一种护理床的起背机构运动滑移分析

周浩东，李洪洲，张轩铭，任树娟，褚亚旭，吕金贺

（北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021）

0 引言

随着社会的发展和科技的进步，智能护理设备慢慢走进了人们的生活。护理床作为一种普遍的护理产品，从最开始的手摇式钢床到现在的电动式护理床，护理床的功能也日趋全面[1]。随着护理床功能越来越多，患者对使用的舒适性要求越来越高。

在多功能护理床的研制领域，2015年，刘方圆等[2]设计了一款多功能护理床，对屈腿功能进行创新，实现屈腿、抬腿和交叉活动小腿功能的转换。2017年，丁军政等[3]设计了一款多功能电动护理床，集病床、康复、健身为一体。上述护理床一般具有起背、屈膝、床体升降和侧翻身等多种功能[4-6]。其中对于起背功能，由于人体背部会不可避免地与背板产生相对位置变动，使背板拉扯病人背部衣服，使病人呼吸困难。针对上述问题，本文提出一种同旋转中心的起背机构。

1 护理床的扯背现象分析

1.1 起背机构的相对滑移分析

传统护理床在起背时，由于人体的旋转中心与背板的旋转中心不同轴，导致人体背部与背板会产生一个相对位置滑移，使人体背部衣服被拉扯。对于健康的人而言，自己可以通过调节背部姿态来适应背板的位置，但对于不能自理的病人或者老人来说，他们无法调节自身背部姿态，易产生危险。

为分析人体背部与背板相对滑移的实际情况，将人体起背运动简化，具体的人体尺寸参照中国成年人人体尺寸[7-8]，建立起背运动模型,如图1所示。在起背的过程中，把人体背部与背板的相对状态看作是平行接触，当背板慢慢抬起时，人体尾椎以上部分随着背板旋转。

图1中O′点和O点分别为人体起背旋转中心和背板旋转中心。在平躺状态下，选取背部与背板接触的一点，点A为接触点。从病人的角度出发，如果要使病人有较好的舒适度，平躺时的接触点A在执行起背动作后成为起背时的点B′，但因为人体起背旋转中心O′和背板旋转中心O不同轴的原因，平躺时的接触点A慢慢形成人体背部点B′和背板上的点B，也就形成了相对滑移，其滑移量为BB′，使病人感受到一种被拉扯的感觉。

为进行起背过程的力矩分析，将图1进行简化，并建立直角坐标系，如图2所示。两者的旋转中心还是O点和O′点，R1为人体上半身的重心到人体旋转中心O′点的距离，R2为背板重心到背板旋转点O点的距离，a为在x轴方向上O点和O′点之间的距离，b1、b2为旋转过程中背板和背部重心在x轴方向上分别到背板的旋转点之间的距离。

图1 起背运动模型

图2 起背力矩分析图

1.2 起背过程的力矩分析

式中：G1为人体背部的重力；G2为背板的重力；α为背板的旋转角度。

把式（2）、式（3）代入式（1）可得

在起背0°～90°的过程中，会出现两种情况：第一种情况是重心点在x轴上的投影在背板旋转点的右侧；第二种情况是在重心点在x轴上的投影在背板旋转点的左侧。第二种情况下，电动机不再给人体提供额外的力矩[9]，因此可以认为T1=0，故有

根据人机工程学中我国人体尺寸的国家标准，初步拟定a=68.5 mm，R1=500 mm。代入式（5），可得t≈13.69 s。考虑到本文的起背板只能起背75°，计算可得旋转75°所需时间t=12.5 s。

综上所述，可得

1.3 起背滑移量分析

为分析扯背过程中的相对滑移量，对传统的起背过程进行了简化，如图3所示。

图3 传统背板滑移量分析图

如图3所示，已知O′点为人体的背部旋转点，b为点O′到床体的垂直距离，即O′D=b。选取A点为人体背部和背板的接触点，取O′A=r2，B′为人体背部起背后A点到达的位置。可得

由式（7）可得

点C为B′点投影到经过O′点的水平线上的交点。直线O′C和直线OA平行，由内错角相等的定理可知∠CO′A=∠O′AO。

取OA=r1，以O为圆心，背板上点A通过旋转α角成为B点，其中BB′即为相对滑移距离，取为BB′=Δs。已知旋转角度为α，可知∠B′O′A=∠B′OA=α。可得

通过式（9）可知：

结合式（10）和式（11），可知点B′的坐标为

根据背板旋转α角，令直线OB′为y=kx+c，其中k=tan α。根据点B′的坐标可知直线OB′的函数式，可得

根据式（12）可得点O的坐标为

结合式（13）和式（14）可得OB的距离，即相对滑移量Δs，计算公式为

根据人体工程学[10]中的中国成年人人体尺寸将肩胛骨选定为人体背部和床体的接触点，初定b=68.5 mm，r2=500 mm，代入Δs的函数式，可得相对滑移量Δs=105.12 mm。

1.4 背板滑移补偿方案

为了消除背板的相对滑移所产生的拉扯感，需要对其进行补偿。该护理床从背板和人体不同位置的原因出发，设计一种使得人体旋转中心和背板旋转中心能够重合的机构，从而消除相对滑移的现象，让病人能够有较好的舒适度。

以人体旋转中心为圆心，建立x、y轴，如图4所示。初步拟定背板初始位姿为水平姿态，随着人体旋转中心旋转，背板从0°逐步旋转至75°。在背板上人体与背板的接触点A点也随着人体旋转中心旋转，即点A在圆弧AB′上移动，也就达到了防止起背过程中接触点分离、产生扯背现象的目的。

图4 滑移矫正方案图

通过上述思路，在背板下添加支撑结构，分析底板EF。在起背过程中，底板EF的位姿随人体旋转中心点O′改变，所以点E和点F都分别在以点O为圆心所对应半径的圆上，也就是点E的运动轨迹（圆弧EE′）和点F的运动轨迹（圆弧FF′）。在此基础上，以圆弧FF′来设计轨道板来辅助背板实现起背功能，图5 为轨道板渲染图。

图5 轨道板渲染图

2 护理床总体结构和动作原理

图6所示为同旋转中心防扯背护理床整体结构，主要由床体、背板、轨道板和电动推杆等部分组成。轨道板设置在床体两侧，用电动推杆铰接背板，电动推杆推动背板，背板沿着轨道板的轨道运动。

图6 同旋转中心防扯背护理床整体结构

3 起背机构仿真分析

3.1 起背机构相对位移仿真分析

用SolidWorks Motion进行运动学仿真分析，马达驱动电动推杆，沿推杆轴线方向，速度设定为10 mm/s，设定人体背部重力为450 N。

根据实际情况，添加了引力，并且设定了轨道板、背板和床体之间的实体接触，最后得出motion 图像，通过Excel 将数据导出，利用MATLAB软件得出相对滑移曲线图像。根据传统背板的相对滑移量公式（15），用MATLAB软件得出传统背板的相对滑移曲线。将2个相对滑移曲线图进行比较，得出人体与背板的相对滑移曲线对比图，如图7所示。

图7 人体与背板的相对滑移曲线对比图

3.2 起背机构的静力学仿真

运用SolidWorks的Simulation对背板进行静力学仿真分析。选择材料为合金钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28，屈服强度为620 MPa。取人体背部重力为450 N，进行负载和夹具的设定，在背板上施加一个450 N垂直于板面的力，轨道杆上设定为固定，并在背板推起处设定夹具为固定铰链。对背板进行标准网格划分，得到背板网格划分图，如图8所示。其中节总数为217 680，单元总数为130 074。设定完毕，对其进行分析。最终得出应力分布图（如图9）、应变分布图（如图10）及位移分布图（如图11）。

图8 背板网格划分图

图9 应力分布图

图10 应变分布图

图11 位移分布图

从图8可知，背板的最大应力等于9.093 MPa，小于机构材料的许用应力620 MPa。在外部载荷的作用下，最大位移为1.551×10-4m，对背板的影响比较微小，均满足了材料的强度要求和设计的刚度要求。

4 结论

对于传统护理床起背机构产生的扯背现象，分析了扯背机理，并得到了起背过程中背板和人体接触之间的相对滑移量，最大值为105.12 mm。同时设计开发了一种同旋转中心防扯背护理床，其相对滑移量为0 mm，消除了扯背现象。运用SolidWorks对起背机构进行有限元分析，为结构设计的合理性提供依据。