一种联动式护理床抬背机构的设计与研究

张轩铭，周浩东，王子钰，褚亚旭，吕金贺，李洪洲

（北华大学机械工程学院，吉林 吉林 132000）

0 引言

目前，无论在医院、养老院、护理中心，还是在家里，护理床应用极为普遍，减轻了医护人员、病人家属的负担[1-4]。2016年，上海工程技术大学的王玉昭[5]对起背机构的保护单元进行模块划分设计。2018年，天津工业大学的秦帅华[6]将起背机构中的抬背板分成腰部支板和背部支板，分别对病人的腰部和背部进行支撑，另外设置独立支撑病人臀部的座板，三板联动完成起背动作。2019年，辽宁工程技术大学的高峰[7]在起背机构中设计了一种移臀单元，解决了患者的体位在初始位置时偏下的问题，提高了病人的自我调节性。

上述护理床起背过程中都存在背板拉病人背部衣服的现象，使得病人颈部、后背受到衣服的挤压，造成病人不舒服，甚者产生窒息，特别是对于失去运动功能的病人，就更加的危险。因此，急需解决上述问题[8]。

1 现有护理床抬背机构扯背原因分析

现有护理床抬背机构原理，如图1所示，护理床以O为抬背板的旋转中心，O′为人体重心的旋转中心, 人体中心高为O′B=68.5 mm。根据人体工程学中的中国成年人人体尺寸，人体背部的肩胛骨和抬背板接触的同一点记为A，选取BA=500 mm。当抬背板OA抬起一定角度α时，抬背板上的A点的位置为C′,体旋转中心与抬背板的旋转中心不重合，而使人体背部的肩胛骨上的A点位置变化为C点，人体背部与抬背板产生了滑移，滑移量为CC′，因此采用该结构虽能实现其基本运动功能，但因患者位姿改变，从而对患者背部衣物造成牵扯，造成患者不适。

图1 现有护理床抬背机构运动原理示意图

2 联动式护理床机构设计及理论分析

为解决因患者的位姿改变，患者背部衣物牵扯造成患者出现不适问题，设计了一种联动式护理床抬背机构简图，通过主动补偿的方式，将人体背部与抬背板产生的滑移量行补偿，消除扯背现象。联动护理床抬背机构简图如图2所示，该机构主要由电动推杆、抬背板、背靠板滑动机构和多连杆等组成，该机构在电动推杆的推动下，通过多连杆传动实现抬背板和背靠板移动。

如图2可知，建立直角坐标系，首先研究的主要参数为抬背板的角位移θ5、角速度ω5、角加速度α5。

图2 抬背机构方案示意图

式中:L1为杆AB的长度；L2为杆BC的长度；L3为铰链A与铰链E之间的长度。

应用欧拉公式eix=cos x+isin x，将式（2）中的实部和虚部分离，得到

抬背板的角速度和角加速度分别为ω5和α5，将电动推杆速度和已知杆的长度代入，可得到抬背板的角速度和角加速度的变化情况，据此判断抬背板的角速度和角加速度是否有突变情况，如果没有说明其运动平稳，该机构的设计符合要求。

同理通过矢量方程式，计算背靠板的相对位移情况。

通过式（23）得出θ9是关于lMH和lHE的函数，之后输入已知条件，代入可求得lMH和lHE的值。LHE为靠背板的位移量。

3 联动式护理床机构的运动仿真

依据运动学平衡方程，采用MATLAB软件搭建机构仿真模型并进行运动学仿真，分析抬背板的角速度和人体背部位移量与背靠板补偿量情况，对患者抬背过程中的舒适性和机构的正确性等问题进行验证，仿真分析结果，如图3、图4所示。人体背部位移量与背靠板补偿量对比分析，如表1所示。

表1 人体背部位移量与背靠板补偿量对比分析

图3 抬背板角速度

图4 人体背部位移量和背靠板补偿量对比曲线

由图3、图4可知，从整体趋势来看，抬背板角速度曲线平滑，没有出现断点和突变，运行较为平稳，能够保证抬背过程中的舒适性。人体背部位移量与背靠板补偿量曲线相比，随着靠背板抬背角度变化，该靠背板在径向方向上位移有规律变化，先比人体背部位移量曲线滞后，近19°时，滞后量达到最大值为2.55 mm，其后滞后量变小，在47°时，与人体背部位移量曲线重合，之后，背靠板补偿量与人体背部位移量相比，背靠板补偿量开始超前，至75°时，达到最大值105.83 mm。在75°时，人体背部位移量为105.12 mm。

背靠板补偿量维持在0～2.55 mm范围内。经分析产生原因为：由于该机构结构特性引起的。当t=12 s时，抬背板角度达到75°，靠背板与抬背板的相对位移量为105.83 mm。通过实验得出人体位移量差3 mm患者感觉无明显，而本机构的最大位移量为2.55 mm，小于3 mm，防止了扯背现象的发生。

4 结语

设计的联动病床抬背机构可以用于现有护理床。采用连杆滑块联动机构建立了二维原理图；采用矢量方程建立了其理论模型；在MATLAB中进行运动仿真分析；对比了仿真与理论位移结果，得出其在不同起背角度时的位移变化规律，通过分析曲线，验证了该机构模型的正确性和良好的位移性能，防止了扯背现象发生。