多功能醫(yī)用護理床設計【說明書+CAD+PROE】,說明書+CAD+PROE,多功能醫(yī)用護理床設計【說明書+CAD+PROE】,多功能,醫(yī)用,護理,設計,說明書,仿單,cad,proe 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 5 2 護理床結構的整體方案 6 2.1 設計原則 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思 7 2.2.1 構思的提出 7 2.2.2 相關要求與指標 8 2.2.3 護理床的組成 9 2.2.4 護理床的初步設計尺寸 10 2.3 本章小結 10 3 護理床的整體結構設計 11 3.1 護理床各功能模塊構型設計 11 3.2 抬背機構 11 3.2.1 抬背機構的結構和工作原理 11 3.3.2 抬背機構的設計 11 3.4 曲腿機構 12 3.4.1 曲腿機構的結構和工作原理 12 3.4.2 曲腿機構的設計 13 3.5護理床的三維建模 13 3.6 本章小結 15 4 基于ADAMS的護理床運動學優(yōu)化 16 4.1 前言 16 4.1.1 ADAMS軟件簡介 16 4.2翻身機構的運動學分析 16 4.2.1 翻身機構在ADAMS中的建模 17 4.2.2 樣機的參數(shù)化 18 4.3抬背機構的運動學分析 20 4.3.1 抬背機構在ADAMS中的建模 20 4.3.2 樣機的參數(shù)化 21 4.4曲腿機構的運動學分析 22 4.4.1 曲腿機構在ADAMS中的建模 22 4.4.2 樣機的參數(shù)化 22 4.5本章小結 24 5 護理床動力學優(yōu)化 25 5.1引言 25 5.2側翻機構動力學分析 25 5.2.1為機構添加外力 25 5.2.2側翻機構動力學優(yōu)化仿真 26 5.2.3樣機的實際結構 27 5.3抬背機構動力學分析 27 5.3.1為機構添加力 27 5.3.2抬背機構動力學優(yōu)化仿真 27 5.3.3樣機的實際結構 29 5.4曲腿機構動力學分析 29 5.4.1為機構添加外力 30 5.4.2曲腿機構動力學仿真 30 5.4.3 樣機的實際結構 31 5.5本章小結 31 6 護理床的力學分析 32 6.1 引言 32 6.2 力學計算 32 6.2.1護理床縱軸的設計與校核 32 6.2.2 護理床橫軸的設計與校核 33 6.2.3護理床電動螺桿的設計與校核 35 6.3 本章小結 37 7 護理床控制系統(tǒng)設計 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)的硬件設計 42 7.5.1 電源電路設計 42 7.5.2 電機驅動電路設計 42 7.5.3 顯示電路設計 43 7.5.4 鍵盤電路設計 45 7.5.5 限位反饋電路設計 45 7.6 控制系統(tǒng)的軟件設計 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 50 8 結論 51 8.1 課題結論 51 8.2課題展望 51 參考文獻 52 致謝 54 摘 要 隨著人口老齡化速度的加快，護理業(yè)服務受到了嚴峻的挑戰(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，本文詳細論述了針對缺乏自理能力的老年人及行動不便的病人設計的多功能護理床的基本結構和功能原理。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，進而提高了我國護理業(yè)服務，有力地促進了我國的醫(yī)療保健事業(yè)的發(fā)展。 本文首先基于人機工程學，進行了護理床總體方案的設計，根據(jù)相關標準及調研結果，制定了護理床的設計原則，功能要求及設計指標；完成了護理床本體的總體方案設計。利用機械分析軟件ADAMS對其進行運動學及動力學分析，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)化功能對其分別進行了運動學和動力學優(yōu)化。 然后，采用自上而下的方法完成了護理床結構詳細設計并給出了全套的設計圖。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。 關鍵詞：醫(yī)療設備，護理床，機構設計 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)調查，目前全球60歲以上的老年人口已經(jīng)達到了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1.3億，占全國總人口的10.3％(65歲以上老年人口為8687萬，占7％)，預計到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，對家庭、社區(qū)、政府依賴程度較大。據(jù)調查，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?，F(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，思想的進步，城市人口正逐步進入老齡化,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)達國家和日本的老年人獨居率已高達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1.32 億, 占全國總人口的10%, 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)的設計研究尚處于初級階段，產(chǎn)品的功能、結構、造型有待進一步的完善。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 結構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件要實現(xiàn)多種功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左側翻、右側翻、、潔便門開關裝置及沖洗馬桶和沖洗身體的裝置, 另外還有烘干和抽風的設備。各個部分可以獨立的運行來完成相應的動作, 同時將單個功能組合起實現(xiàn)復雜的功能。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 功能基礎型護理床 1、結構、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，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、功能調整定位準確，連貫性好，基本無噪音。3、結構設計合理，安全。4、造型新穎，有較強的親和力。5、文字，標志容易識別。 1、市場售價昂貴。造成功能浪費嚴重，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，各種結構、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,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行采集并轉換為電信號。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,處理結果通過網(wǎng)絡傳入上位機,可根據(jù)設定值,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, 由于具有結構簡單、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用[4]?，F(xiàn)在的PLC 可管理高達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，能夠進行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運算及復雜的邏輯控制。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翻機構、抬背機構以及曲腿機構，以單片機為主控制芯片，控制多臺直流電機驅動整臺護理床工作。實現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達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) 設計各種護理床的運動機構，并用圖解法的方法得到初始設計尺寸。 (2) 利用Pro/E三維設計軟件，根據(jù)初始設計數(shù)據(jù)對其建模，進行結構設計，并對其進行干涉檢查，然后導出CAD圖。 (3) 根據(jù)初始設計數(shù)據(jù)在ADAMS中建模，利用優(yōu)化功能對其進行運動學和動力學優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的設計數(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，得到滿足設計要求的護理床。 (5) 對護理床的主要零件進行受力校核，檢驗整臺護理床使用的安全性及穩(wěn)定性。 (6) 設計護理床的整體控制方案。設計控制流程框圖，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 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 護理床結構的整體方案 2.1 設計原則 多功能翻身護理床的設計應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。無論是護理床的結構還是控制系統(tǒng)的設計，安全性始終是最優(yōu)先考慮的一個原則。比如，在結構設計方面，不應存在任何干涉情況，結構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、舒適性設計是可用性設計的延伸，護理床應該根據(jù)人體生理學原理，更多地從人的生理結構、心理情況、行為習慣等方面加以考慮。比如各部分結構要與人體的尺寸匹配；設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、標準化原則 護理床機械零件的設計與選擇、控制系統(tǒng)的設計、零部件之間的相對位置關系和尺寸匹配，都有相關的行業(yè)標準。參照標準設計，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，主要包括體位調整類功能、吃飯看書功能。 1、體位調整功能 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思 護理床的總體構思包括機械結構設計、電機驅動、傳感、控制運動以及總體位姿協(xié)調等問題。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 構思的提出 通過分析現(xiàn)有的護理床設計，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)的設計方法就會設計一套特定的機構與之對應。當位姿數(shù)目越來越多時，所需機構數(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護理床標準規(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。多機構協(xié)調的技術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，如圖所示。各個機構利用電動推桿實現(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 相關要求與指標 《醫(yī)用電氣設備 第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》給出了背板、大腿板、小腿板的調節(jié)范圍建議值： 1) 背板與水平面間夾角（圖2.2中A）應能從0～80o（或更大）可調。 2) 大腿板與水平面間夾角（圖2.2中B）應能從0～12o（或更大）可調。 3) 小腿板與水平面間夾角（圖2.2中C）應能從0～20o（或更大）可調。 4) 大腿板與小腿板間夾角（圖2.2中D）應能調至180o（平面）。 圖2-2 床面各板的推薦調節(jié)范圍 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，參照調研所得結果，同時考慮文獻中同類研究的相關參數(shù)，確定了體位調整類具體指標（見表2.1）。 表2.1 體位調整類指標 指標項 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 大腿板翻轉角度 0～50o 注：以上各項動作均可以在設定范圍內(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)相關要求規(guī)定，考慮使用者的舒適性，設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)用護理床從結構和功能上分為：床框架、平面連桿機構、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以外，還包括各個電機安裝模塊。平面連桿機構包括：側翻機構、抬背機構、曲腿機構。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、左右側翻等動作。本課題工作重點在平面連桿機構部分，包括機構結構的設計，運動方案的設計，整個多功能醫(yī)用護理床三維虛擬樣機的建立，虛擬樣機運動學與動力學優(yōu)化，整床的裝配及調試；控制方案確定，電路板設計、控制線路布置、連接，各種傳感器設計安裝，編程以及調試。 2.2.4 護理床的初步設計尺寸 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。 側欄護架尺寸：整體采用不銹鋼管焊接，才套用橡膠增加質感。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 本章圍繞護理床的總體構思而展開，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思，包括整體設計的構思思路，護理床結構形式的初步探討，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 護理床的整體結構設計 3.1 護理床各功能模塊構型設計 多功能醫(yī)用護理床為了實現(xiàn)側翻、抬背和曲腿等動作主要有以下幾個機構組成：抬背機構，抬升機構和曲腿機構。依據(jù)機械原理所學知識 3.2 抬背機構 抬背機構是多功能醫(yī)用護理床上的一個關鍵機構，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 抬背機構的結構和工作原理 多功能醫(yī)用護理床的臺北機構類似于側翻機構，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件上，抬背構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，使之充當機架作用，線性推桿的推動使得抬背構件繞著床架發(fā)生轉動，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軸發(fā)生轉動。簡圖如圖3-3所示。 圖3-3 抬背機構 3.3.2 抬背機構的設計 多功能醫(yī)用護理床的抬背機構采用一個四桿機構，用單個線性推桿驅動。床板平置時，人躺在床上和普通病床一樣，當需要坐起時由圖中左邊的電動機驅動螺桿9 轉動，使得螺套7 向右運動，再由連桿6 帶動轉臂5 旋轉，最后由轉臂驅動床板1 繞J 點旋轉，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臂12 旋轉，將床板3 頂起，達到抬背的目的。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，所以本機構中背板的長度為860mm，滾子的直徑為20mm，與側翻機構相似，圖解法設計，設臀部床板的長度為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)下的抬背機構的尺寸，但由于機構需要滿足運動要求，根據(jù)設計要求，將背板向上翻轉75°之后，利用偏移命令，找到轉動擺桿的所在位置，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 抬背機構運動簡圖 3.4 曲腿機構 曲腿機構是醫(yī)用護理床上的一個關鍵機構，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 曲腿機構的結構和工作原理 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構是一個五桿機構，由單線性推桿驅動，實現(xiàn)曲腿的動作。簡圖如圖3-5所示。 圖3-5 曲腿機構 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構包括：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件繞著床架發(fā)生轉動，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軸發(fā)生轉動。 3.4.2 曲腿機構的設計 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構采用一個五桿機構，設大腿板的長度為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)下的曲腿機構的尺寸，但由于機構需要滿足運動要求，根據(jù)設計要求，機構做拉動，將腿板向下翻轉45°之后，利用偏移命令，找到轉動連桿的所在位置，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 曲腿機構初始設計尺寸圖 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。當曲腿運動進行時，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計數(shù)據(jù)，這些是對護理床進行建模的基礎，根據(jù)上述初始設計數(shù)據(jù)，通過Pro/E軟件對其進行建模，Pro/E軟件功能強大，組件繁多。Pro/E功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是Pro/E的三大特點，使得Pro/E 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。Pro/E 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質量。Pro/E不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。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 本章通過對多功能醫(yī)用護理床的各個機構經(jīng)過論證討論，初步確定了各個機構的方案，并用圖解法的方法，得到了各個機構的初始設計參數(shù)，為下一步進行運動學、動力學優(yōu)化打下了基礎。 4 基于ADAMS的護理床運動學優(yōu)化 4.1 前言 多功能醫(yī)用護理床的運動學分析，主要是為了進一步確定各機構的桿件尺寸，在滿足各機構運動要求的前提下，保證在運動的時候各機構之間不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，同時多功能醫(yī)用護理床的運動學分析也時為了在滿足機構運動的條件下，使機構在運行的過程中達到機構運動的優(yōu)良的運動學狀態(tài)，得到優(yōu)化后的設計數(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，了解復雜機械系統(tǒng)設計的運動性能。 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理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程。對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，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的分析、優(yōu)化設計中。本文應用該軟件對多功能護理床進行設計參數(shù)優(yōu)化 。 4.2翻身機構的運動學分析 多功能醫(yī)用護理床的側翻機構運動學分析，是以側翻背板的角加速度的最大值最小化為目標函數(shù)，建立運動學方程，基于ADAMS機械分析軟件，得到滿足機構要求的機構參數(shù)。 翻身機構的左右兩部分相同，只研究右半部分的翻身機構。 圖4-1 翻身機構關鍵點簡圖 過O點建立坐標系，以水平方向為X方向，以豎直方向為Y方向。 表4-1 坐標系中各點位置 坐標點 X坐標/mm Y坐標/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。側翻所轉過的角度與各個點的坐標有關。 4.2.1 翻身機構在ADAMS中的建模 數(shù)學模型是多功能護理床機構利用ADAMS軟件優(yōu)化的基本方程。在機構的初始位置沒有要求的情況下，應該選擇一個方便于建模的位置，在進行ADAMS分析時，此位置就是機構的初始位 置。由于醫(yī)療床側翻機構的模型比較簡單，利用ADAMS自身提供的建模工具，就可以建立側翻機構的模型。 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行動力學及運動學仿真，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，并可以對曲線進行數(shù)學操作。ADAMS還以可通過自身所具有的模塊對機構進行優(yōu)化，得到理想的機構模型。 由于機構的驅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，以及側翻機構的側翻角度也有一定的要求，所以設計的時候由一定的尺寸要求，設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。這些設計數(shù)據(jù)對應于設計變量的取值范圍，定義好后的設計變量如表4-2所示： 表4-2 初始設計變量 變量名 說明 Standard value/mm DV_L1 A點X方向坐標 250 DV_L2 A點Y方向坐標 245 DV_L3 B點X方向坐標 200 DV_L4 B點Y方向坐標 330 DV_L5 C點X方向坐標 150 DV_L6 C點Y方向坐標 390 DV_L7 D點X方向坐標 400 DV_L8 D點Y方向坐標 370 圖4-2 關鍵點的建立 （4）建模后的仿真結果 圖4-4 仿真結果 4.2.2 樣機的參數(shù)化 通過ADAMS提供的設計研究，對各個設計變量進行設計研究得到報表如下所示。 通過上述的設計研究發(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行研究，改變?nèi)齻€設計變量的變化范圍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 設計結果報表 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行研究，改變?nèi)齻€設計變量的變化范圍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，此時可以滿足設計要求，即背板翻轉角度為75°，角加速度減小到機構滿足的范圍之內(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抬背機構的運動學分析 圖4-7 抬背機構關鍵點簡圖 4.3.1 抬背機構在ADAMS中的建模 建立設計變量 表4-4 關鍵點設計變量及初始值 關鍵點 坐標方向 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）設計研究 運動學設計研究報表如下所示。 表4-5 設計結果報表 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)化設計的時候選取上述四個設計變量作為優(yōu)化的變量值。 （2） 優(yōu)化設計 以背板角加速度的最大值最小化作為優(yōu)化目標，進行優(yōu)化設計，期望在滿足機構運動條件的情況下，得到最優(yōu)的機構數(shù)據(jù)。 圖4-9 抬背機構運動學優(yōu)化前后背板角加速度曲線 表4-5 優(yōu)化前后機構桿件尺寸表 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曲腿機構的運動學分析 圖4-10 曲腿機構關鍵點簡圖 4.4.1 曲腿機構在ADAMS中的建模 （1） 建立設計變量 表4-6 關鍵點設計變量及初始值 關鍵點 坐標方向 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)過設計研究之后，各個設計變量的敏感度如下所示： 表4-6 設計結果報表 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三個設計變量作為優(yōu)化時的設計變量，進行優(yōu)化設計，優(yōu)化目標函數(shù)為小腿板轉動角加速度最大值的最小化，優(yōu)化后設計如表4-7。 表4-7 優(yōu)化前后曲腿機構桿件尺寸變化表 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 曲腿機構運動學優(yōu)化前后腿板角加速度曲線 觀察圖4-12，可以知道曲腿機構經(jīng)過運動學優(yōu)化之后，機構的運動學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)過運動學優(yōu)化之后，機構的整體的運動學特性得到了改善。 4.5本章小結 根據(jù)圖解法得到的初始設計數(shù)據(jù)，建立了虛擬樣機模型，經(jīng)過運動學優(yōu)化之后，得到了滿足機構運動要求的參數(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優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)，作為動力學優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)，再對機構進行動力學優(yōu)化，真正滿足機構在運動過程中的安全性及可靠性。本章是動力學優(yōu)化的基礎。 5 護理床動力學優(yōu)化 5.1引言 動力學是理論力學的一個分支學科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關系。動力學的研究對象是運動速度遠小于光速的宏觀物體。動力學是物理學和天文學的基礎，也是許多工程學科的基礎。 動力學以牛頓第二定律為核心，這個定律指出了力、加速度、質量三者間的關系。牛頓首先引入了質量的概念，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對物體的引力。 多功能醫(yī)用護理床的運動學分析是基于ADAMS建立于在運動學分析的基礎之上的，根據(jù)先前的運動學分析，以運動學分析結果作為動力學分析的初始值，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行動力學分析。 5.2側翻機構動力學分析 5.2.1為機構添加外力 側翻機構在運行的過程中，會有以下幾個方面對機構運動產(chǎn)生影響。它們是機構自身質量，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，只考慮機構的重量及患者的體重。 通過solidworks軟件對虛擬樣機進行質量測量，測得背板質量為20kg，通過設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，本文采用背板質量為20kg，人體背部重量為50kg。對機構添加力之后，運行一次動力學仿真。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側翻機構動力學優(yōu)化仿真 從圖5-1中，得知MAKER_5點的受力最大，機構的受力優(yōu)化就從MARKER_5著入。首先，測試各個設計變量對MARKER_5的受力變化的敏感度。運行一次動力學仿真，時間為25s，步數(shù)為500步，線性推桿移動速度為5.5mm/s，背板質心處加力500N，背板自重20kg。運行優(yōu)化設計，優(yōu)化的目標為將MARLKER_5點的受力的最大值進行最小化，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