一种方便下轮椅的拆分床机构

申昌睿，王遵乐，林国金

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁530000）

0 前言

进入21世纪以来，我国的人口老龄化问题日渐严重，据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，世界老龄人口占总人口的比重从1995年的6.6%上升至2020年9.3%，同期我国由6.1%上升至11.5%，无论从增长速度和比重都超过了世界老龄化的速度和比重，到2020年我国65岁以上老龄人口将达1.67亿人，约占全世界老龄人口6.98亿人的24%，全世界四个老年人中就有一个是中国老年人[1]。对于失能老人的照料与看护问题成为了越来越突出的社会问题，病床与轮椅是失能老人最依赖的两个工具，但是如今市面上大多数医护设备都不能做到两者的有效结合。在照顾失能老人的过程中仍然需要医护人员将病人在病床和轮椅上转移，这样不仅增加了病人二次受伤的风险，也加重了医护人员的负担。针对这一情况，本文设计了一种床椅一体化的可拆分病床结构，可实现抬背、床椅转换，手动分离等操作。因为其结构简单，操作方便，不仅可以在医院使用，亦可以在家中使用，服务于更多在家中疗养的患者以及行动不便的老人。

1 病床和轮椅模式的切换

考虑到病患由病床向轮椅转移时可能发生二次伤害的风险和造成不必要的麻烦，本文设计的机构采用了一种兼容了病床和轮椅的设计，它可以实现从病床中轻易脱离出一张独立的轮椅。

总体来看，病床的结构采用了三层式的结构，而轮椅方面采用双层，分别与病床的1、2层对应，病床的最后一层起到固定轮椅和方便轮椅结构的作用。

当轮椅与病床结合时，形成一个完整的病床时，病床可以实现如今市面上大部分病床实现的功能，在背部利用电动推杆结构可以实现抬背的操作。

图1中的床尾1与床头6共同组成了病床的最底层，用于固定床身2和安放病床的车轮3；第二层由床身2组成，用于安放电动推杆，使得第三层的床板活动件5可以顺利抬起，完成抬背的操作，以及设置插销，在轮椅与病床结合时轮椅把手8顺利插入插销完成轮椅与病床的固定。

图1 病床轮椅一体式平床模式总体结构

如图2所示，当病患需要下床，实现病床分离功能时，电动推杆1同时作用，使得轮椅部分腿板4下拉，轮椅背板推杆3作用使轮椅背板6抬起，最终完成轮椅部分由平床模式到坐姿模式的转换。同时3活动护栏离开插销，病床解除对轮椅的固定，并且借助万向车轮7的帮助得以顺利分离病床自由活动。

图2 病床轮椅一体化分离模式侧面视角

2 结构具体设计

考虑到轮椅需要在平床模式和坐姿模式下的切换，将轮椅的设计分为了4部分，如图3所示，分别为背板5、坐板7、腿板3、脚板1。坐板与轮椅底盘以及电动推杆相连，在平床和坐姿模式切换中位置不发生改变。背板与坐板、腿板与坐板、腿板与脚板直接的连接均为铰链连接。当轮椅需要折叠时，放置于坐板前后的两个电动推杆分别推动腿板和背板绕轴转动同时坐板两侧的推杆推动脚杆绕轴转动。其中，腿板和脚板的运动是同步的，可以看作腿板的电动推杆同时推动了脚板和脚板的运动。轮椅坐板7下通过焊接的方式固定在支撑架8上，支撑架8的大横梁杆和小横梁杆均通过螺栓连接的方式连接轮椅后轮9和轮椅前轮10。轮椅前轮10选用了活动万向轮用于转向（三视图如图4所示），而轮椅后轮8选用固定轮，方便传递驱动力。

图3 轮椅折叠部分

图4 轮椅前轮万向轮三视图

在轮椅设计时，考虑到需要符合人体工程学，按病床的设计尺寸标准以及轮椅的尺寸标准，对轮椅的尺寸进行了设计。轮椅后轮负责承载主要的重量，选用直径为56 cm的充气轮胎。在轮椅前轮方面选用15 cm的小轮，直径大的小轮通过性更好，但直径过大使所占空间变大，造成行动不便的问题[2]。在轮椅尺寸方面的轮椅平床模式时整体长1 900 mm以让产品设计满足90%人群的使用要求，整体宽度为600 mm，座位太窄会造成臀部及大腿组织受到压迫，太宽则会使得轮椅操作不方便，更具体的，背板长度最长为720 mm、坐板长度为500 mm、腿板为400 mm，脚板长度为230 mm。

图5 病床轮椅一体式平床模式

病床和轮椅一体形成一个完整的病床时，床轮3通过螺纹与支撑杆连接，支撑杆固定在床头6与床尾1下，床头6与床尾形成前后护栏保障病人的安全。在5床板活动件下有可使床板抬起的电动推杆结构。床板由活动件5与固定件7拼接而成，便于拆装更换维修。

3 电动推杆的选用

选用电动推杆作为驱动装置，在轮椅背板与腿板以及脚板运动本文均选用电动推杆。电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置，由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导套、推杆、滑座、弹簧、外壳及涡轮、微动控制开关等组成。以背板支起为例，电动推杆一端通过铰链固定在电动推杆固定梁上，另一端通过铰链固定在背板的固定梁上，电动推杆的直线往复运动带动背部床板总成绕铰链的转动，完成背部支起功能[3]。在选用电动推杆时需要考虑到推杆的行程、推杆的推力以及推杆的锁紧力。不仅如此考虑到现实使用，还需尽量选用噪音较小的静音推杆。

图6为背部支起结构受力分析简图，背部板总成可围绕铰链A转动，θ为背部板总成与水平方向的夹角，按功能需求确定 θmin＝ 0°，θmax＝ 80°。B，C 分别为电动推杆与背部板总成、背部铰链固定梁的铰接点，β为电动推杆与水平方向夹角，m为铰链A与铰链B的水平方向尺寸，n为铰链与铰链C的竖直方向尺寸。

图6 背部支起结构受力分析简图

可得到结构简图中各参数的几何关系：

在多功能智能轮椅一定的高度和背部床板总成长度范围内，随着电动推杆行程的增大，水平固定距离m和竖直固定距离n均增大，电动推杆最大推力值也相应增大[4]。电动推杆的型号和最终固定位置的确定不仅要考虑推力的大小，还要考虑背部支起机构的角速度和铰链承载力的大小。

4 总结

本文设计了一种新型的方便下轮椅的拆分床结构，介绍了所设计结构的具体组成以及各个模式的切换方式，并且对电动推杆的推力作用方式进行了分析。所设计的拆分床结构很好地解决了病人从病床转移到轮椅上不方便，易受伤的问题，并且结构简单，成本低廉，作为满足未来的普及型医疗机构的条件既有很好的优势。随着我国人口老龄化的加快，老年慢性病患者日趋增多，建立和完善家庭病床模式已成为我国医疗卫生事业发展过程中的一个实际问题[5]。目前各地的医疗改革也在加速进行，部分地区将家庭病床纳入医保也有利于这种病床的普及。