謝昭旭，邵麗穎

一種面向起身困難患者可自動更換床單的病床設計

謝昭旭，邵麗穎*

（長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032）

設計了一種面向起身困難患者可自動更換床單的病床，包含底部移動折疊系統(tǒng)和頂部床單更換系統(tǒng)的結構設計。底部移動折疊系統(tǒng)、頂部床單更換系統(tǒng)分別采用電力推桿和直流電機為動力源，對動力源進行了計算與校核。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)的電機架上，其對稱位置安裝有床單收集卷筒用于收集使用過后的床單。床單收集卷筒與位于電機架上的直流電機通過齒輪連接，減速的同時為整個過程提供動力。在使用中通過更換床單卷筒與床單收集卷對床單進行更新。

電力推桿；直流電機；病床

隨著人口老齡化程度的進一步加深、病人的不斷增多，其中不乏起身困難的重病患者，對于這些患者，病床床單的更換成為了一件難事。調查顯示，現(xiàn)今需要依靠護士將病人強行抬起進行床單更換，這種方法不僅費時費力，而且可能對于病人造成二次傷害[1]。因此，迫切需要設計一種面向起身困難患者的可自動更換床單的病床。

1 結構設計

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)的電機架上，在電機架上與其對稱的位置安裝床單收集卷筒，用于收集使用過后的床單。床單收集卷筒與位于電機架上的直流電機通過齒輪連接，減速的同時為整個過程提供動力。使用中，通過更換床單卷筒與床單收集卷筒更新床單。

整個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。這兩者將床體分為兩個部分，這兩部分分別通過固定移動框推桿連接板、滑動移動框推桿連接板與電力推桿的兩頭以螺旋副連接，分兩部分完成整個床體床單的更換。

1.1 底部移動折疊系統(tǒng)

底部移動折疊系統(tǒng)位于整個床體的底部，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構，通過電力推桿一控制該連桿機構完成對整個床體中部（放置床單卷筒與床單收集卷筒）空間的控制，實現(xiàn)床體的展開與壓縮，保證在使用時空間小、保持潔凈，在更換時空間大、便于更換。

1.滑動移動床框；2.軟床墊；3.固定移動床框；4.運動移動床框5.床框；6.電力推桿二；7.床體保持架連接器；8.床單卷筒；9.電機架；10.床單收集卷筒；11.電力推桿三；12.固定移動框推桿連接板；13.滑動滑槽；14.小床單卷筒；15.滑動移動框推桿連接板；16.床體頂板；17.床體壓縮桿；18.床體保持架；19.床體側板；20.萬向輪子；21.床體推桿；22.電力推桿一；23.床體壓縮架；24.護欄邊框；25.控制鈕；26.維持架；27.護欄底架；28.扶手架；29.扶手；30.護欄底框；31.護欄框（短）；32.護欄側框。

電力推桿一是整個結構的動力源，其一側通過轉動副與床體頂板連接，另一側通過轉動副與床體壓縮架連接。床體壓縮架通過轉動副與兩側對稱的床體壓縮桿（2組共四個）連接，床體壓縮桿與床體保持架通過轉動副連接。

電力推桿主要由驅動電機、減速齒輪、螺桿、螺母、導向管、導套、推桿、安裝座、彈簧、外殼及蝸輪、微動控制開關等組成，具有性能可靠、動作靈敏、運行平穩(wěn)、推拉力相同、環(huán)境適應性好等特點[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、電機架、床體保持架連接器、床框、固定移動框推桿連接板、滑動移動框推桿連接板、固定移動床框、滑動移動床框、滑動滑槽組成。整個床體的床單更換結構由固定移動床框與滑動移動床框組成，兩者分別通過固定移動框推桿連接板、滑動移動框推桿連接板與電力推桿二、電力推桿三連接，通過安裝在床框上的滑動滑槽、由電力推桿提供動力完成床體兩部分的分離。

床單更換結構分為左側固定部分與右側滑動移動部分。在更換床單時，床體會分成兩個部分，病人分兩次側身躺在兩部分上，這時沒有病人躺著的那一部分上的電機帶動床單運動，完成床單的更換。床單卷筒、床單收集卷筒之間通過同步帶連接，主動力由直流電機通過同步帶給到床單卷筒上，帶動床單卷筒和床單收集卷筒轉動，完成床單的更換與收集。

2 控制方案

當需要更換床單但病人下床困難時，由護士按下床單更換按鈕，這時位于床身兩側的可壓縮床體護欄會升起，護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，通過滑動移動框推桿連接板帶動滑動移動床框移動一定距離，之后位于電機架上的步進電機帶動床單收集卷筒開始轉動，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。在一側更換完成后，電力推桿二和電力推桿三會恢復原位。這時護士提醒病人往另一側翻身，之后另一側的步進電機完成相同工作，實現(xiàn)另一側的更換，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)會顯示“床單已耗盡，請更換床單卷筒”，這時護士需按下床單滾筒更換按鈕，電力推桿一開始工作，通過由床體頂板、床體壓縮架、床體壓縮桿、床體側板、床體保持架組成的連桿機構使得床體的上半部分升起，留出足夠的空間，由護士完成對于床單卷筒和床單收集卷筒的更換。之后按下恢復按鈕，推桿恢復原狀。

3 動力源的計算與校核

3.1 底部移動折疊系統(tǒng)電力推桿

為確定電力推桿一的選型，對上述設計的極限狀態(tài)進行靜力學分析，即推桿沖程沖滿時的床體展開狀態(tài)和推桿沖程為最小時的床體折疊狀態(tài)，取其中的最大值作為選擇電力推桿的參考力。

各零件的連接關系如圖2所示，有：

＝3－(2h＋l) （1）

式中：為自由度；為活動構件個數(shù)；h為高副個數(shù)；l為低副個數(shù)。

A～I為轉動副；Fc、Fc反、Fi、Fg、Ff、Ff反為對應點受力，N；M為病床負載，N；1為床體保持架；2、3為兩側的床體壓縮桿；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和移動副I共同構成電力推桿。

由圖2可以看出，本機構活動構件有6個，高副個數(shù)為9，其中有8個轉動副與一個移動副，低副個數(shù)為0。但轉動副、為虛約束，故需減去一個活動構件、減去兩個高副。

計算得：＝1。

故只用一個電力推桿作為動力源即可滿足要求。

由文獻[4]得：

＝（2）

式中：為物體質量，kg；取9.8 N/kg。

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

計算得：＝1769.72 N≈1770 N。

首先對推桿沖程沖滿時，即床體整個展開的狀態(tài)進行受力分析，此時電力推桿要求沖程為159.45 mm，其數(shù)據(jù)由SolidWorks測得：

＝＝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對求轉矩平衡，有：

計算得：F＝1644.83 N。

對于同理，計算可得：

F＝F＝1644.83 N

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

F×cos∠HGF＝F（4）

其中：F＝F＋F＝3289.66 N。

計算得：F＝2243.54 N。

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

展開＝2243.54 N。

同理計算得，在推桿沖程最小的床體壓縮狀態(tài)時，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計算?？傻茫?/p>

參考＝折疊＝9.263.75 kN。

又因為推桿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，在本設計的應用場景中，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

對給更換床單提供動力的直流電機的選型進行計算。首先確定減速比[2]：

式中：為電機轉速，r/min；為減速比；1/2為傳動比；為外徑，m；為工作轉速，m/min。

用四極電機轉速為1450 r/min左右，設計要求床單更換速度＝12 m/min，為了增加更換速度沒有減速，故傳動比為1，主動輥筒的外圓直徑經(jīng)過測量為150 mm。

計算得：＝18.125。

再計算理論電機功率[2]：

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

根據(jù)軟件測量，滾筒為35 kg，共2個，床單保守估計為60 kg，故M＝130 kg。＝0°，

計算得：＝292.49 W。

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

4 結束語

為改善醫(yī)院病床床單更換困難、甚至無法更換的問題，設計了一種面向起身困難患者的可自動更換床單的病床。

相對于人工更換，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患者造成二次傷害。一次性床單設計為卷筒形狀，保證了衛(wèi)生，且減少了生產(chǎn)醫(yī)用床單的成本。床身整體呈框架結構，采取電力推桿作為動力源，在節(jié)約成本的同時保證了安全性。

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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，2021省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：一種面向起身困難患者可自動更換床單的病床（20210205033）

謝昭旭（2002－），男，山西晉城人，主要研究方向為機械工程，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，主要研究方向為現(xiàn)代機械設計方法及理論，E-mail：493757026@qq.com。