医用辅助倒立—定位夹紧病床的设计

汪亦寒 刘明阁 杨兴进 刘李林 王 远

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.云南建投机械制造安装工程有限公司，云南 昆明 650120）

0 引言

医用床是能承载患者，协助患者调整体位，促进患者康复，方便理疗人员实现治疗操作过程的一种设备，主要在各大医院、社区服务中心、私人理疗会所等使用。

目前市场上的医用床主要分为手动医用床、电动医用床和床板三大类，也存在一些兼具特殊功能的医用床，如家居理疗床、烫伤床、带便盆医用床和超低三功能电动床等。但目前市面上的医用床或护理床都是以协助病患起身、平躺为主要功能展开的研发，如可分离的多功能助老床、联动式护理床和模块化多功能护理床，都没有协助患者倒立、定位、夹紧固定等功能。

已有研究表明，倒立能协助某些医疗过程取得理想的临床治疗效果。如：广西来宾市武宣县中医院采取半倒立俯卧位，ESWL治疗后尿道结石，可让冲击波自耻骨联合上经充盈的膀胱斜射向膀胱颈至后尿道，聚焦于结石上，以中等冲击功率即可碎石，并且定位准确，移动方便，比原位ESWL治疗后尿道结石取得的临床效果更加令人满意。福建省泉州市光前医院对单纯性肾下盏结石患者应用体外碎石后，辅助倒立体位排石，可明显提高结石排净率，且简便易行。

可见，采用倒立体位协助某些理疗或医疗过程可取得有益效果。但病患或理疗者倒立后难以自行控制与维持身体平衡，理疗或医疗过程中，必须有辅助医用设备才能长时间维持倒立状态，因而亟需研发具有夹紧、定位功能的倒立式医用床，以在一定程度上解决这一难题。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

本设计的医用辅助倒立病床主要由床板2、推杆电机9和床架1等组成，总体结构示意图如图1所示。其中床架1主要由交叉式电机支撑杆11、床板支撑框10、4根立腿12和4个万向轮8等组成，推杆电机9一端连接在交叉式电机支撑杆11上，另一端支撑在床板2上。左/右侧护板7/3、左/右护肩5/4安装在床板2上，构成床框。床架1与床框采用铰链6连接形成转动副，以使床框可绕床架1一端在一定角度范围内翻转。左/右护肩5/4及左/右侧护板7/3采用丝杆传动机构，由电机带动可实现上下升降。床板上可以附设安全带，以进一步协助固定医疗过程中的患者。

该医用辅助倒立病床在床框未翻转状态下的长、宽、高分别为1 800 mm、800 mm和640 mm，可供身高低于1 900 mm、体重小于110 kg的患者使用，能满足绝大部分患者需求。

1.2 工作原理

图1所示位置为患者平躺，床框处于一定角度的翻转状态。

使用前，床框位于水平位置，左/右侧护板7/3、左/右护肩5/4位于床板2之下。

使用时，先让患者按照所需体侧位躺于床板2上。

当患者需要倒立、仰卧平躺体位时，让患者仰卧平躺于床板2左右侧的居中位置后，先升起左/右护肩5/4，让患者肩部抵靠在护肩上，再升起左/右侧护板7/3，之后使护板横向移动，直至抵靠在人腰部附近的两侧。左/右护肩5/4、左/右侧护板7/3移动到位，系上附加安全带后，开启推杆电机9，驱动床框绕铰链轴翻转至医疗过程所需角度，患者此时便处于一定角度的倒立状态，以协助需倒立辅助治疗的过程。

倒立、平卧位治疗结束后，反向开启推杆电机9，使床框绕铰链轴反向翻转，放平床框，再下降左/右护肩5/4、左/右侧护板7/3与床板平齐，卸下附加安全带，此时患者便可离开医用床，结束平躺、倒立体位的治疗过程。

当患者需要处于倒立、右侧卧位时，让患者右侧卧于床板2上，单边升起右护肩4、右侧护板3，使患者侧躺时的下肩抵靠在右护肩4上，后背抵靠在右侧护板3上，系上附加安全带后，开启推杆电机9，驱使床框绕铰链轴翻转至治疗过程所需角度，患者此时便位于一定的倒立角度、右侧卧体位，待治疗过程结束后，反向开启推杆电机9，放平床框，下降右护肩4和右侧护板3与床板2平齐，卸下安全带，此时患者便可离开医用床。

患者需要倒立、俯卧平躺时的操作流程与倒立、仰卧平躺时相同。需要倒立、左侧卧位时与倒立、右侧卧时相似，只需单边升降左护肩和左侧护板即可。

2 医用辅助倒立病床主要部件的设计

2.1 护肩机构

两个护肩采用丝杆传动机构控制其升降，丝杆机构采用直流电机驱动。丝杆采用梯形螺纹传动螺杆1，螺距2 mm，螺纹外径16 mm，设置移动距离100 mm，护肩3安装在移动导槽2中，其结构示意图如图2所示。

护肩3外形长120 mm、高120 mm、厚30 mm，其内加工与传动螺杆相旋合的内螺纹孔。直流电机采用联轴器安装在传动螺杆1下端，并固定在床框上的专用安装板上。

工作时，直流电机驱动丝杆转动时，护肩3只能在移动导槽2内做升降运动。护肩升起支撑肩部时，升起高度超出床板平面90 mm，此高度低于单侧肩膀宽度与厚度，即患者处于平躺、侧卧位时，均能达到护肩并支撑患者的效果，保证患者处在倒立位置时不会沿着床板面下滑，起到了定位与固定的作用。护肩的升降通过控制直流电机的正反转来实现，同时设置限位开关，达到限位预定升降高度后，限位开关发出信号，控制电机停止工作，从而确保在工作过程中护肩能处在所需的位置。

2.2 护板机构

护板的升降与左/右移动传动原理如图3所示，该传动机构由垂直相交的两组丝杆传动机构组成，丝杆传动采用与护肩传动机构相同规格的梯形螺旋传动机构。护板外形长300 mm、高120 mm、厚30 mm，长度两端设计为半圆柱形，顶端棱边倒圆，以免使用过程中划伤患者。

护板1内加工与升降螺杆3相旋合的螺纹，升降螺杆3的另一端采用联轴器与直流电机连接，滑块4与升降螺杆3之间形成间隙滑动配合，同时也起着支撑升降螺杆3的作用。滑块4与水平移动螺杆5形成丝杆传动机构，滑块4与水平移动导槽6形成间隙滑动配合，水平移动螺杆5的另一端采用联轴器与直流电机连接。两直流电机都固定在各自的专用安装板上。

工作时，先开启升降螺杆3直流电机，驱动其转动，把护板1升到预定高度后，再开启水平移动螺杆5直流电机，驱动其转动，推动滑块4在水平移动导槽内移动，从而把护板1推动到预定位置。护板1上安装上下、左右位置限位开关，当护板1运动到与身体接触时，位置开关发出一个信号，切断直流电机电源，使两侧护板以预设压紧力紧靠在患者身体两侧，达到定位、夹紧作用，保证患者在整个倒立辅助医疗过程中不会发生身体侧翻等意外。

2.3 主推杆电机的安装与选取

主推杆电机指推起床框绕铰链转轴翻转一定角度的电机，参照陈磊等人的多功能护理床主推杆电机的安装设计要求，其安装尺寸如图4所示，床框翻转一定角度θ时的位置为图中双点划线所示，图4中点O代表床框与床架铰链连接的转动副，点A、B分别代表主推杆电机底端与床架、顶端与床框铰链连接的转动副。设计中翻转角θ设定在0°～50°，此角度范围能满足绝大多数需倒立辅助医疗过程的需要。

当转角为θ时进行受力分析，由余弦定理有：

由正弦与余弦关系可得：

受力分析时，忽略各转动副摩擦和主电机推杆自身的质量，可把工作过程中主电机推杆AB视作二力杆。同时，床框与患者对转轴O的合力作用点取距点O为300 mm处，并对点O取矩，可得电机推力F和力G之间的关系：

300G×cos θ=500F×sin∠ABO

代入数据可得：

考虑现实中大部分患者体重小于110 kg，设计中床板、护肩与护板等总重小于40 kg，取重力加速度为10 N/kg。在Matlab软件中对算式（1）求值，得到主电机推杆受力F与转角θ的关系曲线如图5所示，随着转角θ在0°～50°范围内增大，力F减小，转角θ=0°时，最大值约为1 212 N。取安全系数1.5，得主电机推杆推力应大于1 818 N。故选取推力为2 000 N、速度为5 mm/s、电压24 V的直流推杆电机。依据安装要求和最大转角θ=50°计算，推杆行程应大于326 mm，取行程335 mm。推杆电机行程大于300 mm时，其安装尺寸一般为行程距离加210 mm，故此设计的最小安装长度为545 mm，小于设计初始安装长度560 mm，可以进行安装，设计合理。

3 结语

该医用辅助倒立病床设计可协助患者处于不同体位、以一定角度倒立，并固定患者，使患者在整个需倒立辅助治疗的过程中不会发生体位改变与下滑，能保证患者在全治疗过程中的安全。希望本设计能为相关领域的设计提供一定的技术借鉴与参考。