床椅一体化多功能护理床——实现卧床老人生活自理的梦想<br/>

床椅一体化多功能护理床——实现卧床老人生活自理的梦想

2013-04-21胡木华刘静华陈殿生王田苗

机器人技术与应用 2013年2期

胡木华刘静华陈殿生王田苗

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京，100191）

1.背景

1.1 人口老龄化现状

截至2012年底，中国老年人口数量达到1.94亿，比上年增加891万，占总人口的14.3%。2013年，老年人口数量将突破2亿大关，达到2.02亿，老龄化水平将达到14.8%。老年人口的高龄、失能和空巢化将进一步加剧应对人口老龄化的严峻性和复杂性[1]。首先，高龄（75岁以上）与失能老年人口继续增长，年增长率超过100万，今年将分别达到2300万人与3750万人；其次，慢性病与空巢老年人持续增多，到今年均将突破1亿人大关；再者，无子女老年人和失独老年人开始增多，由于执行计划生育政策的一代陆续开始进入老年期，加上子女风险事件的发生等因素，无子女老年人越来越多。2012年，中国至少有100万个失独家庭，且每年以约7.6万个的数量持续增加。

老龄人口的持续增长，无法完全自理老人越来越多，均对社会服务的需求越来越大。据估计，老龄化问题将伴随21世纪始终，2050年到2100年期间，老年人口将维持在4亿人左右，占总人口比例的30%[2]。因此，当前必须加以足够的重视并立即采取行动，才能够应对老龄化所带来的未富先老、未备先老以及孤独终老的问题。

1.2 养老服务缺口

老龄、失能、慢性病、空巢、无子以及失独老年人口的持续增长引起对专业老年护理的需求激增，养老服务缺口主要体现在两个方面：养老机构内床位数量不足以及专业护理人士的人数不够，并且养老服务专业度不高，这些现状都与老龄化的问题形成了巨大的矛盾。发达国家的养老服务机构的床位能够供5%-7%的老人入住。在中国，床位数仅能满足2.35%的老人的需求，这样的数量显然难以满足需要。以北京为例，目前全市养老床位数约为6.5万张，仅能供约2.5%的老人入住。北京市统计局的调查显示，31.6%的被访老人表示可能会选择入住养老机构。从四季青敬老院调研得知，养老机构内部每位护理人士照料10位左右的老人，其中还包括3-4位完全失能老人，2-3位半失能老人。护理人员紧缺。

以上这两方面的问题引起的养老服务缺口会随着老龄人口的持续增长而不断扩大，所以必须增大养老机构的建设以及护理人员的培训。在增加养老服务的同时，也可探索寻求能够辅助并保障老人安全舒适的、利用高科技的养老模式。

1.3 高科技辅助护理

在国家863计划的支持下，我国在服务机器人研究和产品的研制开发方面已经做了大量工作，并取得了一定的成绩，其中包括助老／助残机器人方向[3]。

利用科技养老，填补养老服务缺口，护理机器人系统的研制刻不容缓。该项目属于国家“863计划”服务机器人重点项目《助老/助残机器人系统集成、监控与产品综合展示平台》子项目。

2.创意设计

该项目研究团队所在的北京航空航天大学机器人研究所，拥有先进的技术研究设备与仪器，在护理机器人的研究上有深刻的认识和丰富的经验。研究团队人员由机电控制、机械设计和工业设计等不同专业方向人士组成，可从不同专业角度来审视问题，并相互协作完成该项目目标，实现技术与艺术的融合。

2.1 设计路线

a)实地考察调研。设计团队前往四季青敬老院、国家康复辅具中心及北京航空航天大学老人社区进行实地考察调研，以访谈、发放调查问卷以及入住敬老院亲身体验老人生活和护理人员的工作方式，调研老人、残疾人、护理人员以及家属的相关需求，如：翻身、清洁、如厕（床内或者卫浴空间完成）、喂食、康复、拿取物品、出行、娱乐交流等。从目标人群心理、生理特征出发，结合市场营销学和用户心理学，对市场现有同类产品进行深入研究和详细分析（分析现存问题和其原因以及市场的发展趋势），最终找到产品切入点——适合身体衰弱但智力正常的卧床老年人使用的床椅一体化多功能护理床。

b)从人机工程学以及老人护理学的角度进行调研设计，以保证安全性、实用性和舒适性。具体来说，从人体测量学出发，研究老年人的机体变化，并通过人体变化率推算出老年人人体尺寸数据，如表1所示，用以辅助确定产品尺寸。结合国标相关规定，确定e-Bed整体尺寸，长×宽×高：2030mm×950mm×540mm。其中轮椅部分尺寸：座深即座面的前后距离，应能保证臀部得到全部支承，其深度一般相当于大腿全长的3/4，按标准取400-430mm；座宽即座面的左右距离。座宽要满足臀部横宽所需要的尺度，应大于400mm，并小于国标中规定的居家使用的极限650mm。座高应考虑坐姿膝盖的高度，合适高度为430mm左右。

表1中P5、P50、P95分别代表第5百分位、第50百分位及第95百分位的人群。

表1 老年人人体尺寸（单位：mm）[4]

通过实验法和观察法将关键动作提取出来进行规划设计，并根据得到的数据、相关的人机工程学因素以及老人的护理要求，对e-Bed各部位的关键尺寸进行设计。针对老年人需求以及同类产品的缺陷，确定e-Bed的设计方案，并进行初步的可行性分析。

c)本着满足用户使用习惯的原则，进行机械模型建立及样机效果验证。其中影响到整体功能实现的关键机构包括翻身、抬背、曲腿、如厕等结构。模型经过仿真力学分析，符合要求后进行制作加工装配，并验证样机是否满足设计功能需求。

d)优化设计与应用示范。样机经过验证，总结经验与不足之后，再进一步优化设计，最终实现产品化，并前往北京四季青敬老院进行应用示范。

2.2 构成与工作原理

图1 床、椅转换与分离过程

床椅一体化多功能护理床主要由床体、座椅、信息与控制系统四大部分组成，床椅转换和自动对接如图1、图2所示。经过四代产品的技术探索，e-Bed不断改进，床椅分离、对接技术已得到成熟的研究成果，性能稳定。为适合不同格局的室内环境，有不同的对接分离方式与之适应，更降低了产品成本。

a.分离对接方式：激光雷达对接；巡线对接。

b.独创分离方式：开门式；旋转座椅式；旋转底盘式。

图2 床椅自动对接

该多功能床椅一体化系统既可自动从护理床变形为轮椅，又可从轮椅变换回护理床。在护理床状态时，通过语音控制可以实现翻身、抬背与曲腿等功能，其机械结构如图3所示。

图3 e-BedⅠ部分机械机构设计图

该床还配备了血压、脉搏、体温等生理参数监测及报警系统、网络视频娱乐与吃药提醒系统等，可以与远方的子女进行视频情感交流；在轮椅状态时，通过手柄控制轮椅可以在卫生间、室内和走廊等空间进行移动，进行大小便自理，也可自动寻路对接回床的功能。

3.设计成果

以“模块化可重构”为设计理念的床椅一体化多功能护理床，兼顾了人体工程学的需求，实现人性化操作；结合艺术美感与工程美感，保证安全性与稳定性，经过四代的不断优化设计，获得了一定的学术研究成果。更重要的是：满足老年人切实需求的护理产品，必将影响未来老年人生活的模式和概念，引导助老机器人产品发展的新潮流。

3.1 系列产品展示

表2 系列产品展示

3.3 适用人群

a)面向卧床的老年人：自理或半自理解决褥疮翻身、大小便自理、精神孤寂等问题。

b)行动不便的住院病人：自主控制床椅分离、去卫生间大小便自理等。

c)下肢瘫痪的残疾人：从卧床状态转移至移动器具，如轮椅上时，必须有护理人员的抱起搬动，而且转移时还有跌落的危险。该系统不需要在人床与椅之间的变动，通过自动进行床椅转换来实现，扩大了残疾人的活动范围，提高其生活自理能力，减轻了护理人员的劳动强度。

3.4 功能特点

a)具有抬背、曲腿和翻身的多功能护理床基本功能。

图4 抬背、曲腿和翻身

b）具有床椅转换、自动分离与对接的功能：可自己操作，在保持安全舒适的姿态下，变形成床或轮椅，解决了在床和移动器具之间自理转移的难题。

c)具备大小便处理功能：在座椅下部设置电动的大小便升降机构，轻松解决卧床人士如厕的问题。

d)具有网络信息交互的系统：实现吃药提醒、远程视频交流以及生理参数监控检测功能。

3.5 特色与技术创新

a)床椅一体化设计创意：

床椅互换，有效解决了卧床人士在床和轮椅之间自理转换的难题；e-Bed A在设计中，集成了如厕模块，解决了老人由于生理机能退化行动困难、如厕不便等问题。在原始状态下，e-Bed以护理床的形式存在；当需要出行时，一键操作便可实现床体向电动轮椅的转换，并轻松出行；当需要如厕时，同样是一键操作便可实现。

b)床椅分离与自动对接技术：

一键自动分离与对接，操作简单、可靠实用，卧床老人可驾驶轮椅实现自由移动的梦想；当需要变为护理床状态时，也仅需一键便可实现电动轮椅与床体的自动准确对接。经过实际需求反馈与不断改进，e-Bed以安全可靠的品质，切实满足了目标群体的需求，创造性地设计出了不同方位的分离后轮椅出行方式，包括侧向出行方式（e-BedⅢ）与横向出行方式（e-BedⅠ、Ⅲ、A），可分别适应纵向空间较广与横向空间较广的环境要求。

c)语音等多模式人机交互技术：

语音控制，实现宜人化交互操作。e-Bed以床椅互换为平台，设有生活、康复、医疗、信息四类功能模块，并细分出如厕系统、清洁辅助、尿湿报警、腿部康复运动、吃药提醒、生理参数检测、视频聊天等功能模块。通过添加不同的模块而形成的动态产品模型，可针对不同用户快速配置出满足其个性化需求的产品。当某个功能需要升级或研发出新的功能时，用户仅需对相应的功能模块进行更新操作，不影响其他功能的使用。

d)技术与艺术造型设计的一体化融合：

结构简单、符合人机工学，人、机和使用环境和谐自然。如图8，四款护理床在床头板以及护栏的设计中，考虑到老人行走、坐下以及站起都有可能需要借助其他物品，才能更好保持平稳，因此皆有镂空，以形成符合手扶持的形态；e-Bed 表面粗糙度也符合防滑的标准，并且手感舒适。e-Bed本着造型友好的理念，多使用以下几种元素：水平形体和线条（安全、稳定感），竖直形体和线条（挺拔感），如图8 e-BedⅠ、Ⅱ、Ⅲ 床头板及床边护小角度圆角（严谨感），多部位倒角，手感圆滑，并能防止意外发生，提升安全性；大圆角（柔和、亲近感）如图8 e-Bed A床头板。

在色彩与材料方面，该床按使用环境主要设计了两种搭配，一种适用于医院的白蓝颜色组合的塑料材质，色彩干净鲜明，材质触感温和，给人以整洁大方的印象；另一种适用于居家环境的橙红色木质材料，色彩温暖宜人，为老人提供温馨居室环境。他们的组合兼具简洁、大气的艺术风格，符合老人对造型典雅简洁、安全稳定产品特征的喜好。同时，床头采用多款造型及色彩设计，满足不同家居环境下的个性化需求。

e-Bed从技术、艺术、心理等角度对产品进行系统性、模块化设计，形成未来老年生活的新模式和新概念，在纵向上提升，在横向上拓宽，引导了助老机器人产品发展的新潮流！

4.产品应用示范

e-Bed有效针对老年人以及行动不便人群的切实需求，创新性地提出了护理床与智能轮椅的高效、便捷、可靠转换的理念。其一键操作方便了使用者对e-Bed进行控制；电动轮椅出行时，速度适中并可调，操作灵敏，符合该人群的使用习惯；具有极大的实用性和可靠性；有效集成生活、康复、医疗以及信息方面的功能，能够为目标人群提供综合全面的服务；模块化组件，用户能够个性化定制，经济实际；造型简洁友好，且不失典雅时尚，特别根据目标人群的美学喜好而设计，符合人机使用习惯；在材料使用方面，尽可能选择可降解环保的家居材料，符合绿色设计的要求。

e-Bed各个功能模块的定位均基于前期详尽完备的用户研究。设计者深入敬老院亲自照顾老人，并请经验丰富的护理人员参与到设计的各个流程中，设计制作完成之后，设计师亲身体验，并请护理人员试验指出不足与需要改进的地方，使床椅一体化机器人符合人机工程原理，有着良好的实用性和可靠性。经过不断测试之后，方请老人用户进行体验，提出意见。

在应用示范过程中，研究人员也陆续发现新的不足：如厕模块口径较小；半失能老人日常需要一些康复训练，可以为此类老人创造一定自我锻炼的环境。这些也是后续研发需要着手的地方。

图9 四季青敬老院应用示范

床椅一体化多功能护理床已处于小批量试制阶段，目前已经投产10余台套，在北京市四季青镇国家级模范敬老院等单位应用示范已一年，极大地提高了卧床老人的自理能力，减轻了护理人员的劳动强度，得到了护理人员和老人的高度认可，并在《英国卫报》、《科技日报》、《北京青年报》以及《北京日报》上进行了报道，扩到了社会影响，取得了很好的社会效益。