摘要：隨著我國社會經濟發展水平的不斷提高，人口老齡化進程不斷加快，獨居老人逐年增加。老年人身體各項機能逐步下降，手臂和腰部力量不足，導致老年人在起床和臥床時會出現一定困難，很可能會進一步加劇老年人的腰肌勞損。針對以上問題，以老年人為服務對象，設計了一種輔助老年人起臥床的裝置。該裝置通過機電結合以及機構組合的方式，幫助老年人完成從躺在床上到坐起，再從坐起到站立這一系列動作，也可在老年人需要躺下時，通過裝置的逆運作提供一定的輔助。該裝置操作簡單，充分解決了目前老年人因腰臂力量不足導致的起臥床困難的問題。
1、研究背景
隨著城市化進程的加快以及我國進入老齡化社會，居住在城市中的高齡族群規模日益增大[1]。城市獨居老人是特殊的老年人群體，因其生理、認知功能的退化，他們在日常生活起居方面會面臨許多問題。大多數獨居老人由于身體各項機能逐步下降，在日常的起臥床方面都出現了一定的困難，因此，亟需設計一款滿足老年人需求的輔助起臥床裝置，以幫助獨居老人提高生活自理能力。
在2017年國務院辦公廳印發的《關于制定和實施老年人照顧服務項目的意見》中提到：大力扶持專業服務機構并鼓勵其他組織和個人為居家老年人提供生活照料、醫療護理、精神慰藉等服務。現階段的輔助起臥床機械裝置大多為醫院里復雜的醫療床或需要其他人輔助操作的機械裝置[2-3]，不適用于獨自生活起居的老年人。基于以上背景，本文設計了一款多功能輔助起臥床裝置來服務老年人，能夠輔助老年人獨立完成起臥床，旨在幫助有基本活動能力的老年人減輕腰背負擔。
2、老年人起臥床輔助器裝置設計亮點
本裝置為輔助老年人起臥床的裝置，如圖1所示。裝置整體主要由起背模塊、曲腿模塊和輔助起身模塊3部分組成。起背模塊主要采用四桿機構，使用舵機驅動，可將床上半部分旋轉一定角度，幫助老人起背。曲腿模塊由3個電動推桿構成，1號推桿控制推動大腿板向上旋轉，2號、3號推桿帶動小腿板旋轉下放，輔助老年人完成曲腿動作。輔助起身模塊由電動推桿推動滑塊，帶動整個床身傾斜至合適的角度，配合床身尾部的扶手，輔助老人站立。
該裝置整體使用流程：當老年人處于平躺狀態時，起背模塊驅動，背部床板向上立起，帶動老人上身抬起。同時，曲腿模塊驅動小腿處床板下翻，使老年人小腿下垂，形成坐起姿勢。隨后，輔助起身模塊驅動，使老年人由坐起姿勢逐步調整至站立姿勢。老年人抓住床身兩側的扶手，稍微使力，完成站立動作。躺下時，由扶手引導老年人站立至正確位置，床板抬升承接老年人，并輔助老年人至坐下姿勢。隨后曲腿模塊與起背模塊恢復至水平狀態，完成輔助老年人平穩躺下的目的。
2.1起背模塊設計
起背模塊主要由底部的推桿、推桿連接的桿件、滑塊以及背部靠板組成，如圖2所示，①為床的背部靠板，②為安裝在背部靠板底部的滑塊，③為連接滑塊和推桿的連桿，④為推動背部靠板向上旋轉的動力推桿。
底部的推桿是一個行程為150 mm的電動推桿，是將電動機的旋轉運動轉變為推桿的直線往復運動的電力驅動裝置，底部推桿在電機的帶動下推動桿件，連桿與電動推桿的連接處固定，滑塊與連桿的連接處固定。連桿和電動推桿一端均有鉸鏈，可繞鉸鏈旋轉。背部靠板上設有滑軌對滑塊進行限位，使其只可在滑軌上進行直線運動，背部靠板的旋轉角度為0°～70°，背部靠板旋轉角度可由老年人自己控制。
裝置運作時，電機正轉驅動推桿向外推出伸長，由于電動推桿與連桿的連接處固定，隨著電動推桿的伸長，連桿繞鉸鏈向上旋轉，帶動滑塊沿軌道向背部靠板軸處移動。連桿長度不變，在連桿鉸鏈與背部靠板轉軸的直線距離不變的情況下，連桿與鉛垂線所成角度變小，則背部推桿與水平線所成角度必然變大，因此背部靠板必然會被向上推起，最終實現幫助老年人起背的目的。當完成起背動作后，床背部靠板需要下放時，則電機反轉，使得推桿向下收回，桿件旋轉角度變小，滑塊滑動，沿軌道向遠離背部靠板方向移動，使得背部靠板趨于放平。起背模塊在一定程度上控制了背部靠板的角度[4-5]，具有較強的穩定性和可靠性。
2.2曲腿模塊設計
該模塊由大腿板、小腿板、滑塊、推桿1和推桿2組成，如圖3所示，①為大腿板，長度570 mm，②為滑塊，③為小腿板，長度510 mm，④為推桿1，⑤為推桿2。其中，電動推桿1固定，與地面垂直呈90°，無鉸鏈，只可定向伸縮。推桿1一端連接滑塊，大腿板下設有滑軌對滑塊進行限位，只可沿著滑軌做上下直線運動。推桿2一端連接一個固定在大腿板上的鉸鏈，使其可以隨大腿板運動，并繞鉸鏈在一定角度內活動，另外一端通過連桿連接在小腿板上，連桿與推桿2的連接處可活動，但其與小腿板連接處固定，使得連桿與小腿板始終呈90°。
裝置運作時，電機先驅動推桿1伸長，使頂端滑塊在豎直方向增加一定高度，與此同時，滑塊在大腿板底部滑槽內向遠離大腿板轉動軸的方向做直線運動，使得大腿板繞軸可向上旋轉15°抬起，令大腿板和背部靠板形成一個角度，使人體微陷入夾角中，在床體抬升的過程中固定人體。同時，推桿1收縮，小腿板在其作用下向下垂落，轉動75°，將老年人的小腿放下，且兩腿部推板角度固定，最終將老年人安放至合適的坐姿，為接下來的床板抬升，幫助老年人站立做好準備。
2.3輔助起身模塊設計
輔助起身模塊機構簡圖如圖4所示，該裝置主要由①大齒輪、②床板、③床邊扶手、④小齒輪以及⑤電動推桿組成。
當裝置需要輔助老人站立時，電動推桿正轉，推桿可以伸長將床板頂起一個角度，角度從0°～25°可調，確保老年人在起立時可以得到床板的助力。床板擬設計尺寸為長200 mm、寬120 mm、高50 mm。在床板抬升的同時，床邊的扶手也同步升起，可以在老年人站立時受到助力以后利用旁邊的扶手支撐。床邊扶手的長度為660 mm，可以使老年人在使用床邊扶手的時候得到最大助力。床邊扶手與床板之間由一對大小齒輪連接。由小齒輪和床邊扶手連接，讓小齒輪控制床邊扶手的旋轉，而床板則由大齒輪控制，大齒輪的旋轉決定了床板的旋轉角度，大小齒輪之間正常嚙合[6]，大齒輪直徑為113 mm，小齒輪直徑為37 mm，通過一定的傳動比使得當大齒輪轉動1圈時，小齒輪轉動3圈，當床板轉動25°時，床邊扶手轉動75°，使老年人站立時能夠最大程度地受到床板的助力，自己可以利用床邊扶手站立。
結語
本文設計的適用于獨居老人的輔助起臥床裝置主要包含起背、曲腿以及輔助起身三大模塊，可以大大減輕老年人獨立起臥床時面臨的困難。相較于現有的老年人輔助起臥床裝置，本文設計的裝置具有以下優勢：（1）利用電動推桿、齒輪等，實現了輔助老年人起臥床時的起背、曲腿以及起身功能，可以有效減輕老年人的腰背負擔。（2）裝置采用連桿機構與齒輪機構的匹配設計，用簡單的結構即可滿足老年人起臥床時的所有需求，相比于現在一些專業的、繁瑣的起臥床機械結構更簡單、效率更高，具有廣闊的發展前景。
作者簡介：武漢理工大學機電工程學院周杰（1999—），男，湖北浠水人，研究方向：輔助起臥機械。
來源：《機電信息》雜志
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