多功能護(hù)理翻身床的結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，預(yù)防褥瘡要做到定時翻身，一般情況下每 2小時翻一次身，必要時每小時翻一次身，如此大量的護(hù)理工作要求康復(fù)床具備定時自動翻身功能；此外，這些殘障者的排便和污物后處理也是家庭護(hù)理中的一項繁重工作，因此，輔助殘障者解便及污物后處理也是康復(fù)床必備的功能。 針對長期臥床的殘障者可能產(chǎn)生的肌肉廢用性萎縮、關(guān)節(jié)攣縮和僵硬，康復(fù)床應(yīng)該能夠協(xié)助患者進(jìn)行有節(jié)奏的收縮與放松活 動，以改善局部血液循環(huán)，促進(jìn)組織修復(fù)，所以生活起居床應(yīng)具備起身和曲腿功能。 為了方便殘障者就餐、洗漱和與人交流，康復(fù)床應(yīng)可調(diào)高度，也可以折疊從而讓殘障者坐起來，并原位轉(zhuǎn)動：床的扶手和床頭、床尾可以方便地拆卸，以便于殘障者移動。 所以針對不同需求，康復(fù)床的功能也不相同，本課題要求按照不同患者的需求設(shè)計不同功能的康復(fù)床。有很強的針對性。 2． 2． 2本床針對的人群和實現(xiàn)的功能 康復(fù)床的設(shè)計主要針對下肢殘疾，上肢健康者。利用康復(fù)床和配帶的移動輔助器具使用者自我實現(xiàn)在床，輪椅之間轉(zhuǎn)接。 第 9 頁 共 32 頁 2． 2． 3康復(fù)床性能指標(biāo)及設(shè)計要求 能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式眾多，設(shè)計時，除了應(yīng)保證所選取的機構(gòu)能夠使各個床面板實現(xiàn)預(yù)定的運動軌跡以外，還要考慮以下具體問題： (1)自由度 機構(gòu)的自由度的數(shù)目越多，機構(gòu)也就越靈活，機構(gòu)所能實現(xiàn)的動作數(shù)目和類型也就越多。但是，由機械原理的知識可知，當(dāng)機構(gòu)中的自由度數(shù)目與機構(gòu)中原動件的數(shù)目不相等時，如果機構(gòu)的原動件數(shù)目小于機構(gòu)的自由度數(shù)目，那么機構(gòu)的運動將不確定。因此，床體中各部分的自由度數(shù)目在滿足護(hù)理過程中全部所需的體位位姿的要求下盡可能地取最低的數(shù)目，這樣，既可 以減少原動件數(shù)目，又可以降低系統(tǒng)的控制復(fù)雜程度。 (2)安全與可靠、穩(wěn)定性 康復(fù)床是應(yīng)用于醫(yī)療護(hù)理的一種多功能護(hù)理器械，因此必須根據(jù)國家和國際上有關(guān)醫(yī)療器械的相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計護(hù)理床，從而保證護(hù)理床的安全地運行，不會給被護(hù)理人造成意外的傷害。對病人的護(hù)理康復(fù)通常在短期內(nèi)難以馬上見效，它需要長時間不斷的堅持，因此護(hù)理床在設(shè)計時應(yīng)該確保護(hù)理床運行的長期可靠性和穩(wěn)定性。 (3)工作空間 康復(fù)床主要放于病房或是家居室內(nèi)，因此整張護(hù)理床的空間以及其在進(jìn)行體位位姿變形以后的總體空間范圍必須參考房屋室內(nèi)的 大小，使得護(hù)理床的高度、寬度、長度以及變形后的空間尺寸既要滿足病人的舒適感要求，又要盡可能參考普通床鋪的占位空間，同時又能方便居家室內(nèi)的清潔，尤其是床下地面的清掃。 (4)系統(tǒng)控制的難易程度 體位變換是各個床面板由一種型組合轉(zhuǎn)換為另一種型組合，雖然護(hù)理床所需實現(xiàn)的體位位姿數(shù)目眾多、形式各異，但是將各個體位位姿按照對應(yīng)的床面面板加以逐個分解后，各個面板的獨立動作的變換要求不太復(fù)雜，就目前的計算機控制水平而言，結(jié)合多軸控制技術(shù)，是完全能夠?qū)崿F(xiàn)對護(hù)理床整體的實時控制的。 經(jīng)過以上的設(shè)計過程，本康復(fù)床在空間 上分三層： (底架中架床板 )其中床板分為四塊 (背板坐板大腿板小腿板 )。 2． 3能源供給及驅(qū)動形式 康復(fù)床的能源供給通常有兩種方式：一是采用外圍電源供電；二是采用內(nèi)部自帶電源供給。考慮護(hù)理床的工作地點多是醫(yī)院病房或是居民家中，市電 (220V)供給充裕、方便，并且護(hù)理床一經(jīng)工作后可以長時間無需移動工作地點，同時交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟。而蓄電池的供電時間有限，并且成本高，不利于降低整床的造價。針對上述幾點要求，選用市電 (220V)作為供給能源方式，將交流電通過交直流轉(zhuǎn)換輸出直流電，供給護(hù)理床的電路控 制系統(tǒng)、驅(qū)動電機以及其他相關(guān)部分。驅(qū)動部分采用直流伺服電機。直流伺服電機的輸出功率可以達(dá)到 第 10 頁 共 32 頁 60w以上，并且控制方便，可以自由實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)向，控制精度滿足設(shè)計要求，同時工作噪聲極低，符合醫(yī)護(hù)環(huán)境要求。用蓄電池作為備用電源，防御停電或意外事故。 2． 4傳感器及控制 為了便于控制系統(tǒng)對康復(fù)床進(jìn)行智能控制，及時了解康復(fù)床的當(dāng)前工作狀態(tài)，在康復(fù)床的床身上需安置必要數(shù)目的傳感器。通過傳感器傳輸回的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)可以實時了解、控制床面板的運動狀態(tài)，防止不同機構(gòu)的干涉或是直線電機的過沖對床體以及人員造成不必要的傷害。 傳感器主要采用位置傳感器，包括限位開關(guān)以及接近開關(guān)。整張護(hù)理床包含有若干個在機械結(jié)構(gòu)上彼此之間相互獨立的機構(gòu)，每個機構(gòu)對應(yīng)一個以上的自由度，這些機構(gòu)在總控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下，組成一個多開鏈系統(tǒng)，通過各個床面板的運動配合，使康復(fù)床完成特定的體位位姿。因此，控制系統(tǒng)是整個康復(fù)床中相當(dāng)重要的一環(huán)，它與康復(fù)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機的選取都有著密切的聯(lián)系。在控制系統(tǒng)最終確定之前，必須先完成康復(fù)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)和動力學(xué)的分析。在此，僅對康復(fù)床的硬件控制系統(tǒng)提出一個總體設(shè)想。在床體體位的控制方式上，除了采用通行的鍵盤按 鈕輸入方式以外，為了方便體弱病殘者，還考慮增加了語音控制輸入模式，操作者可以用聲音命令操縱護(hù)理床的運動。 2． 5本章小結(jié) 本章首先介紹了康復(fù)床應(yīng)用的環(huán)境和用戶群。然后闡述了康復(fù)床的功能。在人機工程學(xué)的設(shè)計思路上確立本康復(fù)床的功能及針對的使用者。最后在驅(qū)動及能源和控制。 第 11 頁 共 32 頁 3 機構(gòu)的比較和選用 3． 1 機構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 (1)研究機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的畫法。首先必須知道機構(gòu)是怎樣組成的。另外，為了對機構(gòu)進(jìn)行分析與綜合，還必須研究如何用簡單的圖形把機構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況表示出來，即畫出機構(gòu)運動簡圖。 (2)了解機構(gòu)具有確定運動的條件。由于機構(gòu)是用來傳遞運動及動力的，顯然它必須具有確定的運動，因而我們必須知道在舍命條件下它的運動才是確定的。 (3)研究機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類。機構(gòu)的形式是很多的，然而根據(jù)運動確定性的要求。各種機構(gòu)的組成都應(yīng)滿足機構(gòu)組成的基本原理。研究機構(gòu)的組成原理。不僅有利于新進(jìn)夠的創(chuàng)造，而且根據(jù)組成原理。將各種機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類，也有利于對機構(gòu)進(jìn)行運動及動力分析。 3． 2 機構(gòu)的確定 構(gòu)件是組成機構(gòu)的運動單元體。它可以是一個零件，也可以由幾個零件固結(jié)而成。在機構(gòu)中所有構(gòu)件之間應(yīng)具有 確定的相對運動，為此必須對個構(gòu)件的運動加以適當(dāng)?shù)募s束，而這些約束是由相鄰兩構(gòu)件之間構(gòu)成的可動連接提供的。而兩構(gòu)件間形成可動連接的兩接觸表面之綜合就稱為運動副。構(gòu)件用運動副連接成的具有相對運動的鏈系稱為運動鏈。如果運動鏈具有機架和足夠的主動件就成為機構(gòu)。 機構(gòu)運動簡圖是從運動學(xué)的角度出發(fā)，將實際機器中與運動無關(guān)的因素加以抽象和簡化后，得到與實際機器有完全相當(dāng)運動特性的簡圖。因為機構(gòu)中各構(gòu)件間的相對運動僅取決于運動副的類型和位置，與構(gòu)件的外形，組成構(gòu)件的零件數(shù)目和形狀等無關(guān)，所以機構(gòu)運動簡圖是按比例確定 運動副位置后，用代表運動副的符號和代表構(gòu)件的簡單線條繪制成的圖形，它時間上反映了機器中各個運動構(gòu)件在某一瞬間相對機架的位置。 下面用機構(gòu)簡圖來直觀的比較各機構(gòu)的驅(qū)動元件數(shù)目，自由度，運動幅度及空間位置。 3． 2． 1上升及傾斜機構(gòu)的分析和確定 側(cè)翻運動的關(guān)鍵是要達(dá)到雙向 9O。，且結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，以節(jié)省空間。確定采用變機架的四桿機構(gòu)，用同一個機構(gòu)實現(xiàn)兩個相似的運動。原理圖見圖 31。 機架變換通過分別安裝在 D1和 D2的兩個電磁鐵裝置交替吸合來實現(xiàn)。電機固定在 A處，驅(qū)動主動桿 AB。向左翻時， D1固定， D2自由，被動桿 BC頂起翻板。向右翻時， D2固定， D1自由，被動桿 BC頂起翻板。 第 12 頁 共 32 頁 圖 31上升及傾斜機構(gòu) 優(yōu)點是：能實現(xiàn)床體的傾斜，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠。加工制作簡單，電機在床體下部，工作時水平前推占用空間小。留有足夠空間放電池等備用設(shè)備。操作簡單，控制方便。缺點是：總體占用空間大。 在機構(gòu)中，有些運動副帶入的約束，對機構(gòu)的運動起重復(fù)約束作用，我們把這類約束稱為虛約束。只有在一些特定的條件下，某些約束才會成為虛約束，因而可以從機構(gòu)的約束總數(shù)中將其刪去。但若這些條件不能滿足，則原認(rèn)為是虛的約束就將成為實際有效的約束。在機構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動副連接的是兩構(gòu)件上運動軌跡相重合的點，則該連接將帶入 1個虛約束。若兩構(gòu)件上某兩點之間的距離始終保持不變，有用雙轉(zhuǎn)動副桿將此兩點相連，也將帶入 1個虛約束。同時在機構(gòu)中，不影響機構(gòu)運動傳遞的重復(fù)部分帶入的約束為虛約。 由于結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，整體 機構(gòu)受電機行程的影響比較小。并且電機在床的下部可以為其它中上部的機構(gòu)留有足夠的空間，在成本和制作上都有較大優(yōu)勢。 3． 2． 2抬背機構(gòu)的分析 采用絲杠進(jìn)行傳動，利用絲杠行程范圍較大且能實現(xiàn)反行程自鎖的特點。前端由電機驅(qū)動，中間以絲杠進(jìn)行傳動，電機軸和絲杠間用由萬向節(jié)和含有推力軸承的連接件相連后端通過連桿作用支起翻板，運動機構(gòu)原理圖見圖 31和圖 32。 第 13 頁 共 32 頁 圖 31支背機構(gòu)原理圖 — 靜止 圖 32 支背機構(gòu)原理圖 — 運動 此機構(gòu)共 6個構(gòu)件， 5個轉(zhuǎn)動副，一個移動副，一個高副，構(gòu)成運動鏈。機架位于中部，由 一個電機做主動件。 此平面機構(gòu)自由度計算公式為： F=3n2pLpHF`其中 n=Nl。 pL為機構(gòu)中的低副， pH為機構(gòu)中的高副， F`是機構(gòu)中的局部自由度。在機構(gòu)中，有些構(gòu)件所產(chǎn)生的局部運動，并不影響其他構(gòu)件的運動。我們稱這種局部運動的自由度為局部自由度。圖中構(gòu)件滾輪繞其自身軸線是否轉(zhuǎn)動，并不影響其他構(gòu)件的運動，因而是局部自由度。在計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)該從機構(gòu)自由度的計算公式中將局部自由度減去。 此平面機構(gòu)自由度計算公式為： F=3n2pLpHF`=3 52 611=1 優(yōu)點是： 采用了 1個主動件完成抬背功能，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠。構(gòu)件數(shù)目不多，抬背角度大。缺點是：床板和滾輪接觸摩擦大，結(jié)構(gòu)不夠新穎。 由于結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，整體機構(gòu)受電機行程的影響比較小，抬背角度大。并且電機在床的中部可以為其它中上部的機構(gòu)留有足夠的空間，在成本和制作上都有較大優(yōu)勢。 第 14 頁 共 32 頁 圖 34 曲腿機構(gòu)原理圖 — 運動 此機構(gòu)共 6個構(gòu)件， 6個轉(zhuǎn)動副， 1個移動副，構(gòu)成運動鏈。機架位于中部，由 1個電機做主動件。 此平面機構(gòu)自由度計算公式為： F=3n2pLpH=3 5— 2 7— 0=l 優(yōu)點是：采用 了 1個主動件實現(xiàn)曲腿功能，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠。構(gòu)件數(shù)目不多。 缺點是：靠電機回收實現(xiàn)小腿彎曲功能，不方便安裝。 曲小腿功能主要用于坐起以及便于和輪椅轉(zhuǎn)接，由于其它功能和機構(gòu)已經(jīng)確定，所以曲小腿功能的機構(gòu)選擇比較少，如圖 33和圖 34此機構(gòu)加工容易，構(gòu)件數(shù)目少，用一個電機實現(xiàn)曲腿功能。所以選擇此機構(gòu)作為本康復(fù)床小腿彎曲機構(gòu)。 3． 3 與機構(gòu)有關(guān)的其它功能 康復(fù)床具有人體工學(xué)的模塊化機構(gòu)設(shè)計技術(shù)，具有通過手柄和按鈕完成的起身、翻身、輪椅轉(zhuǎn)接等主要功能；可以提供自動翻身、輔助解便、污物后處理、與輪椅 的轉(zhuǎn)接、折疊與移動這些功能通過不同機構(gòu)實現(xiàn)。 生理參數(shù)檢測功能。傳統(tǒng)的醫(yī)用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀要求使用者為受過專門培訓(xùn)的醫(yī)護(hù)人員，但起居床的使用除醫(yī)護(hù)人員外還包括病人家屬。因此，殘障者生活起居床所要求的生理信息檢測不但要能夠?qū)崟r或者定時采集使用者的脈搏、血壓、心電、呼吸率等參數(shù)，還要檢測方法簡單，檢測結(jié)果采用數(shù)字和漢字相結(jié)合的顯示方式，直觀易懂，有簡單醫(yī)學(xué)常識既可使用。 康復(fù)床具有宜人化設(shè)計；康復(fù)床具有多功能控制驅(qū)動模塊，采用模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)即插即用的功能，使其方便快捷。自行研發(fā)適用于起居床的低成 本系列標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)用戶需求進(jìn)行選配。靈活性強，實現(xiàn)因人而異的定制起居床，提高起居床的技術(shù)同時集成控制器、驅(qū)動器和人機交互技術(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。 3． 4本章小結(jié) 本章主要針對多功能康復(fù)床各功能的不同機構(gòu)做了對比和分析，并選出本床所用機構(gòu)。對與機構(gòu)有關(guān)的其他功能做了介紹。 第 15 頁 共 32 頁 4 機構(gòu)分析 4． 1機構(gòu)運動軌跡分析 在機械設(shè)計的過程中，為了分析機構(gòu)是否能夠滿足給定的運動規(guī)律和運動空問要求，需要對機構(gòu)的運動規(guī)律進(jìn)行研究。在機械傳動系統(tǒng)中，機構(gòu)的運動分析是機械系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。設(shè)計者可根據(jù)原 動件的運動規(guī)律，求出機構(gòu)上該構(gòu)件和其它構(gòu)件上特定點的位移，速度和加速度。用圖解法對連桿機構(gòu)進(jìn)行運動分析雖然具有形象直觀的特點，但它精度低，費時且不便于將機構(gòu)分析的問題和機構(gòu)從和的問題聯(lián)系起來，解析法正好克服上述缺點，這種方法不僅可獲得很高的計算精度及一系列位置的分析結(jié)果，并能繪出機構(gòu)相應(yīng)的運動線圖，同時還可把機構(gòu)分析和機構(gòu)綜合問題聯(lián)系起來，以便欲機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。采用解析法并借助計算機，不但可獲得很高的計算精度及一系列位置分析結(jié)果，并能繪出機構(gòu)相應(yīng)的運動線圖，同時還可以把機構(gòu)分析和機構(gòu)綜合問題聯(lián)系起來，以便于 機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。 4． 1． 1支背機構(gòu)的計算及分析 對上一章確定的支背機構(gòu)方案進(jìn)行簡化，如圖 41支背機構(gòu)簡化圖所示。所加力 G1為單點作用力，方向垂直向下，作用在床板上。 桿 S所受作用力： d/2lcos???? EFGFr， 其中