周浩东，肖 桐，陈有广，任树娟，褚亚旭*，吕金贺，李洪洲

(1.北华大学 机械工程学院 ，吉林 吉林 132021； 2.中国第一汽车股份有限公司 质量保证部 ，吉林 长春 130011)

随着医疗水平的发展，世界人均寿命有着显著的提升，这使得人口老龄化成为世界各国都必须面对的问题[1-2].多功能护理床作为一种医疗器械，被广泛应用于医院、养老院以及家庭中.护理床行业发源于欧美发达国家，而我国护理床行业起步较晚，缺乏护理床的核心技术研究，大多数厂家只对国外护理床进行纯粹的模仿和生产，缺乏创新性[3-4].

多功能护理床的核心技术由美国、德国、日本等发达国家掌握[5].美国德州大学拉斯分校Manohar等在现有护理床结构的基础上，在床褥下安装压力传感器，用于检测卧床患者的体位状况，当患者保持一个体位较长时间时，护理床会自动调整患者的体位.日本松下公司也对现有护理床进行了改进，加入了语音识别技术，丰富了患者与护理床的交互方式[6].国内研制的多功能护理床，相较于国外产品，有一定的差距，但差距正在逐渐减少.晋新敏等人研发设计了一款老年人家用护理床，能够帮助老人实现坐起、屈膝、看书、吃饭的功能，并且能够转变成轮椅状态，减轻看护人员的负担[7].武汉大学人民医院的胡小林设计了一款通过3组麦克风信号的识别来实现语音控制，通过单片机来驱动电动推杆实现一系列操作[8].但我国现有护理床的多功能集成还是不够全面.

综上，设计了一种新型多功能护理床，可以为老人和病人提供起背、洁便和救治的功能，并且该护理床具有快速折叠和快速运输的功能，在未使用时能够增加空间利用率，并且能够应用于突发事件暴发的救治中.运用SolidWorks进行三维建模，并将模型导入ANSYS Workbench中进行力学仿真分析，从而证明该模型设计的合理性和可行性，为后续的研究做准备.

1 整体结构设计

此护理床具有折叠、起背、洁便和救治的功能，整体结构主要分为折叠机构、洁便机构和起背机构.护理床整体结构如图1所示，采用二折病床的床体形式，分别为起背板和床板.根据国家病床标准YY0003-90，设计病床基本尺寸数据，如表1所示.

1.1 起背机构设计

起背机构示意图如图2所示，包括自锁型气弹簧和起背板.为了减少床体折叠后的空间大小，尽可能地缩减垂直地面方向上的距离.为了确保气弹簧气缸内的油膜效果，将气弹簧的汽缸处连接件与背板基座相连，推杆处连接件与床体基座相连.护理人员可通过操作把手来实现气弹簧推杆的推出，从而达到起背的目的.把手设置在起背板底部的两侧，护理人员在两边都能进行起背操作，相对减少了护理人员的负担.

1.1.1 起背机构力矩分析

对起背机构进行受力分析，将背部的重量看作为人体重量的45%，初设背部的重量F1为360 N.如图2可知，背部重量所产生的力矩：

T1=F1×L1=360×372.5=134 100 N·mm=134.1 N·m .

(1)

护理人员会在起背过程中协同气弹簧推动起背板，来达到轻松起背的目的.护理人员多为女生，因此初设护理人员所能够提供的抬起力为80 N.

护理人员所能提供的力矩为:

T2=F2×L3=80×745=59 600 N·mm

=59.6 N·m ，

(2)

可得气弹簧所需要提供的力矩为:

T3=T1-T2=134.1-59.6=74.5 N·m ，

(3)

可知气弹簧的力臂L2=64.78 mm.

可得气弹簧推出力:

(4)

气弹簧的推出力所需1 200 N，为考虑气弹簧厂家的规格和制作要求，所以使用两个气弹簧，每个气弹簧注入600 N的拉伸力.

除了起背所需要力矩，还需考虑气弹簧推出杆的行程，否则达不到国家病床的起背标准.根据起背后气弹簧的打开长度S2，减去气弹簧起背前的长度S1，就是所需气弹簧的行程S.如下图3所示.

1.1.2 起背机构运动分析

如图4起背机构运动简图可得，a=77.78 mm，r=328 mm，S2=S1+S=278.5+S，β2=135°.研究主要参数为起背板的起背角度β3和角速度ω3.

三角形OAO′的封闭矢量方程为：

LO′A=LO′O+LOA，

(5)

其复数矢量形式为：

LO′Aeiβ3=LO′Oei(180°+β2)+LOAeiβ1，

(6)

运用欧拉公式eiθ=cosθ+isinθ将式(6)的实部和虚部分离，可得：

LO′Acosβ3=LO′Ocos(180°+β2)+LOAcosβ1,

LO′Asinβ3=LO′Osin(180°+β2)+LOAsinβ1,

即：

LO′Acosβ3=-LO′Ocosβ2+LOAcosβ1，

(7)

LO′Asinβ3=-LO′Osinβ2+LOAsinβ1，

(8)

将式(7)、(8)中含有β1的一项移到一边，两边分别平方，然后两式相加，可得：

(9)

将式(9)简化，可得：

(10)

同理，可得：

(11)

将已知数据代入式(10)，即可得出起背角度β3与S的函数关系式.

(12)

由于气弹簧的行程为90 mm，代入可得，起背角度β3为70°.对此，再基于患者能接受的起背时间，对起背角速度进行分析，通过角速度曲线的平滑度，来判断患者的舒适程度.

进行速度分析，将式(6)对时间t求导可得：

(13)

将式(13)中的实部和虚部分离，得到：

(14)

(15)

将式(14)、(15)两式的左右两端分别平方，并左右相加得：

(16)

根据式(16)简化可得：

(17)

ω3为起背板的角速度，将已知数据代入式(17)，得到ω3的变化情况，来判断起背板的角速度是否有突变情况.

1.2 床腿折叠机构设计

床腿折叠机构包括旋转杆、支撑杆和床腿.如图5所示.当护理床需要使用的时候，护理人员握住床腿使其旋转展开，并将旋转杆架在床体下，支撑杆也能在床体和床腿之间撑起.当需要运输或者不使用时，只要将床腿向内折叠，并将床腿扣紧在床腿锁紧扣上，防止床腿在搬运过程中自行下落，从而伤到搬运人员.床腿折叠机构的设计是为了符合护理床紧急救治的要求，能够快速折叠进行运输，并且到达目的地后快速展开，对病人或者老人进行护理救治.为了扩大救治的空间，在前床腿上附加了床栏插拔机构，护理人员只要将插销拔出，就能拿下前床栏，从而更方便地对病人或者老人进行救治.

对于床腿折叠机构的设计，需要确定旋转杆和支撑杆的旋转点，如图6所示.通过已知展开后旋转杆MI和床腿IH的位置数据，再考虑床腿折叠后需要达到水平位置以及要留给床下气弹簧的所需空间，来确定折叠后旋转杆NI′和床腿H′I′的位置.通过以H和H′为圆心画圆来确定垂直于H′H的中垂线PQ，支撑杆的旋转点必须在中垂线PQ上，为了工艺方便，旋转点N和M在同一水平线上，从而确定了两个旋转点的位置.

1.3 洁便机构设计

洁便机构包括补垫机构、连接杆、丝杠丝母和手柄.手柄作为输入，通过丝杠丝母传动，将动力传递到与丝母相连的连接杆上，通过连接杆使补垫机构旋转，补上床面上便口.洁便机构示意图如图7所示.

为了减少护理人员转动手柄的次数以及防止患者的重量使丝杠丝母自行旋转，在设计丝杠时需要进行自锁条件的计算.螺纹自锁条件为螺纹升角小于当量摩擦角.

λ

(18)

λ=arctan (S∕πd)，

(19)

fv=f∕cosβ，

(20)

式中：λ为螺纹升角；fv为当量摩擦角；f为摩擦系数；S为螺纹导程；d为螺纹中径；π为圆周率；β为牙型斜角.

将式(19)和式(20)代入式(18)可得：

arctan(S∕πd)

查得钢对钢的摩擦系数为0.11～0.17.取摩擦系数为0.11,

可得:

丝杠使用的是单线螺纹，导程S等于螺距P，为了减少手柄的转动次数，选择P=S=6 mm.

2 运动学仿真

2.1 起背机构运动学仿真

利用Ansys Workbench建立Rigid Dynamics模块，并将护理床中简化好的起背机构三维模型导入其中，将系统默认的接触都删除，利用连接副来代替接触.先将床体和轴承座用固定副固定，并将起背板的旋转轴以及气弹簧的连接件赋予旋转副，再赋予气弹簧气缸和伸出杆的位移副.将连接副赋予完毕后，划分网格，添加气弹簧位移副的速度，数值为10 mm·s-1.进行刚体动力学仿真，得到起背板的起背角度和起背角速度，从而验证护理床起背机构的可行性.

简化的起背机构示意图如图8所示.

起背机构运动学仿真结果如图9所示.得到角度和角速度与气弹簧推杆位移的关系，起背板的最大旋转角度为70°，满足设计要求.并且角速度曲线平滑，没有速度突变，最大角速度为9.2°·s-1，根据医院实际调研，角速度处于0～10°·s-1，不会让患者感觉到不舒服，验证了起背机构设计的可行性.

2.2 洁便机构运动学仿真

通过Rigid Dynamics模块，将护理床中简化好的洁便机构三维模型导入其中，将系统默认的接触都删除，利用连接副来代替接触.将该添加的旋转副和固定副都赋予上，再添加丝杠丝母所需要的Screw连接副，输入Pitch的值为6 mm，并调整局部坐标系.最后添加位移输入，调整时间步，求解得出所需要的数据，从而验证洁便机构的可行性.

简化的洁便机构示意图如图10所示.

洁便机构运动学仿真结果如图11所示.得到便盆旋转角度与丝母位移的关系，便盆所能打开的角度为0°～90°.角度变化平缓，没有明显的突变，说明便盆运动平稳，满足设计要求.

3 静力学仿真

根据国家病床标准YY0003-90，对病床进行静力学分析，将建立好的三维模型导入到ANSYS Workbench中，对所需要分析的部分进行网格划分，添加约束，施加外部载荷[9].

根据国家标准，需对床面3个长1 000 mm、宽500 mm的范围内施加240 kg的重物.根据实际情况，简化床体，固定4个床体U型板，添加运动副，划分网格，并在床体中心位置施加4 800 N·m-2的压力，即0.004 8 MPa，得到分析结构.如图12为床板受力位置图.

床板仿真位移结果图和床板仿真应力结果图如图13、14所示.床板最大位移为0.097 mm，变化量较小，符合设计要求.床板所受的最大应力为11.923 MPa，应力远远小于其材料的屈服极限.结果说明了床板结构的合理性，不需对其结构进行强化.其中床板应力较大位置处于起背板中下部分和下身板的中间部分.

4 结 论

本文提出一种新型多功能护理床，针对突发传染病患者所具有的地点、时间不确定性和病情紧急性，对其结构进行针对性设计，主要包括起背机构、床体折叠机构和洁便机构.动力采用自锁型气弹簧，可根据患者所需的位姿进行调节.通过将模型导入到ANSYS Workbench中，进行运动学和静力学分析，来确定设计方案中各个机构的合理性和稳定性，验证了此方案的正确性，为后续的研究打下基础.