中间座椅选用ABS材料，利用夹具将两侧夹紧后，在轮椅中间座椅加入外部载荷5 000 N，最后通过运行算例得出分析结果。中间座椅的应力分布图、位移变化图和应变云图分别如图8～图10所示。根据图8可以看出，轮椅中间座椅应力最大变形出现在座椅两侧，最大形变量为5.346×106Pa，明显低于对应材料ABS的许用应力值24.5 MPa，符合设计要求。根据图9可以看出，轮椅中间座椅位移最大变形出现在座椅中间部位，最大形变量为3.994×10-1mm，位移距离变化不大，符合设计要求。根据图10可以看出，轮椅中间座椅应变最大变形出现在座椅两侧，最大形变量为2.159×10-3mm，最大形变量处于材料的允许范围内，符合设计要求。

3 理论设计计算

设计的轮椅滑板所需拉力为50 N，轮椅滑板的径向速度需为0.23 m·s-1。根据电机工作的实际工况和功能要求，设计选用永磁交流同步电机[9]。

3.1 功率选择

确定电动机效率Pw可按式（1）计算：

式中：F为轮椅滑板所需拉力，取值为200 N；V为轮椅滑板的径向速度，取值为0.23 m·s-1；由于装置的工作效率还需要考虑齿轮啮合的效率、数据选择和其他误差的情况，因此取ηw=1。

将数据代入式（1），得Pw=11.5 W。

3.2 电动机的类型选择

电动机输出功率Pd的计算方式为：

为计算电动机负载所需要的输出功率Pd，要先确定电动机与工作负载之间的总功率η总。设η1、η2分别为闭式齿轮的传动效率（设齿轮精度等级为7级）和负载工作机的效率，查表得η1=0.98，η2=0.96，则传动装置的总效率η总为0.940 8。因此，电动机所需工作功率Pd为12.22 W。

考虑到误差关系，上述计算结果需要满足实际功率P≥Pd。按工作要求、工作条件查表选用电机的型号为60KTYZ，其数据参数如下：电机的额定功率为14 W；额定转速为50 r·min-1；电机轴的输出转矩T电机轴为2.33 N·m。

4 多功能助老床的控制系统设计

4.1 单片机的选择

本次设计选用STM32单片机。与传统51单片机相比，STM32单片机具有更多的功能，运算速度也更快。STM32单片机程序都是模块化程序，接口处简单且不需要太多的外围元件，具有实时性、数字信号处理快、低功耗和低电压等特点[10-11]。

4.2 多功能助老床控制流程

多功能助老床中抬背机构、抬腿机构、如厕机构均由STM32单片机控制。其中：抬背机构有抬起与下落两种功能，分别用3个按钮控制，按钮的功能分别为抬起、下落和暂停，可以让老人抬升或下落到舒适位置；抬腿机构具有抬腿和屈膝两种工作模式，同样由3个按钮控制，功能分别为抬腿、屈膝和暂停；如厕机构由2个按钮组成，能够利用电机正反转控制该机构的开启与关闭。控制系统原理如图11所示。

5 结语

本产品操作简单、使用周期长、成本相对较低，不仅可以应用于养老机构、医院等场所，而且能够解决当今社会助老龄化器材短缺问题，对于提高老年人的生活的质量和助老服务行业发展具有重要意义。