何磊 韩庆珏 陈 燕 郭子毅 杨司琪

摘要：我国是老龄化大国，当前对护理床的需求量不斷增加。基于对现使用护理床的调研分析，为扩大护理床使用群体和改善使用者的体验，提出新型多功能护理床的概念，在现有护理床的基础上，首先对结构进行创新设计，随后对关键构件进行有限元分析，推动了护理床产业发展，为各企业优化护理床提供了新思路。

关键词：多功能护理床;运动学分析;有限元分析

0    引言

近些年来，医院、养老院和家庭等对护理床需求增加，特别是我国推行居家护理政策后，居家护理对护理床的需求量进一步提升。

日本松下公司设计的护理床已经可以实现大部分功能，但操作比较复杂，且价格昂贵。美国METROCARE公司和DEVICELINK公司设计的护理床只能完成部分功能，且存在运动笨重、功能单一等缺点。

本文主要基于我国老龄化程度，分析了多功能护理床的市场可行性：我国自主研发进度相对较慢，依赖进口特别严重，因此自主研发一款定价低廉、功能齐全、适用范围广的护理床将具有很好的市场前景。技术方面，可与目前的智能化、物联网有效结合;安全方面，以老人的舒适性为前提，安全性为核心，在人机交互方面有良好的提升。无论是在养老院、医院还是家庭使用，该护理床都能让被护理人员感到安心，也减少了护理人员的工作量，使双方心情愉悦，更有利于被护理人恢复健康。

1    新型多功能护理床的总体设计方案

根据中华人民共和国国家标准《可调式康复训练床》（GB/T 26340—2010）中对具体尺寸的建议，该护理床的总体尺寸为：长×宽×高=2 100 mm×1 350 mm×500 mm。

该新型多功能护理床要求满足起背、翻身和曲腿等功能，所以将床板分成12块单独运动的模块，如图1所示。图1中（1）号模块为背部板，长×宽×高=800 mm×600 mm×15 mm，最大起背角度为85°;（2）号模块为臀部板，长×宽×高=600 mm×600 mm×20 mm，最大旋转角度为30°;（3）号模块为大腿板，长×宽×高=380 mm×600 mm×10 mm，相对臀部板的最大旋转角度为30°;（4）号模块为小腿版，长×宽×高=270 mm×600 mm×10 mm，相对大腿板的最大旋转角度为20°。

2    重要结构设计

2.1    侧翻机构设计

侧翻机构如图2所示。在臀部板下端安装4个电动推杆，推杆两端都采用球铰链连接，球铰链的锁紧和放松由电磁铁控制。当进行左侧侧翻运动时，推杆2、4以一定比例的速度伸长，1号杆就是臀部板，将绕着O点进行旋转运动，使板逐渐倾斜，直至到达规定角度，最终完成左侧侧翻运动。若执行右侧侧翻运动，将所有运动机构与左侧侧翻运动反向即可。

在△AOB中，对该机构进行运动学分析：

r1+r3=r2                     （1）

即：

l1e+l3=l2e                               （2）

解得：

l2=[l3cos φ2-l1cos（φ1-φ2）]1/2                    （3）

l1/l3=sin φ2/sin（φ1-φ2）                    （4）

对机构进行速度分析：

针对式（2），对时间t进行求导：

iω1l1e+l2′e+iω2l2e=0                   （5）

可以解出电动推杆速度l2′和杆1角速度ω1：

l2′=-ω1l1sin（φ1-φ2）                    （6）

ω1=ω2l2′/cos（φ1-φ2）                     （7）

对机构进行加速度分析：

针对式（5），对时间t进行求导：

l2"e+2l2′ω2e-ω22l2e-iε1l1e+ω12l1e=0           （8）

解得知杆2加速度l2"和支杆角加速度ε1：

ε1=2l2′ω2+ω12l1sin（φ1-φ2）/l1cos（φ1-φ2）         （9）

l2"=ω22l2-ω12l1cos（φ1-φ2）-ω12l1sin（φ1-φ2）tan（φ1-φ2）-

2l2′ω2tan（φ1-φ2）  （10）

根据计算结果，可知不同的t时刻电动推杆或板的线速度、角速度、加速度和角加速度。以上结果也为以后的模拟器仿真分析提供了进一步的数据支撑，验证了机构在运动时速度和加速度的稳定性，确保了设计机构的合理性和可靠性。

2.2    曲腿机构设计

曲腿机构如图3所示。采用两个电动推杆，3号电动推杆主要用于大腿板的运动，5号电动推杆主要用于臀部板的运动。电动推杆5以一定比例的速度运动，使杆1绕A点进行逆时针旋转，同时也可以单独控制电动推杆3拉动杆2使它绕铰接点进行顺时针旋转。两电动推杆均可单独运动，以便使用者得到最舒适的曲腿动作。

在△CDE中，对该机构进行力学分析：

r1+r3=r2                （11）

即：

L1e+L3e=L2e                       （12）

解得：

L3=[L32-L12-2L1L2cos（φ1-φ2）]1/2                （13）

φ3=arctan（L2sin φ2-L1sin φ1/L2cos φ2-L1cos φ1）      （14）

对机构进行速度分析：

针对式（12），对时间t进行求导：

iω1L1e+L3′e+iω3L3e=iω2L2e          （15）

可以解出电动推杆速度L3′和杆3角速度ω3：

L3′=ω2L2sin（φ1-φ3）-ω1L1sin（φ1-φ3）        （16）

ω3=[ω3cos（φ1-φ3）-ω1cos（φ1-φ3）]/L3        （17）

对机构进行加速度分析：

针对式（15），对时间t进行求导：

iL1ε1e-L1ω12e+2iL3′ω3e+iε3L3e-L3ω32e+L3"e=

iL2ε1e-L2ω32e      （18）

解得知桿3加速度L3"和支杆角加速度ε3：

L3"=ε1L1sin（φ1-φ3）-ω12L1cos（φ1-φ3）-L3ω32-

ε2L2sin（φ2-φ3）+ω22L2cos（φ2-φ3）  （19）

ε3=[ε2L2cos（φ2-φ3）-ω22L2sin（φ2-φ3）-2L3′ω3+

ε1L1cos（φ1-φ3）+ω12L1sin（φ1-φ3）]/L3    （20）

通过对机构位置、速度和加速度的分析，得到了任意时刻t对应的各构件角速度和角加速度变化关系，为后续的控制过程做好了数据准备。

3    关键部件有限元分析

新型多功能护理床结构设计完成后，对球铰链和支撑板进行有限元分析。

3.1    球铰链有限元分析

球铰链作为连接部件，要保证其强度符合设计标准。将球铰链底座进行网格化处理，球铰链底座在受到500 N压力时，其构件的受力情况如图4所示，变形位移量如图5所示。

球铰链底座在最大受力500 N下，最大压应力为1.89 MPa，远小于材料屈服应力530 MPa，材料最大变形量为1.148×10-4 mm，满足功能性和安全性要求。

3.2    支撑板有限元分析

板块主要支撑对象为人体，所以臀部板在受最大外力700 N时，该构件的应力情况如图6所示，臀部板在受力情况下变形位移量如图7所示。

推杆在最大受力700 N下，最大压应力为11.65 MPa，远小于材料屈服应力27.57 MPa，材料最大变形量为1.137×10-2 mm，满足功能性和安全性要求。

4    结语

本文对新型多功能护理床的结构设计进行了介绍，主要详细说明了侧翻机构和曲腿机构的设计并进行了运动学分析，证明了设计的可行性和运动时的平稳性。随后对关键部件进行有限元分析，确定所设计的结构拥有足够的强度和刚度，安全性能得到保障。一系列的设计、验算和校核证实了新型多功能护理床在理论上的可行性，并为以后继续深入研究提供了理论依据。

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收稿日期：2020-07-09

作者简介：何磊（1998—），男，四川绵阳人，研究方向：机械设计。

通信作者：韩庆珏（1980—），男，河南新乡人，博士研究生，讲师，从事车辆动力学、车辆自主导航、路径规划与路径跟踪控制等研究工作。