老人上下、坐卧自助床装置设计

任晓莉，李文华，胡 航，张 成，刘云峰，李晨傲，项梦娇

(西安交通大学城市学院机械工程系，陕西 西安 710018)

随着人口老龄化日趋严重，有更多的老人需要照顾。老人除身体机能下降外，病痛也比较多，尤其表现在腿部和腰部，这些导致老人在上下床过程中，腿不能顺利上下床，在床上坐卧也较困难。市面上常见的协助老人上下及坐卧的床主要为扶手床、支架床、多功能活动床以及座椅床等。扶手床实际上是在床边设置扶手，在上下床过程中提供一定的支撑；支架床主要通过背部床板上的支架运动辅助老人坐卧；多功能活动床主要帮助老人在床上坐卧，但不能辅助老人上下床；座椅床可以辅助老人上下及坐卧，但价格昂贵。

除此之外，还有独立配套的辅助式上床轮椅[1]、辅助老人上下床装置[2]及助老多功能老人床[3]等，都是靠轮椅帮助老人上下床，没有解决老人在床上坐卧困难的问题。武汉理工大学的“一种老年人上下床的辅助装置”[4]主要是针对辅助老年人在床上坐卧进行的设计，没有兼顾老人上下床的问题。为此，设计一款与床融为一体、以帮助老人在腰腿部无力或病痛情况下上下床并能轻松坐卧的辅助装置是非常有必要的。

1 老人上下、坐卧自助床装置整体方案

为有效解决老人上下床不便及在床上坐卧困难的问题，设计一种与床体结合的抬腿和托背装置。自助床装置整体布局如图1所示，抬腿装置和托背装置均由机械和控制两部分组成。抬腿装置可实现腿部的抬起和落下，托背装置可实现背部的升降，从而使老人轻松上床、坐卧及下床。控制部分采用单片机来控制电机的正反转及动作顺序，从而实现预定的功能。为保证安全可靠，需对抬腿装置和托背装置进行强度校核。

图1 自助床装置整体布局

2 机械部分设计

2.1 床体

床体由床架和床板组成。床架设有护栏及头部挡板。根据人体一般身高确定床面长度、宽度和床面离地高度，其参数见表1。

表1 自助床床面参数

如图1所示，以人体腰部为分割点，将床板分为腿部床板和背部床板两部分，床体采用木质材料；托背装置位于下身板下方中央位置，并与上身板支撑结构铰接，抬腿装置布置于床架前侧。如果采用床垫，则床垫设计成可折叠式。

2.2 抬腿装置

2.2.1抬腿装置设计

抬腿装置布置在床的侧面，需要将老人的腿从床侧抬升到与床平齐的位置。设计的重点和难点在于如何实现抬腿板从与地面垂直位置运动到与床面平齐的水平位置，再从该位置回到与地面垂直位置。通过机构运动仿真及计算，确定各个构件的最佳设计尺寸。优化后的机构由直线模组、万向节支撑杆、摇臂及机架等组成，如图2所示。

图2 抬腿机构

抬腿装置结构如图3所示。直线模组由电机、丝杠和滑座组成，摇臂与直线模组连接，滑座与抬腿板固结。万向节支撑杆与摇臂上的直线模组的滑块相连。

图3 抬腿装置结构

工作时，电机的正反转带动丝杠旋转，实现滑座的移动，进而带动摇臂在90°范围内摆动；抬腿板随滑座移动，万向节支撑杆支撑整个装置并实现腿部的曲线升降。根据直线模组的行程和抬腿板起始的工作位置，通过计算和调整万向节、支撑杆与抬腿板之间的相对尺寸，使得抬腿板从与地面垂直状态运动到与床等高时正好处于水平状态，保证老人的腿部在抬起后能到达与床面平齐的位置；落下时抬腿板与地面垂直，使老人顺利上下床。为了防止老人从床上跌落，床侧设置了护栏，同时可在抬腿板侧设置挡板和安全带，保障老人安全。

2.2.2抬腿装置支撑杆强度校核

在《玩命俄罗斯》中，雅文女士描写过几起案例，思来令人心惊。其中有位中年医生，常跟已成为法官的周贺玉磨叨离婚的事情。原来他的妻子是个精神病患者。根据法律，如若精神病患者没有其他监护人，其配偶不准离婚，避免给社会造成麻烦。他无法与妻子离婚，只能在担负经济压力的同时无从寻觅精神伴侣。我看到这位先生“讲到伤心处竟然抱头痛哭”，并道“我这辈子活活会在一个疯子身上，太痛苦了。”

抬腿装置中主要由支撑杆承受人体腿部质量，故对支撑杆的强度进行校核。有效行程为500 mm的FSL40型号直线模组，质量约10 kg。如果人体小腿部的质量按人体总质量的50%来计算，老人体重取100 kg，可知该抬腿装置支撑杆需承载的最大质量为直线模组与腿部质量之和，即60 kg。选用材料为45钢、外径为20 mm、壁厚为2 mm的空心钢管作为支撑杆，可计算该空心杆件的截面面积为113.1 mm2。

支撑杆工作强度条件为

σ=F/A≤[σ]

(1)

式中：F为空心杆所受载荷，N；A为支撑杆横截面面积，mm2；σ为应力，MPa；[σ]为许用应力，MPa。代入数值计算：σ=F/A=600/113.1≈5.31(MPa)，45钢许用应力[σ] =190 MPa[5]，即σ<[σ]，由此可知，支撑杆的强度满足使用要求。

2.3 托背装置

2.3.1托背装置设计

床板在托起和放下的过程中，需将人体整个背部平稳托住。液压传动具有平稳和承载力大的优点，但成本较高，存在液压油泄漏风险。经优化设计，选用具有螺旋运动的电动推杆，以实现老人在床上安全平稳地坐起和躺下。机构示意图如图4所示，电动推杆与托架铰接，托架上滚轮与背部床板接触。

图4 托背机构

图5 托背装置结构

2.3.2电动推杆的强度校核

以质量100 kg的人为例，如果人体质量全部集中在背部托板上，忽略床板质量，则背部床板的承受力为1 000 N；为提高安全性，取1.5的载荷系数[6]，则其最大承受力为1 500 N。当人躺下时，背部床板承受的力最大，此时托架与推杆间的水平夹角接近30°，力学示意如图6所示。以整体机构为研究对象，滚轮受到垂直向下的力，推杆的推力为水平方向，托架受力方向与推杆成30°夹角。根据三角函数关系计算电动推杆的所需推力F′为：

图6 托背机构力学示意图

F′=1 500/tan30°=2 943.9(N)

因此选用龙翔公司DTL200型卧式电动推杆，满足设计指标要求，其主要参数见表2。

表2 DTL200型卧式电动推杆参数

3 自动控制

基于89C52单片机开发控制程序，分别控制两个电机的正反转。按键控制流程图如图7所示，实现抬腿和托背装置依次自动运行。

图7 按键控制流程图

抬腿装置、托背装置控制步骤及老人上下床过程如图8所示，为使老人使用方便，采用按键式控制面板进行操作。

图8 操作步骤

1)老人上床、躺下过程：①老人坐在床边抬腿板位置，启动托背装置处电机，背部床板升起；②启动抬腿装置处电机，抬腿板升起至与床面平齐；③老人将腿逐渐放到床内，将背靠在背部床板上；④托背装置处电机反转，背部床板落下；⑤老人随之躺下，并将双腿自主挪向床的内侧；⑥抬腿装置电机反转，抬腿板放下归位，与地面垂直。

2)坐起、下床过程：①老人躺在床上，启动抬腿装置处电机；②抬腿板抬起，直至与床面平齐；③启动托背装置处电机，背部床板抬起；④老人随之坐起，并将腿移至抬腿板上；⑤托背装置处电机反转，背部床板落下归位；⑥抬腿装置电机反转，抬腿板落下至与地面垂直，老人下床。

4 实践与总结

对装配调试后的上下、坐卧自助床装置进行现场测试，所有的动作和功能均能按预定设计目标安全可靠实现，该设计在第九届全国大学生机械创新大赛中获得省级二等奖。

老人上下、坐卧自助床装置采用电机驱动，传动平稳、安全可靠、操作简便，老人可通过面板按键，轻松地完成上下床及床上坐卧的动作，结构简单，成本低廉，承载力大。该装置不但适用于具有一定自理能力的居家老人使用，也可用于养老院及医院等场所，具有一定的推广应用价值。