基于多机构协调技术实现姿位变化需求的多功能电动护理床设计
摘要：根据人体工学及机械原理，笔者设计了一款多自由度护理床，床面采用折叠面板的形式，可通过按键进行控制，完成抬背、屈腿、起坐等诸多动作，同时还有辅助解便的功能。为了实现某种特定的姿态需要设计一套与之相应的机构来进行位姿支撑，但是这种传统的设计方法只适用于单个位姿的设计，在由多位姿需求时利用这种设计方式将会造成体积过大，且不同机构之间会出现运动干涉现象。本文在设计中利用了多机构协调的技术，可实现柔性化运动和支撑，因而受此启发可将护理床床面进行细分为八个独立的控制面板，通过面板的配合运动，可实现想要获得的多种位姿，满足了用户需求。本次所设计的电动多功能护理床基于人力工学和机械原理进行结构设计，同时在ADAMS软件中进行仿真，利用原始数据构建了虚拟样机模型，经过运动学优化后，利用基于单片机技术，进行了控制模块的设计。该护理床和实现患者的多种姿位变化需求。研制的样机验证了护理床的可行性。
关键词：多功能；ADAMS；人体工学；护理床
从实际的市场调研能够看出，大部分护理床都归属于医疗器械领域，虽然说能够基本满足患者的实际需求，但是价格定位较高，不符合经济性原则；选取价格较低的产品在功能上又有所缺陷，并且使用起来较为繁琐，不符合实用性的要求。根据上述现象对现有的产品进行有效改进和升级，使其满足大多数患者的实际需求。
1、总体设计方案
本次所设计的多功能护理床框图结构如下图所示。除了固定的框架之外，还包含连杆机构、解便系统、面板以及辅助控制系统等。整台护理床通过通过电机践行驱动，可完成翻身、屈腿、解便和马桶移动等动作。
1.1护理床的工作环境
护理床可用于家庭或医院等有功能障碍患者的照料的诸多场景，考虑上上述护理床的应用对象均为行动障碍的患病者，且使用环境对于噪声的限制，本文所設计的护理床驱动机构选择电机驱动，同时采取一些降噪手段，如应用隔音材料等方式来实现。
1.2护理床的位姿要求
护理床的应用需要满足病人的康复需求，因而需要进行位姿势的调整，防止长期卧床引起的并发症。对于一些高度行动不便的患者，在设计时应当考虑坐姿或卧姿排便。
1.3构思的提出
为了实现某种特定的姿态需要设计一套与之相应的机构来进行位姿支撑，但是这种传统的设计方法只适用于单个位姿的设计，在由多位姿需求时利用这种设计方式将会造成体积过大，且不同机构之间会出现运动干涉现象。本文在设计中利用了多机构协调的技术，可实现柔性化运动和支撑，因而受此启发可将护理床床面进行细分为八个独立的控制面板如下图2所示。通过面板的配合运动，可实现想要获得的多种位姿，基本能够满足用户需求。
1.4护理床控制系统
控制系统主要由控制器、驱动机构和执行结构等部分组成，其结构组成如下图3所示。
2、护理床机械机构设计
护理床的机械结构设计包含床体设计、运动机构设计以及动力部分、电源模块、解便系统设计。
2.1侧翻机构
侧翻机构主要实现患者在床上的翻身需求，采用四连杆机构实现，其结构简图如下图4所示。电动推杆会推动侧翻构件绕着床架转动，并通过滚子作用使其背部侧板绕着铰接点发生转动，侧翻示意图如下图5所示。
根据结构简图和机械原理相关知识确定构建尺寸和铰接点位置，将这些数据定义为初始变量，完成侧翻机构的设计，同时选定如上图6中所示的五个关键点在ADAMS软件中进行侧翻机构建模，如上图7所示。
2.2抬背机构
抬背机构又一个摇杆滑块机构构成，通过电机转的动带动推杆来实现抬背动作。在设计时在其中加入了一个摆杆，因而在抬背时患者臀部会略微下降，克服了传统抬背机构可能造成的滑移现象。抬背机构运动简图如下图8所示：
2.3屈腿机构
屈腿机构的工作原理为连杆机构，采用推杆运动来实现屈腿动作，其结构简图和屈腿示意图如下图9图10所示：
3、辅助解便系统
辅助解便系统可帮助行动不便的患者或老人在床上完成解便，辅助解便系统组成框图如下图11所示。患者可通过按键来控制便桶移动至臀部下放，当病人完成解便之后，便桶会回到初始位置，并自行倾倒和进行便桶清理。臀部排便完成后通过直流电机控制臀部清洗喷头进行臀部清洗，清洗水来源于水箱，水箱中配有加热装置，经水泵控制后输出温水清洁病人臀部。烘干模块所产生的暖风可实现对臀部的吹干，防止病人患上其他疾病。吹风机吹过的臭气可经过过滤装置再排放至空气之中。辅助解便系统结构示意图如下图12所示。
4、护理床的控制系统
功能护理床的控制系统由控制器，通讯模块、驱动模块和按键模块等部分组成。为了便于控制，在床体各部位中胺基装了传感器，在控制系统最终确定之前需要完成护理床的结构设计、运动学和动力学设计，以此避免对患者造成伤害。在床体的控制上，可采用键盘指令的方式来实现，通过按钮输入来控制护理床的运动。护理床的控制器采用以 AVR 单片机为核心的控制方案，其印刷电路板PCB，如图13所示。
5、样机制作
完成系统的机械结构设计和尺寸设计后完成了如下图14所示的多功能护理床的之制作，样机试样表明其性能符合设计要求。
6、结 语
本次所设计的电动多功能护理床基于人力工学和机械原理进行结构设计，同时在ADAMS软件中进行仿真，利用原始数据构建了虚拟样机模型，经过运动学优化后，利用基于单片机技术，进行了控制模块的设计。该护理床和实现患者的多种姿位变化需求。研制的样机验证了护理床的可行性。
参考文献：
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