一種面向起身困難患者可自動(dòng)更換床單的病床設(shè)計(jì)

謝昭旭，邵麗穎

一種面向起身困難患者可自動(dòng)更換床單的病床設(shè)計(jì)

謝昭旭，邵麗穎*

（長(zhǎng)春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032）

設(shè)計(jì)了一種面向起身困難患者可自動(dòng)更換床單的病床，包含底部移動(dòng)折疊系統(tǒng)和頂部床單更換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。底部移動(dòng)折疊系統(tǒng)、頂部床單更換系統(tǒng)分別采用電力推桿和直流電機(jī)為動(dòng)力源，對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行了計(jì)算與校核。該病床將床單做成卷筒，并將其安裝在位于頂部床單更換系統(tǒng)的電機(jī)架上，其對(duì)稱位置安裝有床單收集卷筒用于收集使用過(guò)后的床單。床單收集卷筒與位于電機(jī)架上的直流電機(jī)通過(guò)齒輪連接，減速的同時(shí)為整個(gè)過(guò)程提供動(dòng)力。在使用中通過(guò)更換床單卷筒與床單收集卷對(duì)床單進(jìn)行更新。

電力推桿；直流電機(jī)；病床

隨著人口老齡化程度的進(jìn)一步加深、病人的不斷增多，其中不乏起身困難的重病患者，對(duì)于這些患者，病床床單的更換成為了一件難事。調(diào)查顯示，現(xiàn)今需要依靠護(hù)士將病人強(qiáng)行抬起進(jìn)行床單更換，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且可能對(duì)于病人造成二次傷害[1]。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一種面向起身困難患者的可自動(dòng)更換床單的病床。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，將床單做成形似卷筒紙的形態(tài)組成床單卷筒，將床單卷筒安裝在位于頂部床單更換系統(tǒng)的電機(jī)架上，在電機(jī)架上與其對(duì)稱的位置安裝床單收集卷筒，用于收集使用過(guò)后的床單。床單收集卷筒與位于電機(jī)架上的直流電機(jī)通過(guò)齒輪連接，減速的同時(shí)為整個(gè)過(guò)程提供動(dòng)力。使用中，通過(guò)更換床單卷筒與床單收集卷筒更新床單。

整個(gè)床體由鏡像的兩組床單卷筒與床單收集卷組成，其中一組固定，另一組可移動(dòng)。這兩者將床體分為兩個(gè)部分，這兩部分分別通過(guò)固定移動(dòng)框推桿連接板、滑動(dòng)移動(dòng)框推桿連接板與電力推桿的兩頭以螺旋副連接，分兩部分完成整個(gè)床體床單的更換。

1.1 底部移動(dòng)折疊系統(tǒng)

底部移動(dòng)折疊系統(tǒng)位于整個(gè)床體的底部，由電力推桿一、床體壓縮架、床體壓縮桿、床體保持架、床體側(cè)板、床體頂板組成。其中床體壓縮架、床體壓縮桿、床體保持架組成連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)電力推桿一控制該連桿機(jī)構(gòu)完成對(duì)整個(gè)床體中部（放置床單卷筒與床單收集卷筒）空間的控制，實(shí)現(xiàn)床體的展開與壓縮，保證在使用時(shí)空間小、保持潔凈，在更換時(shí)空間大、便于更換。

1.滑動(dòng)移動(dòng)床框；2.軟床墊；3.固定移動(dòng)床框；4.運(yùn)動(dòng)移動(dòng)床框5.床框；6.電力推桿二；7.床體保持架連接器；8.床單卷筒；9.電機(jī)架；10.床單收集卷筒；11.電力推桿三；12.固定移動(dòng)框推桿連接板；13.滑動(dòng)滑槽；14.小床單卷筒；15.滑動(dòng)移動(dòng)框推桿連接板；16.床體頂板；17.床體壓縮桿；18.床體保持架；19.床體側(cè)板；20.萬(wàn)向輪子；21.床體推桿；22.電力推桿一；23.床體壓縮架；24.護(hù)欄邊框；25.控制鈕；26.維持架；27.護(hù)欄底架；28.扶手架；29.扶手；30.護(hù)欄底框；31.護(hù)欄框（短）；32.護(hù)欄側(cè)框。

電力推桿一是整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力源，其一側(cè)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與床體頂板連接，另一側(cè)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與床體壓縮架連接。床體壓縮架通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與兩側(cè)對(duì)稱的床體壓縮桿（2組共四個(gè)）連接，床體壓縮桿與床體保持架通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

電力推桿主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、螺桿、螺母、導(dǎo)向管、導(dǎo)套、推桿、安裝座、彈簧、外殼及蝸輪、微動(dòng)控制開關(guān)等組成，具有性能可靠、動(dòng)作靈敏、運(yùn)行平穩(wěn)、推拉力相同、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)[10]，能保證使用者的安全與舒適。

1.2 頂部床單更換系統(tǒng)

頂部床單更換系統(tǒng)由電力推桿二、電力推桿三、床單卷筒、床單收集卷筒、電機(jī)架、床體保持架連接器、床框、固定移動(dòng)框推桿連接板、滑動(dòng)移動(dòng)框推桿連接板、固定移動(dòng)床框、滑動(dòng)移動(dòng)床框、滑動(dòng)滑槽組成。整個(gè)床體的床單更換結(jié)構(gòu)由固定移動(dòng)床框與滑動(dòng)移動(dòng)床框組成，兩者分別通過(guò)固定移動(dòng)框推桿連接板、滑動(dòng)移動(dòng)框推桿連接板與電力推桿二、電力推桿三連接，通過(guò)安裝在床框上的滑動(dòng)滑槽、由電力推桿提供動(dòng)力完成床體兩部分的分離。

床單更換結(jié)構(gòu)分為左側(cè)固定部分與右側(cè)滑動(dòng)移動(dòng)部分。在更換床單時(shí)，床體會(huì)分成兩個(gè)部分，病人分兩次側(cè)身躺在兩部分上，這時(shí)沒(méi)有病人躺著的那一部分上的電機(jī)帶動(dòng)床單運(yùn)動(dòng)，完成床單的更換。床單卷筒、床單收集卷筒之間通過(guò)同步帶連接，主動(dòng)力由直流電機(jī)通過(guò)同步帶給到床單卷筒上，帶動(dòng)床單卷筒和床單收集卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，完成床單的更換與收集。

2 控制方案

當(dāng)需要更換床單但病人下床困難時(shí)，由護(hù)士按下床單更換按鈕，這時(shí)位于床身兩側(cè)的可壓縮床體護(hù)欄會(huì)升起，護(hù)士提醒病人傾斜身體，待病人穩(wěn)定后，電力推桿二和電力推桿三開始工作，通過(guò)滑動(dòng)移動(dòng)框推桿連接板帶動(dòng)滑動(dòng)移動(dòng)床框移動(dòng)一定距離，之后位于電機(jī)架上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)床單收集卷筒開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使得位于床單卷筒上的新床單更換至床面上，而舊床單環(huán)繞在床單收集卷筒上。在一側(cè)更換完成后，電力推桿二和電力推桿三會(huì)恢復(fù)原位。這時(shí)護(hù)士提醒病人往另一側(cè)翻身，之后另一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)完成相同工作，實(shí)現(xiàn)另一側(cè)的更換，至此床面整體更換完成。

在床單卷筒上的床單用完后，系統(tǒng)會(huì)顯示“床單已耗盡，請(qǐng)更換床單卷筒”，這時(shí)護(hù)士需按下床單滾筒更換按鈕，電力推桿一開始工作，通過(guò)由床體頂板、床體壓縮架、床體壓縮桿、床體側(cè)板、床體保持架組成的連桿機(jī)構(gòu)使得床體的上半部分升起，留出足夠的空間，由護(hù)士完成對(duì)于床單卷筒和床單收集卷筒的更換。之后按下恢復(fù)按鈕，推桿恢復(fù)原狀。

3 動(dòng)力源的計(jì)算與校核

3.1 底部移動(dòng)折疊系統(tǒng)電力推桿

為確定電力推桿一的選型，對(duì)上述設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)分析，即推桿沖程沖滿時(shí)的床體展開狀態(tài)和推桿沖程為最小時(shí)的床體折疊狀態(tài)，取其中的最大值作為選擇電力推桿的參考力。

各零件的連接關(guān)系如圖2所示，有：

＝3－(2h＋l) （1）

式中：為自由度；為活動(dòng)構(gòu)件個(gè)數(shù)；h為高副個(gè)數(shù)；l為低副個(gè)數(shù)。

A～I(xiàn)為轉(zhuǎn)動(dòng)副；Fc、Fc反、Fi、Fg、Ff、Ff反為對(duì)應(yīng)點(diǎn)受力，N；M為病床負(fù)載，N；1為床體保持架；2、3為兩側(cè)的床體壓縮桿；6為床體壓縮架；4為電力推桿與床體頂板的連接部分；5為電力推桿與床體保持架的連接部分；4.5和移動(dòng)副I共同構(gòu)成電力推桿。

由圖2可以看出，本機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件有6個(gè)，高副個(gè)數(shù)為9，其中有8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與一個(gè)移動(dòng)副，低副個(gè)數(shù)為0。但轉(zhuǎn)動(dòng)副、為虛約束，故需減去一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、減去兩個(gè)高副。

計(jì)算得：＝1。

故只用一個(gè)電力推桿作為動(dòng)力源即可滿足要求。

由文獻(xiàn)[4]得：

＝（2）

式中：為物體質(zhì)量，kg；取9.8 N/kg。

人體平均重62 kg[6]，使用SolidWorks測(cè)量得到上部分床體自重約118.584 kg。

計(jì)算得：＝1769.72 N≈1770 N。

首先對(duì)推桿沖程沖滿時(shí)，即床體整個(gè)展開的狀態(tài)進(jìn)行受力分析，此時(shí)電力推桿要求沖程為159.45 mm，其數(shù)據(jù)由SolidWorks測(cè)得：

＝＝700 mm（位于的中間位置）；＝264.6 mm；＝119.4 mm；∠HGF＝47°；∠/2＝57°。

位于的/2與位于的F對(duì)求轉(zhuǎn)矩平衡，有：

計(jì)算得：F＝1644.83 N。

對(duì)于同理，計(jì)算可得：

F＝F＝1644.83 N

將F、F合成到點(diǎn)處，由于兩力方向一致且距離點(diǎn)的距離一致，故兩者由于移動(dòng)力生成的轉(zhuǎn)矩等大反向、相互抵消。分析點(diǎn)的受力有：

F×cos∠HGF＝F（4）

其中：F＝F＋F＝3289.66 N。

計(jì)算得：F＝2243.54 N。

因此，在推桿沖程沖滿的床體展開狀態(tài)時(shí)，推桿需要提供至少2243.54 N的力。即：

展開＝2243.54 N。

同理計(jì)算得，在推桿沖程最小的床體壓縮狀態(tài)時(shí)，推桿需提供至少3706.50 N的力。即：

折疊＝3706.50 N。

由于展開＜折疊，故取折疊作為選取電力推桿的參考力，但由于上述計(jì)算是基于人類平均體重，考慮到極限情況，這里選取安全系數(shù)＝2.5計(jì)算?？傻茫?/p>

參考＝折疊＝9.263.75 kN。

又因?yàn)橥茥U沖程沖滿的床體展開狀態(tài)的沖程要求為159.45 mm，而床體折疊狀態(tài)的沖程要求為64.43 mm，故這里選取159.45 mm為推桿的參考沖程。

由此可得，在本設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景中，要求電力推桿的最大推力為9.263 kN，行程要求大于等于159.45 mm，最大速度沒(méi)有要求，因此選擇DYTFB1750-500/90-X。其中，DYTF表示分離式電液推桿，B表示防爆，1750表示最大推力10 kN，500表示行程500 mm，90表示最大速度90 mm/s，X表示下推桿。

3.2 頂部床單更換系統(tǒng)直流電機(jī)

對(duì)給更換床單提供動(dòng)力的直流電機(jī)的選型進(jìn)行計(jì)算。首先確定減速比[2]：

式中：為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；為減速比；1/2為傳動(dòng)比；為外徑，m；為工作轉(zhuǎn)速，m/min。

用四極電機(jī)轉(zhuǎn)速為1450 r/min左右，設(shè)計(jì)要求床單更換速度＝12 m/min，為了增加更換速度沒(méi)有減速，故傳動(dòng)比為1，主動(dòng)輥筒的外圓直徑經(jīng)過(guò)測(cè)量為150 mm。

計(jì)算得：＝18.125。

再計(jì)算理論電機(jī)功率[2]：

式中：為功率，W；為阻力系數(shù)；M為負(fù)載總重，kg，包含負(fù)載加皮帶或網(wǎng)帶或鏈條或輥筒等；為傾斜角，（°）；為安全系數(shù)；

根據(jù)軟件測(cè)量，滾筒為35 kg，共2個(gè)，床單保守估計(jì)為60 kg，故M＝130 kg。＝0°，

計(jì)算得：＝292.49 W。

故選取減速比為20、功率大于300 W的電機(jī)。根據(jù)電機(jī)表，選擇Y80M1-4型電機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為改善醫(yī)院病床床單更換困難、甚至無(wú)法更換的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種面向起身困難患者的可自動(dòng)更換床單的病床。

相對(duì)于人工更換，該病床更換床單的效率更高、節(jié)約人力資源，且一定程度上可避免對(duì)患者造成二次傷害。一次性床單設(shè)計(jì)為卷筒形狀，保證了衛(wèi)生，且減少了生產(chǎn)醫(yī)用床單的成本。床身整體呈框架結(jié)構(gòu)，采取電力推桿作為動(dòng)力源，在節(jié)約成本的同時(shí)保證了安全性。

[1]崔永平. 我國(guó)醫(yī)療儀器設(shè)備及器械制造產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力研究[D]. 北京：北京化工大學(xué)，2019.

[2]安琦，顧大強(qiáng). 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[3]大連理工大學(xué)工程畫教研室. 機(jī)械制圖[M]. 北京：高等教育出版社，1993.

[4]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組. 理論力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1997.

[5]劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1991.

[6]羅文雪，干靜，劉宏偉，等. 腰部助力外骨骼的背板及其綁縛優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2021（5）：75-80.

[7]崔皓然，馬常友，樊亞飛. 腳踝康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)研究綜述[J]. 機(jī)械，2021（12）：11-19.

[8]馬紅日. 太空醫(yī)療儀器蘇州分公司供應(yīng)商選擇方案的優(yōu)化研究[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2020.

[9]莫莉，劉嬌嬌. 信息技術(shù)下SolidWorks在《機(jī)械制圖》課程的應(yīng)用研究[J]. 信息記錄材料，2017（11）：111-113.

[10]張進(jìn)東. 基于STm32F103的電動(dòng)推桿控制器[J]. 中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)（引文版）工程技術(shù)，2019（2）：162-164.

[11]孫桓，陳作模，葛文杰. 機(jī)械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[12]王昆. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社，1996.

[13]中國(guó)紡織大學(xué)工程圖學(xué)教研室. 畫法幾何及工程制圖[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984.

A Hospital Bed Design with Automatic Bed Sheet Change

XIE Zhaoxu，SHAO Liying

( School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun 130032, China )

A hospital bed with automatic bed sheet change is designed, which includes the structural design of the movable folding system and the bed sheet changing system. Electric push rod and DC motor is used as the power source, which is calculated and checked. The bed sheets are made into rolls and installed on the motor frame of the top sheet replacement system. A sheet collection roller is installed at the symmetrical position to collect used sheets. The sheet collection roller is connected with the DC motor on the motor frame through gears, which provides power for the whole process while decelerating. The bed sheet change is realized by replacing the bed sheet roller and the bed sheet collection roller.

electric push rod；DC motor；hospital bed

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.008

1006-0316 (2023) 01-0048-05

2022-05-05

教高司函[2020]13號(hào)，2021省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：一種面向起身困難患者可自動(dòng)更換床單的病床（20210205033）

謝昭旭（2002－），男，山西晉城人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，E-mail：xzx17535692829@163.com。*通訊作者：邵麗穎（1979－），女，吉林松原人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法及理論，E-mail：493757026@qq.com。