辅助解便护理床的结构设计与分析.pdf
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1、Jul.20232023年JOURNALOFMACHINEDESIGN月No.Vol.40第4 0 卷第7 期机设计械辅助解便护理床的结构设计与分析潘国新1.2.3,王芳1.4.5,曹展宏4,何耀广4,马俪芳1.2,张宇4(1.国家康复辅具研究中心,北京100176;2.北京市老年功能障碍康复辅助技术重点实验室,北京100176;3.民政部神经功能信息与康复工程重点实验室,北京100176;4.天津科技大学机械工程学院,天津300222;5.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津300222)摘要:为满足长期卧床患者的日常照护需求,更好地解决床上大小便护理过程中的难题,
2、设计了一款用于辅助大小便护理的新型护理床。基于人机工程学原理,设计了护理床的整体结构和运动机构,在抬背和屈腿的坐姿变换机构基础上,增加分腿机构和臀板下降机构,并建立了三维模型。通过机构运动学模型研究抬背、屈腿和分腿机构的运动参数,并对各机构进行了运动仿真,得到机构运动位移、速度和加速度曲线。结果表明:各机构运动平稳,速度和加速度的变化比较平缓,保证了护理床坐姿变换过程中病人的舒适性和安全性。该护理床可实现不同分腿角度功能和臀板自动下降功能,使解便过程更加便捷,充分满足了长期卧床失能人群的辅助解便护理需求。关键词:护理床;机构设计;运动学模型仿真分析中图分类号:TH789文献标识码:A文章编号:
3、1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)0 7-0 0 9 2-0 9Structural design and analysis of nursing bed for assisted defecationPAN Cuoxin-2-3,WANG Fang-,CAO Zhanhong,HE Yaoguang,MA Lifang.*-,ZHANG Yu*(1.National Research Center for Rehabilitation Technical Aids,Beijing 100176;2.Beijing Key Laboratory of Rehabilitation T
4、echnical Aids for Old-Age Disability,Beijing 100176;3.Key Laboratory of Neuro-functional Information and Rehabilitation Engineering,Ministry of Civil Affairs,Beijing 100176;4.College of Mechanical Engineering,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222;5.Key Laboratory of Integrated
5、Design and On-Line Monitoring of Light Industrial and Food Engineering Machineryand Equipment in Tianjin,Tianjin 300222)Abstract:In order to meet the daily care needs of long-term bedridden patients and better solve the problems of bed defeca-tion care,in this article a new nursing bed for assisted
6、defecation is developed.According to the principles of ergonomics,thenursing beds overall structure and motion mechanism are designed.On the basis of the sitting-position changing mechanism forback-lifting and leg-bending,the leg-splitting mechanism and the hip-plate descent mechanism are added,and
7、the 3D model wasset up.The kinematic model of the mechanism is used to explore the motion parameters of the mechanism with back-lifting,leg-bending and leg-splitting.The motion simulation is carried out on each mechanism,so as to obtain the curves of displacement,velocity and acceleration.The result
8、s show that each mechanism is moving steadily,with gentle changes in velocity and accelera-tion,which ensures the comfort and safety of patients during the change of sitting positions.The nursing bed ensures different leg-splitting angles and automatic hip-plate descent,making it more convenient for
9、 defecation.It fully meets the needs of long-termbedridden patients for assisted defecation.Key words:nursing bed;mechanism design;kinematics model;simulation and analysis*收稿日期:2 0 2 1-1 2-2 8;修订日期:2 0 2 3-0 1-1 2基金项目:国家自然科学基金项目(1 2 1 0 2 30 1)2023年7 月93潘国新,等助解便护理床的结构设计与分析人口老龄化增长迅速,由此带来的失能、失智老人长期护理问
10、题常年困扰着我国许多家庭,同时,由于自然灾害、交通事故及重大疾病等原因,也导致大量失能人群出现。如何满足失能群体的护理需求和提升护理水平成为呕待解决的问题 。失能老人等长期卧床患者的护理过程繁琐,对护理人员的耐心和体力要求高,老人在接受护理时的生理和心理容易造成二次伤害,其中,卧床期间的大小便护理成为长期以来护理工作难度大的痛点问题 2】。因此,设计出带有辅助解便护理功能的护理床,以辅助卧床失能患者便捷且舒适地完成大小便是国内外护理床设备研发的重点方向美国、瑞典等国家对辅助解便的护理床研发起步较早。美国DeviceLink公司研发出具有床-椅模式互换功能的护理床,能够实现患者坐姿和卧姿的转换。
11、瑞典ArjoHuntleigh公司设计的产品除了实现护理床的基本功能外,还带有清理和除菌功能3-4Basmajian等 5 在护理床上应用了一种滚动和重新定位卧床病人的设计,可以防止褥疮和肺炎的发生。Jaichandar等 6 设计了一种智能排汗系统用于护理床,通过检测并调节病人和护理床之间的温度,能起到预防压疮的效果。我国在护理床研发上有不少企业和高校投入了大量精力,在基础理论和产品研发上均取得了一定成果。张建国等 7 设计了一种能够实现抬背、抬大腿、曲小腿和调整坐姿等功能的多功能护理床,并对其进行了运动仿真分析;付西敏等 8 研究设计了一种支背、左右侧翻身、曲抬腿、臀、自动扶手等多功能于一
12、体的全自动多功能护理轮椅床;赵海鸣等 9 设计了一种多功能护理床,研究抬背、翻身和曲腿功能的翻折机构,建立了机构的运动学模型,对其运动状态进行了分析。现有的护理床设计中,在辅助患者抬背、屈腿等功能方面已较为完善,但大部分设计中未考虑到失能患者大小便的问题,或是相关的结构设计相对简单,需要护理人员手动打开解便装置,而且无法辅助患者排便时双腿分开,经常会造成坐垫部位和人体的污染,增加了护理人员的工作量 1 0 在护理床中增加了分腿功能和自动臀板下降功能,以方便失能人员进行解便,是一个重要的研究方向此研究设计了一款用于辅助大小便护理的新型护理床,在结合常见护理床功能的前提下,增加了新型的分腿机构和臀
13、板下降机构。分腿机构可以辅助失能人员分开双腿以进行解便,且能根据实际身体状况选择不同的分腿角度,臀板自动下降机构也更加方便快捷通过机构运动学模型研究抬背、屈腿和分腿翻转机构的运动参数,并对各机构进行运动仿真分析。该设计充分满足了卧床失能人群的大小便护理需求,使用安全、便捷和舒适,可显著降低护理人员的工作强度。一整体结构设计1.1护理床功能设计护理床的总体结构主要由主床体和各运动机构组成,运动机构包括背机构、屈腿机构、臀板下降机构、新型分腿机构及护栏。通过各运动机构的工作来辅助病患实现躺卧姿势变换、分腿和臀板自动下降等功能。在确定护理床的整体尺寸时,结合人机工程学理论-1 ,综合考虑辅助解便护理
14、床的使用环境、功能特点,最终确定护理床的整体尺寸,并建立三维模型,如图1 所示。背板护栏大腿板臀板床架小腿板脚板分腿板图1辅助解便护理床整体结构在此设计中,大腿板固定于主床体上,前端与背板相铰接,后端与小腿板相铰接;脚板使用平行四边形机构铰接在小腿板后端,可随小腿板翻转上下平动;分腿板对称铰接于小腿板两侧,可向两侧翻转;臀板置于大腿板中央,可沿L形轨道移动到床面下1.2床面布局护理床的各部分尺寸参考国标中国成年人人体尺寸和护理的实际需求来设计 1 4-1 6 考虑通用性,根据人体工程学理论,以我国男性9 5百分位身体尺寸为基准,确定护理床各部分的长度尺寸,以确保护理床能满足使用要求,如图2 和
15、表1 所示94机第4 0 卷第7 期计设械乖坐深臀膝距坐姿下肢长图2我国成年男性坐姿基本尺寸表1我国成年男性坐姿尺寸表(1 8 6 0 岁)百分位数测量项目151050909599坐高836858870908947958979坐姿颈椎点高599615624657691701719坐姿眼高729749761798836847868坐姿肩高539557566598631641659坐姿肘高214228235263291298321坐姿大腿厚103112116130146151160坐姿膝高441456464493523532549小腿加足高372383389413439448463坐深407421
16、429457486494510臀膝距499515524554585595613坐姿下肢长8929219379921.04610631 096综合考虑卧床失能人群的抬背、屈腿和解便等活动功能需求对床面板进行设计,得到如图3所示的床面板布局方案。床面板包括背部板、大腿板、臀板、小腿板、分腿板和脚板。背部板承担护理床抬背运动功能,调整使用者上身姿态;大腿板承担坐姿承重功能;臀板为解便模块的出口;小腿板与脚板承担使用者的坐姿转换及支撑功能;分腿板可以帮助使用者进行双腿分合运动,以及在大小便时调整坐便姿态以顺利进行大小便。名各床面板尺寸如表2 所示三724658516721背部板;2 背部侧板3臀板;4
17、 大腿板;5一级分腿板;6二级分腿板;7 小腿板;8 脚板图3床面板布局方案表2床面板尺寸mm长宽背部板960460背部侧板960180大腿板400900臀板300240小腿板300200一级分腿板300110二级分腿板300100脚板2208402运动机构设计2.1抬背机构设计抬背机构主要由电推杆、转轴连杆、连杆及背板组成,电动推杆的一端与主床体相铰接,另一端与转轴连杆的短端铰接,转轴连杆的主体两端均铰接于主床体上,机构的其余各部分之间通过铰链连接,如图4所示。侧板背板连杆转轴连杆电推杆图4抬背机构模型示意图该机构的设计目的是让背板可以实现平躺和抬背两种状态的相互转换。通过驱动电动推杆的伸缩
18、来控制转轴连杆的转动,从而带动连杆的转动,最终通过连杆与背板之间的铰链来实现背板翻转。背板与水平面之间的相对角位移范围设定为0 7 0。背板翻转的同时,连杆外侧的支杆球端顶起侧板向上翻转,两侧侧板翻转可使失能人员置于护理床中央,与便口对齐以进行解便该机构的机构简图如图5所示,此机构共有5个952023年7 月潘国新,等:辅助解便护理床的结构设计与分析构件(图中编号为1 5)、6 个转动副(A,C,D,E,F,G),1 个移动副B,构成运动链。电推杆为原动件,验证此平面机构的自由度为:F=3n-2p-Ph=3 5-2 7-0=1(1)式中:n一构件数;Pi一机构中的低副;Ph机构中的高副。由式(
19、1)可知,该机构自由度为1,故具有确定的运动条件。F54GE3BA图5抬背机构简图2.2屈腿机构设计屈腿机构的构成部件如图6 所示,其中,转轴连杆的转轴两端与主床体铰接,侧面为L形连杆,短连杆与长连杆的一端铰接,两长杆则与脚板铰接。电推杆的一端铰接于床架上,另一端与短连杆和长连杆铰接,构成复合铰链;短连杆的另一端则铰接于主床体上小腿板长连杆短连杆电推杆大腿板脚板转轴连杆图6屈腿机构示意图在该功能机构中,主床体与短连杆、长连杆和转轴连杆的短杆构成第1 个平行四边形机构,主床体和转轴连杆的长杆、脚板和小腿板构成第2 个平行四边形机构。电推杆驱动两个机构联动,实现了在保证脚板能够上下平动的同时完成屈
20、腿功能。小腿板与水平面之间的相对角位移设定为0 50 该机构的机构简图如图7 所示。屈腿机构共有7个构件(图7 中编号1 7)、9 个转动副(A,C,D2,EF,G,H,I)和1 个移动副B,由1 个电推杆作原动件。该机构的自由度为:F=3n-2p-P:=3 7-2 10-0=1(2)由式(2)可知,该机构自由度为1,故具有确定的运动条件。H65ABE4图7屈腿机构简图2.3分腿机构设计分腿机构的设计如图8 所示。机构选用电动推杆为动力源,通过连杆带动一级腿板翻转;如需继续增大分腿角度,电推杆2 带动二级连杆6,使得滑块在滑槽内向上移动,同时,由于一级腿板和二级腿板铰接处有限位块,从而二级腿板
21、可向上翻转。该机构可根据实际需求调节分腿角度,使得整个解便护理过程更加符合病人的生理需求7485261电推杆1;2 电推杆2;3一级分腿板;4 一级连杆;5二级分腿板;6 二级连杆;7 弹性织网;8 小腿板图8二级分腿机构示意图该机构工作时共有3个工况,每个工况对应的状态和示意图如表3所示表3二级分腿机构工况分析工况状态示意图工况1 初始状态,3组腿板均处于同一平面电推杆1 伸出,带动一级杆组向上推,使一级分腿板3与最外侧腿板形成一T.况2 个角度,该角度设定为0 6 0,两级分腿板铰接处设有一限位卡槽,使得两级腿板之间的角度最大为6 0 电推杆2 收缩,驱动二级杆组在固定导轨上向相对方向移动
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