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)
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。
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
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
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
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。
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。
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:
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[2]毛友新.机械设计基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.
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[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.
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[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)