一种面向起身困难患者可自动更换床单的病床设计

谢昭旭，邵丽颖

一种面向起身困难患者可自动更换床单的病床设计

谢昭旭，邵丽颖*

（长春师范大学 工程学院，吉林 长春 130032）

设计了一种面向起身困难患者可自动更换床单的病床，包含底部移动折叠系统和顶部床单更换系统的结构设计。底部移动折叠系统、顶部床单更换系统分别采用电力推杆和直流电机为动力源，对动力源进行了计算与校核。该病床将床单做成卷筒，并将其安装在位于顶部床单更换系统的电机架上，其对称位置安装有床单收集卷筒用于收集使用过后的床单。床单收集卷筒与位于电机架上的直流电机通过齿轮连接，减速的同时为整个过程提供动力。在使用中通过更换床单卷筒与床单收集卷对床单进行更新。

电力推杆；直流电机；病床

随着人口老龄化程度的进一步加深、病人的不断增多，其中不乏起身困难的重病患者，对于这些患者，病床床单的更换成为了一件难事。调查显示，现今需要依靠护士将病人强行抬起进行床单更换，这种方法不仅费时费力，而且可能对于病人造成二次伤害[1]。因此，迫切需要设计一种面向起身困难患者的可自动更换床单的病床。

1 结构设计

如图1所示，将床单做成形似卷筒纸的形态组成床单卷筒，将床单卷筒安装在位于顶部床单更换系统的电机架上，在电机架上与其对称的位置安装床单收集卷筒，用于收集使用过后的床单。床单收集卷筒与位于电机架上的直流电机通过齿轮连接，减速的同时为整个过程提供动力。使用中，通过更换床单卷筒与床单收集卷筒更新床单。

整个床体由镜像的两组床单卷筒与床单收集卷组成，其中一组固定，另一组可移动。这两者将床体分为两个部分，这两部分分别通过固定移动框推杆连接板、滑动移动框推杆连接板与电力推杆的两头以螺旋副连接，分两部分完成整个床体床单的更换。

1.1 底部移动折叠系统

底部移动折叠系统位于整个床体的底部，由电力推杆一、床体压缩架、床体压缩杆、床体保持架、床体侧板、床体顶板组成。其中床体压缩架、床体压缩杆、床体保持架组成连杆机构，通过电力推杆一控制该连杆机构完成对整个床体中部（放置床单卷筒与床单收集卷筒）空间的控制，实现床体的展开与压缩，保证在使用时空间小、保持洁净，在更换时空间大、便于更换。

1.滑动移动床框；2.软床垫；3.固定移动床框；4.运动移动床框5.床框；6.电力推杆二；7.床体保持架连接器；8.床单卷筒；9.电机架；10.床单收集卷筒；11.电力推杆三；12.固定移动框推杆连接板；13.滑动滑槽；14.小床单卷筒；15.滑动移动框推杆连接板；16.床体顶板；17.床体压缩杆；18.床体保持架；19.床体侧板；20.万向轮子；21.床体推杆；22.电力推杆一；23.床体压缩架；24.护栏边框；25.控制钮；26.维持架；27.护栏底架；28.扶手架；29.扶手；30.护栏底框；31.护栏框（短）；32.护栏侧框。

电力推杆一是整个结构的动力源，其一侧通过转动副与床体顶板连接，另一侧通过转动副与床体压缩架连接。床体压缩架通过转动副与两侧对称的床体压缩杆（2组共四个）连接，床体压缩杆与床体保持架通过转动副连接。

电力推杆主要由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导向管、导套、推杆、安装座、弹簧、外壳及蜗轮、微动控制开关等组成，具有性能可靠、动作灵敏、运行平稳、推拉力相同、环境适应性好等特点[10]，能保证使用者的安全与舒适。

1.2 顶部床单更换系统

顶部床单更换系统由电力推杆二、电力推杆三、床单卷筒、床单收集卷筒、电机架、床体保持架连接器、床框、固定移动框推杆连接板、滑动移动框推杆连接板、固定移动床框、滑动移动床框、滑动滑槽组成。整个床体的床单更换结构由固定移动床框与滑动移动床框组成，两者分别通过固定移动框推杆连接板、滑动移动框推杆连接板与电力推杆二、电力推杆三连接，通过安装在床框上的滑动滑槽、由电力推杆提供动力完成床体两部分的分离。

床单更换结构分为左侧固定部分与右侧滑动移动部分。在更换床单时，床体会分成两个部分，病人分两次侧身躺在两部分上，这时没有病人躺着的那一部分上的电机带动床单运动，完成床单的更换。床单卷筒、床单收集卷筒之间通过同步带连接，主动力由直流电机通过同步带给到床单卷筒上，带动床单卷筒和床单收集卷筒转动，完成床单的更换与收集。

2 控制方案

当需要更换床单但病人下床困难时，由护士按下床单更换按钮，这时位于床身两侧的可压缩床体护栏会升起，护士提醒病人倾斜身体，待病人稳定后，电力推杆二和电力推杆三开始工作，通过滑动移动框推杆连接板带动滑动移动床框移动一定距离，之后位于电机架上的步进电机带动床单收集卷筒开始转动，使得位于床单卷筒上的新床单更换至床面上，而旧床单环绕在床单收集卷筒上。在一侧更换完成后，电力推杆二和电力推杆三会恢复原位。这时护士提醒病人往另一侧翻身，之后另一侧的步进电机完成相同工作，实现另一侧的更换，至此床面整体更换完成。

在床单卷筒上的床单用完后，系统会显示“床单已耗尽，请更换床单卷筒”，这时护士需按下床单滚筒更换按钮，电力推杆一开始工作，通过由床体顶板、床体压缩架、床体压缩杆、床体侧板、床体保持架组成的连杆机构使得床体的上半部分升起，留出足够的空间，由护士完成对于床单卷筒和床单收集卷筒的更换。之后按下恢复按钮，推杆恢复原状。

3 动力源的计算与校核

3.1 底部移动折叠系统电力推杆

为确定电力推杆一的选型，对上述设计的极限状态进行静力学分析，即推杆冲程冲满时的床体展开状态和推杆冲程为最小时的床体折叠状态，取其中的最大值作为选择电力推杆的参考力。

各零件的连接关系如图2所示，有：

＝3－(2h＋l) （1）

式中：为自由度；为活动构件个数；h为高副个数；l为低副个数。

A～I为转动副；Fc、Fc反、Fi、Fg、Ff、Ff反为对应点受力，N；M为病床负载，N；1为床体保持架；2、3为两侧的床体压缩杆；6为床体压缩架；4为电力推杆与床体顶板的连接部分；5为电力推杆与床体保持架的连接部分；4.5和移动副I共同构成电力推杆。

由图2可以看出，本机构活动构件有6个，高副个数为9，其中有8个转动副与一个移动副，低副个数为0。但转动副、为虚约束，故需减去一个活动构件、减去两个高副。

计算得：＝1。

故只用一个电力推杆作为动力源即可满足要求。

由文献[4]得：

＝（2）

式中：为物体质量，kg；取9.8 N/kg。

人体平均重62 kg[6]，使用SolidWorks测量得到上部分床体自重约118.584 kg。

计算得：＝1769.72 N≈1770 N。

首先对推杆冲程冲满时，即床体整个展开的状态进行受力分析，此时电力推杆要求冲程为159.45 mm，其数据由SolidWorks测得：

＝＝700 mm（位于的中间位置）；＝264.6 mm；＝119.4 mm；∠HGF＝47°；∠/2＝57°。

位于的/2与位于的F对求转矩平衡，有：

计算得：F＝1644.83 N。

对于同理，计算可得：

F＝F＝1644.83 N

将F、F合成到点处，由于两力方向一致且距离点的距离一致，故两者由于移动力生成的转矩等大反向、相互抵消。分析点的受力有：

F×cos∠HGF＝F（4）

其中：F＝F＋F＝3289.66 N。

计算得：F＝2243.54 N。

因此，在推杆冲程冲满的床体展开状态时，推杆需要提供至少2243.54 N的力。即：

展开＝2243.54 N。

同理计算得，在推杆冲程最小的床体压缩状态时，推杆需提供至少3706.50 N的力。即：

折叠＝3706.50 N。

由于展开＜折叠，故取折叠作为选取电力推杆的参考力，但由于上述计算是基于人类平均体重，考虑到极限情况，这里选取安全系数＝2.5计算。可得：

参考＝折叠＝9.263.75 kN。

又因为推杆冲程冲满的床体展开状态的冲程要求为159.45 mm，而床体折叠状态的冲程要求为64.43 mm，故这里选取159.45 mm为推杆的参考冲程。

由此可得，在本设计的应用场景中，要求电力推杆的最大推力为9.263 kN，行程要求大于等于159.45 mm，最大速度没有要求，因此选择DYTFB1750-500/90-X。其中，DYTF表示分离式电液推杆，B表示防爆，1750表示最大推力10 kN，500表示行程500 mm，90表示最大速度90 mm/s，X表示下推杆。

3.2 顶部床单更换系统直流电机

对给更换床单提供动力的直流电机的选型进行计算。首先确定减速比[2]：

式中：为电机转速，r/min；为减速比；1/2为传动比；为外径，m；为工作转速，m/min。

用四极电机转速为1450 r/min左右，设计要求床单更换速度＝12 m/min，为了增加更换速度没有减速，故传动比为1，主动辊筒的外圆直径经过测量为150 mm。

计算得：＝18.125。

再计算理论电机功率[2]：

式中：为功率，W；为阻力系数；M为负载总重，kg，包含负载加皮带或网带或链条或辊筒等；为倾斜角，（°）；为安全系数；

根据软件测量，滚筒为35 kg，共2个，床单保守估计为60 kg，故M＝130 kg。＝0°，

计算得：＝292.49 W。

故选取减速比为20、功率大于300 W的电机。根据电机表，选择Y80M1-4型电机。

4 结束语

为改善医院病床床单更换困难、甚至无法更换的问题，设计了一种面向起身困难患者的可自动更换床单的病床。

相对于人工更换，该病床更换床单的效率更高、节约人力资源，且一定程度上可避免对患者造成二次伤害。一次性床单设计为卷筒形状，保证了卫生，且减少了生产医用床单的成本。床身整体呈框架结构，采取电力推杆作为动力源，在节约成本的同时保证了安全性。

[1]崔永平. 我国医疗仪器设备及器械制造产业竞争力研究[D]. 北京：北京化工大学，2019.

[2]安琦，顾大强. 机械设计[M]. 北京：科学出版社，2008.

[3]大连理工大学工程画教研室. 机械制图[M]. 北京：高等教育出版社，1993.

[4]哈尔滨工业大学理论力学教研组. 理论力学[M]. 北京：高等教育出版社，1997.

[5]刘鸿文. 材料力学[M]. 北京：高等教育出版社，1991.

[6]罗文雪，干静，刘宏伟，等. 腰部助力外骨骼的背板及其绑缚优化设计[J]. 机械，2021（5）：75-80.

[7]崔皓然，马常友，樊亚飞. 脚踝康复训练机构研究综述[J]. 机械，2021（12）：11-19.

[8]马红日. 太空医疗仪器苏州分公司供应商选择方案的优化研究[D]. 兰州：兰州大学，2020.

[9]莫莉，刘娇娇. 信息技术下SolidWorks在《机械制图》课程的应用研究[J]. 信息记录材料，2017（11）：111-113.

[10]张进东. 基于STm32F103的电动推杆控制器[J]. 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术，2019（2）：162-164.

[11]孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[12]王昆. 机械设计基础课程设计[M]. 北京：高等教育出版社，1996.

[13]中国纺织大学工程图学教研室. 画法几何及工程制图[M]. 上海：上海科学技术出版社，1984.

A Hospital Bed Design with Automatic Bed Sheet Change

XIE Zhaoxu，SHAO Liying

( School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun 130032, China )

A hospital bed with automatic bed sheet change is designed, which includes the structural design of the movable folding system and the bed sheet changing system. Electric push rod and DC motor is used as the power source, which is calculated and checked. The bed sheets are made into rolls and installed on the motor frame of the top sheet replacement system. A sheet collection roller is installed at the symmetrical position to collect used sheets. The sheet collection roller is connected with the DC motor on the motor frame through gears, which provides power for the whole process while decelerating. The bed sheet change is realized by replacing the bed sheet roller and the bed sheet collection roller.

electric push rod；DC motor；hospital bed

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.008

1006-0316 (2023) 01-0048-05

2022-05-05

教高司函[2020]13号，2021省级大学生创新创业项目：一种面向起身困难患者可自动更换床单的病床（20210205033）

谢昭旭（2002－），男，山西晋城人，主要研究方向为机械工程，E-mail：xzx17535692829@163.com。*通讯作者：邵丽颖（1979－），女，吉林松原人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为现代机械设计方法及理论，E-mail：493757026@qq.com。