PAGE8助老功能床的結構設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3484助老功能床的結構設計計算案例 1226221.1設計要求 136261.2主要功能及設計參數 1259841.1.1主要功能 111511.1.2床體設計參數 2191801.3各個模塊的設計方案 456541.3.1床板設計方案 4325671.3.2抬背機構設計方案 4128421.3.3曲腿機構設計方案 691481.3.4側翻機構設計方案 7285301.3.5按摩機構設計方案 8112611.4助老功能床的總體方案設計 91.1設計要求助老功能床的主要受眾面在老年人和身體有殘疾的人群間，由于他們的身體情況和使用環境，這對護理床的要求較高。根據國家標準和醫療設備規定，助老功能床的設計要求主要有以下幾點。安全性要求：老年人和普通健康人相比，其身體更加容易受損，所以對所使用的護理設備要求更高。所以助老功能床首先要考慮的問題就是其安全性，包括剛度、硬度和承載能力。并且還要考慮各種可能發生的極限情況[3]。舒適性要求：護理床應基于人體工程學，根據人體各個部分的尺寸來設計床板床架尺寸，并在各個尺寸中留有空余部分，充分考慮老年人的每一種身體條件。而由于助老床大多在家庭和醫院使用，所以在使用過程中，噪音不宜過大，提高使用舒適性。標準化要求：基于護理床的受眾人群的特殊情況，其各個傳動模塊、控制系統和零件之間的配合精度都要符合行業的標準，在最大程度上滿足使用者的使用要求。便捷化要求：在保證助老功能床的安全性和合理性的前提下，適當減輕床體的材料用量，這樣不但可以減輕床的質量和制造成本節省用料，還可以更加方便運輸和根據使用者要求移動護理床。1.2主要功能及設計參數1.1.1主要功能本文所設計的助老功能床主要為行動不便的老年人提供護理幫助，行動不便老年人可以自己使用遙控器操控來改變自己不同狀態下的體位，部分常年臥床的老年人也可以由護工借助護理床照顧，大大縮減了護工的工作難度。從老年人和照顧者的角度出發，并且考慮當下的國內護理床發展現狀，我設計的護理床包含了以下兩個功能。調整體位功能為老年人提供助老功能床，是為了協助他們的日常生活，改善他們的日常生活質量，使老年人的生活更輕松，并協助家庭及照顧者的工作。對于常年臥床者，姿勢變換可以加快血液循環，防止肌肉萎縮和其他疾病產生。所以助老功能床將具備平躺，抬背，左右側翻和彎腿等體位變換[4]。后背按摩功能當一個人長期處于坐姿和躺姿時，后背負荷增加，會造成肌肉僵硬和骨骼酸痛。所以助老功能床在背板中嵌入按摩機構，在人體與背板接觸時，按摩機構可以上下移動疏通后背的筋絡。1.1.2床體設計參數在助老功能床的設計過程中，參考《醫liao電氣設備第二部分：醫用電動床安全專用要求》、《中華人民共和國行業標準-病床》、《中華人民共和國國家標準-中國成年人人體尺寸》等標準[5]，并結合國內外相關護理床標準，制定護理床相關尺寸。床面尺寸根據中國成年人人體尺寸中的標準規定，床板的平放和抬起尺寸應滿足成年人躺姿和坐姿的要求，如表2-1和表2-2所示。分組比重測量選項男(18～61歲)女（18～56歲)151050909599151050909599

眼高14361474149515681643166417051337137113881454152215411579

肩高12441281129913671435145514941166119512111271133313501385

肘高9259549681024107910961128873899913960100910231050手功能高656680693741787801828630650662704746757778

會陰高701728741790840856887648673686732779792819

脛骨點高394409417444472481498363377384410437444459表2-1站姿人體尺寸圖2-1坐姿人體示意圖分組比重測量選項男(18～61歲)女（18～56歲）151050909599151050909599

坐高836858870908947958979789809819855891901920坐姿頸椎點高599615624657691701719563579587617648657675

坐姿眼高729749761798836847868678695704739773783803

坐姿肩高539557566598631641659504518526556585594609

坐姿肘高214228235263291298321201215223251277284299

坐姿大腿厚103112116130146151160107113117130146151160

坐姿膝高441456464493523532549410424431458485493507小腿加足高372383389413439448463331342350382399405417

坐深407421429457486494510388401408433461469485

臀膝距499515524554585595613481495502529561570587

坐姿下肢長8929219379921046106310968268518659129609751005表2-2坐姿人體尺寸根據上表的人體尺寸，并結合市面常見的護理床尺寸，最后確定床面的設計尺寸為：總長2040mm，總寬900mm。床板的分布按圖2-2所示。各體位角度設計本文設計的助老功能床具有抬背、輔助翻身和曲腿功能，根據《醫用電氣設備第二部分：醫用電動床安全專用要求》中的標準，以及人體舒適度的要求，確定各床板擺動角度如下[6]：抬背機構翻轉角度：0°～70°左右側翻機構翻轉角度：0°～45°曲腿機構相對水平向下翻轉角度：0°～45°1.3各個模塊的設計方案1.3.1床板設計方案圖2-3床板平面示意圖如圖2-3所示，助老功能床的床板分為8塊。其中（1）、（2）、（3）為背板，（4）、（5）、（6）為座板與人體臀部和大腿貼合，（7）為小腿板，（8）為腳板。抬背時三塊背板同時繞Y1軸向上翻轉；側翻時左右的背板座板聯動，繞X1軸和X2軸向上翻轉；曲腿時座板固定小腿板繞Y2向下轉動，帶動腳板繞Y3軸同時向下轉動，最后腳板可放置在床架上。該設計方案中，制造連接方式無較大難度，各構件并不相互干擾，可以相互協調工作，通過聯動或單動的方式實現人體姿勢轉變[7]。1.3.2抬背機構設計方案抬背機構是助老功能床中最主要的一個機構，它可以幫助實現由躺姿向靠姿和坐姿的轉變，為老年人的治療或日常生活提供便捷。根據市面上的護理床分析，本文提出以下三種抬背機構。圖2-4抬背機構方案一方案一：該方案是一種螺旋連桿機構，其中1為抬背板，固定側與床板鉸接，2是中部承接的連桿，3和4組成螺旋連桿，4與床架鉸接。這種機構中原動件為1，自由度為1，驅動件為電動推桿，以略偏于水平面的角度布置在床下。工作時，電動推桿3伸長，帶動中部連桿2繞固定點旋轉，帶動滾輪向上滑動，從而推起背板。而本文設計背板抬起角度最大為70°，所以連桿2旋轉角度較大，使得電動推桿3向前推動的行程較大，導致空間的位置不夠。而且該方案會阻礙側翻機構，形成干涉，所以不采用此方案。圖2-5抬背機構方案二方案二：該方案為一種連桿機構，1為抬背板，尾端固定端和床架鉸接，2和3為電動推桿，二者在抬背板下方直接連接。該機構的原動件為1，自由度和原動件數相等。工作時，電動推桿前半部分2伸長，推起抬背板1，使得背板繞與機架鉸接點轉動。該方案零件較少，傳動結構不復雜，安裝便捷無難度，但當背板逐漸抬起70°時，需要電動推桿不斷伸長的尺寸較大，故安裝時電動推桿伸縮桿較長，而床下的安裝空間較小，無法實現該機構的運動。且電動推桿和床板連接處受力面積較小，所有力集中在一點會導致受力不平衡，容易使床向側面翻轉。所以不采用此方案[8]。圖2-6抬背機構方案三方案三：該方案為螺旋傳動加上連桿轉動機構，該機構的原動件為1，自由度和原動件數相等，有確定相對運動。工作時，步進電機1的輸出轉動軸通過聯軸器2連接絲桿3，絲桿穿過兩個軸承座固定在床架底部，電機軸轉動帶動絲桿3轉動從而帶動螺母套4沿絲桿方向運動，螺母套4連接連桿5帶動轉臂6繞立式固定座7轉動，轉臂上端通過連接件8與直線軸承9連接，直線軸承9在光桿10上滑動，光軸10兩端用光軸固定座11固定在背板下方，從而抬起背板。此方案連桿結構簡單，采用鋁合金加工擁有高強度和耐腐蝕性，而且加工后抗擠壓且性能好，成本低，傳動精確，相比較方案一和方案二在空間性和安全性方面更好，故采用此方案。1.3.3曲腿機構設計方案曲腿機構作為助老功能床中的一個關鍵機構，可以輔助腿部自然向下彎曲，幫助人體完成由躺姿向坐姿的轉變。且在小腿板向下轉到固定位置時，腳板應該水平放置。根據市面上常見的護理床分析，本文提出以下兩種曲腿機構。圖2-7曲腿機構方案一方案一：該方案采用螺旋連桿結構，1為座板，與床架鉸接，2為小腿板與大腿版鉸接，3為小腿板支桿，上端與小腿板鉸接，下端與床架鉸接，4與5為電動推桿，兩端分別與座板和床架鉸接。該機構原動件為1，自由度與原動件數相等，有確定相對的運動。運動開始時，電動推桿伸縮桿4延長，推動座板繞鉸接點O轉動，與此同時座板與腿板聯動形成夾角達到曲腿目的。該機構提供動力的原件為電動推桿，可以同時推動座板和小腿板，這種機構零件少，制造成本低，結構簡單且安裝難度低。但曲腿角度最大可達45°，對電動推桿行程要求較大，而床面較低，安裝空間不足，無法實現該機構的運動行程。故不采用此方案。圖2-7曲腿機構方案二方案二：該機構采用螺旋連桿機構，5為小腿板，左端與床架鉸接，1為曲腿連桿，和小腿板直接連接，2為曲腿支架，左端鉸接在床架上，右端和曲腿連桿連接，3為電動推桿，底部固定在床架上，伸縮桿3和曲腿支架2鉸接。該方案機構的原動件為1，自由度與原動件數相同，有確定相對的運動。躺姿時，伸縮桿3伸長支撐小腿板保持水平。工作時，電動推桿伸縮桿從伸長狀態回拉，帶動曲腿支架繞O’轉動，曲腿連桿與曲腿支架聯動同時向下轉動，帶動小腿板繞O”轉動，完成曲腿動作。該機構轉動簡單，安裝空間較小，在床架中可以實現機構運動。故此方案合理，采用此方案。由于腳板在曲腿后需要水平放置，所以可以在床架尾部桿架上增加一個放置支架，當曲腿運動完成后起到支撐腳板的作用。當曲腿運動未開始時，在小腿板和腳板的連接處設置一個小支撐架，支撐腳板保持水平。1.3.4側翻機構設計方案側翻機構也是助老功能床的一項基本功能，側翻機構可以輔助翻身調整老年人的睡姿，促進身體內血液循環，設計的側翻機構需要翻轉至45°，本文提出了以下三種方案并加以分析。圖2-8側翻機構方案一方案一：該方案中的機構采用螺旋連桿，1為側翻板，和床架鉸接于點O，2為滾輪，和滾輪連接的問螺旋連桿，下端鉸接在床架上。該機構原動件為1，自由度和原動件數相等，有相對確定的運動。運動開始時，電動推桿伸縮桿伸長帶動滾子在側翻板上滑動，從而推起側翻板完成運動。該運動機構結構簡單，零件少，成本低。但隨著側翻板轉動，角度增大，電動推桿伸長尺寸過長，則需要較大的安裝尺寸，而床架內空間較小無法完成運動。故不采用此方案。圖2-9側翻機構方案二方案二：該方案中的機構采用螺旋連桿，1為固定在側翻板下的光桿，側翻板在O點與床架連接，2為連桿，通過連接件與光桿上的滑塊連接，3和4為電動推桿，固定在床架上并與連桿2連接。該機構的原動件為1.自由度為1，滿足確定的運動。工作時，伸縮桿伸長帶動連桿向上運動，同時滑塊可以沿著光桿向0點運動從而推起側翻板。在床背板下設置側翻板，可以使抬背機構和側翻機構互不干涉，該機構的傳動簡單且電動推桿相比方案一不需要較大行程。故采用此方案。1.3.5按摩機構設計方案市面上的護理床中不常見按摩機構，本文設計新增的按摩機構可以安裝在背板內部，從人體的腰部到頸部直線運動進行按摩。圖2-11按摩機構方案該方案的整體結構如圖所示，按摩部分中4為按摩架，抬背板中的軸穿過其底部兩孔將其固定，1為轉動柄，中部與直線電機5的轉動軸連接，前端與搖桿2連接，3為按摩塊，下方的凸起部分與搖桿連接。按摩架移動部分中，步進電機6放置在按摩架上，轉動軸與齒輪7連接，齒輪7和齒條8相互嚙合。在按摩機構工作時，直線電機轉動帶動轉動柄轉動，而搖桿尾端與按摩架鉸接，搖柄轉動時搖桿繞鉸接點轉動某一角度，使得按模塊可以上下移動。直線行進機構工作時，步進電機帶動齒輪轉動，齒輪在齒條上可以往復運動從而帶動按摩架向前向后移動。該機構總體傳動較為簡單，且所占空間較小，故采用該方案。1.4助老功能床的總體方案設計通過上述對助老功能床的抬背機構、左右側翻機構、曲腿機構和按摩機構的分布方案設計，本次設計的助老功能床的整體方案便已成型。本次助老功能床的