張建國，譚云麗，薛 強(qiáng)

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

基于人機(jī)工程的多功能護(hù)理床設(shè)計

張建國，譚云麗，薛 強(qiáng)

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

目前我國六十歲以上老年人口已經(jīng)達(dá)到了1.53億，老齡化率為11.6%，并且預(yù)計2026年將超過3億，我國不僅是老齡人口最多的國家，而且也是老齡化速度最快的國家，老齡化問題已上升到事關(guān)國計民生的大事。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和生活水平的提高，老年人和殘疾人也越來越受到社會的廣泛關(guān)注。

本護(hù)理床就是從人性化角度出發(fā)，基于人因工程的理念，借助PROE三維實(shí)體建模分析軟件來設(shè)計的。在設(shè)計尺寸和功能上，不但滿足殘障病人和行動不便的老年人的基本生理需要，更注重舒適度和便于醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行康復(fù)護(hù)理，因此，不僅具有護(hù)理作用，還能促進(jìn)病人病情的緩和和康復(fù)。

1 人機(jī)工程設(shè)計的任務(wù)和要求

臥床的病人，如果身體各個部位不經(jīng)?；顒樱粌H會造成肌肉僵硬，關(guān)節(jié)功能萎縮，并且嚴(yán)重的還會影響局部血液流通，引發(fā)褥瘡等疾病。因此，該護(hù)理床在設(shè)計時，首先在機(jī)械機(jī)構(gòu)上將人體分為四個模塊：上身，臀部，大腿和小腿，保證身體這四個部位都能單獨(dú)活動，具體人體設(shè)計尺寸，參考了我國成年人人體主要尺寸標(biāo)準(zhǔn)[1]，又從人體工程學(xué)的角度對活動空間范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

設(shè)計該護(hù)理床適合90%的人群使用，故以第5百分位為下限和第95百分位為上線，取變換系數(shù)K=1.645[1]。

四塊躺板不僅滿足病人活動不同部位的需要，以滿足人體日常生活和功能康復(fù)以及舒適度的要求。由于人體各部位的尺寸因人而異，而且人體的活動姿勢隨著具體情況的不同而不斷變化，因而利用人體結(jié)構(gòu)和尺度關(guān)系，采用標(biāo)準(zhǔn)的人體外形模板，便可以直觀的求出人體相對位置的設(shè)計參數(shù)。本護(hù)理床在躺板活動的角度設(shè)計上就借鑒了人體外形模板，以實(shí)現(xiàn)各部位活動角度和坐姿功能的實(shí)現(xiàn)。GB/T 14779-93標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種身高等級的成年人坐姿模板的功能設(shè)計基本條件、功能尺寸，是對人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行考察研究、分析評價、試驗(yàn)設(shè)計不可缺少的重要輔助手段。目前，人體坐姿模板在轎車駕駛室的設(shè)計上應(yīng)用比較成熟，該護(hù)理床通過對人體模板要求進(jìn)行簡化如圖1所示，選擇設(shè)計需要的尺寸角度進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計。

圖1 坐姿實(shí)現(xiàn)角度

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計

康復(fù)床的躺板由四塊組成，以滿足機(jī)構(gòu)設(shè)計要求的四個模塊：背部抬升，大腿抬升，小腿抬升和坐姿功能的實(shí)現(xiàn)。前三個模塊分別由四個電機(jī)推動，可單獨(dú)作用，也可以協(xié)調(diào)運(yùn)動完成人體坐姿不同角度的需要。床體還能整體上升和整體傾斜，該功能由兩個電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，可以調(diào)整床體的高度，設(shè)計流程圖如2所示。

圖2 設(shè)計流程圖

2.1 整體上升機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖3 整體上升結(jié)構(gòu)簡圖

此機(jī)構(gòu)自由度計算：F=3n-(2p1+ph)=3×8-(2×11+0)=2，電機(jī)推桿AB和MN同時伸出，床體整體上升，其中一個電機(jī)推桿不動，另一個單獨(dú)伸出時，床體整體傾斜。

圖4 上升結(jié)構(gòu)分析圖

若此時電推桿NM也由L推出至L'，整個床體上升高度H=|E1E| ，若此時電推桿NM保持原長L，則床體整體傾斜，傾斜角度為

2.2 抬腿機(jī)構(gòu)設(shè)計

抬腿機(jī)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 抬腿機(jī)構(gòu)簡圖

驗(yàn)證當(dāng)推桿HI伸出，使得＜HGI旋轉(zhuǎn)設(shè)計要求角度γ時，HI的伸長量是否在電推桿推程（L）范圍內(nèi)：GI旋轉(zhuǎn)角度γ，I點(diǎn)運(yùn)動至I1點(diǎn)，

若S＞L，則根據(jù)L及求得的KG、GI及＜KGI，反求KI及其與GK的夾角，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，直至達(dá)到設(shè)計要求。

3 ProE三維模型建立及仿真分析

選材后，在proe環(huán)境下進(jìn)行三維模型的建構(gòu)和裝配。進(jìn)行運(yùn)動分析和仿真，直觀顯示機(jī)構(gòu)中各部件的運(yùn)行情況，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度和加速度分析。并將運(yùn)動分析的結(jié)果通過動畫的形式表現(xiàn)出來，從而可以清晰的看到兩件之間是否存在干涉情況，零件的運(yùn)動是否達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。根據(jù)仿真的結(jié)果再對零件進(jìn)行修正，直到符合設(shè)計要求。以背部抬升機(jī)構(gòu)為例說明模擬過程，對裝配好的機(jī)構(gòu)首先進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真如圖6、圖7所示，查看各機(jī)構(gòu)之間運(yùn)動是否有干涉情況，運(yùn)動軌跡是否滿足設(shè)計需要。

根據(jù)電機(jī)運(yùn)速度設(shè)定模擬電機(jī)的速度為5mm/s，運(yùn)行28s，行程為140mm，設(shè)計電機(jī)達(dá)到抬背角度行程是146mm，與設(shè)計相差4%，所以設(shè)計在合適誤差范圍內(nèi)，并且速度和加速度變化均勻，沒有明顯峰值和跳動，機(jī)構(gòu)間沒有干涉，設(shè)計滿足要求。

4 結(jié)束語

該康復(fù)床從人機(jī)工程的角度進(jìn)行設(shè)計，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計理念，在模塊化方面正在進(jìn)一步改進(jìn)，努力實(shí)現(xiàn)個性化設(shè)計要求，使背部躺板可以根據(jù)人體不同尺寸要求任意拆卸，根據(jù)客戶的個性化選擇進(jìn)行調(diào)試。在功能上，智能化康復(fù)床仍然有很大的改進(jìn)空間，比如，增加輔助康復(fù)的娛樂模塊和人體檢測模塊，實(shí)現(xiàn)更加智能化和人性化，進(jìn)一步輔助康復(fù)治療，有利于病人的身心健康。

參考資料：

[1]何燦群.產(chǎn)品設(shè)計人機(jī)工程學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2]毛友新.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2007.

[3]丁玉蘭.人因工程學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2004.

[4]老虎工作室.Pro/ENGINEER Wildfire 中文版高級應(yīng)用[M].北京:人民郵電大學(xué)出版社,2007.

[5]姜生元.智能化多功能功能電動康復(fù)床的研制[J].機(jī)械設(shè)計,2008,5(5):61-62.

[6]侯春林.褥瘡治療和預(yù)防[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1997.

The development of a multifunctional nursing bed based on humanized design

ZHANG Jian-guo, TAN Yun-li, XUE Qiang

人性化設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計的一個重要理念，它強(qiáng)調(diào)在設(shè)計產(chǎn)品時從人體工學(xué)、生態(tài)學(xué)、美學(xué)等角度達(dá)到完美，體現(xiàn)了科技以人為本的思想。該護(hù)理床的設(shè)計正是基于這種理念，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)抬背、抬大腿，曲小腿和調(diào)整坐姿的功能，并將設(shè)計通過Pro/E三維實(shí)體建模軟件進(jìn)行模擬和仿真分析，進(jìn)一步指導(dǎo)和驗(yàn)證設(shè)計的合理性。

人機(jī)工程；護(hù)理床；防褥瘡

張建國（1955－）男，天津人，教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計理論及機(jī)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

科技部項目：殘障人生活保障輔具研究（2006BAI22B05）