多功能醫(yī)用護(hù)理床設(shè)計【說明書+CAD+PROE】

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3．設(shè)計總體運(yùn)動方案、繪制總裝配圖和樣機(jī)的全套零件工作圖（二維、三維）；裝配圖0號1張，零件工作圖等折合不低于1.5張0號。 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(jī)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(jī)械系統(tǒng)的主要機(jī)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(jī)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(xiàng)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(hù)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(hù)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(jì)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(hù)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(hù)理床，該護(hù)理床能夠幫助病人實(shí)現(xiàn)做起，屈膝，解決了護(hù)理病人過程中的諸多不便，即使不能自理者，護(hù)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(qiáng)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(hù)理床，解決病人身體和生理方面的需要，也減輕護(hù)理人員的勞動強(qiáng)度。 1.2選題的目的及意義 多功能電動護(hù)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(hù)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(hù)理床并進(jìn)行運(yùn)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(hù)理床，解決病人身體和生理方面的需要，也減輕護(hù)理人員的勞動強(qiáng)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(hù)理床并進(jìn)行運(yùn)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(hù)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(hù)理床的發(fā)展概況 多功能電動護(hù)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(hù)理床，他們集中各項(xiàng)護(hù)理床的優(yōu)點(diǎn)，把微電子技術(shù)應(yīng)用到護(hù)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(hù)理床行業(yè)的領(lǐng)頭羊，多功能護(hù)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(fèi)觀念所接受。相比較而言，本設(shè)計是針對患者的消費(fèi)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(shí)現(xiàn)做起，屈膝，解決了護(hù)理病人過程中的諸多不便，即使不能自理者，護(hù)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(qiáng)度。 2.2多功能電動護(hù)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(diǎn)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(xiàng)計劃》表示，將重點(diǎn)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(tuán)。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(xiàng)目基金[2]。其中，100個項(xiàng)目將資助醫(yī)用耗材研發(fā)，每個項(xiàng)目2000萬元；100個項(xiàng)目資助醫(yī)療器械研發(fā)，每個項(xiàng)目5000萬元；10個項(xiàng)目用于資助大型醫(yī)用設(shè)備研制，每個項(xiàng)目3億元左右。醫(yī)療器械市場是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)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(jì)學(xué)家眼中屬于“遠(yuǎn)東三大工業(yè)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)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(jì)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(fèi)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(fèi)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(fèi)用支出、日益提升的消費(fèi)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(hù)理床行業(yè)分析專家領(lǐng)銜撰寫的《2014-2018年電動護(hù)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(hù)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(hù)理床的投資前景非常廣闊。 2.3多功能電動護(hù)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(jī)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(hù)理床。協(xié)助自己日常生活的必須。護(hù)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(hù)理床的研究已德國、日本偉代表，各種護(hù)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(fèi)者所接受。本設(shè)計針對這一問題，既能夠滿足消費(fèi)者的需要，同時其價格也能為消費(fèi)者所認(rèn)可。 3研究內(nèi)容 本設(shè)計是多功能電動護(hù)理床,由曲腿機(jī)構(gòu)，抬背機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)組成。護(hù)理床的總體構(gòu)思包括機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動、控制運(yùn)動以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題。護(hù)理床的總體構(gòu)思包括機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動、控制運(yùn)動以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題[7]。通過分析現(xiàn)有的護(hù)理床設(shè)計，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)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(jī)構(gòu)與之對應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時，所需機(jī)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(hù)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(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運(yùn)動，人體的運(yùn)動具有極大的柔性。受此啟發(fā)將護(hù)理床的床面板進(jìn)一步加以細(xì)分，成為彼此之間相互獨(dú)立的面板[8]。 圖：多功能電動護(hù)理床的外觀 4 研究方案 4.1總體方案 多功能電動護(hù)理床在結(jié)構(gòu)上和功能上分為：床框架、平面連桿機(jī)構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。床框架除了固定的機(jī)構(gòu)以外，還包括各個電機(jī)安裝模塊。平面連桿機(jī)構(gòu)包括：曲腿機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)[9]。整臺多功能電動護(hù)理床中共有四臺電機(jī)，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(hù)理床三維模型 4.2機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.2.1屈腿機(jī)構(gòu) 屈腿機(jī)構(gòu)是電動護(hù)理床上的一個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要實(shí)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(hù)理床的屈腿機(jī)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(jī)架上。電動推桿于連架桿I相連，電動推桿利用電動機(jī)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(shí)現(xiàn)屈腿[10]。 連架桿II 電動推桿 連桿I 機(jī)架 圖4.2.1屈腿機(jī)構(gòu) 4.2.2抬背機(jī)構(gòu) 抬背機(jī)構(gòu)是多功能醫(yī)用護(hù)理床上的一個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能實(shí)現(xiàn)患者在護(hù)理床的抬背及端坐功能多功能電動護(hù)理床的抬背機(jī)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(jī)構(gòu)原理圖如下: 背板 電動推桿 床架 圖4.2.2抬背機(jī)構(gòu) 4.2.3升降機(jī)構(gòu) 升降機(jī)構(gòu)是多功能醫(yī)用護(hù)理床的另一個重要的機(jī)構(gòu),它能實(shí)現(xiàn)護(hù)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(jī)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(shí)現(xiàn)床板的升降。其機(jī)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(jī)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(jī)電壓≤36V。 4.4電機(jī)的選擇 整臺多功能電動護(hù)理床中共有四臺電機(jī)，采用電動推桿，電動推桿是一種將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動的電力驅(qū)動裝置，英文名Linear Actuator，又稱推桿電機(jī)、電動缸及線性致動器。電動推桿是一種將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)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(jī)械使用，以實(shí)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(hù)理床中共有四臺電機(jī)以單片機(jī)為主要控制芯片，控制四臺直流電機(jī)驅(qū)動整臺護(hù)理床工作。實(shí)現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達(dá)到滿足護(hù)理要求的多功能電動護(hù)理床。PLC對護(hù)理床多軸運(yùn)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(yùn)算指令，能夠進(jìn)行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算及復(fù)雜的邏輯控制。然而PLC的高可靠性、靈活高速的運(yùn)算指令并不能彌補(bǔ)其昂貴的價格和有限的擴(kuò)展性。而MCS—51系列單片機(jī)系統(tǒng)卻低成本、高集成、速度快、易擴(kuò)展，所以本設(shè)計選用單片機(jī)為主要控制芯片，控制四臺直流電機(jī)驅(qū)動整臺護(hù)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)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(hù)理床的分類以及實(shí)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(hù)理床結(jié)構(gòu)的整體方案 6 2.1 設(shè)計原則 6 2.2 護(hù)理床的功能要求 6 2.2.1功能要求 6 2.2 護(hù)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(hù)理床的組成 9 2.2.4 護(hù)理床的初步設(shè)計尺寸 10 2.3 本章小結(jié) 10 3 護(hù)理床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3.1 護(hù)理床各功能模塊構(gòu)型設(shè)計 11 3.2 抬背機(jī)構(gòu) 11 3.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 11 3.3.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計 11 3.4 曲腿機(jī)構(gòu) 12 3.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 12 3.4.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 13 3.5護(hù)理床的三維建模 13 3.6 本章小結(jié) 15 4 基于ADAMS的護(hù)理床運(yùn)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 16 4.2.1 翻身機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 17 4.2.2 樣機(jī)的參數(shù)化 18 4.3抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 20 4.3.1 抬背機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 20 4.3.2 樣機(jī)的參數(shù)化 21 4.4曲腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 22 4.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 22 4.4.2 樣機(jī)的參數(shù)化 22 4.5本章小結(jié) 24 5 護(hù)理床動力學(xué)優(yōu)化 25 5.1引言 25 5.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析 25 5.2.1為機(jī)構(gòu)添加外力 25 5.2.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真 26 5.2.3樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 27 5.3抬背機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析 27 5.3.1為機(jī)構(gòu)添加力 27 5.3.2抬背機(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真 27 5.3.3樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 29 5.4曲腿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析 29 5.4.1為機(jī)構(gòu)添加外力 30 5.4.2曲腿機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真 30 5.4.3 樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 31 5.5本章小結(jié) 31 6 護(hù)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(hù)理床縱軸的設(shè)計與校核 32 6.2.2 護(hù)理床橫軸的設(shè)計與校核 33 6.2.3護(hù)理床電動螺桿的設(shè)計與校核 35 6.3 本章小結(jié) 37 7 護(hù)理床控制系統(tǒng)設(shè)計 38 7.1 引言 38 7.2 直流電機(jī)控制原理 38 7.3 電動機(jī)的選擇 39 7.3.1抬背電動機(jī) 39 7.3.1屈腿電動機(jī) 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(jī)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(jī)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(hù)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(hù)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(hù)理床的基本結(jié)構(gòu)和功能原理。該病床能夠幫助病人實(shí)現(xiàn)抬背、屈膝以及翻身，解決了護(hù)理病人過程中的諸多不便，進(jìn)而提高了我國護(hù)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(jī)工程學(xué)，進(jìn)行了護(hù)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(hù)理床的設(shè)計原則，功能要求及設(shè)計指標(biāo)；完成了護(hù)理床本體的總體方案設(shè)計。利用機(jī)械分析軟件ADAMS對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析，研究了床板在各種運(yùn)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(yùn)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(hù)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(hù)理床，機(jī)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(jì)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(kuò)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(jì)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(jì)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?，F(xiàn)階段我國高齡老年人主要由家庭照料，護(hù)理強(qiáng)度大，費(fèi)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(hù)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(hù)理已成為一個重大的社會問題日益凸顯。可見多功能護(hù)理床的研究已成為醫(yī)學(xué)界的熱點(diǎn)問題。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著社會經(jīng)濟(jì)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(dú)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(hù)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(hù)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(qiáng)了對護(hù)理機(jī)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(hù)理和排泄等各功能于一體的多功能護(hù)理床?，F(xiàn)在家庭需求護(hù)理床的潛力日益增加,以前是簡易的記理床,后來加上護(hù)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(hù)理床,極大的提高了患者的康復(fù)護(hù)理水平,也為護(hù)理人員提供了極大的方便,所以操作簡單,功能強(qiáng)大的護(hù)理產(chǎn)品越來越受到追捧。 護(hù)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(hù)理床的研究以德國、日本為代表，各種護(hù)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(fèi)者所接受。隨著護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)理床，一場護(hù)理大業(yè)就要到來。 1.2.1 護(hù)理床的分類以及實(shí)現(xiàn)的功能 結(jié)構(gòu)功能單一的護(hù)理床已經(jīng)逐漸隱退。如今護(hù)理床床體本身的構(gòu)件要實(shí)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(dú)立的運(yùn)行來完成相應(yīng)的動作, 同時將單個功能組合起實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。護(hù)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(hù)理人員對潔便池的清洗等[2]。 表1-1護(hù)理床分類概括 名稱 優(yōu)點(diǎn) 存在問題 功能基礎(chǔ)型護(hù)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(shí)現(xiàn)使用者的護(hù)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(hù)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(hù)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(fèi)。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(hù)理床 1、護(hù)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(qiáng)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(fèi)嚴(yán)重，造成額外的經(jīng)濟(jì)成本。2、整體可拆性差，運(yùn)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(hù)理床層出不窮。發(fā)展方向主要向機(jī)器人模塊化的自動控制方向發(fā)展。 4 3 1 2 多功能護(hù)理床實(shí)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(hù)理床實(shí)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(jī)能狀況的重要指標(biāo),這些參數(shù)的測量是日常護(hù)理的重要組成部分。傳統(tǒng)的方式是由醫(yī)護(hù)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(hù)人員增加了很大工作量。在多功能護(hù)理床中,利用單片機(jī)系統(tǒng)能很方便地實(shí)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(hù)人員,提高了護(hù)理工作的品質(zhì)和效率。多功能護(hù)理床除了完成基本的肢體動作功能以外,根據(jù)臨床護(hù)理的需要,還對生命體征參數(shù)進(jìn)行測量。為實(shí)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(jī)、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(hù)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(jī)處理,處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳入上位機(jī),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(hù)人員及時作出相應(yīng)處理。此測量系統(tǒng)增加了護(hù)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(kuò)展功能強(qiáng),在普通護(hù)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(hù)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(qiáng)、簡單易用等特點(diǎn), 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(diǎn)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(yùn)動控制系統(tǒng)的控制要求。PLC對護(hù)理病床多軸運(yùn)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(yùn)算指令，能夠進(jìn)行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算及復(fù)雜的邏輯控制。然而PLC 的高可靠性、靈活高速的運(yùn)算指令并不能彌補(bǔ)其昂貴的造價和有限的擴(kuò)展性。而MS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)卻以其低成本、高集成、速度快、易擴(kuò)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(hù)理費(fèi)用的不斷增加以及國內(nèi)外市場需求的不斷擴(kuò)大，本文提出了一種新型的多功能醫(yī)用護(hù)理床，提出幾種新型的護(hù)理床側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)以及曲腿機(jī)構(gòu)，以單片機(jī)為主控制芯片，控制多臺直流電機(jī)驅(qū)動整臺護(hù)理床工作。實(shí)現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達(dá)到滿足護(hù)理要求的多功能醫(yī)用護(hù)理床。主要研究內(nèi)容如下： (1) 設(shè)計各種護(hù)理床的運(yùn)動機(jī)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(yùn)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(hù)理床。 (5) 對護(hù)理床的主要零件進(jìn)行受力校核，檢驗(yàn)整臺護(hù)理床使用的安全性及穩(wěn)定性。 (6) 設(shè)計護(hù)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(jī)接線圖，以及外部接線圖，編寫單片機(jī)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(hù)理床在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和各類護(hù)理床的比較，在多個方面表明了當(dāng)今多功能醫(yī)用護(hù)理床護(hù)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(hù)理床結(jié)構(gòu)的整體方案 2.1 設(shè)計原則 多功能翻身護(hù)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(hù)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(hù)理床在安全性方面的要求很高。無論是護(hù)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(qiáng)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(hù)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(hù)理過程中，不同使用者往往對護(hù)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(hù)理床機(jī)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(qiáng)互換性，降低陳本。 5、輕量化原則 從降低能量消耗和減小運(yùn)動慣性的角度考慮，護(hù)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(yùn)動慣性則非常有利于某個部件的停啟，使護(hù)理床的運(yùn)輸使用成本都有很大的降低。 2.2 護(hù)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(hù)理床種類功用，再加上一定創(chuàng)新，確定了多功能護(hù)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(hù)理床首先必須滿足日常護(hù)理中的多種必要的體位位姿，實(shí)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(hù)理醫(yī)務(wù)人員的勞動強(qiáng)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(hù)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(hù)理床的總體方案構(gòu)思 護(hù)理床的總體構(gòu)思包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動、傳感、控制運(yùn)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(hù)理床設(shè)計，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)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(jī)構(gòu)與之對應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時，所需機(jī)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(hù)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(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運(yùn)動，人體的運(yùn)動具有極大的柔性。受此啟發(fā)將護(hù)理床床面板整體分為四個部分，這樣有利于實(shí)現(xiàn)抬背和屈腿機(jī)構(gòu)，如圖所示。各個機(jī)構(gòu)利用電動推桿實(shí)現(xiàn)機(jī)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(hù)欄，用來保護(hù)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(xiàng) 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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的多功能護(hù)理床的實(shí)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(hù)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(hù)欄；2.抬背推桿；3.床底架；4.萬向輪；5.床側(cè)護(hù)欄； 6.床板；7.屈腿推桿；8.抬升推桿 圖2-3 多功能醫(yī)用護(hù)理床面板圖 2.2.3 護(hù)理床的組成 多功能醫(yī)用護(hù)理床從結(jié)構(gòu)和功能上分為：床框架、平面連桿機(jī)構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。 圖2-2 多功能醫(yī)用護(hù)理床系統(tǒng)框圖 床框架除了固定的機(jī)械機(jī)構(gòu)以外，還包括各個電機(jī)安裝模塊。平面連桿機(jī)構(gòu)包括：側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)、曲腿機(jī)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(hù)理床中共有四臺直流電機(jī)，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(diǎn)在平面連桿機(jī)構(gòu)部分，包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，運(yùn)動方案的設(shè)計，整個多功能醫(yī)用護(hù)理床三維虛擬樣機(jī)的建立，虛擬樣機(jī)運(yùn)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(hù)理床的初步設(shè)計尺寸 采用上述方案確定的護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)理床裝配前視圖 2.3 本章小結(jié) 本章圍繞護(hù)理床的總體構(gòu)思而展開，通過論述護(hù)理床所處的工作環(huán)境及位姿要求，指出了護(hù)理床設(shè)計時所需的各項(xiàng)要求，以這些要求為契機(jī)，提出了護(hù)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(hù)理床結(jié)構(gòu)形式的初步探討，護(hù)理床的各個組成部分。對于控制系統(tǒng)采用單片機(jī)為主控制芯片，控制多臺電機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動控制，完成護(hù)理床的各項(xiàng)功能。 3 護(hù)理床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 護(hù)理床各功能模塊構(gòu)型設(shè)計 多功能醫(yī)用護(hù)理床為了實(shí)現(xiàn)側(cè)翻、抬背和曲腿等動作主要有以下幾個機(jī)構(gòu)組成：抬背機(jī)構(gòu)，抬升機(jī)構(gòu)和曲腿機(jī)構(gòu)。依據(jù)機(jī)械原理所學(xué)知識 3.2 抬背機(jī)構(gòu) 抬背機(jī)構(gòu)是多功能醫(yī)用護(hù)理床上的一個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能實(shí)現(xiàn)患者在護(hù)理床上的抬背及端坐功能。 3.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能醫(yī)用護(hù)理床的臺北機(jī)構(gòu)類似于側(cè)翻機(jī)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(jī)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(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。簡圖如圖3-3所示。 圖3-3 抬背機(jī)構(gòu) 3.3.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計 多功能醫(yī)用護(hù)理床的抬背機(jī)構(gòu)采用一個四桿機(jī)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(jī)驅(qū)動螺桿9 轉(zhuǎn)動，使得螺套7 向右運(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(jī)構(gòu)中背板的長度為860mm，滾子的直徑為20mm，與側(cè)翻機(jī)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(jī)構(gòu)的尺寸，但由于機(jī)構(gòu)需要滿足運(yùn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 3.4 曲腿機(jī)構(gòu) 曲腿機(jī)構(gòu)是醫(yī)用護(hù)理床上的一個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要實(shí)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)是一個五桿機(jī)構(gòu)，由單線性推桿驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)曲腿的動作。簡圖如圖3-5所示。 圖3-5 曲腿機(jī)構(gòu) 多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)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(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。 3.4.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)采用一個五桿機(jī)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(jī)構(gòu)的尺寸，但由于機(jī)構(gòu)需要滿足運(yùn)動要求，根據(jù)設(shè)計要求，機(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3-6所示，各點(diǎn)安裝位置也如圖所示。 圖3-6 曲腿機(jī)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(yùn)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轿恢茫鸬街文_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(hù)理床的三維建模 通過圖解法的方法得到了護(hù)理床的初始設(shè)計數(shù)據(jù)，這些是對護(hù)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(qiáng)大，組件繁多。Pro/E功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是Pro/E的三大特點(diǎn)，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(qiáng)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(hù)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(hù)理床的各個機(jī)構(gòu)經(jīng)過論證討論，初步確定了各個機(jī)構(gòu)的方案，并用圖解法的方法，得到了各個機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計參數(shù)，為下一步進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。 4 基于ADAMS的護(hù)理床運(yùn)動學(xué)優(yōu)化 4.1 前言 多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動學(xué)分析，主要是為了進(jìn)一步確定各機(jī)構(gòu)的桿件尺寸，在滿足各機(jī)構(gòu)運(yùn)動要求的前提下，保證在運(yùn)動的時候各機(jī)構(gòu)之間不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，同時多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動學(xué)分析也時為了在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動的條件下，使機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中達(dá)到機(jī)構(gòu)運(yùn)動的優(yōu)良的運(yùn)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(hù)理床的運(yùn)動學(xué)分析基于ADAMS機(jī)械分析軟件。ADAMS是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用ADAMS在計算機(jī)上建立和測試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)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(jī)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(hù)理床進(jìn)行設(shè)計參數(shù)優(yōu)化 。 4.2翻身機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 多功能醫(yī)用護(hù)理床的側(cè)翻機(jī)構(gòu)運(yùn)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(yùn)動學(xué)方程，基于ADAMS機(jī)械分析軟件，得到滿足機(jī)構(gòu)要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。 翻身機(jī)構(gòu)的左右兩部分相同，只研究右半部分的翻身機(jī)構(gòu)。 圖4-1 翻身機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡圖 過O點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以水平方向?yàn)閄方向，以豎直方向?yàn)閅方向。 表4-1 坐標(biāo)系中各點(diǎn)位置 坐標(biāo)點(diǎn) 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(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)。 4.2.1 翻身機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 數(shù)學(xué)模型是多功能護(hù)理床機(jī)構(gòu)利用ADAMS軟件優(yōu)化的基本方程。在機(jī)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(jī)構(gòu)的初始位 置。由于醫(yī)療床側(cè)翻機(jī)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(jī)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(jī)模型。利用該樣機(jī)模型可以進(jìn)行動力學(xué)及運(yùn)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(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到理想的機(jī)構(gòu)模型。 由于機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)X方向坐標(biāo) 250 DV_L2 A點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 245 DV_L3 B點(diǎn)X方向坐標(biāo) 200 DV_L4 B點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 330 DV_L5 C點(diǎn)X方向坐標(biāo) 150 DV_L6 C點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 390 DV_L7 D點(diǎn)X方向坐標(biāo) 400 DV_L8 D點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 370 圖4-2 關(guān)鍵點(diǎn)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(jī)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(shí)驗(yàn)研究的時候著重對這三個點(diǎn)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(shí)驗(yàn)研究的時候著重對這三個點(diǎn)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(shí)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(jī)構(gòu)滿足的范圍之內(nèi)。優(yōu)化之后主要變動的為B點(diǎn)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(diǎn)距A點(diǎn)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 圖4-7 抬背機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡圖 4.3.1 抬背機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 建立設(shè)計變量 表4-4 關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計變量及初始值 關(guān)鍵點(diǎn) 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(jī)的參數(shù)化 （1）設(shè)計研究 運(yùn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動條件的情況下，得到最優(yōu)的機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)。 圖4-9 抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)構(gòu)桿件尺寸表 A、C點(diǎn)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 圖4-10 曲腿機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡圖 4.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 （1） 建立設(shè)計變量 表4-6 關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計變量及初始值 關(guān)鍵點(diǎn) 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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)構(gòu)經(jīng)過運(yùn)動學(xué)優(yōu)化之后，機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(yùn)動學(xué)優(yōu)化之后，機(jī)構(gòu)的整體的運(yùn)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(jī)模型，經(jīng)過運(yùn)動學(xué)優(yōu)化之后，得到了滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動要求的參數(shù)及尺寸。但這樣的虛擬樣機(jī)優(yōu)化與實(shí)際樣機(jī)還存在著一定的距離，所以，本文作者通過運(yùn)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(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化，真正滿足機(jī)構(gòu)在運(yùn)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(hù)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(yùn)動的關(guān)系。動力學(xué)的研究對象是運(yùn)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(hù)理床的運(yùn)動學(xué)分析是基于ADAMS建立于在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)之上的，根據(jù)先前的運(yùn)動學(xué)分析，以運(yùn)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(jī)架各支點(diǎn)的受力狀況，主要對線性推桿的受力狀況及各床架支點(diǎn)的受力狀況進(jìn)行動力學(xué)分析。 5.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析 5.2.1為機(jī)構(gòu)添加外力 側(cè)翻機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中，會有以下幾個方面對機(jī)構(gòu)運(yùn)動產(chǎn)生影響。它們是機(jī)構(gòu)自身質(zhì)量，患者體重以及各個運(yùn)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(jī)構(gòu)的重量及患者的體重。 通過solidworks軟件對虛擬樣機(jī)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(shí)的模擬虛擬樣機(jī)的性能，本文采用背板質(zhì)量為20kg，人體背部重量為50kg。對機(jī)構(gòu)添加力之后，運(yùn)行一次動力學(xué)仿真。測量各個點(diǎn)的受力以及電機(jī)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(diǎn)受力曲線如圖5-1所示。 圖5-1 各點(diǎn)受力曲線 5.2.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化仿真 從圖5-1中，得知MAKER_5點(diǎn)的受力最大，機(jī)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(yùn)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(yùn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化的目標(biāo)為將MARLKER_5點(diǎn)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