为老年人及残疾人设计的可调节式助力电动椅床--区赛正文.docx

可调节式助立电动椅床
摘要：
随着人年龄的增加，患上退行性变的几率逐渐增大。它的三个多发部位在人站立过程中起到关键作用，因此许多老年人在患上退行性变后便在起立过程中有了困难。许多非腿部残疾人士由于躯体的缺陷在起立过程中也有一定困难。为了解决退行性变患者及非腿部残疾人士在起立过程中的困难，本课题融合普通病床可调节姿势的优点以及普通轮椅可自由移动的优点设计了助立电动椅床。助立电动椅床有平躺、病床、起坐、助立四个模式，相邻两个模式间可做到安全有效的转换，每个模式也有相应的防关节损伤措施。在助立电动椅床的帮助下，使用者不仅可以毫不费力地站立，而且也能享受到普通病床的可调节姿势功能和普通轮椅可自由移动的功能。
关键字：助立 退行性变 病床

一、研究背景：
在医学发达的如今，许多以前无从治疗的疑难杂症现在都能被治愈，人类的寿命也在不断被延长。但是仍有些疾病是无法避免的，比如关节磨损所引起的退行性变。
在百度百科中我们查阅到：退行性变，就是指随着年龄的增长，人体的细胞、组织、器官所发生的一种异常改变。通俗说法就是“老化”。颈椎可能是人体最容易发生退行性变的地方，一般情况下从20岁左右就开始了，退变的发生率随年龄的增长而增大。有人给40—49岁的人拍颈椎片时，发现50%以上都有退变，而60岁以上者几乎100%都有。退变早期可以没有任何症状，随着时间的推移，退变日积月累，最终发展成骨刺、椎间盘突起等，就会出现头痛、头晕、肩膀痛及手指麻木等症状。腰椎骨质增生、椎间盘突出及膝关节的骨性关节炎等也是退行性变的结果。腰椎间盘突出伴随的症状一般是手麻木和上肢的反映迟钝，腰、背、下肢疼痛，骨性关节炎则多为膝关节疼痛和行动困难等。
从上面的这段描述中我们可以发现，退行性变从20岁左右就开始了，40岁以上人士有50%以上患有退行性变，60岁以上人士几乎100%都患有退行性变。同时退行性变多发的三个部位——颈椎、腰椎和膝关节都在站立的过程中起到比较重要的作用。因此许多老年人患上退行性变之后在起立过程中便有了困难。
市面上已有的电动轮椅——背部，腿部无法自由移动，底板单薄不舒适
随着医学的不断发展，因意外事故而致残的人士存活率越来越高，随之而来的便是人群中残疾人士比例的增加。其中有相当一部分是有行走能力的非腿部残疾人士，他们仍然可以行走，只是因为肢体的残缺而在起立过程中有相当大困难。
这两类人群长期以来都是社会关注的对象，而他们由于在动作转换过程中有相当大的困难，在生活中有着极大的不便，甚者连起床，站立这样简单的动作都需要他人的搀扶，许多人作为家属对此情景都深有体会。而此类人群在一天的大多数时间中都是孤身一人，家属医护常常无法做到寸步不离的地步，因此老年人，残疾人士的正常的起居生活成了一大难题。现市面上有已种种轮椅，看护病床，但依然难以满足老年人和残疾人士的真正需求，他们更不可能独自从床上站起，移动到轮椅上来进行一天的正常生活。那么有没有一种解决这一难题的可能——一种安全舒适的看护床与能自由移动的轮椅的结合体？
经查询后，我们得知目前国内的市场上尚未有此类的装置，只有一些设计相对简单的电动轮椅和可折叠式病床，而对于电动控制各部分独立移动，提供助力的功能却是一片空白。家中祖父辈正面临如斯困难的我们便萌生了设计一款能够结合普通病床和普通轮椅优点，并能帮助老人站立的低成本、多功能的椅床的想法，以此为每个家庭中的老人和残疾人的生活送去便利。
常见的医院病床——需要陪护人员手摇才能调节角度，而患者本人难以做到

二、研究目的：
制作一款以基座为固定轴，其余各部分可电动控制绕轴转动的椅床.具体功能如下：
1，能如医院病床般自由移动并自动固定
2，能如医院病床般调节腿部，臀部，腰背部和头部的靠垫的角度
3, 能够通过各部分靠垫的角度改变装置高度让使用者在自身力量不够的情况下安全地站起身
以上功能可使老人或残疾人在使用椅床时不需要他人的搀扶，自由地调节椅床并控制移动，轻松站起，以此独立地进行日常的生活。

三、研究基本思路
右图为普通的电动轮椅的基本连动结构。可以看到，本项目的主要难点在对传统的轮椅和看护床的结构改装。考虑到研究的便利，我们决定首先使用乐高机器人模拟做出1：6的装置模型。在确定了制作结构使用乐高机器人模拟后，在开始拼接之前，首先有以下问题需要解决：

1. 人的重心的改变
人在正坐的状态下想要站起身，首先需要通过上半身前倾的动作做到重心前移，然后再通过腿部施力站起。但老年人在上半身前倾后难以站起，因此装置需要能通过靠垫之间角度的调整达到恰当的高度，在使用者不会向前摔倒的前提下通过装置的移动达到站起的效果。这就需要对可移动角度大小的控制和对扶手的改装了。

2. 床体在调节角度过程中的平衡
基座支撑的不再是固定的座椅，而是各部分都有一定重量，且角度可调的靠垫，这意味着床体的重心的位置在调解过程中也会发生偏移，所以基座的结构需要能够稳定支撑住人和床体的重量，并且床体的各部分应做到尽量轻，使偏转时整个装置不会倾翻。

3. 人在坐起身时身体各个部位的位置
由于人有各种不同的睡姿，所以人在被装置带动坐起身时很有可能因为侧睡等不同睡姿造成身体姿势扭曲，反而有可能从装置上跌落造成不必要的伤害。因此，在装置两侧有必要设置扶手和如沙发两侧一样的软材料包围使用者，在保证舒适的同时确保安全。
4. 椅床模式转换过程中的安全性
由于椅床转换幅度较大，在两个模式互相转换的过程中，若是椅床不够稳固便很容易发生危险，导致使用者关节损伤或是肌肉拉伤。因此相关安全措施的设计还是相当必要的。

在明确了以上问题后，我们首先使用乐高机器人零件拼接出了粗略的结构模型，并以此为基础进一步设计了更为精准的装置模型。时间安排如下：

九月：针对退行性变， 获得灵感
十月：思考椅床的结构和功能
十一月：绘制推演图，思考搭建中会遇到的问题
十二月：搭建模型并调试
十二月：编制程序
一月：准备展示

四、机械结构搭建

平躺模式 病床模式

起坐模式 助立模式
考虑到安全问题，装置的每一模式都有相应的防关节损伤措施，以防使用者在使用过程中受到损伤。相邻两个模式之间也能做到安全有效的转换。
同时在结构中有如下细节考虑到了方案的实际可行性。

五、程序编写
在程序编写中，最主要突出的是人性化，以人为本。因此程序的重点之一便放在了如何防止老年人在操作时发生意外上。同时程序运用了比例算法协动助立。这一措施能使操作者更加舒适，使操作过程更加高效。在此基础上程序还增加了屏幕显示，使操作的全过程更加直观。
在站立模式中，通过程序使人的上半身保持竖直，以使人在站直时不致直接摔倒。

六、项目现存问题
■对于放大到实物级别的方案还未考虑完全
■两边的驱动部分在现在的模型上显得多余。
■程序还不是很人性化。
■对于退行性变患者行为及其安全性的研究有待完善
七、项目前景展望
在制作结构模型过程中，我们主要针对人的重心的改变，床体在调节过程中的平衡和人的身体部位移动时的特点进行了研究，以此在原有的设想上对模型装置加以改装和加工，并着重研究了装置基座的设计，车轮的锁定及扶手位置的确定，使装置更加稳定与可行。在研究过程中，我们经历了无数次的查询资料，争论，拆解和重装，最后终于完成了整套结构的设计，对物理问题的分析能力也得到了提升。
由于时间有限，目前我们尚未对于装置的细节作出分析，例如装置各部分材质，电控在放大后的实现还未考虑，1:6的小模型看上去也略显笨重，但可以肯定的是，有了一套基本的结构，放大后的装置会比此轻巧灵活得多，希望这套结构最终能够被应用于生活中，真正为老人和残疾人带去生活的便利
下一步工作主要是以下几点：
■继续进行防伤害研究
■使操作系统更人性化，方便老年人使用
■改进现有结构，增加强度。
■3d建模，增加直观展示的能力。
■增加扶手
八、参考文献
［1］李爱萍 ．多功能轮椅的结构设计与研究．天津：天津科技大学, 2010