解 浩，劉超山，王 輝，張軍平，李向陽

（蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

關(guān)鍵字:護(hù)理床；自動翻身；坐臥角度調(diào)整；智能家居；PLC

目前市面上有諸多醫(yī)用護(hù)理床，大多通過手動控制搖桿來實現(xiàn)起臥、翻身等功能，此類傳統(tǒng)翻身床在翻身時會造成腰部扭曲且并沒有專門針對于身體不便的老年人或者重病病人的護(hù)理床。

為克服現(xiàn)有護(hù)理床所存在的不足之處，提出一種多功能智能護(hù)理床，包括傳動機(jī)構(gòu)、圓筒姿態(tài)控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和坐臥機(jī)構(gòu)，彌補(bǔ)現(xiàn)有護(hù)理床的功能不足。

1 多功能智能護(hù)理床方案設(shè)計

多功能智能護(hù)理床床身采用鏤空圓筒設(shè)計，通過圓筒旋轉(zhuǎn)幫助使用者左側(cè)身、平躺和右側(cè)身體位切換。圓筒內(nèi)設(shè)置坐臥機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)使用者平躺和不同角度坐起體位切換。床架采用桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計，在空擋位置安裝PLC、伺服電機(jī)等測控元件。使用者通過操作按鈕即可實現(xiàn)自動翻身和坐臥姿勢切換。多功能智能護(hù)理床三維設(shè)計模型如圖1 所示。

圖1 多功能智能護(hù)理床三維設(shè)計模型

2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

多功能智能護(hù)理床采用伺服電機(jī)作為原動機(jī)，通過帶傳動和齒輪傳動驅(qū)動圓筒旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)左側(cè)身、平躺、右側(cè)身等動作，傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 傳動機(jī)構(gòu)三維設(shè)計模型

2.1 電機(jī)選型

為確保使用者在整個使用過程中安全舒適、精準(zhǔn)控制、本機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)作為動力來源[1]。設(shè)計旋轉(zhuǎn)圓筒外徑為0.6m,旋轉(zhuǎn)圓筒速度不超過1r/min，設(shè)使用者體重及床身重量共為50kg,則所需電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速確定如下：

m——床身及人體總重，Kg；

g——重力加速度，m/s2。

v——旋轉(zhuǎn)圓筒轉(zhuǎn)動線速度，m/s；

d——旋轉(zhuǎn)圓筒外徑，m；

n——旋轉(zhuǎn)圓筒轉(zhuǎn)速，r/min；

P-旋轉(zhuǎn)圓筒功率，W；

由式（1）、（2）、（3）得電機(jī)功率：

伺服電機(jī)皮帶輪與旋轉(zhuǎn)圓筒傳動軸皮帶輪之間：

d1——單相電機(jī)皮帶輪外徑;

d2——旋轉(zhuǎn)圓筒傳動軸皮帶輪外徑。

傳動齒輪與旋轉(zhuǎn)圓筒齒輪之間：

z1——傳動齒輪齒數(shù)；

z2——旋轉(zhuǎn)圓筒齒輪齒數(shù)。

由式（4）、（5）得電機(jī)轉(zhuǎn)速：

n'=i1i2n

綜上選擇博麗國際貿(mào)易有限公司的60DA40130D6M 電機(jī)，參數(shù)見表1：

表1 伺服電機(jī)相關(guān)參數(shù)

2.2 傳動軸選型

本設(shè)計多功能護(hù)理床采用伺服電機(jī)進(jìn)行傳動，為保證其安全性及使用壽命，現(xiàn)對多功能護(hù)理床傳動軸進(jìn)行選型計算及應(yīng)力仿真[1]。

經(jīng)上文計算得旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為n=24r/min

功率P=0.012kW。緊接著通過上述數(shù)據(jù)對傳動軸直徑進(jìn)行確定，表2 為軸的常用材料及其力學(xué)性能。

表2 常用軸類材料的常用材料的[τ]值和C 值

考慮到材料的機(jī)械性能及成本，選取軸的材料為45 鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。

參考上表，取下列各值：

[τ]=30Mpa C=110 n=24r/min P=0.012kW

將上述數(shù)據(jù)代入計算公式

計算得，d≥24.2mm

d——軸直徑，mm

[τ]——軸的許用切應(yīng)力,Mpa；

P——傳遞的功率，kW；

n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

C——由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。

3 圓筒姿態(tài)控制系統(tǒng)及測控系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計多功能智能護(hù)理床采用圓筒姿態(tài)控制系統(tǒng)及測控系統(tǒng)配合運行，確保使用者的安全，防止圓筒轉(zhuǎn)動角度過大導(dǎo)致使用者跌落。圓筒姿態(tài)控制系統(tǒng)由3 個接近開關(guān)組成，測控系統(tǒng)由西門子S7-200 系列PLC 組成。測控系統(tǒng)接線如圖3 所示。

圖3 測控系統(tǒng)接線圖

測控系統(tǒng)在工作之前須對其工作流程進(jìn)行編程，分為手動控制模式與自動控制模式，系統(tǒng)啟動，使用者可根據(jù)自身需求選擇手動模式或自動模式進(jìn)行控制，在自動模式下，系統(tǒng)根據(jù)程序指令中的時間間隔對圓筒位置進(jìn)行控制，在手動模式下，使用者須通過控制按鈕對其進(jìn)行位置控制。測控系統(tǒng)主程序如圖4 所示。

圖4 測控系統(tǒng)主程序

在自動控制模式下，為準(zhǔn)確完成平躺、左側(cè)身、右側(cè)身等動作，給PLC 設(shè)置指令為：當(dāng)PLC 發(fā)送10000 個脈沖信號時，電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，當(dāng)PLC 發(fā)送脈沖數(shù)量達(dá)到100000 時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，并且以100000 個脈沖信號為一個周期[3]。手動控制模式下，為防止由于使用者操作失誤導(dǎo)致圓筒旋轉(zhuǎn)過度，故圓筒姿態(tài)控制系統(tǒng)所用的接近開關(guān)均為三線常開式NPN 型接近開關(guān)，當(dāng)檢測到圓筒轉(zhuǎn)動至90°、0°、90°位置時，接近開關(guān)工作，同時測控系統(tǒng)停止。

4 坐臥機(jī)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計多功能護(hù)理床坐臥機(jī)構(gòu)采用電動推桿作為原動機(jī)，坐臥機(jī)構(gòu)還包括推桿夾片、轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)架等，使用者操作按鍵，通過PLC 驅(qū)動電動推桿，電動推桿帶動活動床板實現(xiàn)平躺和不同角度坐起體位切換。坐臥機(jī)構(gòu)三維設(shè)計圖如圖5 所示。

圖5 坐臥機(jī)構(gòu)三維設(shè)計圖

為保證使用者安全，推桿推力可達(dá)1000N,推桿伸縮速度為9mm/s。為避免死點位置出現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于70°。

5 結(jié)論

（1）本設(shè)計多功能智能護(hù)理床采用電動推桿推動活動床板實現(xiàn)平躺和不同角度坐起體位切換。

（2）本設(shè)計多功能智能護(hù)理床采用PLC 可編程控制器，通過按鈕即可幫助使用者實現(xiàn)自動翻身和坐臥。

（3）本多功能護(hù)理床采用圓筒床身結(jié)構(gòu)，重新定義床的結(jié)構(gòu)，打破固有思維束縛,給用戶全新的使用體驗。

綜上，本設(shè)計多功能智能護(hù)理床，可滿足癱瘓病人、行動不便老人等對翻身、坐臥的主要需求，對豐富護(hù)理床種類，智慧家居的發(fā)展具有一定指導(dǎo)意義。