一种模块化设计的多功能护理床

摘 要：【目的】为提升老年人和行动不便者的卧床体验，辅助日常保健和康复治疗，提高护理床使用的舒适性和多用途切换的便利性，设计了一种涉及智能家居与医疗护理模块化设计的多功能护理床。【方法】该护理床采用四段式可翻折床板设计，配合液压杆和多级杠杆等结构实现各床板角度的灵活调节；集合多种辅助功能，如辅助阅读、饮食、上下床、如厕等，以满足使用者的日常生活需求；此外，模块化的设计将床、轮椅和担架结合一体，实现一床多用。【结果】通过运动仿真和关键部件的应力分析可知，该护理床结构设计合理，并在保障零部件强度的基础上进行了轻量化设计。【结论】与传统护理床相比，该护理床通过多模式的调节提高了使用舒适性，通过多模块的切换提高了便利性。

关键词：护理床；多功能护理；模块化设计；轻量化设计；有限元分析

中图分类号：TH122" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）13-0023-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.005

A Multi-Functional Nursing Bed with Modular Design

ZHOU Yukuan YU Jiahao LU Sifan HUANG Siqian LIANG Mina SONG Jun CAO Zhanlong

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Industry， Shiyan 442000， China）

Abstract： [Purposes] To improve the bed experience of the elderly and people with mobility difficulties， assist rehabilitation and improve the comfort and multi-function convenience of the nursing beds， a multi-functional nursing bed with modular design is introduced， involving the field of smart home and medical care.[Methods] The nursing bed features a four-section folding bed plate design， allowing flexible adjustment of angles for sitting and sleeping positions using hydraulic rod and multistage lever structure; the bed sets a variety of auxiliary functions， such as auxiliary bed， toilet， reading， diet， etc.， to meet the daily needs of users ; in addition， the modular design combines the bed， wheelchair and stretcher for multiple uses.[Findings] Through motion simulation and stress analysis of key components， it can be seen that the structural design is reasonable， and the lightweight design on the basis of ensuring the strength of parts is carried out.[Conclusions] Compared with the traditional nursing bed， the nursing bed improves the use comfort through multi-mode adjustment， and improves the multi-purpose convenience through switching.

Keywords： nursing bed; multifunctional nursing; modular design; lightweight design; finite element analysis

0 引言

根据国家统计局数据，截至2023年底，我国65 岁以上老年人口为 20 615万人，占总人口的 14.1%，肢体残疾人口为2 018万人［1］。针对上述人员的护理、出行、急救等问题，本研究设计了一种多功能护理床。该护理床有以下三种转换形态。护理床形态可以自由调节坐姿或睡姿，辅助完成日常生活需求；轮椅形态可通过便捷转换辅助外出；担架形态可便于急救。目前，国内仍以手摇式护理床居多［2］，而国外智能护理床的设计则侧重于睡姿调节，且价格昂贵［3］。因此，本研究设计了一款不仅结构紧凑、功能全面，而且成本较低的多功能护理床。

1 总体设计

本研究设计的护理床由主体床架、四段式床板、各调角装置等组成。利用床体的模块化设计将床、轮椅、担架结合于一体，便于三种使用方式的更换，实现一床多用。另外，增设便盆（或马桶）辅助如厕。四段式翻折床板可自由调节坐姿或睡姿、辅助上下床等，满足使用者如厕、阅读、饮食等日常生活的需求，实现高度舒适性和安全便利性，总体设计如图1所示。

该护理床共有五大模式和六大板块。五个模式分别为翻身模式、挺背屈膝（黄金卧姿）模式、轮椅模式、担架模式、如厕模式，五种模式自由切换，尽可能满足使用者的日常生活需求，注重生理与心理的照顾。六大板块分别为四段式翻折床板、侧边摇杆装置、液压抬升装置、U型杆抬升装置、动力滑台装置、剪式升降装置。

1.1 四段式翻折床板

四段式翻折床板的设计如图2所示。其由背部床板、臀部床板、腿部床板、搁脚护栏组成。床板采用杉木集成板打造，结实且透气，并铺设乳胶垫以满足舒适性的要求。四段式床板的设计便于翻身和挺背屈膝模式的实现。其中，背部床板由居中板和左右两侧翻身板组成，二者由贯穿的连杆进行连接。两侧翻身板可根据用户自身的需求自由调节翻转角度，即实现该护理床的翻身模式；居中板下端固定在床架固定板上，当有坐立或抬背需求时，液压抬升装置可实现背部床板的角度调节，利用侧边摇杆装置实现臀部床板的角度调节。利用U型杆装置实现腿部床板的角度调节，而搁脚护栏则采用棘轮装置与大腿床板固定，即实现挺背屈膝模式。

护理床总长为2 m，各床板尺寸依人体工程学第99百分位统计方法完成设计，具体尺寸见表1。

1.2 模式介绍

1.2.1 翻身模式。翻身模式（如图3所示）工作原理：两侧翻身板的调角机构由伺服电动缸和多级杠杆机构组成（如图4所示）。伺服电动缸可将伺服电机的旋转运动转换为主轴的直线运动，多级杠杆机构由一级主动杠杆、二级惰杆和三级随动杠杆组成，主轴连接一级杠杆，控制一级杠杆角度调节，二级惰杆用于传递力矩，最终由三级杠杆推动侧板实现翻身的功能。

为了验证多级杠杆完成翻身板翻转的可行性，对三级杠杆分别进行有限元分析，如图5至图7所示。

为确保所有使用者均能适用，取使用者体重为120 kg，即上述有限元分析中的预设载荷为1 200 N，选材为6061铝合金，具体性能特征见表2。

通过有限元分析可知，一级主动杠杆最大等效应力为47.5 MPa，二级惰杆最大等效应力为55.1 MPa，三级随动杠杆的最大等效应力为30.9 MPa，均小于6061铝合金的屈服强度270 MPa，故多级杠杆机构具有稳定性。

1.2.2 挺背屈膝模式。挺背屈膝模式（如图8所示）工作原理：背部抬升液压杆连接在背部床板上，内置油路采用M型中位机能的三位四通电磁换向阀构建卸荷回路，可实现液压杆的伸缩，完成角度调节，回路中加设单向阀完成保压；护理床两侧通过舵机驱动摇杆机构，两侧的摇杆之间通过轴完成连接，连接轴穿过臀部床板，以此实现臀部床板的角度调节；在臀部床板底部安装U型杆，舵机驱动U型杆转动，以此推动腿部床板，完成角度调节。通过上述过程便可实现挺背屈膝模式的使用，并设定黄金角度的卧姿供用户使用（如图9所示），同样的原理也能实现直背坐立模式，辅助上下床、阅读、饮食、娱乐等日常生活的进行。

1.2.3 轮椅模式。轮椅模式（如图10所示）工作原理：大腿床板两侧的护栏升起，转变为轮椅扶手；侧边摇杆机构将臀部床板降至最低限位；U型杆下降，大腿床板通过挡板支撑，保持与地面竖直；

液压抬升装置将背部床板抬升至使用者舒适的位置后，床板固定板上的勾爪保持背部床板的角度，多级杠杆机构的外端保护壳充当轮椅扶手；大腿床板下方的U型杆转动至竖直，充当轮椅车架，打开左右护栏卡扣，可以将轮椅向前推出，实现从护理床到轮椅的形态改变。

为确保轮椅可以平稳行走，对关键支撑件U型杆进行变形量分析（如图11所示），通过三维软件对轮椅模式状态下的床体进行质量评估，预设载荷为1 315 N，选材为6061铝合金。

通过有限元分析可知，U型杆的最大总变形量为0.01 mm，U型杆具有稳定性，能保障使用者运用轮椅时的安全性。

1.2.4 担架模式。担架模式（如图12所示）工作原理：四段式床板调至水平位置，打开卡扣机构完成床板固定，卸下大腿床板下的U型杆抬升装置，和背部床板下的液压抬升装置，救护人员握住搁脚护栏板底部的担架支撑臂，再抽出背部床板顶部的担架把手，实现担架模式。

1.2.5 如厕模式。如厕模式（如图13所示）工作原理：当使用者需要进行如厕时，可以控制磁偶式无杆气缸将升降滑台向前移动，最大移动距离为1 400 mm，当便盆到达腿部床板如厕口的正下方时，伺服电动缸驱动剪式升降机构上升，伺服电动缸主轴的最大往返移动距离为45 mm，剪式升降机构的最大上升高度为487 mm。当便盆到达合适高度，利用齿轮齿条机构将如厕口的开合板打开，最后完成冲洗和擦拭。当使用者完成如厕后，便盆的重力传感器会感受到反馈值保持不变，从而自动复位，便于护理人员完成便盆的清洁，也可以将便盆换为马桶，提升智能化程度［4］。

2 多功能护理床的实际应用

随着医疗技术的不断发展，人们对康养的不断重视，智能护理床的发展具有良好前景，护理床在医疗护理领域的应用可提高使用者的康养舒适性，辅助失能患者康复［5］。智能护理床在医疗护理中的应用如下。①康复训练：四段式床板可翻折，根据使用者的康复需求调节各个床板及其随动板的角度，辅助肢体康复训练。②预防治疗：护理床的床板角度调节可以设置周期，安排坐立翻身训练，促进血液循环，有效避免病人长期卧病在床可能引起的排痰不便、坠积性肺炎、褥疮等症状的发生［6］。③移动辅助：智能护理床可以将床体部分拆卸，直接转变为轮椅，方便患者利用轮椅移动。④紧急救护：护理床可迅速将床体转化为担架，使用者无须离床即可进行急抢和体位转移。提高了急救效率，减少了对病人的二次伤害。

3 结构轻量化设计

轻量化设计能够减少加工所需的材料量，一方面降低生产成本，另一方面可以使零部件更加便携［7］。在上述关键零部件的有限元分析中，已验证各零部件整体设计方面符合刚度设计要求，但等效应力均较小，变形量较小，还存在优化空间。对其完成轻量化设计有助于为后续护理床的模式转换，并且在轮椅形态和担架形态中，更轻的质量能便于轮椅运行和担架的搬运。

将多级杠杆的最大应力值和允许的最大型变量作为目标函数［8］，见式（1）、式（2）。

[minF（x）={F1（x），F2（x），F3（x）}T]" " "（1）

其中：" [F1（x）=minσmax]

[F2（x）=max∆l]" " " " " " " " " "（2）

[F3（x）=min（mmax）]

式中：σmax表示最大应力值，MPa；max[∆]l表示允许的最大形变量，mm；mmax表示多级杠杆的总重量，kg。

为便于后期零部件加工，采用消失模铸造，根据现有的小型件铸造用泡沫塑料模片的尺寸为结构优化的基准设计变量，以三级随动杠杆为优化对象举例，其优化设计变量见表3。

求得最终结构优化的数学模型，见式3。

[minF（x）=100≤l≤50050≤t≤25050≤h≤300]" " " （3）

根据轻量化设计优化参数，可以设定三级随动杠杆的尺寸（长×宽×高）为210 mm×80 mm×70mm，其质量减少了4.56 kg，施加的预设载荷为1 200 N，再次进行静力学分析，分析云图如图14至16所示。

通过有限元分析可知，在进行轻量化结构优化后的三级杠杆最大等效应力为101.15 MPa，小于6061型铝合金的屈服强度250 MPa，网格划分后共25 709个节点，14 215个单元，其平均应力为7.211 2 MPa；其总变形量与等效应变极小，由此可知多级杠杆机构具有稳定性。

4 结语

通过三维软件对模块化设计的多功能护理床进行建模，将护理床、护理轮椅、急救担架结合于一体，实现一床多用。再利用有限元分析软件进行静力学分析，随后进行轻量化优化，为后期轮椅模式与担架模式的变更与使用提供便利。

多功能护理床作为新型智能康养产物，在医疗、养老和家居等方面能有效发挥重要价值，减轻医护人员和家庭的工作量，辅助康复训练，实现预防治疗。在未来发展中，以模块化设计的多功能护理床将发挥巨大的潜能，实现产品的设计实用价值和社会价值。

参考文献：

［1］中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社，2023.

［2］何磊，韩庆钰，陈燕，等.新型多功能护理床的结构设计［J］，机电信息，2020（27）：122-123，125.

［3］朱爱洁.多功能智能护理床研制［D］.合肥：合肥工业大学，2018.

［4］闫书豪.半失能老人智能辅助护理装置智能两便系统的研究［D］.长春：长春理工大学，2021.

［5］孙红敏.多功能护理床的研制［D］.上海：上海应用技术大学，2021.

［6］刘梦莎.面向养老机构的瘫痪老人护理床设计研究［D］.芜湖：安徽工程大学.

［7］蓝宇，张连杰.大型有限元分析软件ANSYS［J］.应用科技，2000（6）：11-12，15.

［8］苗敬.农用机械设备底盘车架结构轻量化设计研究［J］.南方农机，2024，55（8）：156-157，183.