1、Oct.2023JOURNALOFMACHINE DESIGN2023年10 月No.10Vol.40第40 卷第10 期机设计械多功能可分离助老床椅的结构设计与有限元分析*沈仙法，刘浩，陈晓颖！（1.三江学院机械与电气工程学院，江苏南京210012;2.江苏理工学院机械工程学院，江苏常州213001)摘要：为改善行动能力受限的居家老人生活质量，解决其普遍存在的腰部力量不足、起身翻身困难、腿脚行动不便、夜间起身如厕及活动范围小等问题，文中设计了一款多功能可分离助老床椅。采用有限元软件ANSYSWorkbench对助老床椅的关键构件进行了静力学和模态分析，获得了辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑
2、横梁和电动推杆支撑底座的变形、等效应力和安全系数云图及床体框架的前6 阶固有振型与频率，结果证明：关键构件的强度、刚度和安全系数均满足要求。再通过建立辅助曲腿机构的动力学方程，并采用MATLAB软件进行分析求解，验证了机构设计的合理性和可靠性；最后按1:2 的缩小比例完成了多功能可分离助老床椅模型样机制作，并进行了调试和功能测试，试验验证设计的助老床椅能够实现预定功能和目标，研究成果为居家助老装置的设计提供了技术参考，具有重要的现实意义。关键词：多功能；可分离；助老床椅；结构设计；有限元；ANSYSWorkbench中图分类号：TH126；U 46 8.5文献标识码：A文章编号：10 0 1-
3、2 3 54(2 0 2 3)10-0 114-0 8Structural design and finite-element analysis of multi-functionalseparable bed chair for old peopleSHEN Xianfa,LIU Hao,CHEN Xiaoying(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Sanjiang University,Nanjing 210012;2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University o
4、f Technology,Changzhou 213001)Abstract:In this article,in order to improve the life quality of home-based old people with limited mobility,and solve theircommon problems such as insufficient waist strength,difficulty in getting up and turning over,inconvenient movement of legs andfeet,getting up and
5、 going to the toilet at night,as well as limited activity areas,the multi-functional separable bed chair for oldpeople is designed.ANSYS Workbench is used to carry out the static and modal analysis on the bed chairs key components.Thedeformation,equivalent stress and safety factor nephogram of the a
6、uxiliary sitting-and-standing bed board,the auxiliary stting-and-standing electric push rod support beam and the electric push rod support base,as well as the first 6-stage natural vibrationmodes and frequencies of the bed frame are obtained.The results show that the key components strength,stiffnes
7、s and safetyfactor can meet the related requirements.Then,it is verified that the mechanism design is rational and reliable by establishing thedynamic equation of the auxiliary curved leg mechanism and solving it with the help of the MATLAB software.Finally,the proto-type of the multi-functional sep
8、arable bed chair is completed according to the reduction ratio of 1:2;the debugging and functiontests are carried out to verify that this chair has the required functions and achieves the objectives.This study provides technicalreference for the design of home care devices for old people and has pra
9、ctical significance.Key words:multi-functional;separable;bed chair for old people;structural design;finite element;ANSYS Workbench收稿日期：2 0 2 1-0 8-13；修订日期：2 0 2 3-0 4-11基金项目：三江学院科研资助项目成果（2 0 19 SJKY005）；江苏省高校自然科学研究资助项目（14KJB460022）；江苏省青蓝工程资助项目115沈仙法，等：多功能可分离助老床椅的结构设计与有限元分析2023年1 0 月近年来，随着人口老龄化程度的持续加
10、重，独居在家的老年人日益增多。由于年龄原因，老年人的健康状况在不断下降，造成了老年人的起居行动不便，这将严重影响老年人的生活质量1-2 。2】。当前市场上各类助老机械装置层出不穷，其目的都是为了辅助老人的日常生活，提高老人的生活质量。目前,关于助老床椅的研究主要有：文献3 设计了一款复合式智能护理床，实现了护理床的多功能复合式效果。文献4 研究了一种具有语音识别功能的智能多功能护理轮椅床。文献5 设计了一种多功能助老助残轮椅床结构，该结构通过按动式旋转锁扣可以将床与轮椅自由分离和结合。文献6 提出了一种助老助残轮履协同移动平台，研究了移动平台的轮履转换机构及其工作原理综上可知，关于助老床椅装置
11、的研究虽然取得了一定成果，但是已有的助老机械装置大多活动范围小，结构复杂,需人力操作，且价格昂贵7-1 0 。因此，针对现有助老机械装置的不足，设计了一款多功能可分离助老床椅，并进行分析。1总体方案设计依据马斯洛需求激励理论，人类需求可分为5 个层次：生理、安全、社交需要、尊重和自我实现。此次设计的多功能可分离助老床椅将根据马斯洛理论和人机工程学的设计原则，实现设计产品的人性化、模块化和智能化。通过综合分析研究，确定多功能可分离助老床椅的主要功能有：辅助坐立、辅助（左、右）翻身、辅助倚靠、辅助曲腿、辅助如厕和辅助移动。设计完成后的多功能可分离助老床椅主要包括床体结构和移动轮椅两部分，具体结构组
12、成如图1 所示。整个装置的外形尺寸为长2 0 0 0 mm宽1 5 0 0 mm高5 0 0 mm。多功能可分离助老床椅床体结构移动轮椅床体框架辅助坐立机构辅助翻身机构轮椅框架背板升降机构辅助曲腿机构辅助如厕装置辅助移动底盘图1助老床椅整体结构2助老床椅工作原理与结构设计2.1床体和轮椅框架框架设计是否合理直接关系到多功能可分离助老床椅装置的稳定性。床体框架是安装辅助坐立系统和辅助翻身系统的支撑件，轮椅框架是安装辅助移动系统、辅助背板升降系统、辅助曲腿系统和辅助如厕系统的支撑件，因此，合理设计框架结构就显得特别重要。根据多功能可分离助老床椅各个部位的受力特性，床体和轮椅框架立柱选用4 0 mm
13、40mm3mm铝材，横梁和纵梁选用4 0 mm40mm2mm铝材，材质均为6 0 6 3 铝合金。床板材质选用Q235A的镀锌钢板,厚度为1.5 mm。2.2辅助坐立机构辅助坐立机构是利用电动推杆推动坐立床板绕连接铰链旋转上升，坐立床板的上升角度可以通过调节推杆的行程来完成，如图2 所示2辅助坐立1床体框架；2 坐立床板；3 电动推杆支撑横梁；4连接铰链；5 电动推杆支撑底座：6 电动推杆图2辅助坐立机构设计时，考虑到标准成年男子体质量一般在7 0 100kg，选用了1 2 V直流电动推杆，其工作行程为300mm，最大推力可至1 2 0 0 N。电动推杆两端各设置一个行程限位开关，伸缩杆运动到
14、极限位置时会自动断电。老人需要起床时，可操作遥控器，启动坐立电动推杆，实现坐立床板翻转，帮助老人起身。根据人体测量学中的数据，当人处于坐姿时不引起疲劳的最大背垂角为1 0,因此确定坐立床板最大翻转角度为8 0 2.3辅助翻身机构辅助翻身（左、右）机构主要是由举升电机、螺旋116计机第4 0 卷第1 0 期设械丝杆副、万向节、固定支架和连接杆等组成。该机构将举升电机安装在固定支架内侧，举升电机旋转时，输出轴通过万向节带动螺旋丝杆旋转，螺旋丝杆套产生轴向移动，再通过三角臂、连接杆和活动支架实现翻身背板的旋转，如图3 所示。2381尾座连接板；2 活动支架；3 连接杆；4 三角臂；5螺旋丝杆副；6
15、万向节；7 举升电机；8 固定支架图3辅助翻身机构坐立床板左、右两侧均设计有翻身功能。翻身时翻转的角度设计太小，则达不到翻身的目的，角度过大又容易引起倾覆，使老人受到伤害。考虑到安全性和稳定性的要求，文中设计的助老床椅的最大翻身角度为6 0,如图4 所示。老人在使用时可以借助遥控器操作实现左、右翻身功能。2辅助翻身(左)431连接铰链；2 翻身背板；3 支撑横梁；4 举升器图4辅助翻身工作状态2.4轮椅背板升降机构背板升降机构主要由步进电机、丝杆副、导轨和背板组成。考虑到老年人倚靠的舒适性和安全性，背板外形尺寸为长4 0 0 mm宽1 0 0 mm高4 5 0 mm。当使轮椅与床体分离前，需先
16、完成轮椅背板的上升。轮椅背板升降可以通过操纵遥控器实现，控制步进电机，电机通过丝杆副带动背板在两侧导轨内上下移动，从而实现背板的升降，具体如图5 所示。设计的背板升降行程为0 3 0 0 mm。背板升降321轮椅曲腿1110981外导轨；2 内导轨；3 背板;4 丝杆副；5 步进电机；6 底座；7电动推杆；8 腿板；9 连杆机构；1 0 脚板；1 1 连接铰链图5背板升降和轮椅曲腿机构2.5轮椅曲腿功能机构轮椅曲腿机构主要帮助老人舒展腿部肌肉、实现坐姿动作，该机构主要由电动推杆、腿板、脚板和连杆机构组成，如图5 所示。其中，电动推杆一端安装于座板下方，另一端安装在腿板底侧。当电动推杆处于伸出时
17、，腿板、脚板、坐立床板及床板均处于展平状态。当电动推杆缩回时，推杆会带动腿板向下旋转，并通过侧面的连杆机构带动脚板旋转，并使脚板处于水平位置。2.6轮椅移动底盘轮椅移动底盘采用四轮驱动的麦克纳姆轮小车。麦克纳姆轮主要由轮毂轴和辊子组成，轮毂轴与辊子轴之间的夹角为4 5。每个麦克纳姆轮由一个电机单独驱动。麦克纳姆轮可以实现轮椅全方位移动（包括直行、斜行、横移、零半径任意角度旋转）。通过轮椅移动底盘可以实现床体与轮椅的分离，增大老人的活动范围2.7轮椅如厕机构轮椅如厕机构主要由如厕盖板、支撑座和抽屉式收纳盒组成，如图6 所示取出如厕盖板移动收纳盒1旋转卡扣；2 支撑座3 支撑平台：4 抽屈式收纳盒
18、；5 如厕盖板图6辅助如厕机构1172023年1 0 月沈仙法，功能可分离助老床椅的结构设计与有限元分析其中，如厕盖板设置在轮椅座板中间，座板下方设置有支撑座,支撑座上方安放抽屉式收纳盒，收纳盒内放置一次性收纳袋，收纳盒外前面安装抽屉拉手。当收纳盒安放到位后，通过旋转卡扣将其固定在规定位置。老年人需要如厕时，可将如厕盖板打开，用完过后将盖子放回原位即可。若需要清理，只需松开旋转卡扣,将抽屉拉出，将抽屉内的袋子打包即可，从而实现轮椅的如厕功能。2.8多功能可分离助老床椅整机结构综合上述各部分机构设计，多功能可分离助老床椅装置的整体结构如图7 所示，82341床体框架；2 辅助翻身机构；3 辅助坐
19、立机构；4 轮椅背板升降机构；5轮椅移动机构；6 轮椅框架；7 轮椅如厕装置；8 轮椅曲腿机构图7助老床椅整机结构图3助老床椅关键构件静力学分析辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动推杆支撑底座是多功能可分离助老床椅的关键构件，其不仅能承载老年人的体质量，还能承载其他零部件的质量。如果这些构件在使用时产生变形或者断裂，就可能带来严重后果，故对这些关键构件进行强度、刚度和安全系数的计算分析显得十分重要3.1有限元分析模型首先，在UGNX12.0中构建多功能可分离助老床椅装置关键构件的三维模型，再采用UG自带的接口程序转换成ANSYSWorkbench能够识别的.x_t文件格式1-1 2 ；
20、然后，将该文件导人到ANSYSWork-bench软件中,并设置力学性能参数，具体如表1 所示。根据助老床椅的几何结构特点，采用四面体划分法生成网格模型，再在相应位置完成载荷和约束等边界条件的施加。表1材料力学性能参数材料弹性模量屈服强度密度零件名称牌号E/MPaReL/MPap/(kg/m)床板、支撑底座Q235A2.11052357850支撑横梁60637.21042502.7003.2.有限元分析结果与讨论为了确保多功能可分离助老床椅装置关键构件的安全，在其相应位置添加约束和载荷后，分别对辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动推杆支撑底座进行分析，以验证是否满足强度、刚度和安全系数
21、的相关要求【1 3-1 4 。通过ANSYSWorkbench求解器的计算分析，分别得到了辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动推杆支撑底座的变形云图、等效应力云图和安全系数云图，结果如图8 图1 0 所示。从图8 a、图9 a和图1 0 a可以看出，辅助坐立床板的最大变形出现在辅助坐立床板中间偏下位置，约为0.9 0 1 4 mm；辅助坐立电动推杆支撑横梁的最大变形出现在支撑横梁的中间位置，在1.7 2 8 9 mm处；电动推杆支撑底座的最大变形出现在底座与电动推杆的连接孔的上方，约在0.0 0 2 8 mm处。通过比较发现3 个关键构件的最大变形量均小于其许用挠度（w=/2 0 0,
22、1 为杆件长度。）【1 5 。因此，辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动推杆支撑底座的刚度均满足安全要求B：静力学分析B：静力学分析类型：总变形等效应力B：静力学分析单位：mm类型：等效(Von-Mises）应力安全系数类型：安全系数时间：1单位MPa时间：1时间：10.90136最大37.779最大15最大0.7725933.057100.6438328.3350.5150623.6121.8529最小0.386318.890.2575314.1680.128779.4453最小4.7230.00066721最小(a)总变形云图(b)等效应力云图(c)安全系数云图图：辅助坐立床板有限
23、元分析结果118机计设第4 0 卷第1 0 期械B：静力学分析B：静力学分析等效应力B：静力学分析类型：总变形类型：等效(Von-Mises)应力安全系数单位：mm单位：MPa类型：安全系数时间：1时间：1时间：11.7289最大225.51最大15最大1.5368202.971.3447180.42101.1526157.8750.9605135.320.7684112.771.7396最小0.576390.21900.384267.670.192145.1210最小22.5720.022344最小(a)总变形云图(b)等效应力云图(c)安全系数云图图9推杆电机支撑横梁有限元分析结果B：静力
24、学分析B：静力学分析B：静力学分析总变形等效应力安全系数类型：总变形类型：等效(Von-Mises)应力类型：安全系数单位：mm单位：MPa时间：1时间：1时间：115最大0.0027654最大140.68最大100.0024581125.0550.0021508109.421.7771最小0.001843693.78500.001536378.1550.001229162.5240.0009217946.8930.0006145331.2620.0003072615.631最小5.3155c-8最小(a)总变形云图(b)等效应力云图(c)安全系数云图图1 0电动推杆支撑底座有限元分析结果由图
25、8 b、图9 b和图1 0 b可知，辅助坐立床板的最大等效应力出现在辅助坐立床板与电动推杆连接处，为3 7.7 7 9 MPa；辅助坐立电动推杆支撑横梁的最大等效应力为2 2 5.5 1 MPa，出现在支撑横梁的中间位置，因为中间位置承受床板的主要压力；电动推杆支撑底座的最大等效应力出现在底座与电动推杆连接销孔处，为1 4 0.6 8 MPa。通过比较发现辅助坐立床板和电动推杆支撑底座的最大等效应力均小于其材料Q235A钢的屈服强度2 3 5 MPa，辅助坐立电动推杆支撑横梁的最大等效应力也小于6 0 6 3 铝材的屈服强度2 5 0 MPa。因此,辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动
26、推杆支撑底座的强度满足安全要求。从图8 c可看出，辅助坐立床板的最小安全系数出现在辅助坐立床板中间与推杆电机的连接位置，以及辅助坐立床板的上部左右两侧，为1.8 5 2 9；从图9 c和图1 0 c可看出，辅助坐立电动推杆支撑横梁的最小安全系数出现在支撑横梁中间部位，为1.7 3 9 6，电动推杆支撑底座的最小安全系数出现在与推杆电机连接部位，为1.7 7 7 1。通过上述分析发现，3 个关键构件的最小安全系数均大于初始设定值1.5。因此，辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动推杆支撑底座的安全系数均满足要求4床体框架模态分析床体框架进行模态分析时，其模型建立方法与关键构件的静力学分析相
27、同，在Modal软件下的AnalysisSetting的Option中设定求解算法和模态阶数1 6 。此次分析采用的是Direct算法，提取的模态阶数为6,不需要施加外载荷，只需对框架自由度进行约束即可，结果如表2 所示表2框架前6 阶固有频率和振幅阶数n固有频率/Hz振幅/mm振型特征162.48411.055单向摆动276.8456.2975单向摆动3112.1807.4748侧向扭转4117.0008.1651单向弯曲5125.2009.7865单向弯曲6144.4808.522.7弯扭组合从表2 可清楚地看到，预应力状态下的床体框架的振幅在6.2 9 7 5 1 1.0 5 5 mm之
28、间，其中床体框架最大变形出现床体围栏框架的1 阶固频共振时，大小为11.055mm。如果框架振动变形较大，则会产生较大的交替变化的应力集中和疲劳破坏。通过模态分析获得了床体框架的模态参数，掌握了床体框架结构的薄弱1192023年1 0 月沈仙法，等个离助老床椅的结构设计与有限元分析部位，为后续改进设计提供了技术参考。5助老床椅机构动力学分析可分离助老床椅的结构设计不仅要考虑功能的实现性和老人使用的舒适性,还需考虑机构功能的可靠性。在轮椅辅助曲腿时，必须考虑到曲腿板块翻转的平稳性，不能出现卡死或者急停等现象，要让老年人有充分的安全感。由于辅助坐立和轮椅曲腿功能的实现原理基本相同,都是通过电动推杆
29、驱动运动机构实现其功能，鉴于两种功能的运动原理相同,因此文中主要对多功能可分离助老床椅的轮椅曲腿机构进行动力学分析1 7-1 8 ,以此为后续的模型样机制作和改进提供理论依据。5.1机构分析模型根据设计的轮椅曲腿机构建立曲腿机构运动简图，如图1 1 所示。图1 1 中，AD为腿板，BC为电动推杆,DE为脚板，AC和AF为固定支架,EF为边杆，A为腿板与轮椅框架的转轴,B为电动推杆伸出端安装铰支座，C是电动推杆固定端铰支座，L,为AB长度，L,为AC长度,L,为BC长度,为腿板的角速度，为电动推杆的角速度，0，为腿板与X轴的夹角，0,为电动推杆轴线与X轴的夹角。机构工作时，电动推杆通过伸缩推杆使
30、得腿板绕点A旋转，并带动脚板转动，从而实现曲腿功能。分析时，假设电动推杆工作时为匀速运动，即,为定值。FT7T7TBDEX图1 1轮椅曲腿机构简图5.2位移分析根据曲腿机构简图建立其位移矢量封闭方程为：L,+L,=L,(1)其复数形式表示为：T(2)+将式（2）中的实部和虚部分离可得：L,sin,+L,=L,sin,(3)L,cos0,=L,cos02由式(3)可得轮椅曲腿机构的位移方程为：L,=(Lcos 0,)2+(L,sin 0,+L,)2L,cos 0,(4)02arccosL5.3速度分析将式(2)对时间一次求导后,进行虚实分离，再用矩阵形式表示曲腿机构的速度方程为：cos 2-L,
31、sin 2V23-sin O,(5)sin02L,cos02cos0,式中：U23腿板相对于电机推杆的线速度5.4加速度分析同样，将式(2)对时间二次求导，可得曲腿机构的加速度方程为：cos22-L,sin 0223+sin02Lcos 02JL3-w,sin 2-V23sin 0,-L,cos 0V23cos,=-WLW;cos 2U23cos 02-L,W,sin023sin,(6)式中：23腿板相对于电机推杆的角加速度；3电机推杆角加速度5.5结果与分析分析时，取电动推杆的线速度V,=12mm/s,L,=265mm,Lz=270mm,L,=262mm,再通过MATLAB软件对式（4）式（
32、6）进行求解，可得腿板的位移、速度和加速度的变化曲线，如图1 2 所示403530(/5001234567时间/s(a)角位移5.800.20r5.75s/(。/期s/。)/率期5.700.155.650.105.605.550.055.505.450.00012345670123456时间/s时间/s(b)角速度(c)角加速度图1 2曲腿机构仿真分析结果120第4 0 卷第1 0 期机计设械从图1 2 中可以看出，腿板工作过程中，其角位移、角速度和角加速度曲线变化平稳，无明显突变，说明曲腿机构运动合理、可靠。6样机制作与调试为验证多功能可分离助老床椅结构的合理性，以及能否实现其预定功能，需制
33、作模型样机并对样机进行功能测试。为节省材料和方便加工，制作的模型样机与实际装置的尺寸之比为1：2。经过采购、加工、装配和调试，最后完成多功能可分离助老床椅样机，如图1 3 所示图1 3样机实物样机在调试过程中，主要出现了以下问题并提出了解决方法：（1）在辅助坐立过程中，由于推杆电机推动床板产生较大的推力，该推力反作用于电动推杆支撑底座使得床体出现轻微震动。解决的办法是在电动推杆支撑底座的横梁下面设置一根支柱，通过该支柱能够抵消推杆电机推动床板产生的反作用力。（2）当轮椅腿板和脚板与床面处于同一平面时，由于脚板下方缺少受力支撑点，导致该处出现悬臂结构，容易产生破坏。解决办法是在腿板下方安装一个带
34、有万向轮的支撑柱，当轮椅与床体结合时向内旋转支撑柱，使其支撑脚板；当轮椅与床体分离时，向外旋转支撑柱至床体框架，使其与支撑脚板分离。经过不断调试和修正后，对多功能可分离助老床椅的辅助坐立、辅助翻身、辅助倚靠、辅助曲腿、辅助如厕和辅助移动功能进行了实测，结果都能够满足设计功能和使用要求7结论(1)在现有医护助老床的基础上，设计了一种适用于家庭使用的多功能可分离助老床椅。助老床椅采用了床体和轮椅可分离结构，具有辅助坐立、辅助翻身、辅助倚靠、辅助曲腿、辅助移动和辅助如厕功能。助老床椅设计充分利用了自身空间，增大了老人的居家活动范围，且结构简单，成本低。（2）采用有限元软件ANSYSWorkbench
35、对关键构件进行了静力学和模态分析，获得了辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动推杆支撑底座的变形、等效应力和安全系数云图，证明了3 个关键构件的强度、刚度和安全系数均满足要求，得到了床体框架在预应力状态下的前6 阶固有频率和模态振型，结果为后续的改进设计提供了数据支持。通过建立辅助曲腿机构动力学数学模型并进行求解，验证了曲腿机构设计的合理性和可靠性。（3)按1:2 的缩小比例完成了对多功能可分离助老床椅模型样机的设计和制作，并对制作的样机进行了调试和功能测试，结果证明：设计的多功能可分离助老床椅装置能够实现预计的功能和目标参考文献1李璐，赵玉峰，纪竞.人口老龄化背景下的老龄事业和产业协同
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