基于人机工程的多功能护理床设计

张建国，谭云丽，薛 强

（天津科技大学 机械工程学院，天津 300222）

基于人机工程的多功能护理床设计

张建国，谭云丽，薛 强

（天津科技大学 机械工程学院，天津 300222）

0 引言

目前我国六十岁以上老年人口已经达到了1.53亿，老龄化率为11.6%，并且预计2026年将超过3亿，我国不仅是老龄人口最多的国家，而且也是老龄化速度最快的国家，老龄化问题已上升到事关国计民生的大事。随着科学技术进步和生活水平的提高，老年人和残疾人也越来越受到社会的广泛关注。

本护理床就是从人性化角度出发，基于人因工程的理念，借助PROE三维实体建模分析软件来设计的。在设计尺寸和功能上，不但满足残障病人和行动不便的老年人的基本生理需要，更注重舒适度和便于医护人员进行康复护理，因此，不仅具有护理作用，还能促进病人病情的缓和和康复。

1 人机工程设计的任务和要求

卧床的病人，如果身体各个部位不经常活动，不仅会造成肌肉僵硬，关节功能萎缩，并且严重的还会影响局部血液流通，引发褥疮等疾病。因此，该护理床在设计时，首先在机械机构上将人体分为四个模块：上身，臀部，大腿和小腿，保证身体这四个部位都能单独活动，具体人体设计尺寸，参考了我国成年人人体主要尺寸标准[1]，又从人体工程学的角度对活动空间范围进行适当的修正。

设计该护理床适合90%的人群使用，故以第5百分位为下限和第95百分位为上线，取变换系数K=1.645[1]。

四块躺板不仅满足病人活动不同部位的需要，以满足人体日常生活和功能康复以及舒适度的要求。由于人体各部位的尺寸因人而异，而且人体的活动姿势随着具体情况的不同而不断变化，因而利用人体结构和尺度关系，采用标准的人体外形模板，便可以直观的求出人体相对位置的设计参数。本护理床在躺板活动的角度设计上就借鉴了人体外形模板，以实现各部位活动角度和坐姿功能的实现。GB/T 14779-93标准规定了三种身高等级的成年人坐姿模板的功能设计基本条件、功能尺寸，是对人机系统进行考察研究、分析评价、试验设计不可缺少的重要辅助手段。目前，人体坐姿模板在轿车驾驶室的设计上应用比较成熟，该护理床通过对人体模板要求进行简化如图1所示，选择设计需要的尺寸角度进而指导设计。

图1 坐姿实现角度

2 机构设计

康复床的躺板由四块组成，以满足机构设计要求的四个模块：背部抬升，大腿抬升，小腿抬升和坐姿功能的实现。前三个模块分别由四个电机推动，可单独作用，也可以协调运动完成人体坐姿不同角度的需要。床体还能整体上升和整体倾斜，该功能由两个电机控制实现，可以调整床体的高度，设计流程图如2所示。

图2 设计流程图

2.1 整体上升机构设计

图3 整体上升结构简图

此机构自由度计算：F=3n-(2p1+ph)=3×8-(2×11+0)=2，电机推杆AB和MN同时伸出，床体整体上升，其中一个电机推杆不动，另一个单独伸出时，床体整体倾斜。

图4 上升结构分析图

若此时电推杆NM也由L推出至L'，整个床体上升高度H=|E1E| ，若此时电推杆NM保持原长L，则床体整体倾斜，倾斜角度为

2.2 抬腿机构设计

抬腿机构简图如图5所示。

图5 抬腿机构简图

验证当推杆HI伸出，使得＜HGI旋转设计要求角度γ时，HI的伸长量是否在电推杆推程（L）范围内：GI旋转角度γ，I点运动至I1点，

若S＞L，则根据L及求得的KG、GI及＜KGI，反求KI及其与GK的夹角，并进行强度校核，直至达到设计要求。

3 ProE三维模型建立及仿真分析

选材后，在proe环境下进行三维模型的建构和装配。进行运动分析和仿真，直观显示机构中各部件的运行情况，并对机构进行速度和加速度分析。并将运动分析的结果通过动画的形式表现出来，从而可以清晰的看到两件之间是否存在干涉情况，零件的运动是否达到预期的结果。根据仿真的结果再对零件进行修正，直到符合设计要求。以背部抬升机构为例说明模拟过程，对装配好的机构首先进行运动学仿真如图6、图7所示，查看各机构之间运动是否有干涉情况，运动轨迹是否满足设计需要。

根据电机运速度设定模拟电机的速度为5mm/s，运行28s，行程为140mm，设计电机达到抬背角度行程是146mm，与设计相差4%，所以设计在合适误差范围内，并且速度和加速度变化均匀，没有明显峰值和跳动，机构间没有干涉，设计满足要求。

4 结束语

该康复床从人机工程的角度进行设计，体现了人性化的设计理念，在模块化方面正在进一步改进，努力实现个性化设计要求，使背部躺板可以根据人体不同尺寸要求任意拆卸，根据客户的个性化选择进行调试。在功能上，智能化康复床仍然有很大的改进空间，比如，增加辅助康复的娱乐模块和人体检测模块，实现更加智能化和人性化，进一步辅助康复治疗，有利于病人的身心健康。

参考资料：

[1]何灿群.产品设计人机工程学[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2]毛友新.机械设计基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.

[3]丁玉兰.人因工程学[M].上海:上海交通大学出版社,2004.

[4]老虎工作室.Pro/ENGINEER Wildfire 中文版高级应用[M].北京:人民邮电大学出版社,2007.

[5]姜生元.智能化多功能功能电动康复床的研制[J].机械设计,2008,5(5):61-62.

[6]侯春林.褥疮治疗和预防[M].上海:上海科学技术出版社1997.

The development of a multifunctional nursing bed based on humanized design

ZHANG Jian-guo, TAN Yun-li, XUE Qiang

人性化设计是现代设计的一个重要理念，它强调在设计产品时从人体工学、生态学、美学等角度达到完美，体现了科技以人为本的思想。该护理床的设计正是基于这种理念，它不仅能够实现抬背、抬大腿，曲小腿和调整坐姿的功能，并将设计通过Pro/E三维实体建模软件进行模拟和仿真分析，进一步指导和验证设计的合理性。

人机工程；护理床；防褥疮

张建国（1955－）男，天津人，教授，研究方向为现代设计理论及机械CAD研究。

TP242.3

A

1009-0134(2010)06-0088-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.30

2009-08-29

科技部项目：残障人生活保障辅具研究（2006BAI22B05）