多功能醫(yī)用護理床設(shè)計【說明書+CAD+PROE】

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4．設(shè)計說明書不少于規(guī)定字?jǐn)?shù)15000字。 設(shè)計參數(shù)：1、承重150KG；2、床結(jié)構(gòu)外型尺寸2000×900×500 (~700)；3、具有整體升降，整體舉升500mm至700mm，任意調(diào)節(jié)；抬背，0至70度，任意調(diào)節(jié)；下屈腿，0-45度，任意調(diào)節(jié)；4、電機電壓≤36V。 課 題 主 要 內(nèi) 容 及 進(jìn) 度 1、查閱有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，了解技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 第7學(xué)期 2、幾種可行的傳動方案性能比較和總體原理方案確定 第7學(xué)期 3、動力分析、主要傳動參數(shù)確定、總體結(jié)構(gòu)的初步確定 第7學(xué)期 4、機械系統(tǒng)的主要機構(gòu)的設(shè)計 4周 5、電控系統(tǒng)設(shè)計 1.5周 6、結(jié)構(gòu)設(shè)計 3周 7、虛擬裝配 1周 8、繪制樣機總圖、零件圖及關(guān)鍵零件加工工藝制定 3.5周 9、撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書 1周 10、提交設(shè)計資料、答辯準(zhǔn)備 1周 以上各項由指導(dǎo)教師填寫（請用鋼筆填寫） 開題報告 課題名稱 多功能電動護理床的設(shè)計 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 定稿日期： 2014 年 3月15日 2 多功能電動護理床的設(shè)計 1選題背景及其意義 1.1選題的背景 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人口壽命不斷延長，然而出現(xiàn)城市人口正逐步進(jìn)入老齡化。解決因身體虛弱臥床不起或因疾病導(dǎo)致生活不能自理的老年人的家庭照料看護問題是人口老齡化國家所面臨的共同問題。本設(shè)計是針對缺乏自理能力的老年人及行動不便的病人而設(shè)計的多功能電動護理床，該護理床能夠幫助病人實現(xiàn)做起，屈膝，解決了護理病人過程中的諸多不便，即使不能自理者，護理人員也可通過床邊的控制器進(jìn)行操作，減少照顧病、殘患者的勞動強度。課題根據(jù)國家和上海市中長期發(fā)展綱要確定的研究方向和企業(yè)的具體需要，設(shè)計一種用于醫(yī)院病癥病人用的多功能護理床，解決病人身體和生理方面的需要，也減輕護理人員的勞動強度。 1.2選題的目的及意義 多功能電動護理床是針對生活不能自理的老年病人、危重病人和癱瘓病人的特殊需要而設(shè)計的，能隨意調(diào)節(jié)床的背部和腳部的角度。即使不能自理的者，護理人員也可通過床邊的控制器進(jìn)行操作，減少照顧病、殘患者的辛苦。課題根據(jù)國家人口老齡化這一國情的需要而設(shè)計。針對市場需求開發(fā)設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便的多功能護理床并進(jìn)行運動仿真，對于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。課題根據(jù)國家和上海市中長期發(fā)展綱要確定的研究方向和企業(yè)的具體需要，設(shè)計一種用于醫(yī)院病癥病人用的多功能護理床，解決病人身體和生理方面的需要，也減輕護理人員的勞動強度。針對市場需求開發(fā)設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便的多功能護理床并進(jìn)行運動仿真，對于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。同時進(jìn)而提高了我國護理業(yè)服務(wù)，有力的促進(jìn)了我國的醫(yī)療保健事業(yè)的發(fā)展。 2 文獻(xiàn)綜述 2.1多功能電動護理床的發(fā)展概況 多功能電動護理床在國內(nèi)的發(fā)展概況簡介,近幾年在市場上已經(jīng)出現(xiàn)具有綜合功能手動或電動護理床，他們集中各項護理床的優(yōu)點，把微電子技術(shù)應(yīng)用到護理床上來，向遙控、自動、輕便、數(shù)字方面邁進(jìn)。目前，新鄉(xiāng)小保姆床是護理床行業(yè)的領(lǐng)頭羊，多功能護理床B型由多用型向綜合性轉(zhuǎn)變[1]，能自動完成坐臥、接便、除臭、按摩、捶背、逍遙、保健等服務(wù)，還有尿濕感應(yīng)，自動控制功能等。但是其價格比較昂貴，很難為患者的消費觀念所接受。相比較而言，本設(shè)計是針對患者的消費觀念和生活水平，價格相對合理，而且本設(shè)計的功能也符合患者的必要需求，能夠幫助病人實現(xiàn)做起，屈膝，解決了護理病人過程中的諸多不便，即使不能自理者，護理人員也可通過床邊的控制器進(jìn)行操作，減少照顧病、殘患者的勞動強度。 2.2多功能電動護理床的國外研究概況 從全球市場來看，70%的醫(yī)療器械銷售額集中在前30家企業(yè)中。盡管企業(yè)數(shù)量眾多，產(chǎn)品研發(fā)能力卻普遍較弱。對國內(nèi)醫(yī)療器械行業(yè)而言，扶持大型醫(yī)療器械龍頭企業(yè)始終是重點任務(wù)?？萍疾?012年印發(fā)的《醫(yī)療器械科技產(chǎn)業(yè)“十二五”專項計劃》表示，將重點支持10-15家大型醫(yī)療器械企業(yè)，扶持40-50家創(chuàng)新型高技術(shù)企業(yè)，形成8-10家產(chǎn)值超過50億元的大型醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)集團。推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研醫(yī)聯(lián)盟建設(shè)，促進(jìn)學(xué)科交叉、技術(shù)融合和資源整合。根據(jù)《健康中國2020戰(zhàn)略計劃研究報告》 ，衛(wèi)生部計劃設(shè)立210個項目基金[2]。其中，100個項目將資助醫(yī)用耗材研發(fā)，每個項目2000萬元；100個項目資助醫(yī)療器械研發(fā)，每個項目5000萬元；10個項目用于資助大型醫(yī)用設(shè)備研制，每個項目3億元左右。醫(yī)療器械市場是當(dāng)今世界經(jīng)濟中發(fā)展最快、國際貿(mào)易往來最為活躍的市場之一。處于絕對領(lǐng)先地位遠(yuǎn)東三大國，中國、日本、與印度在西方經(jīng)濟學(xué)家眼中屬于“遠(yuǎn)東三大工業(yè)經(jīng)濟強國” [3]。這三個國家的醫(yī)械市場銷售額合計約占亞洲醫(yī)械市場總銷售額的70%，亞洲其他國家和地區(qū)的銷售額合計只占剩余30%的份額。印度的醫(yī)械產(chǎn)業(yè)規(guī)模遠(yuǎn)遜于中國。但印度政府過去幾年來大力發(fā)展旅游醫(yī)療經(jīng)濟新產(chǎn)業(yè)，大批西方游客前來印度看病兼旅游，使印度各大醫(yī)院生意興隆，與此同時，使得印度進(jìn)口醫(yī)械與大型診斷成像儀器產(chǎn)品數(shù)量大增。過去幾年來印度醫(yī)療器械市場一直保持20%的年增長率。目前全球的醫(yī)療器械及設(shè)備市場規(guī)模約2300億美元。其中美國是世界上最大的醫(yī)療器械生產(chǎn)國和消費國，市場40%以上的醫(yī)療器械由其供應(yīng)，同時美國市場也消費全球37%的醫(yī)療器械。全球醫(yī)療器械行業(yè)成長優(yōu)于藥品市場，未來將為此10%-15%復(fù)合增速。雖然發(fā)達(dá)國家占據(jù)了78%的市場份額，然而以中國為代表的發(fā)展中國家市場正經(jīng)歷著快速的成長，依靠成本優(yōu)勢和研發(fā)積累提升產(chǎn)業(yè)鏈地位。不斷增加的醫(yī)療費用支出、日益提升的消費能力和健康意識將是推動行業(yè)發(fā)展的積極因素，醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革給行業(yè)發(fā)展注入額外動力，成為釋放被壓抑需求和打開未來潛在空間的誘發(fā)力量。資源配置再平衡、升級換代以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移等內(nèi)外部動力相互交織，中國醫(yī)療器械行業(yè)復(fù)合增長率將維持在20%-30% [4]。而從中研普華電動護理床行業(yè)分析專家領(lǐng)銜撰寫的《2014-2018年電動護理床行業(yè)競爭格局與投資戰(zhàn)略研究咨詢報告》中，我們能更加清晰的了解電動護理床行業(yè)的市場規(guī)模、發(fā)展?fàn)顩r，相信多功能電動護理床的投資前景非常廣闊。 2.3多功能電動護理床的國內(nèi)研究概況 我國是世界上的人口大國，同時又是一個人口老齡化的大國，據(jù)統(tǒng)計，目前我國六十以上的老年人以達(dá)到1.34億，按照2%的使用蓋率計算，僅國內(nèi)就有268萬張的需求[5]。我國有大中型醫(yī)院，療養(yǎng)院，敬老院，以及新興建的老年公寓，約四萬余處，假如這些醫(yī)療養(yǎng)老機構(gòu)更新五十張床位，則全國的年需求量為兩百萬張。我國大多數(shù)家庭逐漸形成塔式結(jié)構(gòu)（四個老年人，兩個青年人，一個孩子）。隨著社會生活的加快年輕人既要忙于事業(yè)又要照顧家庭，老人和孩子，顯然力不從心，當(dāng)老人生活不能自理時就十分需要一種家庭式多功能電動護理床。協(xié)助自己日常生活的必須。護理床在國內(nèi)的設(shè)計研究尚處于初級階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一步的完善。國內(nèi)護理床的研究已德國、日本偉代表，各種護理功能正在逐步善，成熟[6]。但因其價格昂貴，很難為一般的消費者所接受。本設(shè)計針對這一問題，既能夠滿足消費者的需要，同時其價格也能為消費者所認(rèn)可。 3研究內(nèi)容 本設(shè)計是多功能電動護理床,由曲腿機構(gòu)，抬背機構(gòu)，升降機構(gòu)組成。護理床的總體構(gòu)思包括機械機構(gòu)設(shè)計、電機驅(qū)動、控制運動以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題。護理床的總體構(gòu)思包括機械機構(gòu)設(shè)計、電機驅(qū)動、控制運動以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題[7]。通過分析現(xiàn)有的護理床設(shè)計，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)床面某一個特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法就會設(shè)計一套特定的機構(gòu)與之對應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時，所需機構(gòu)數(shù)目也隨之增加，同時空間體積也隨之膨脹。而床體的總體積是有一定限制的，即床體的長、寬、高、尺寸必須按照有關(guān)護理床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制在某一個空間范圍之內(nèi)，才能夠滿足病人的舒適感的要求又滿足空間限制要求。多機構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運動，人體的運動具有極大的柔性。受此啟發(fā)將護理床的床面板進(jìn)一步加以細(xì)分，成為彼此之間相互獨立的面板[8]。 圖：多功能電動護理床的外觀 4 研究方案 4.1總體方案 多功能電動護理床在結(jié)構(gòu)上和功能上分為：床框架、平面連桿機構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。床框架除了固定的機構(gòu)以外，還包括各個電機安裝模塊。平面連桿機構(gòu)包括：曲腿機構(gòu)、升降機構(gòu)、抬背機構(gòu)[9]。整臺多功能電動護理床中共有四臺電機，分別完成頭部升降、腿部屈伸、整體升降等動作。 圖：多功能電動護理床三維模型 4.2機構(gòu)設(shè)計 4.2.1屈腿機構(gòu) 屈腿機構(gòu)是電動護理床上的一個關(guān)鍵機構(gòu)，主要實現(xiàn)腿部床板的向下彎曲。在向下彎曲的時候，腳板必須處于水平位置。多功電動護理床的屈腿機構(gòu)是由電動推桿連架桿I為腳踏板、連架桿II的位置放置小腿、電動推桿固定于機架上。電動推桿于連架桿I相連，電動推桿利用電動機正反轉(zhuǎn)完成推桿動作改變杠桿力臂長度，可以增大或加大行程。當(dāng)電動推桿的行程最大時，桿力臂長度最大，此時連架桿I和連架桿II處于同一直線上；當(dāng)電動推桿的力臂變小時，帶動連架桿I向下轉(zhuǎn)動實現(xiàn)屈腿[10]。 連架桿II 電動推桿 連桿I 機架 圖4.2.1屈腿機構(gòu) 4.2.2抬背機構(gòu) 抬背機構(gòu)是多功能醫(yī)用護理床上的一個關(guān)鍵機構(gòu)，其主要的功能實現(xiàn)患者在護理床的抬背及端坐功能多功能電動護理床的抬背機構(gòu)，由抬背連桿、背板、電動推桿以及部分床架組成[11]。電動推桿一端鉸接于床架上，另一端交接與抬背連桿，電動推桿的推動使得抬背連桿繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過滾子的作用，使得背板繞著轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。其機構(gòu)原理圖如下: 背板 電動推桿 床架 圖4.2.2抬背機構(gòu) 4.2.3升降機構(gòu) 升降機構(gòu)是多功能醫(yī)用護理床的另一個重要的機構(gòu),它能實現(xiàn)護理床的整體高度調(diào)整,讓患者有一個舒服的姿勢[12]。升降機構(gòu)由床板、電動推桿、升降連桿、以及部分床架組成[13]。兩個電動推桿固定于床架上，電動推桿的推動電動連桿上下移動實現(xiàn)床板的升降。其機構(gòu)原理圖如下： 床板 電動推桿 升降連桿 升降連桿 圖4.2.3升降機構(gòu)原理圖 4.3基本參數(shù)的設(shè)定 1、承重150KG；2、床結(jié)構(gòu)外型尺寸2000×900×500 (~700)；3、具有整體升降，整體舉升500mm至700mm，任意調(diào)節(jié)；抬背，0至70度，任意調(diào)節(jié)；下屈腿，0-45度，任意調(diào)節(jié)；4、電機電壓≤36V。 4.4電機的選擇 整臺多功能電動護理床中共有四臺電機，采用電動推桿，電動推桿是一種將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運動的電力驅(qū)動裝置，英文名Linear Actuator，又稱推桿電機、電動缸及線性致動器。電動推桿是一種將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運動的電力驅(qū)動裝置[14]。可用于各種簡單或復(fù)雜的工藝流程中作為執(zhí)行機械使用，以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動控制。 4.4控制系統(tǒng) 整臺多功能電動護理床中共有四臺電機以單片機為主要控制芯片，控制四臺直流電機驅(qū)動整臺護理床工作。實現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達(dá)到滿足護理要求的多功能電動護理床。PLC對護理床多軸運動控制主要的優(yōu)勢表現(xiàn)為：有足夠容量的存儲單元和大量的高速運算指令，能夠進(jìn)行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運算及復(fù)雜的邏輯控制。然而PLC的高可靠性、靈活高速的運算指令并不能彌補其昂貴的價格和有限的擴展性。而MCS—51系列單片機系統(tǒng)卻低成本、高集成、速度快、易擴展，所以本設(shè)計選用單片機為主要控制芯片，控制四臺直流電機驅(qū)動整臺護理床工作。 5 論文工作量及預(yù)期進(jìn)度 2014年1月---- 2014年1月17日：收集資料，確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻(xiàn)，了解技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 2014年1月18日----2014年2月4日：進(jìn)行方案論證,進(jìn)行機構(gòu)總體原理方案的確定。 2014年2月5日----2014年3月6日：動力分析、主要傳動參數(shù)的確定、總體結(jié)構(gòu)的初步確定。 2014年3月9日----2014年3月20日：機械系統(tǒng)的主要設(shè)計。 2014年3月21日---- 2014年4月： 電控系統(tǒng)的設(shè)計。 2014年4月5日---2014年4月20日： 結(jié)構(gòu)設(shè)計、虛擬裝配 2014年4月21日--2014年5月12日： 繪制樣機總圖、零件圖及關(guān)鍵零件加工工藝制定。 2014年5月13日—2014年5月30日：撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書、提交設(shè)計資料、答辯準(zhǔn)備。 參考文獻(xiàn) [1] 王知行，鄧宗全.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2000. 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[15][德]S.弗羅尼斯. 設(shè)計學(xué)：傳動零件.王汝霖, 等譯. 北京： 高等教育出版社， 1988. 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 評議小組意見 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實用價值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。 4、設(shè)計或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學(xué)生對文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學(xué)生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學(xué)生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“√”） 二級學(xué)院所確定評議小組名單 （3-5人） 組長： 、 組員： 、 、 、 單位蓋章 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名： 年 月 日 評議結(jié)論 評議小組組長簽名： 評議小組組員簽名： 年 月 日 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 護理床的分類以及實現(xiàn)的功能 2 1.2.2 測量系統(tǒng)的發(fā)展 4 1.2.3 控制系統(tǒng)的發(fā)展 4 1.3 本文主要研究內(nèi)容 5 1.4 本章小結(jié) 5 2 護理床結(jié)構(gòu)的整體方案 6 2.1 設(shè)計原則 6 2.2 護理床的功能要求 6 2.2.1功能要求 6 2.2 護理床的總體方案構(gòu)思 7 2.2.1 構(gòu)思的提出 7 2.2.2 相關(guān)要求與指標(biāo) 8 2.2.3 護理床的組成 9 2.2.4 護理床的初步設(shè)計尺寸 10 2.3 本章小結(jié) 10 3 護理床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3.1 護理床各功能模塊構(gòu)型設(shè)計 11 3.2 抬背機構(gòu) 11 3.2.1 抬背機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 11 3.3.2 抬背機構(gòu)的設(shè)計 11 3.4 曲腿機構(gòu) 12 3.4.1 曲腿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 12 3.4.2 曲腿機構(gòu)的設(shè)計 13 3.5護理床的三維建模 13 3.6 本章小結(jié) 15 4 基于ADAMS的護理床運動學(xué)優(yōu)化 16 4.1 前言 16 4.1.1 ADAMS軟件簡介 16 4.2翻身機構(gòu)的運動學(xué)分析 16 4.2.1 翻身機構(gòu)在ADAMS中的建模 17 4.2.2 樣機的參數(shù)化 18 4.3抬背機構(gòu)的運動學(xué)分析 20 4.3.1 抬背機構(gòu)在ADAMS中的建模 20 4.3.2 樣機的參數(shù)化 21 4.4曲腿機構(gòu)的運動學(xué)分析 22 4.4.1 曲腿機構(gòu)在ADAMS中的建模 22 4.4.2 樣機的參數(shù)化 22 4.5本章小結(jié) 24 5 護理床動力學(xué)優(yōu)化 25 5.1引言 25 5.2側(cè)翻機構(gòu)動力學(xué)分析 25 5.2.1為機構(gòu)添加外力 25 5.2.2側(cè)翻機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真 26 5.2.3樣機的實際結(jié)構(gòu) 27 5.3抬背機構(gòu)動力學(xué)分析 27 5.3.1為機構(gòu)添加力 27 5.3.2抬背機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真 27 5.3.3樣機的實際結(jié)構(gòu) 29 5.4曲腿機構(gòu)動力學(xué)分析 29 5.4.1為機構(gòu)添加外力 30 5.4.2曲腿機構(gòu)動力學(xué)仿真 30 5.4.3 樣機的實際結(jié)構(gòu) 31 5.5本章小結(jié) 31 6 護理床的力學(xué)分析 32 6.1 引言 32 6.2 力學(xué)計算 32 6.2.1護理床縱軸的設(shè)計與校核 32 6.2.2 護理床橫軸的設(shè)計與校核 33 6.2.3護理床電動螺桿的設(shè)計與校核 35 6.3 本章小結(jié) 37 7 護理床控制系統(tǒng)設(shè)計 38 7.1 引言 38 7.2 直流電機控制原理 38 7.3 電動機的選擇 39 7.3.1抬背電動機 39 7.3.1屈腿電動機 39 7.4 控制系統(tǒng)方案 40 7.4.1 控制模塊的方案 40 7.4.2 電機驅(qū)動模塊方案 41 7.4.3 限位模塊 41 7.4.4 顯示模塊 41 7.4.5 鍵盤模塊 41 7.4.6 電源模塊 41 7.5 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 42 7.5.1 電源電路設(shè)計 42 7.5.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計 42 7.5.3 顯示電路設(shè)計 43 7.5.4 鍵盤電路設(shè)計 45 7.5.5 限位反饋電路設(shè)計 45 7.6 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 46 7.6.1 程序流程 46 7.6.2 顯示程序流程 47 7.6.3 控制程序 48 7.7 本章小結(jié) 50 8 結(jié)論 51 8.1 課題結(jié)論 51 8.2課題展望 51 參考文獻(xiàn) 52 致謝 54 摘 要 隨著人口老齡化速度的加快，護理業(yè)服務(wù)受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，醫(yī)療和社會保險系統(tǒng)面臨前所未有的壓力，因此為老年患者服務(wù)的護理型病床的需求正不斷增加。 針對這一現(xiàn)象，本文詳細(xì)論述了針對缺乏自理能力的老年人及行動不便的病人設(shè)計的多功能護理床的基本結(jié)構(gòu)和功能原理。該病床能夠幫助病人實現(xiàn)抬背、屈膝以及翻身，解決了護理病人過程中的諸多不便，進(jìn)而提高了我國護理業(yè)服務(wù)，有力地促進(jìn)了我國的醫(yī)療保健事業(yè)的發(fā)展。 本文首先基于人機工程學(xué)，進(jìn)行了護理床總體方案的設(shè)計，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)研結(jié)果，制定了護理床的設(shè)計原則，功能要求及設(shè)計指標(biāo)；完成了護理床本體的總體方案設(shè)計。利用機械分析軟件ADAMS對其進(jìn)行運動學(xué)及動力學(xué)分析，研究了床板在各種運動狀況下的角加速度對患者舒適度的影響及線性推桿在各姿態(tài)下的受力狀況，并利用ADAMS提供的優(yōu)化功能對其分別進(jìn)行了運動學(xué)和動力學(xué)優(yōu)化。 然后，采用自上而下的方法完成了護理床結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計并給出了全套的設(shè)計圖。主要包括總體框架、抬腿部件、抬背部件、翻身部件等功能模塊。 關(guān)鍵詞：醫(yī)療設(shè)備，護理床，機構(gòu)設(shè)計 Abstract With the speed of population aging,care services industry has been in the face of challenges.Medical and social insurance system is facing unprecedented pressure. Care-beds which serve the old patients are in increasing demand. In reaction to the phenomenon,the basic structure and functional principles of multifunctional care-beds which are designed for those old patients who lack of governance of themselves and those patients who lack of the ability to control their mobility are elaborated in the essay. Much inconvenience in the course of nursing patient can be resolved by the care-beds which can help patients turn over themselves,sit up,bend knees and also spot. This in turn augments nursing service in our country and effectively promotes the development of the cause of our health care .the mechanical analysis software ADAMS kinematics and dynamics of its analysis, research of the bed board in the under a wide variety of sports on the angular acceleration of the impact of patient comfort and linear putter in the posture of the force, and provided the use of optimization ADAMS conducted its kinematic and dynamic optimization First of all,based on ergonomics,the nursing bed was overall designed in this paper.According to the relevant standards and design specifications;completed the overall design of the overall framework, carried a leg,carry back parts,turn over parts function module.Among them, defecate parts greatly expression of the elderly care. Finally,the bed of all parts of the design respectively.Using the method of science, rigorous thinking and effective data obtained from all agencies of the nursing bed parts design standards and safety coefficient. Key Words: Medical equipment, Nursing bed, Mechanism design I 1 緒論 1.1 研究背景 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高和醫(yī)療保健行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的重大社會問題，據(jù)調(diào)查，目前全球60歲以上的老年人口已經(jīng)達(dá)到了6億的規(guī)模，而且在很長一段時間之內(nèi)還有不斷擴大的趨勢。由于計劃生育的原因，我國人口老齡化的速度比世晃上大多數(shù)國家的更加快速，已經(jīng)提前進(jìn)入了人口老齡化國家的行列。據(jù)報道，中國不僅是世界上老齡化人口最多的國家，而且也是老齡化速度最快的國家之一。2000年的全國第五次人口普查資料顯示，60歲及以上老年人口己達(dá)1.3億，占全國總?cè)丝诘?0.3％(65歲以上老年人口為8687萬，占7％)，預(yù)計到2015年，老年人121將超2億，占全國人口的14％，2025年，將增加到2.84億，比例將進(jìn)一步攀升為19.3％，這段時期可稱為人口老齡化的高峰期。更為突出的是，我國80歲以上老年人口已達(dá)1100萬，并以年均5.4％的驚人速度遞增。人口老齡化的趨勢在很大程度上增加了老年人群患慢性病的風(fēng)險，根據(jù)資料，約79．1％的老人至少有一種慢性病，而這類人群往往也有較差的功能狀態(tài)、較高的殘疾風(fēng)險和較高的死亡率，因而將成為健康情況最差的一個群體。他們中的大部分自我照料能力差甚至無法完成自我照料，需要長期的照顧服務(wù)，對家庭、社區(qū)、政府依賴程度較大。據(jù)調(diào)查，在80歲以上男性老人中，能自我照料的只占35.7％。 然而，人口的老齡化程度與我國當(dāng)前的經(jīng)濟社會發(fā)展情況明顯不相匹配。世界上人口老齡化程度高的國家往往都是發(fā)達(dá)國家，這些國家有更好的醫(yī)療和社會保障系統(tǒng)，因此老齡化帶來的社會問題并不是特別明顯；而我國是在社會主義發(fā)展的初級階段、經(jīng)濟社會發(fā)展相對落后的情況下就迎來了老齡化社會，這給醫(yī)療和社會保障系統(tǒng)帶來了空前的壓力，所面臨的社會問題也尤為突出。現(xiàn)階段我國高齡老年人主要由家庭照料，護理強度大，費用高昂，情況亟待改善。目前全國共有家庭3～4億，其中約1／10的家庭有需要看護的人員，各類和長期臥床的老年人和病人大量存在，使得這類人群的護理已成為一個重大的社會問題日益凸顯?？梢姸喙δ茏o理床的研究已成為醫(yī)學(xué)界的熱點問題。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長，思想的進(jìn)步，城市人口正逐步進(jìn)入老齡化,人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的社會問題。據(jù)統(tǒng)計，歐洲發(fā)達(dá)國家和日本的老年人獨居率已高達(dá)40%，如此之高的比例迫使社會采取措施解決老年人的護理服務(wù)問題。如果完全依靠家庭人工照料，與西方國家子女與老年人分居、家庭規(guī)模小型化的觀念有抵觸之處。我國60 歲及其以上老年人口已達(dá)1.32 億, 占全國總?cè)丝诘?0%, 并以年均3.32%的速度持續(xù)增長。其中“空巢家庭”占所有老齡家庭總數(shù)的25.8%,在一些大城市中該比例更大，解決因身體虛弱臥床不起或因疾患導(dǎo)致生活不能自理的老年人的家庭照料與看護問題是人口老齡化國家所面臨的共同問題[1]。為此, 國家也大力加強了對護理機器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人或長期使用病床的病人提供一個集護理和排泄等各功能于一體的多功能護理床?，F(xiàn)在家庭需求護理床的潛力日益增加,以前是簡易的記理床,后來加上護欄,餐桌;再后來加上大便孔,輪子;現(xiàn)在產(chǎn)生了很多集多功能為一體的多功能,電動護理床,極大的提高了患者的康復(fù)護理水平,也為護理人員提供了極大的方便,所以操作簡單,功能強大的護理產(chǎn)品越來越受到追捧。 護理床在國內(nèi)的設(shè)計研究尚處于初級階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一步的完善。國外護理床的研究以德國、日本為代表，各種護理功能正在逐步完善，成熟。但因其價格昂貴（一般售價在20 萬人民幣以上），很難為一般的消費者所接受。隨著護理行業(yè)的發(fā)展以及人民的需求，也必將導(dǎo)致多功能護理床向著功能全面發(fā)展，手動必將被自動所代替。目前市場上生產(chǎn)多功能護理床的商家主要有北京的佳康時代醫(yī)療器械公司，江蘇永新醫(yī)用設(shè)備公司，江蘇欣盛醫(yī)療器械有限公司等。各個公司所開發(fā)的不同型號的護理床的價格也有所不同，手動的比較便宜大約千元左右，電動的貴一些的則需要兩三千左右。同時，市場上又出現(xiàn)各種山寨醫(yī)療器械廠生產(chǎn)的護理床，一場護理大業(yè)就要到來。 1.2.1 護理床的分類以及實現(xiàn)的功能 結(jié)構(gòu)功能單一的護理床已經(jīng)逐漸隱退。如今護理床床體本身的構(gòu)件要實現(xiàn)多種功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左側(cè)翻、右側(cè)翻、、潔便門開關(guān)裝置及沖洗馬桶和沖洗身體的裝置, 另外還有烘干和抽風(fēng)的設(shè)備。各個部分可以獨立的運行來完成相應(yīng)的動作, 同時將單個功能組合起實現(xiàn)復(fù)雜的功能。護理床的基本分類如表1-1所示[1]。譬如病人躺在床上排泄問題的解決, 改變靠背板的仰角或者左右的側(cè)翻以取得舒適的姿態(tài), 護理人員對潔便池的清洗等[2]。 表1-1護理床分類概括 名稱 優(yōu)點 存在問題 功能基礎(chǔ)型護理床 1、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝簡單，易于制造。2、價格便宜。 1、功能比較簡單，不能實現(xiàn)使用者的護理要求。2、手動為主，操作繁瑣。3、造型傳統(tǒng)，舒適性差。4、應(yīng)用范圍窄。 功能普通型護理床 1、一般為電動，用戶可簡單操作控制。2、能完成基本的護理功能。3、增添了輔助功能接口。4、整體造型，色彩改進(jìn)，具有一定的親和性。 1、市場售價偏高。2、功能啟動柔性差，銜接不連貫。3、功能一體化造成功能浪費。4、生產(chǎn)技術(shù)含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識別功能差 功能高級型護理床 1、護理功能完善。2、功能調(diào)整定位準(zhǔn)確，連貫性好，基本無噪音。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安全。4、造型新穎，有較強的親和力。5、文字，標(biāo)志容易識別。 1、市場售價昂貴。造成功能浪費嚴(yán)重，造成額外的經(jīng)濟成本。2、整體可拆性差，運輸、組裝繁瑣。3、對患者康復(fù)功能的考慮較少。 從近年來的發(fā)展來看，國內(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)構(gòu)、功能等等各異的護理床層出不窮。發(fā)展方向主要向機器人模塊化的自動控制方向發(fā)展。 4 3 1 2 多功能護理床實現(xiàn)的各種動作： 1.抬背功能；2.抬腿功能；3.抬升功能；4.抬背屈膝功能. 圖1-1 多功能護理床實現(xiàn)的各種動作 1.2.2 測量系統(tǒng)的發(fā)展 臨床上被稱為生命體征參數(shù)的血壓、心率和體溫是衡量人體機能狀況的重要指標(biāo),這些參數(shù)的測量是日常護理的重要組成部分。傳統(tǒng)的方式是由醫(yī)護人員以通用的測量裝置對各參數(shù)逐一進(jìn)行測量,這無疑給醫(yī)護人員增加了很大工作量。在多功能護理床中,利用單片機系統(tǒng)能很方便地實現(xiàn)對血壓、心率和體溫等的采集、處理,并將采集數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)護人員,提高了護理工作的品質(zhì)和效率。多功能護理床除了完成基本的肢體動作功能以外,根據(jù)臨床護理的需要,還對生命體征參數(shù)進(jìn)行測量。為實現(xiàn)此目的所搭建的系統(tǒng)硬件主要由參數(shù)轉(zhuǎn)換傳感元件、處理電路、單片機、液晶顯示器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成, 為了測得所需的數(shù)據(jù),選擇合適的傳感器是至關(guān)重要的。人體的血壓、心率和體溫分別由壓力傳感器、脈搏傳感器和溫度傳感器進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為電信號。在多功能護理床中,通過傳感器采集人體血壓、心率和體溫信號,送入單片機處理,處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳入上位機,可根據(jù)設(shè)定值,判斷是否超出規(guī)定值,發(fā)出報警信號,方便醫(yī)護人員及時作出相應(yīng)處理。此測量系統(tǒng)增加了護理床的功能,提高了性能價格比,適合大中型醫(yī)院、療養(yǎng)院以及普通家庭使用。整個系統(tǒng)使用方便,操作簡單,擴展功能強,在普通護理床基礎(chǔ)上增加了測量病人血壓、心率和體溫的功能,為醫(yī)療護理行業(yè)提供了新的測量方法。 圖1-2血壓、心率和體溫測量系統(tǒng) 1.2.3 控制系統(tǒng)的發(fā)展 可編程控制器(PLC) 作為新一代的工業(yè)控制裝置, 由于具有結(jié)構(gòu)簡單、組合靈活、性能優(yōu)良、通用性強、簡單易用等特點, 特別是它的高可靠性和適應(yīng)性, 深受廣大用戶的歡迎, 已在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用[4]?，F(xiàn)在的PLC 可管理高達(dá)5000 多點的I/O 口，并有很高的指令執(zhí)行速度和高可靠性，使它能滿足多軸運動控制系統(tǒng)的控制要求。PLC對護理病床多軸運動控制主要的優(yōu)勢表現(xiàn)為有足夠容量的存儲單元和大量高速運算指令，能夠進(jìn)行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運算及復(fù)雜的邏輯控制。然而PLC 的高可靠性、靈活高速的運算指令并不能彌補其昂貴的造價和有限的擴展性。而MS51 系列單片機系統(tǒng)卻以其低成本、高集成、速度快、易擴展被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的方方面面。 1.3 本文主要研究內(nèi)容 鑒于人口老齡化的發(fā)展、醫(yī)療和護理費用的不斷增加以及國內(nèi)外市場需求的不斷擴大，本文提出了一種新型的多功能醫(yī)用護理床，提出幾種新型的護理床側(cè)翻機構(gòu)、抬背機構(gòu)以及曲腿機構(gòu)，以單片機為主控制芯片，控制多臺直流電機驅(qū)動整臺護理床工作。實現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達(dá)到滿足護理要求的多功能醫(yī)用護理床。主要研究內(nèi)容如下： (1) 設(shè)計各種護理床的運動機構(gòu)，并用圖解法的方法得到初始設(shè)計尺寸。 (2) 利用Pro/E三維設(shè)計軟件，根據(jù)初始設(shè)計數(shù)據(jù)對其建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其進(jìn)行干涉檢查，然后導(dǎo)出CAD圖。 (3) 根據(jù)初始設(shè)計數(shù)據(jù)在ADAMS中建模，利用優(yōu)化功能對其進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的設(shè)計數(shù)據(jù)。 (4) 根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)修改三維模型，并同時檢查模型中是否存在干涉，得到滿足設(shè)計要求的護理床。 (5) 對護理床的主要零件進(jìn)行受力校核，檢驗整臺護理床使用的安全性及穩(wěn)定性。 (6) 設(shè)計護理床的整體控制方案。設(shè)計控制流程框圖，用PROTEL軟件完成單片機接線圖，以及外部接線圖，編寫單片機主要程序。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題的目的和意義，目前醫(yī)用護理床在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和各類護理床的比較，在多個方面表明了當(dāng)今多功能醫(yī)用護理床護理床各個模塊的發(fā)展情況，最后根據(jù)研究分析確定了自己所需完成的研究內(nèi)容。 2 護理床結(jié)構(gòu)的整體方案 2.1 設(shè)計原則 多功能翻身護理床的設(shè)計應(yīng)該遵循一下的幾個原則： 1、安全性原則 由于護理床對老年人和病人的身體進(jìn)行直接的接觸與操作，而且相對于健康人來說，這類人群的身體更容易收到損傷，所以護理床在安全性方面的要求很高。無論是護理床的結(jié)構(gòu)還是控制系統(tǒng)的設(shè)計，安全性始終是最優(yōu)先考慮的一個原則。比如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，不應(yīng)存在任何干涉情況，結(jié)構(gòu)的剛度和強度方面都要留有充足的余量，要考慮到各種極限情況。 2、人性化、舒適性原則 人性化、舒適性設(shè)計是可用性設(shè)計的延伸，護理床應(yīng)該根據(jù)人體生理學(xué)原理，更多地從人的生理結(jié)構(gòu)、心理情況、行為習(xí)慣等方面加以考慮。比如各部分結(jié)構(gòu)要與人體的尺寸匹配；設(shè)計中力求加速度最小化等等。 3、功能多樣化原則 護理過程中，不同使用者往往對護理床有著各種各樣不同功能的要求，除了基本的體位要求之外，還有諸如吃飯、洗漱、排便等更多的要求。 4、標(biāo)準(zhǔn)化原則 護理床機械零件的設(shè)計與選擇、控制系統(tǒng)的設(shè)計、零部件之間的相對位置關(guān)系和尺寸匹配，都有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，不僅能在最大程度上滿足使用要求，而且有利于增強互換性，降低陳本。 5、輕量化原則 從降低能量消耗和減小運動慣性的角度考慮，護理床應(yīng)該在保證功能和安全的情況下遵循輕量化原則。這樣不僅節(jié)約了材料、降低了成本而且減小運動慣性則非常有利于某個部件的停啟，使護理床的運輸使用成本都有很大的降低。 2.2 護理床的功能要求 2.2.1功能要求 根據(jù)我在各個醫(yī)院觀察的結(jié)果，類比市場上的護理床種類功用，再加上一定創(chuàng)新，確定了多功能護理床的功能范圍，主要包括體位調(diào)整類功能、吃飯看書功能。 1、體位調(diào)整功能 護理床首先必須滿足日常護理中的多種必要的體位位姿，實現(xiàn)各體位的自動變換，對于提高使用者的自理能力，減少因長期臥床引發(fā)的并發(fā)癥，改善其健康狀態(tài)，有著積極的意義，同時可以大大減輕護理醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。具體包括：平躺、左/右翻身、抬背、曲/伸腿.。 2、吃飯看書功能 長期臥床患者的飲食也是困擾護理人員的又一難題，本設(shè)計通過簡單可行的方法使患者能夠在床上坐起飲食以及看書。 2.2 護理床的總體方案構(gòu)思 護理床的總體構(gòu)思包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機驅(qū)動、傳感、控制運動以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題。床面各板塊人體重量分布如圖2-1所示。 圖2-1 床面各板塊人體重量分布 2.2.1 構(gòu)思的提出 通過分析現(xiàn)有的護理床設(shè)計，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)床面某一個特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法就會設(shè)計一套特定的機構(gòu)與之對應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時，所需機構(gòu)數(shù)目也隨之增加，同時空間體積也隨之膨脹。而床體的總體積是有一定限制的，即床體的長、寬、高尺寸必須按照有關(guān)護理床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制在某一個空間范圍之內(nèi)，才能夠既滿足病人的舒適感的要求又滿足空間限制要求。多機構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運動，人體的運動具有極大的柔性。受此啟發(fā)將護理床床面板整體分為四個部分，這樣有利于實現(xiàn)抬背和屈腿機構(gòu)，如圖所示。各個機構(gòu)利用電動推桿實現(xiàn)機械功能。將床面板制作成網(wǎng)格形狀，在減輕整體重量的同時增加了使用者的舒適性。在床兩側(cè)安裝護欄，用來保護使用者休息時的安全問題。床腿安裝萬向輪，適合于使用者不宜自主活動的情況下的移動。 2.2.2 相關(guān)要求與指標(biāo) 《醫(yī)用電氣設(shè)備 第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》給出了背板、大腿板、小腿板的調(diào)節(jié)范圍建議值： 1) 背板與水平面間夾角（圖2.2中A）應(yīng)能從0～80o（或更大）可調(diào)。 2) 大腿板與水平面間夾角（圖2.2中B）應(yīng)能從0～12o（或更大）可調(diào)。 3) 小腿板與水平面間夾角（圖2.2中C）應(yīng)能從0～20o（或更大）可調(diào)。 4) 大腿板與小腿板間夾角（圖2.2中D）應(yīng)能調(diào)至180o（平面）。 圖2-2 床面各板的推薦調(diào)節(jié)范圍 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，參照調(diào)研所得結(jié)果，同時考慮文獻(xiàn)中同類研究的相關(guān)參數(shù)，確定了體位調(diào)整類具體指標(biāo)（見表2.1）。 表2.1 體位調(diào)整類指標(biāo) 指標(biāo)項 具體數(shù)值 左翻身角度 0～45o 右翻身角度 0～45o 抬背角度 0～80o 大腿板翻轉(zhuǎn)角度 0～50o 注：以上各項動作均可以在設(shè)定范圍內(nèi)的任意角度隨時停止。 參考實驗室現(xiàn)有的多功能護理床的實物，并依據(jù)相關(guān)要求規(guī)定，考慮使用者的舒適性，設(shè)計了滿足要求的多功能護理床。其面板圖如圖2-3所示。 8 1 1 8 2 7 3 6 4 5 1. 床頭護欄；2.抬背推桿；3.床底架；4.萬向輪；5.床側(cè)護欄； 6.床板；7.屈腿推桿；8.抬升推桿 圖2-3 多功能醫(yī)用護理床面板圖 2.2.3 護理床的組成 多功能醫(yī)用護理床從結(jié)構(gòu)和功能上分為：床框架、平面連桿機構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。 圖2-2 多功能醫(yī)用護理床系統(tǒng)框圖 床框架除了固定的機械機構(gòu)以外，還包括各個電機安裝模塊。平面連桿機構(gòu)包括：側(cè)翻機構(gòu)、抬背機構(gòu)、曲腿機構(gòu)。床板由床板框架和床板面板組成，整臺多功能醫(yī)用護理床中共有四臺直流電機，分別完成頭部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻等動作。本課題工作重點在平面連桿機構(gòu)部分，包括機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，運動方案的設(shè)計，整個多功能醫(yī)用護理床三維虛擬樣機的建立，虛擬樣機運動學(xué)與動力學(xué)優(yōu)化，整床的裝配及調(diào)試；控制方案確定，電路板設(shè)計、控制線路布置、連接，各種傳感器設(shè)計安裝，編程以及調(diào)試。 2.2.4 護理床的初步設(shè)計尺寸 采用上述方案確定的護理床裝配前視圖如下所示，其基本尺寸是：（單位：mm).詳細(xì)尺寸參考各零件圖CAD圖紙。 床墊鋼絲網(wǎng)尺寸：采用四段鋼絲床墊，每段尺寸分別是：A：417×850；B/C：370×850；D：483×850。采用Q235焊接而成。 床架尺寸：床架整體采用型鋼及冷軋板焊接而成，其主要尺寸：長×寬×高：2050×950×450，根據(jù)鋼絲床墊需要亦采用四段。 側(cè)欄護架尺寸：整體采用不銹鋼管焊接，才套用橡膠增加質(zhì)感。主要尺寸：鋼管直徑：φ20，三根鋼管長度390。 床頭和床位護欄亦采用φ20的不銹鋼管焊接，其基本尺寸：長×高：900×386。 圖2-3 護理床裝配前視圖 2.3 本章小結(jié) 本章圍繞護理床的總體構(gòu)思而展開，通過論述護理床所處的工作環(huán)境及位姿要求，指出了護理床設(shè)計時所需的各項要求，以這些要求為契機，提出了護理床的總體方案的構(gòu)思，包括整體設(shè)計的構(gòu)思思路，護理床結(jié)構(gòu)形式的初步探討，護理床的各個組成部分。對于控制系統(tǒng)采用單片機為主控制芯片，控制多臺電機實現(xiàn)聯(lián)動控制，完成護理床的各項功能。 3 護理床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 護理床各功能模塊構(gòu)型設(shè)計 多功能醫(yī)用護理床為了實現(xiàn)側(cè)翻、抬背和曲腿等動作主要有以下幾個機構(gòu)組成：抬背機構(gòu)，抬升機構(gòu)和曲腿機構(gòu)。依據(jù)機械原理所學(xué)知識 3.2 抬背機構(gòu) 抬背機構(gòu)是多功能醫(yī)用護理床上的一個關(guān)鍵機構(gòu)，其主要的功能實現(xiàn)患者在護理床上的抬背及端坐功能。 3.2.1 抬背機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能醫(yī)用護理床的臺北機構(gòu)類似于側(cè)翻機構(gòu)，由線性推桿、抬背連桿、抬背滾子、背板以及部分床架組成。線性推桿一端鉸接于床架上，另一端鉸接于抬背構(gòu)件上，抬背構(gòu)件的一端鉸接于床架上，另一端通過滾子與背板連接，中部床板焊接固定于床架上，使之充當(dāng)機架作用，線性推桿的推動使得抬背構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過滾子的作用，使得背板繞著它與中部床板的鉸接點為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。簡圖如圖3-3所示。 圖3-3 抬背機構(gòu) 3.3.2 抬背機構(gòu)的設(shè)計 多功能醫(yī)用護理床的抬背機構(gòu)采用一個四桿機構(gòu)，用單個線性推桿驅(qū)動。床板平置時，人躺在床上和普通病床一樣，當(dāng)需要坐起時由圖中左邊的電動機驅(qū)動螺桿9 轉(zhuǎn)動，使得螺套7 向右運動，再由連桿6 帶動轉(zhuǎn)臂5 旋轉(zhuǎn)，最后由轉(zhuǎn)臂驅(qū)動床板1 繞J 點旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起。需要曲膝時，同樣右邊的電動工作，通過螺旋傳動使得轉(zhuǎn)臂12 旋轉(zhuǎn)，將床板3 頂起，達(dá)到抬背的目的。其運動簡圖如圖3-4所示。 查閱手冊得人體的坐高大約為800mm左右，所以本機構(gòu)中背板的長度為860mm，滾子的直徑為20mm，與側(cè)翻機構(gòu)相似，圖解法設(shè)計，設(shè)臀部床板的長度為400mm，線性推桿的行程范圍得出水平距離為608mm，由此得出線性推桿的初始安裝長度，這樣得到了初始狀態(tài)下的抬背機構(gòu)的尺寸，但由于機構(gòu)需要滿足運動要求，根據(jù)設(shè)計要求，將背板向上翻轉(zhuǎn)75°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動擺桿的所在位置，得出線性推桿的終了安裝位置，這樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為190mm，此行程正好滿足了線性推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。 圖3-4 抬背機構(gòu)運動簡圖 3.4 曲腿機構(gòu) 曲腿機構(gòu)是醫(yī)用護理床上的一個關(guān)鍵機構(gòu)，主要實現(xiàn)腿部床板的向下彎曲。在向下彎曲的時候，腳板必須處于水平位置。 3.4.1 曲腿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構(gòu)是一個五桿機構(gòu)，由單線性推桿驅(qū)動，實現(xiàn)曲腿的動作。簡圖如圖3-5所示。 圖3-5 曲腿機構(gòu) 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構(gòu)包括：線性推桿、曲腿連桿Ⅰ、曲腿連桿Ⅱ、腿部床板和部分床架。線性推桿一端鉸接于床架上，另一端鉸接于曲腿連桿Ⅰ上，曲腿連桿Ⅰ又和曲腿連桿Ⅱ相鉸接，曲腿連桿Ⅱ再和腿部床板鉸接；曲腿連桿Ⅰ和腿部床板通過不同的鉸接分別固定于床架上，線性推桿的推動使得曲腿構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過曲腿連桿Ⅱ與腿部床板相鉸接，使得腿部床板繞著它與中部床板的鉸接點為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。 3.4.2 曲腿機構(gòu)的設(shè)計 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構(gòu)采用一個五桿機構(gòu)，設(shè)大腿板的長度為445mm，線性推桿的行程范圍得出水平距離為380mm，由此得出線性推桿的初始安裝長度，這樣得到了初始狀態(tài)下的曲腿機構(gòu)的尺寸，但由于機構(gòu)需要滿足運動要求，根據(jù)設(shè)計要求，機構(gòu)做拉動，將腿板向下翻轉(zhuǎn)45°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動連桿的所在位置，得出線性推桿的終了安裝位置，這樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為101mm，此行程正好滿足了線性推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。其抬腿機構(gòu)運動簡圖如圖3-6所示，各點安裝位置也如圖所示。 圖3-6 曲腿機構(gòu)初始設(shè)計尺寸圖 在大腿板和腳板的連接處添加兩處支撐滾子，在曲腿沒有或初進(jìn)行時，滾子起支撐腳板的作用。在床架下框架再添加兩處支撐滾子。當(dāng)曲腿運動進(jìn)行時，腳板碰到床下框架的滾子，使得小腿板彎曲變?yōu)榻咏轿恢?，起到支撐腳的作用。而腿板與腳板連接處的滾子由于曲腿動作失去支撐作用。 3.5護理床的三維建模 通過圖解法的方法得到了護理床的初始設(shè)計數(shù)據(jù)，這些是對護理床進(jìn)行建模的基礎(chǔ)，根據(jù)上述初始設(shè)計數(shù)據(jù)，通過Pro/E軟件對其進(jìn)行建模，Pro/E軟件功能強大，組件繁多。Pro/E功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是Pro/E的三大特點，使得Pro/E 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Pro/E 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。Pro/E不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。得到的模型如圖3-7所示。 圖3-7床架三維模型 圖3-8 抬背連桿三維模型 圖3-9抬升連桿三維模型 圖3-10曲腿連桿三維模型 圖3-11護理床三維圖模型 3.6 本章小結(jié) 本章通過對多功能醫(yī)用護理床的各個機構(gòu)經(jīng)過論證討論，初步確定了各個機構(gòu)的方案，并用圖解法的方法，得到了各個機構(gòu)的初始設(shè)計參數(shù)，為下一步進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。 4 基于ADAMS的護理床運動學(xué)優(yōu)化 4.1 前言 多功能醫(yī)用護理床的運動學(xué)分析，主要是為了進(jìn)一步確定各機構(gòu)的桿件尺寸，在滿足各機構(gòu)運動要求的前提下，保證在運動的時候各機構(gòu)之間不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，同時多功能醫(yī)用護理床的運動學(xué)分析也時為了在滿足機構(gòu)運動的條件下，使機構(gòu)在運行的過程中達(dá)到機構(gòu)運動的優(yōu)良的運動學(xué)狀態(tài)，得到優(yōu)化后的設(shè)計數(shù)據(jù)及桿件尺寸數(shù)據(jù)。 多功能醫(yī)用護理床的運動學(xué)分析基于ADAMS機械分析軟件。ADAMS是全球運用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用ADAMS在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現(xiàn)事實再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機械系統(tǒng)設(shè)計的運動性能。 4.1.1 ADAMS軟件簡介 ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件是美國MDI公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程。對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。目前，ADAMS軟件已被廣泛用于機構(gòu)的分析、優(yōu)化設(shè)計中。本文應(yīng)用該軟件對多功能護理床進(jìn)行設(shè)計參數(shù)優(yōu)化 。 4.2翻身機構(gòu)的運動學(xué)分析 多功能醫(yī)用護理床的側(cè)翻機構(gòu)運動學(xué)分析，是以側(cè)翻背板的角加速度的最大值最小化為目標(biāo)函數(shù)，建立運動學(xué)方程，基于ADAMS機械分析軟件，得到滿足機構(gòu)要求的機構(gòu)參數(shù)。 翻身機構(gòu)的左右兩部分相同，只研究右半部分的翻身機構(gòu)。 圖4-1 翻身機構(gòu)關(guān)鍵點簡圖 過O點建立坐標(biāo)系，以水平方向為X方向，以豎直方向為Y方向。 表4-1 坐標(biāo)系中各點位置 坐標(biāo)點 X坐標(biāo)/mm Y坐標(biāo)/mm O 0 0 A X1 Y1 B X2 Y2 C X3 Y3 D X4 Y4 把所有零部件視為剛體，OA為線性推桿，其長度可以變化，最短長度為348mm。側(cè)翻所轉(zhuǎn)過的角度與各個點的坐標(biāo)有關(guān)。 4.2.1 翻身機構(gòu)在ADAMS中的建模 數(shù)學(xué)模型是多功能護理床機構(gòu)利用ADAMS軟件優(yōu)化的基本方程。在機構(gòu)的初始位置沒有要求的情況下，應(yīng)該選擇一個方便于建模的位置，在進(jìn)行ADAMS分析時，此位置就是機構(gòu)的初始位 置。由于醫(yī)療床側(cè)翻機構(gòu)的模型比較簡單，利用ADAMS自身提供的建模工具，就可以建立側(cè)翻機構(gòu)的模型。 使用ADAMS view提供的參數(shù)化的方法可以方便的建立參數(shù)化的樣機模型。利用該樣機模型可以進(jìn)行動力學(xué)及運動學(xué)仿真，通過其自身提供的后處理功能，可以將所得的數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線圖，并可以對曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)操作。ADAMS還以可通過自身所具有的模塊對機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到理想的機構(gòu)模型。 由于機構(gòu)的驅(qū)動器采用為線性推桿，其具有一定的安裝尺寸要求。醫(yī)療床的床面高度，以及側(cè)翻機構(gòu)的側(cè)翻角度也有一定的要求，所以設(shè)計的時候由一定的尺寸要求，設(shè)計成形后要求線性推桿的初始長度為348mm，機架的最大高度340mm左右。這些設(shè)計數(shù)據(jù)對應(yīng)于設(shè)計變量的取值范圍，定義好后的設(shè)計變量如表4-2所示： 表4-2 初始設(shè)計變量 變量名 說明 Standard value/mm DV_L1 A點X方向坐標(biāo) 250 DV_L2 A點Y方向坐標(biāo) 245 DV_L3 B點X方向坐標(biāo) 200 DV_L4 B點Y方向坐標(biāo) 330 DV_L5 C點X方向坐標(biāo) 150 DV_L6 C點Y方向坐標(biāo) 390 DV_L7 D點X方向坐標(biāo) 400 DV_L8 D點Y方向坐標(biāo) 370 圖4-2 關(guān)鍵點的建立 （4）建模后的仿真結(jié)果 圖4-4 仿真結(jié)果 4.2.2 樣機的參數(shù)化 通過ADAMS提供的設(shè)計研究，對各個設(shè)計變量進(jìn)行設(shè)計研究得到報表如下所示。 通過上述的設(shè)計研究發(fā)現(xiàn)DV_L4、DV_L7和DV_L8的敏感度最大，所以在實驗研究的時候著重對這三個點進(jìn)行研究，改變?nèi)齻€設(shè)計變量的變化范圍DV_L4的變化范圍是0～20﹪，DV_L7的變化范圍是-20﹪～0，DV_L8的變化范圍是-20﹪～0； 表4-3 設(shè)計結(jié)果報表 Trial O1 DV Sensitivity I 1 7.4181 307.00 -0.30897 2 3.8649 318.50 -0.21992 3 2.3599 330.00 -0.12867 4 0.90560 341.50 -0.087636 5 0.34428 353.00 -0.048811 II 1 3.9090 127.50 -0.071394 2 2.3599 150.00 -0.054516 3 1.8792 1.8792 -0.039681 4 3.1058 138.75 -0.068848 5 1.4671 172.50 -0.036631 III 1 2.7446 360.50 -0.013992 2 2.5382 375.25 -0.013041 3 2.3599 390.00 -0.0096869 4 2.2525 404.75 -0.0072597 5 2.1458 419.50 -0.0072352 圖4-5 各數(shù)據(jù)下的角加速度曲線 （3）優(yōu)化分析 在實驗研究的時候著重對這三個點進(jìn)行研究，改變?nèi)齻€設(shè)計變量的變化范圍DVI的變化范圍是0～7﹪，DVII的變化范圍是-7﹪～0，DVIII的變化范圍是-6﹪～0； 圖4-6 優(yōu)化前后角加速度對比 通過對比，我們很容易發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后角加速度明顯減小，圖4-9中實線為初始角加速度曲線，虛線為優(yōu)化后曲線。 經(jīng)過優(yōu)化，可以確定三個變量的值分別為DVI為346.10、DVII為240.28、DVIII為236.30，此時可以滿足設(shè)計要求，即背板翻轉(zhuǎn)角度為75°，角加速度減小到機構(gòu)滿足的范圍之內(nèi)。優(yōu)化之后主要變動的為B點的安裝尺寸及BD桿的長度，具體變化詳見表4-3。 表4-3 桿件尺寸變化 B點距A點豎直距離/mm BD/mm 初始尺寸 65 98.4 優(yōu)化后尺寸 48.9 115.1 4.3抬背機構(gòu)的運動學(xué)分析 圖4-7 抬背機構(gòu)關(guān)鍵點簡圖 4.3.1 抬背機構(gòu)在ADAMS中的建模 建立設(shè)計變量 表4-4 關(guān)鍵點設(shè)計變量及初始值 關(guān)鍵點 坐標(biāo)方向 變量名 初始值/mm A Point_A_X DV_1 495 Point_A_Y DV_2 390 B Point_B_X DV_3 222 Point_B_Y DV_4 370 C Point_C_X DV_5 458 Point_C_Y DV_6 330 D Point_D_X DV_7 608 Point_D_Y DV_8 275 E Point_E_X 0 Point_E_Y 0 4.3.2 樣機的參數(shù)化 （1）設(shè)計研究 運動學(xué)設(shè)計研究報表如下所示。 表4-5 設(shè)計結(jié)果報表 Trial O1 DV Sensitivity I 1 3.4637 448.000 0.00050460 2 3.4662 453.000 0.00052487 3 3.4689 458.00 0.00055844 4 3.4718 463.00 0.00057980 5 3.4747 468.00 0.00058786 II 1 3.4864 314.000 0.0012730 2 3.4783 321.000 0.0013766 3 3.4689 330.000 0.0016050 4 3.4579 333.000 0.0018802 5 3.4450 340.000 0.0020307 III 1 3.4683 601.000 -6.4020e-005 2 3.4685 604.000 -8.3627e-005 3 3.4689 608.000 -0.00011856 4 3.4695 612.000 -0.00014581 5 3.4701 616.000 -0.00015773 通過上述報表，對比發(fā)現(xiàn)DVII的敏感度最大，所以在優(yōu)化設(shè)計的時候選取上述四個設(shè)計變量作為優(yōu)化的變量值。 （2） 優(yōu)化設(shè)計 以背板角加速度的最大值最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，期望在滿足機構(gòu)運動條件的情況下，得到最優(yōu)的機構(gòu)數(shù)據(jù)。 圖4-9 抬背機構(gòu)運動學(xué)優(yōu)化前后背板角加速度曲線 表4-5 優(yōu)化前后機構(gòu)桿件尺寸表 A、C點間豎直距離/mm BC /mm CD /mm DE /mm 初始值 60 236 256 667 優(yōu)化值 76.2 237 242 682 4.4曲腿機構(gòu)的運動學(xué)分析 圖4-10 曲腿機構(gòu)關(guān)鍵點簡圖 4.4.1 曲腿機構(gòu)在ADAMS中的建模 （1） 建立設(shè)計變量 表4-6 關(guān)鍵點設(shè)計變量及初始值 關(guān)鍵點 坐標(biāo)方向 變量名 初始值/mm A Point_A_X 0 Point_A_Y 0 B Point_B_X DV_1 294.5 Point_B_Y DV_2 240 C Point_C_X DV_3 414.5 Point_C_Y DV_4 320 D Point_D_X DV_3 414.5 Point_D_Y DV_5 405 E Point_E_X DV_6 204.5 Point_E_Y DV_7 447.5 F Point_F_X DV_8 162 Point_F_Y DV_9 370 4.4.2 樣機的參數(shù)化 經(jīng)過設(shè)計研究之后，各個設(shè)計變量的敏感度如下所示： 表4-6 設(shè)計結(jié)果報表 Trial O1 DV Sensitivity I 1 1.6488 290.00 -0.020929 2 2.2766 320.00 -0.023794 3 3.0764 350.00 -0.026658 4 2.4718 363.00 -0.057980 5 2.4747 368.00 -0.0-58786 II 1 2.8166 397.00 0.069229 2 2.2766 405.00 0.060197 3 2.4689 330.000 0.0066050 4 2.4579 433.000 0.0068802 5 2.4450 440.000 0.0060307 III 1 2.2724 197.50 -6.4222e-005 2 3.4685 204.000 -8.3627e-005 3 2.2766 204.50 -5.9733e-005 4 2.4695 212.000 -4.5812e-005 5 2.4701 216.000 -4.4633e-005 分別選擇DVI、DVII、DVIII三個設(shè)計變量作為優(yōu)化時的設(shè)計變量，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為小腿板轉(zhuǎn)動角加速度最大值的最小化，優(yōu)化后設(shè)計如表4-7。 表4-7 優(yōu)化前后曲腿機構(gòu)桿件尺寸變化表 AB/mm BC/mm CD/mm DE/mm BE/mm 初始值 380 144.6 85 207.5 185.6 優(yōu)化值 382 145.5 86.3 207.2 184.8 圖4-12 曲腿機構(gòu)運動學(xué)優(yōu)化前后腿板角加速度曲線 觀察圖4-12，可以知道曲腿機構(gòu)經(jīng)過運動學(xué)優(yōu)化之后，機構(gòu)的運動學(xué)性能得到了顯著的改善，其角加速度的最大值由原來的1.0deg/s2減小為優(yōu)化后的0.46 deg/s2由此可知，經(jīng)過運動學(xué)優(yōu)化之后，機構(gòu)的整體的運動學(xué)特性得到了改善。 4.5本章小結(jié) 根據(jù)圖解法得到的初始設(shè)計數(shù)據(jù)，建立了虛擬樣機模型，經(jīng)過運動學(xué)優(yōu)化之后，得到了滿足機構(gòu)運動要求的參數(shù)及尺寸。但這樣的虛擬樣機優(yōu)化與實際樣機還存在著一定的距離，所以，本文作者通過運動學(xué)優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)，作為動力學(xué)優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)，再對機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化，真正滿足機構(gòu)在運動過程中的安全性及可靠性。本章是動力學(xué)優(yōu)化的基礎(chǔ)。 5 護理床動力學(xué)優(yōu)化 5.1引言 動力學(xué)是理論力學(xué)的一個分支學(xué)科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關(guān)系。動力學(xué)的研究對象是運動速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體。動力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是許多工程學(xué)科的基礎(chǔ)。 動力學(xué)以牛頓第二定律為核心，這個定律指出了力、加速度、質(zhì)量三者間的關(guān)系。牛頓首先引入了質(zhì)量的概念，而把它和物體的重力區(qū)分開來，說明物體的重力只是地球?qū)ξ矬w的引力。 多功能醫(yī)用護理床的運動學(xué)分析是基于ADAMS建立于在運動學(xué)分析的基礎(chǔ)之上的，根據(jù)先前的運動學(xué)分析，以運動學(xué)分析結(jié)果作為動力學(xué)分析的初始值，綜合考慮線性推桿的推、拉力的限制以及機架各支點的受力狀況，主要對線性推桿的受力狀況及各床架支點的受力狀況進(jìn)行動力學(xué)分析。 5.2側(cè)翻機構(gòu)動力學(xué)分析 5.2.1為機構(gòu)添加外力 側(cè)翻機構(gòu)在運行的過程中，會有以下幾個方面對機構(gòu)運動產(chǎn)生影響。它們是機構(gòu)自身質(zhì)量，患者體重以及各個運動副之間的摩擦力。由于摩擦力很小，在此忽略不計，只考慮機構(gòu)的重量及患者的體重。 通過solidworks軟件對虛擬樣機進(jìn)行質(zhì)量測量，測得背板質(zhì)量為20kg，通過設(shè)計手冊查得我國身高1.85m的成年人平均體重為83kg左右。為了真實的模擬虛擬樣機的性能，本文采用背板質(zhì)量為20kg，人體背部重量為50kg。對機構(gòu)添加力之后，運行一次動力學(xué)仿真。測量各個點的受力以及電機的受力。仿真時間為25s，步數(shù)為500步。 添加力測量，測得的各點受力曲線如圖5-1所示。 圖5-1 各點受力曲線 5.2.2側(cè)翻機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真 從圖5-1中，得知MAKER_5點的受力最大，機構(gòu)的受力優(yōu)化就從MARKER_5著入。首先，測試各個設(shè)計變量對MARKER_5的受力變化的敏感度。運行一次動力學(xué)仿真，時間為25s，步數(shù)為500步，線性推桿移動速度為5.5mm/s，背板質(zhì)心處加力500N，背板自重20kg。運行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化的目標(biāo)為將MARLKER_5點的受力的最大值進(jìn)行最小化，仿真后優(yōu)化數(shù)據(jù)如下： Model Name : model_1 Date Run : 2009-04-14 17:13:51 Objectives O1) Maximum of MARKER_5_MEA_1 Units : newto