多功能护理病床侧身功能改进设计

韩富 李璐 李维

（西京学院机械工程学院，陕西西安 710123）

1 多功能护理病床布局

多功能护理床的设计既要考虑人体工程学、安全性、标准化等设计需求，又要考虑到多功能护理床各个执行机构设计和制造是否合理、经济，以及设计时要考虑到患者、护理人的生理和心理特点，考虑到患者的身高、坐高、坐深、视野等多重因素，尽量使设计富有人性化[1]。按照中国成人常规身体尺寸规范，36～60 周岁的妇女，平均身高147.7cm，坐高80.5cm，下肢和足高共33.8cm，坐姿40.0 cm；36-60岁的男性平均身高176.1cm，坐高95.2cm，下肢和脚高共44.2cm，坐姿49.4cm[2]。通常，设计多用途护理床，基本的要求是：支背角最大可达到85 度，翻转部分最大80 度，并可自行调直，上伸腿可上折40 度，下弯腿可弯曲90 度，上身、大腿和小腿的独立活动。根据I 型产品的设计，护理床既可以适合女性第五百分位下限确定的尺寸界限值，又应当满足男性第九十五百分位上限确定的尺寸界限值。鉴于人的体型和运动姿态的差异，我们运用了人体的身体构造与比例，建立了一个标准的人体模型，从而得出了人体各部位的相关设计参数。本设计是适用于90%患者的护理床，下限选择第5 百分位，上限选择第95 个百分位，按照附图2 所显示的顺序排列多功能护理床的床板。床板采用模块化设计，既可以满足患者的各种活动需要，又可以方便地进行机械结构的设计，并可改善每张床板的动作灵活性。根据这一理念和模块化设计的多功能护理床，可以用于支背、保护、翻身，也具有屈腿、抬腿、康复训练，还能用作远程监控、人体生命体征检测等方面。本文主要设计和分析该护理床的侧身机构。

图1 人体坐姿尺寸图

图2 多功能护理床模块化布局图

2 侧身运动分析

在改善多功能护理病床侧身装置时，必须符合下列条件：(1)侧身机构能够达到辅助病人做侧身运动的目的；(2)侧身机构必须满足人体工程学的要求；(3)各机构在进行侧身动作时，必须稳定、可靠、安全；(4)为了改善身体在运动中的舒适度，侧身机构应当与身体自主方向或状态相一致。所以，在设计侧身机构时，必须对身体的自主侧身进行分析。本文从人的自主侧身动作和瘫痪患者的侧向动作角度出发，把身体侧移的研究对象抽象成了人的肩部，并利用肩部在床上的可变曲线来分析身体的侧向动作[3]，见图3。从图中可以看到，身体的重心总是在床上，肩部承受着垂直的正压力和横向的摩擦力，通过摩擦来克服重力和正压力所产生的翻转力矩，从而实现了身体的侧身运动。

图3 人体侧身变曲率滚动模式

当患者侧身运动时，需要尽量减小或规避皮肤与床面的相对移动，从而达到对皮肤和手术创面的保护效果，同时也要求在侧卧时，身体的重心在身体的活动方向上尽量与身体的自主侧移的轨迹保持一致。本文采用定轴线转动方式进行侧身机构的设计，使身体在侧身动作时，只靠上身侧板和中间床板施加的正压，避免了身体与床面的相对滑移，并确保了重心的移动轨迹接近真实的轨迹，增加病人在侧躺时的舒适度[4]。

2.1 定轴转动侧身模式

按照人体侧身时的运动特点，提出一种定轴侧身模式，该模式侧身时所设计的侧身框由左侧框、右侧框和中间框三部组成，如图4 所示。

图4 侧身床框示意图

当身体侧身，中间框架旋转，在身体的后背施加支撑，带动身体侧身。为了避免由于身体侧面的倾角而造成的身体滑动，必须在肩膀部位施加支撑力来减少身体和中床之间的摩擦。在侧身时，身体的受力和床板位置见图5。左边框架和中间框架以固定的角度围绕着一个轴旋转，通过身体的后背和肩膀来平衡身体的重量，减少身体与床板之间的摩擦力，防止身体在侧卧时与床体发生相对滑动；其中心线与人体的真实运动轨迹一致，给病人带来了很大的舒适感。

图5 人体侧身受力图

这种方式的左侧侧身流程见图6，当病人朝左边侧身时，左边的框架会开始旋转，当你到达一个特定的位置时就会停止；与中间框架联动，使人的身体在一定角度上向左侧倾斜，可以达到90 度的侧面；当身体再次平卧时，左框架和中间框架在一个固定的角度上再次旋转并复位；左边的框架旋转到横向，完成了整个左边的横向移动。在侧身的时候，他的身体一直被固定在一个V 型的槽里[4]。右侧身流程与左侧身的原理是一样的。

图6 向左侧侧身示意图

2.2 侧身框布置

当卧床者侧身时，床框主要从人体的上身、臀部和大腿给人体提供支撑力。所以将中间侧身框其分成三部分，分别作用于人体的上身、臀部和大腿，见附图7 。

图7 中间翻身框分段位置示意图

在侧身时，侧身框1、2、3 必需同时运动，维持共平面；在照护过程中，被照管部位的侧身框被复位，另外两个侧身框用于支持身体；三个中间侧身框轮流抬起，协助进行了全身的护理工作[5]。

3 实现侧身功能的机构设计与分析

3.1 侧身传动机构原理

侧身机构工作时，由于侧框与中间框运动独立，需要两个原动件，为实现通过两个电机完成向左和向右侧身运动，设计如图8 所示的侧身传动机构。

图8 侧身传动机构简图

该传动装置是用两台电动机来驱动的，它是用有规则地控制的主动滑块13、16 沿导轨10 来回运动，来协助患者完成侧身。当转向右侧的时候，侧面框架的主动滑块13将侧框架的右被动滑块13 推向右边，并且由连杆9、杠杆10 和滚轮6 将运动传送到右边框架4，从而可以进行右边框架的旋转。当旋转到规定的角度时，该侧面的侧框主动滑块13 在中间框架的主动滑块16 的作用下将该中央内框被动滑块15 推向右边，以使得该中间内框2 和右边框架4 的一个固定的角旋转到右边，从而达到一个恒定的侧身夹角。在护理工作结束后，将中央框架的主动滑块16 和侧面的主动滑块13 反转，使得卧床的人仍然保持固定的姿势，并且将侧面框架的主动滑块13 拨动到中部，从而使得右边框架4 复位。在复位的过程中，在中间框2,3 和侧框1,4 上，压力弹簧将对应的被动滑块与主动滑块相接触，而所述驱动杆返回拉伸弹簧则为所述返回张力，以保持所述中间框架和所述测量框与所述对应的支持杆的终端辊相接触；确保中间框架及边框的复位连续稳定可靠[6]。当向左侧身的时候，动作和原理也是一样的。

3.2 侧身机构运动学分析

侧身床板的中间外框的传动装置是由一个曲轴滑动装置和一个旋转导杆装置组成的，它的驱动上半身平板的工作机理是把它分解成两个单独的机械装置来进行运动学的计算，并利用中间外框杠杆20 来确定两个执行机构之间的运动关系。在图9 中，对中间外框架驱动装置构建了直角座标系。

图9 传动机构坐标建立

3.3 中间框和侧框恒夹角翻身运动分析

根据图10 所示的左侧框传动机构简图，建立左侧框的矢量回路方程，可解出左侧框状态角与滑块的位置关系。

图10 左侧框传动机构简图

恒定夹角翻身过程中要求侧框与相应框的夹角保持恒定不变，左侧翻身时如图11 所示。

图11 左侧恒定夹角翻身示意图

式(4)表示辅助侧身框主动滑块与中间框之间所具有运动约束关系，为运动控制提供了条件。

4 结论

本文根据身体曲线及侧身运动的规律，提出了一种定轴侧身模式，并利用这种模型，设计了一种新的嵌套式复合床边运动装置。通过两个对称排列的曲轴滑动装置与摇杆串联的组合装置，使其具有左右侧翻的功能，传动滑块置于两个对称排列的组合机构的中心，其设计合理，既可充分充分地发挥多用途病床的下部空间，又可降低驱动马达数量；采用两台马达对四个不同的方向进行间歇的驱动。当采用定轴转动模式侧身时，患者总是处于由床板，上身侧板组成的V 字形的区域内，而中、下、上半身左右板对身体起到很好的支持，防止了在翻身时后背和中间床板之间发生的滑动，从而改善了身体的舒适性。本文对该系统进行了运动学的研究，得到了该系统的上身侧身框架的翻转角度与驱动滑块位移之间的关系，从而为多用途护理床的侧身运动控制提供了一定的理论依据。