分体式老年人移位椅的系统化设计与仿真分析

孙腾蛟SUN Teng-jiao；范雅璇FAN Ya-xuan；宋群SONG Qun；郭婷婷GUO Ting-ting；刘杨LIU Yang

（①滨州职业学院，滨州 256603；②范海自动化技术（山东）有限责任公司，滨州 256603；③上海新南洋合鸣教育有限公司，上海 201499）

0 引言

全国第七次人口普查数据显示，老年人口数量和占总人口的比重持续增长，2010 年至2020 年，60 岁及以上老年人口从1.78 亿增加到2.64 亿，老年人口占总人口的比重从13.26%上升至18.70%，老年人口规模庞大，老龄化进程明显加快。[1]

人口老龄化程度进一步加深，对于老年康复辅具的需求进一步加强。工信部明确指出，要将康复辅具装备的系统化和智能化作为重点发展领域[2]。但是，目前现有的移位椅存在严重的不足，比如工业化生产痕迹明显，不符合人机工程学；结构性设计缺陷突出，致医患纠纷频出；产品零件大多低端货，操作复杂且易损；整体安全性有待改善，且功能过于单一。本研究采用分体式方法设计一种移位椅，改善上述问题，满足使用功能。

1 功能

针对市场需求，结合当今市场康复移位辅具产品的优势与不足，提出此设计方案，该产品可满足使用者在户外运动、室内基本生活需求，以期满足更多人的需要，实现老年人日常生活自理，降低护理强度。

①分体移位功能。采用分体式设计即坐垫与移位椅框架分离，使用时将坐垫放到病床上，病人只需坐起转身即可坐到坐垫上，不会产生其他干涉，然后推动支撑移位结构对接到坐垫上，使支撑移位结构和坐垫结合到一块形成移位椅，病人在移位椅上，推动移位椅移动即可。降低护理人员在帮助老年人移位时的护理强度，老年人可以更加自如的实现身体移位，最大化实现生活自理。②自主对接功能。本产品可在床、马桶、餐厅、沙发之间自主移位对接。对于老年人来说，由于自身机体功能退化，如厕、沐浴等涉及体位移动的活动均受限制，自主对接功能的实现可进一步帮助老年人可用遥控器自主操控此产品，实现生活移位自理，降低护理时间。③人机工学设计。设计隐藏式背板安全带及轮部自锁安全机构，考虑到老年人会出现一定的行为迟缓障碍，为避免因失误导致安全事故的发生，进一步提高使用安全性。④人性化设计。采用一体式坐垫采用恒温垫圈设计，提升使用者的体感舒适度，在此设计中充分考虑到对老年人的尊重和人文关怀，提高晚年生活质量。

2 系统化设计

SolidWorks 是一款功能多样的CAD/CAM 软件设计系统，可以方便实现各种复杂结构的建模与仿真。根据移位椅的基本功能，按照人机工学要求，使用此软件对移位椅的背板、椅坐、底架、扶手、安全制动机构、驱动轮进进行零件建模，并将各零件装配成统一整体[3]，最终的装配图，如图1 所示。

图1 移位椅装配图

2.1 一体化坐板结构

如图2 所示，一体化坐板设计，包括臀部垫板和脚部支撑板，脚部支撑板位于臀部垫板的前下方，脚部支撑板与臀部垫板之间通过衔接板连接，衔接板用于腿的支撑一体式设置，增强支撑以及舒适度，减少陪护人员及护士的操作力度。

图2 一体化坐板

坐板自带加热功能，解决老人下肢运动量不足造成血液循环不畅、腰部以下体温低于上肢温度的问题，提升病人的使用体感舒适度；坐板带有MCS40 传感器，可测量体重、BMI 值，并将数据显示在移位椅右侧扶手下方显示屏上，随时监测健康数据。同时减少了护理人员的操作强度，减少其与病人之间的肢体接触。

2.2 隐藏式背板安全带结构

隐藏式背板安全带结构如图3 所示，支撑结构上安装有背板，背板呈弧形板，背板中内有有安全带，安全带隐藏于背板中。弧形板能够增强倚靠的舒适度，背板的一侧铰接在支撑移位结构上，背板的另一侧设置有锁合件。通过锁合件与支撑移位结构实现锁合，也可以打开。锁合件可以为卡扣结构也可以是安全带结构，能够实现背板合拢时与支撑移位结构的锁合即可。本方案中优选为安全带结构，该侧设置有凹槽，安全带的锁扣位于凹槽中，合理利用背板空间，减少误碰。

图3 隐藏式背板安全带结构

2.3 可切换底盘模式

如图4 所示，四边形底盘模式主要配合马桶使用，实现病人乘坐移位椅如厕的功能，在路面坑洼环境下切换到四方形底盘模式，可以有效避免侧翻风险。

图4 四方形底盘

如图5 所示，三角形底盘模式下，适于低速行驶，两个较大的主动轮依靠电机差速转向，两个较小的从动轮为万向轮，当处于电力驱动模式下，为3 轮转向。输出功率更高，所需驱动力更小，相对于四边形的四轮结构，减少了一个车轮的阻力，造价更低廉。三角形结构具有物理稳定性，三轮转向更加灵活，操作更加方便，实现相对良好的均衡性。

图5 三角形底盘

3 有限元分析

ANSYS有限元分析软件能够与 SolidWorks 软件接口，实现建模数据的共享与交换，是先进制造设计中的CAE 工具之一。ANSYSWorkbench 整合ANSYS 力学、热学各模块，实现多场耦合作用，将前处理、参数分析、后处理等一体化操作。[4]本文将分析移位椅各组成部件的力学情况，检验各部件是否符合强度与硬度条件。因此，在进行受力分析时，去掉扶手、脚架等对力学性能影响较小的辅助部分，将主要受力部件坐板进行有限元分析。

3.1 有限元分析模块建立

Ansys Workbench 可与SolidWorks 进行双向及时互动的数据连接，便于开展相关设计流程，将SolidWorks 文件输出为stp.格式，即可导入Ansys Workbench 进行有限元分析。使用Ansys Workbench 软件，在 Static Structure 模块中进行静力学分析。鉴于移位椅主要由坐板和框架承受重量，因此将此部分进行有限元分析，校核其钢度和强度。

3.2 前处理

①材料属性的设置。坐板采用铝合金材料，其材料属性参数设置为：弹性模量68.9GPa，泊松比0.33，密度2750kg/m3，屈服强度245MPa。框架采用45#钢，其材料属性参数设置为：弹性模量210GPa，泊松比0.31，密度7850kg/m3，屈服强度355MPa。[5]②网格划分。对主体部分采用Hex Dominant 进行网格划分，将应力集中部分进行局部网格细分，提高计算精度，划分单元格数量为10457个，节点为20980 个。网格划分如图6 所示。③添加边界条件。移位椅设计考虑人体最大质量为110kg，载荷均匀分布在坐板上。

图6 网格划分结果

3.3 有限元结果分析

前处理将各项参数预设定好后，点击solve 按钮，开始仿真计算，对模型进行分析求解后，得到主体结构的等效应力情况和变形情况。

①强度校核。通过等效应力数据得知，坐板与框架结构整体最大应力值为112.16MPa，均小于材料的许用应力，满足材料的强度要求。通过分析等效应力云图7、图8，应力集中点位于坐板与框架结构的交界处。②刚度校核。在最大外部载荷110kg 的作用下，坐板与框架结构最大变形量为3.55mm，仅为微小变形，不影响正常功能使用，满足设计的刚度要求。变形分析如图9、图10 所示。

图7 坐板应力云图

图8 框架结构应力云图

图9 坐板变形云图

图10 框架结构变形云图

4 操控模块

此移位椅引入互联网+技术，使得本产品具有了远程遥控功能、监控功能、无线遥控功能，根据病人身体情况，选择相应操控模块。本设计可远程收集实时健康数据，制定抗康复医疗方案。人工智能语音唤醒，实现人机互动、线上寻医。①远程遥控。远程遥控技术部分硬件。通过客户端APP 对移位椅进行远程遥控（配有摄像头，实时数据传输功能），以便家属或者看护人员可以远程对病人进行监控，实现了远程移执行位功能的同时又起到了监控病人活动的作用。②监控系统。当老人完全丧失自主控制能力，借助监控系统，即护理人员全程操作，帮助老人完成如厕、沐浴、进食等功能。③无线遥控。无线遥控功能，条件允许的病人可以自主遥控移位椅满足自身需求，或者医护人员手持遥控器近距离操控移位椅。

5 结论

本文面向老年人需求，设计了一种分体式康复移位辅具，主要创新点如下：①该产品可实现轮部安全自锁、分体移位、自主控制等功能，满足人体工程学设计。②三角型底盘与四边形相互切换，满足不同场景、不同功能需求，使移位椅适应性更强。③利用Ansys 软件进行分析保证其机械性能，本文通过三维模型设计与有限元仿真分析相结合的方式，借助Ansys Workbench 中的 Static Structure 模块对移位椅进行静力学分析，确保本设计符合结构强度和刚度要求。