多功能护理床翻折机构设计与运动优化

赵海鸣 ，舒辉波 ，万奇龙 ，李 杰

（1.中南大学 机电工程学院，长沙 410083；2.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，长沙 410083）

0 引言

随着人民生活水平的不断提高，人口寿命正不断延长，老龄化已成为全球范围的社会问题[1,2]。老年人由于身体机能的衰退，肌体活性不断减退；相较于普通人，老年人的卧床时间更长，由于行动不便，经常会长时间保持同一位姿，使得身体局部组织长期受压，导致压疮发生[3]；同时，由于肢体长期得不到运动，不仅会造成关节萎缩，甚至会引发其他疾病[4]。

护理床是一种常用的智能护理设备[5,6]，能够辅助病人进行康复运动，促进血液循环，增强肌体活性。翻折机构作为护理床的重要部件之一，在病人的康复护理中发挥着重要作用，能够提供病人生活自理所需的各种位姿；通过位姿的调整，可避免身体局部组织长期受压，防止压疮的产生[7]。

姜生元等研制了一种多功能康复床，该床具有抬背、轮椅转换、辅助排便等功能[8]；张建国[9]等基于人体工学原理设计了护理床的上升机构和抬腿机构，并对其进行了运动分析；秦帅华[10]等设计了一种八杆单自由度起背机构，建立了相应的运动学模型，通过MATLAB对机构进行了优化设计；赵礼刚等[11]对抬背机构设计变量进行了研究，分析了各变量对背板角加速度的影响程度，并对关键变量进行了优化。

以上研究虽然实现了护理床的功能多样化，但未能完全解决卧床病人的护理难题，实用性还有待提高；对机构运动学的研究主要集中于抬背机构，未能对康复护理的关键机构进行分析。

本文基于人体工程学原理，设计了三类翻折机构，提升了多功能护理床的实用性和安全性；在此基础上，以改善护理床位姿变换过程中的平稳舒适性为目标，对机构进行优化设计。

1 翻折机构的结构建模

文中的翻折机构包括抬背机构、翻身机构、曲腿机构三大类，具有平躺、抬背、翻身、抬腿、曲腿、等功能，能够满足病人康复护理对位姿的要求。各机构的尺寸和安装位置是依照国标[12,13]进行设计的，能够更好的贴合人体尺寸。

1.1 抬背机构的结构模型

抬背机构能够实现仰卧、坐起等功能，主要由电动推杆、抬背杆、滚轮、抬背架、固定杆组成；抬背架包含center架、left架、right架三大部分，各部件间通过铰链相连。该机构具有一个自由度，动力源为电动推杆，能够保证确定的运动；工作时，电动推杆驱动抬背杆转动，通过滚轮与抬背架的高副接触带动抬背架绕固定杆转动，实现0°～75°的角度调节，机构模型如图1所示。

图1 抬背机构模型

1.2 翻身机构的结构模型

翻身机构能够实现卧床病人的左右侧翻，可避免身体局部长期受压，对压疮预防有较好效果。该机构由电动推杆、翻身铰座、支撑板、翻身架组成，翻身架包含center架、left架、right架三大部分，center架通过焊接在其上的支撑板与left架、right架间形成可分离式接触。当电动推杆伸长时，center架将带动left架顺时针转动，实现左翻身；当电动推杆收缩时，center架将带动right架逆时针转动，实现右翻身，翻身角度为0°～30°，机构模型如图2所示。

图2 翻身机构模型

1.3 曲腿机构的结构模型

曲腿机构由电动推杆、曲腿铰座、活动架、大腿架、小腿架组成，该机构具有一个自由度和一个动力源，能保证确定的运动。电动推杆通过曲腿铰座带动活动架绕固定铰座转动，活动架向上转动可实现抬腿功能，向下转动可实现曲腿和轮椅转换功能，能够辅助病人进行康复运动；活动架、大腿架与小腿架通过铰链相连接，形成一个平行四边形机构，可保证翻转过程中小腿架始终水平。机构抬腿角度为0°～35°，结构模型如图3所示。

图3 曲腿机构模型

2 翻折机构运动学模型的建立

保证护理床位姿变换过程中的平稳能提升卧床病人的舒适性体验，抬背架、翻身架、大腿架是与病人身体直接接触的执行构件，其运动性能的优劣将直接影响病人的体验，需要对其运动参数进行研究。

2.1 抬背机构的运动学模型

抬背机构的运动简图如图4所示，研究的主要参数为抬背架角位移θ6，角速度ω6，角加速度α6。

图4 抬背机构运动简图

∆AOB的封闭矢量方程为：

其复数矢量形式为：

运用欧拉公式eiθ=cosθ+isinθ将式(1)的实部和虚部分离，解得：

将式(1)关于时间t求导，解得：

将式(1)关于时间t求二阶导，解得：

LOC与LOB均为抬背杆的组成单元，由几何关系可知：

对四边形OCDE进行分析，其封闭矢量方程为：

由机构的运动几何关系可知：θ5=θ6+90°，则式(2)的复数矢量表达式为：

式(3)经欧拉公式展开求解可得：

式中M=-LOCcosθ4，N=LOCsinθ4-LOE，P=LCD。

将式(3)关于时间t求导，解得：

将式(3)关于时间t求二阶导，解得：

2.2 翻身机构的运动学模型

翻身机构的运动简图如图5所示，研究的主要参数为翻身架角位移θ3，角速度ω3，角加速度α3。

图5 翻身机构运动简图

同理，求解得：

LOC与LOB均为翻身架的组成单元，由几何关系可知：

2.3 曲腿机构的运动学模型

曲腿机构驱动原理与翻身机构类似，其运动简图如图6所示，研究的主要参数为活动架角位移θ3，角速度ω3，角加速度α3。

图6 曲腿机构运动简图

同理，求解得：

LOC与LOB均为活动架的组成单元，由几何关系可知：

3 翻折机构的运动优化

为了满足护理床的舒适性要求，翻折机构各执行构件的运动参数应变化平稳，避免发生突变；优化设计的目的：通过调整机构的结构尺寸，降低执行构件的角加速度，使其运动更加平稳。

3.1 抬背机构的运动优化

参考护理床设计标准，综合考虑护理床的空间布局、抬背架翻转角度以及推杆的行程，初步确定各点坐标为：O（0，0），A（-405，-100），B（-15，65），C（450，195），E（0，220），F（465，145）。

以各坐标点为设计点，通过ADAMS软件建立抬背机构模型并设定好零件间的连接关系；对抬背机构进行运动仿真，得到角加速度随转角变化的曲线，如图7所示。

图7 抬背架角加速度曲线

由图7可知，抬背架角加速度随转角增大而持续增大，整个曲线较陡峭，终点位置的角加速度相较于起始位置增大了近17倍，机构的运动平稳性较差。

根据护理床的空间布局以及高度方向的尺寸限制，可以确定O点、E点横纵坐标以及A点、C点纵坐标，为了提升抬背机构的运动性能，可对其他设计点坐标进行优化。

以Ax、Bx、By、Cx为设计变量（下标x代表横坐标，y代表纵坐标），其取值范围如表1所示。对设计变量进行灵敏度分析，得到各变量对抬背架角加速度的影响度曲线如图8所示。从图可知，变量Cx对抬背架最大角加速度影响非常显著，当Cx增大时，最大角加速度先减小后增大，Bx、By对最大角加速度影响较大，Ax对最大角加速度影响微弱。

表1 设计变量的取值范围/mm

图8 抬背架角加速度影响度曲线

为了提升优化的效率，根据灵敏度分析的结果，选取Bx、By、Cx为优化变量，变量矩阵X=[X1，X2，X3]=[Bx，By，Cx]

抬背机构各构件长度为：

推杆伸缩长度应在行程以内，抬背架的转角为0°～75°，由式(4)可知：

式中M=-LOCcosθ4，N=LOCsinθ4-LOE，P=LCD。

以抬背架最大角加速度为目标函数，由式(5)可知：

优化后变量的取值如表2所示，由表可知，当Bx、By、Cx分别为-4mm、73mm、450mm时，抬背架最大角加速度最小。优化前后抬背架角加速度曲线对比图如图9所示，由图可知，优化后抬背架角加速度曲线更加平缓，最大角加速度减小了近3倍，机构的运动平稳性得到了提升。

表2 优化后变量的取值/mm

3.2 翻身机构的运动优化

初步确定翻身机构各点坐标为：O（0，0），A（185，-220），B（-22，-60），C（-22，0），根据护理床的空间布局以及高度方向的尺寸约束，可以确定O点的横纵坐标以及A点的纵坐标。选取Ax、Bx、By为设计变量（下标x代表横坐标，y代表纵坐标），变量的取值范围如表3所示。

图9 优化前后抬背架角加速度曲线

表3 设计变量的取值范围/mm

以Ax、Bx、By为优化变量，变量矩阵X=[X1，X2，X3]=[Ax，Bx，By]。

翻身机构各构件长度为：

推杆伸缩长度应在行程以内，翻身架的转角为0°～30°，由式(6)可知：

以翻身架最大角加速度为目标函数，由式(7)可知：

优化后变量的取值如表4所示，优化前后翻身架角加速度曲线对比图如图10所示。

表4 优化后变量的取值/mm

图10 优化前后翻身架角加速度曲线

3.3 曲腿机构的运动优化

初步确定曲腿机构各点的坐标为：O（0，0），A（445，-220），B（-35，-95），C（-35，0），根据护理床的空间布局以及高度方向的尺寸约束，可确定O点的横纵坐标以及A点的纵坐标。选取Ax、Bx、By为设计变量（下标x代表横坐标，y代表纵坐标），变量的取值范围如表5所示。

表5 设计变量的取值范围/mm

以Ax、Bx、By为优化变量，变量矩阵X=[X1，X2，X3]=[Ax，Bx，By]。

曲腿机构各构件长度为：

推杆伸缩长度应在行程以内，曲腿机构的抬腿角度为0°～35°，由式(8)可知：

以活动架最大角加速度为目标函数，由式(9)可知：

优化后变量的取值如表6所示，优化前后活动架角加速度曲线对比图如图11所示。

表6 优化后变量的取值/mm

图11 优化前后活动架角加速度曲线

4 结语

为了更好解决卧床病人的康复运动和压疮预防这一护理难题，设计了3类翻折机构，所设计的机构原理简单、动力源精简、实用性强，能够提供康复护理所需的各种位姿。建立了翻折机构的运动学模型，借助ADAMS软件对其进行了优化设计，优化后翻折机构各执行构件的角加速度曲线更加平缓，最大角加速度显著降低，护理床位姿变换时的平稳舒适性得到了提升。