多功能医用护理床的结构设计及优化（含CAD及三维图纸全套）（优秀通过答辩）
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多功能医用护理床 设计研究可行性分析报告 1 概述 多功能医用护理床是一种针对危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。本文针对上述情况，提出了一种新型的多功能医用护理床，采用三维数字化设计软件对其进行建模和装配， 然后导出到 利用机械分析软件 究了床板在各种运动状况下的角加速度对患者舒适度的影响及线性推杆在各姿态下的受力状况，并利用 的优化功能对其分别进行了运动学和动力学优化；以角加速度最大值的最小化作为优化目标函数进行运动学优化，以线性推杆受力的最大值最小化作为动力学优化目标函数，得到满足设计要求的机构参数。 采用 力学理论分别对多功能医用护理床的主要零件进行力学计算，保证了机构运动的安全性及稳定性。 控制系统采用单片机控制，通过单片机控制，实现各个机构的运动，安装传感器来控制机构所转过的角度。利用单片机为主的控制系统，达到控制要求。 2 国内外研究状况及发展趋势 随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人口寿命不断延长，思想的进步 ，城市人口正逐步进入老龄化 ,人口老龄化已成为世界范围内的社会问题。据统计，欧洲发达国家和日本的老年人独居率已高达 40%，如此之高的比例迫使社会采取措施解决老年人的护理服务问题。如果完全依靠家庭人工照料，与西方国家子女与老年人分居、家庭规模小型化的观念有抵触之处。我国 60 岁及其以上老年人口已达 , 占全国总人口的 10%, 并以年均 速度持续增长。其中“空巢家庭”占所有老龄家庭总数的 在一些大城市中该比例更大，解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护 问题是人口老龄化国家所面临的共同问题 1。为此 , 国家也大力加强了对护理机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或长期使用病床的病人提供一个集护理和排泄等各功能于一体的多功能护理床。 现在家庭需求护理床的潜力日益增加 ,以前是简易的记理床 ,后来加上护栏 ,餐桌 ;再后来加上大便孔 ,轮子 ;现在产生了很多集多功能为一体的多功能 ,电动护理床 ,极大的提高了患者的康复护理水平 ,也为护理人员提供了极大的方便 ,所以操作简单 ,功能强大的护理产品越来越受到追捧。 护理床在国内的设计研究尚处于初级阶段，产品的功能、结构、造型有待进一步的完善 。国外护理床的研究以德国、日本为代表，各种护理功能正在逐步完善，成熟。但因其价格昂贵（一般售价在 20 万人民币以上），很难为一般的消费者所接受。护理床的基本分类情况如下 1： 图 1理床分类状况 表 1名称 优点 存在问题 功能基础型护理床 1、结构、生产工艺简单，易于制造。 2、价格便宜。 1、功能比较简单，不能实现使用者的护理要求。2、手动为主，操作繁琐。3、造型传统，舒适性差。4、应用范围窄。 功能普通型护理床 1、一般为电动，用户可简单操作控制。 2、能完成基本的护理 功能。 3、增添了辅助功能接口。 4、整体造型，色彩改进，具有一定的亲和性。 1、市场售价偏高。 2、功能启动柔性差，衔接不连贯。 3、功能一体化造成功能浪费。 4、生产技术含量低，容易被仿制。 5、文字，图像识别功能差 功能高级型护理床 1、护理功能完善。 2、功能调整定位准确，连贯性好，基本无噪音。 3、结构设计合理，安全。 4、造型新颖，有较强的亲和力。 5、文字，标志容易识别。 1、市场售价昂贵。造成功能浪费严重，造成额外的经济成本。 2、整体可拆性差，运输、组装繁琐。3、对患者康复功能的考虑较少。 从近年来的发展来 看，国内的发展迅速，各种结构、功能等等各异的护理床层出不穷。发展方向主要向机器人模块化的自动控制方向发展。 3 测量系统的发展 临床上被称为生命体征参数的血压、心率和体温是衡量人体机能状况的重要指标 ,这些参数的测量是日常护理的重要组成部分。传统的方式是由医护人员以通用的测量装置对各参数逐一进行测量 ,这无疑给医护人员增加了很大工作量。在多功能护理床中 ,利用单片机系统能很方便地实现对血压、心率和体温等的采集、处理 ,并将采集数据传送给医护人员 ,提高了护理工作的品质和效率。多功能护理床除了完成基本的肢体动作功能以外 ,根据临床护理的需要 ,还对生命体征参数进行测量。为实现此目的所搭建的系统硬件主要由参数转换传感元件、处理电路、单片机、液晶显示器、数据传输等部分组成 , 为了测得所需的数据 ,选择合适的传感器是至关重要的。人体的血压、心率和体温分别由压力传感器、脉搏传感器和温度传感器进行采集并转换为电信号。在多功能护理床中 ,通过传感器采集人体血压、心率和体温信号 ,送入单片机处理 ,处理结果通过网络传入上位机 ,可根据设定值 ,判断是否超出规定值 ,发出报警信号 ,方便医护人员及时作出相应处理。此测量系统增加了护理床的功能 ,提高了性能价格 比 ,适合大中型医院、疗养院以及普通家庭使用。整个系统使用方便 ,操作简单 ,扩展功能强 ,在普通护理床基础上增加了测量病人血压、心率和体温的功能 ,为医疗护理行业提供了新的测量方法。 图 1压、心率和体温测量系统 4 控制系统的发展 可编程控制器 (作为新一代的工业控制装置 , 由于具有结构简单、组合灵活、性能优良、通用性强、简单易用等特点 , 特别是它的高可靠性和适应性 , 深受广大用户的欢迎 , 已在工业控制中得到了广泛的应用 4。现在的 管理高达 5000 多点的 I/O 口，并有很高的指令执行 速度和高可靠性，使它能满足多轴运动控制系统的控制要求。 够进行各种接口、通信、数据逻辑运算及复杂的逻辑控制。然而 高可靠性、灵活高速的运算指令并不能弥补其昂贵的造价和有限的扩展性。而 列单片机系统却以其低成本、高集成、速度快、易扩展被广泛地应用于工业生产的方方面面。 图 1种嵌入式控制器控制框图 5 护理床的结构设计 侧翻机构是多功能医用护理床中的一个关键机构，其主要的功能是实现患者在护理 床上的左右翻身，避免因患者背部长期接触被褥而产生褥疮，同时减轻护理人员的护理强度。 多功能医用护理床的侧翻机构采用两个对称的四杆机构，由两个直线驱动器驱动。通过电气控制，实现护理床的左右侧翻功能。简图如图 3示。 左侧翻示意图 右侧翻示意图 图 3翻机构 多功能医用护理床的侧翻机构由线性推杆、侧翻连杆、侧翻滚子、两侧床板以及部分床架组成。 线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于侧翻构件上，侧翻构件 的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与 床 侧板连接， 床 侧板通过螺栓与中部床板铰接，中部床板通过固定器将中部床板固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得侧翻构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背部侧板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。 侧翻机构的设计（图解法） 侧翻机构由左右两个四杆机构组成，两个机构承对称，因此设计其中之一即可。通过查阅手册人体的肩宽大约为 330415此床的中间段板要尽可能的窄，使患者能实现翻身这一动作。在此设计中背板中部设为 180侧板设为 320板 的厚度设为 35承滚子的直径设为 20的高度根据普通床的高度做调整，过高不方便患者上下床，过低影响安装空间。线性推杆的底部安装点到床板转轴距离根据机构的始末位置把电机的行程范围定为115利用 旋转功能，将一侧床板翻转 75，利用偏移指令，找到侧翻构件翻转后的位置，再次旋转得到电机前端的安装点，这样就可以得到了侧翻机构在水平状态时的机构的各点的参数，根据设计要求侧翻的翻转最大角度为 75，所以将背板旋转 75之后，又得到了一个新的机构的位置，通过观察发现，机构在终了位置时，杆件 并没有发生碰撞干涉，符合机构的运动要求，测量线性推杆在终了位置时的伸长长度，推杆在许用选用范围之内，满足了推杆的选用行程，至此侧翻机构的图解法设计结束， 6 结论 多功能医用护理床是针对生活不能自理的病人、危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。课题根据国家和上海市中长期发展纲要确定的研究方向和企业的具体需要，设计一种用于医院重症病人用的多功能床，解决病人身体和生理方面的需要（抬背、翻身等 ），也减轻护理人员的劳动强度。针对市场需求开发设计一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能护理床并进行动态仿真，对于产品的产业化具有重要的意义。 一前言 随着人口老龄化速度的加快，护理业服务受到了严峻的挑战， 医疗和社会保险系统 面临前所未有的压力，因此为老年患者服务的护理型病床的需求正不断增加。 针对这一现象， 本文详细论述了针对缺乏自理能力的老年人及行动不便的病人设计 的多功能护理床的基本结构和功能原理。该病床能够帮助病人实现翻身、坐起、屈膝、 排便及吃饭，解决了护理病人过程中的诸多不便，进而提高了我国护理业服务，有力地 促进了我国的医疗保健事业的发展。本文首先基于人机工程学，进行了护理床总体方案的设计，根据相关标准及调研结 果，制定了护理床的设计原则，功能要 求及设计指标；完成了护理床本体的总体方案设 计。然后， 采用自上而下的方法完成了护理床结构详细设计并给出了全套的设计图。 主 要包括总体框架、抬腿部件、抬背部件、翻身部件等功能模块。其中，排便部件极大地 体现了对老年人的关怀 。 本文针对上肢正常下肢丧失或者暂时丧失运动能力的老年病人以及残障人士设计了一种多功能护理床。该护理床可帮助病人实现支背、曲腿、侧翻等动作 ,亦可对病人下肢进行康复训练 ,加快肢体功能的恢复。本文主要包括以下内容 : 1)提出了设计要求和设计指标 ;确定了护理床的尺寸长度及各床板所需达到的角度 ;确定了各功能 模块机构的空间位置 ;设定选择各机构的原则 ,并依据该原则选定满足要求的机构构型。 2)分别建立支背机构、曲腿机构、侧翻机构的运动学模型 ,对各机构进行运动学分析 ;分别设定各机构中所有杆件的尺寸以及各杆件的转动角度范围 ;采用矢量方程解析法得出各杆件位移、速度、加速度的函数表达式并对其进行分析。 3)对整体床架进行结构设计和材料选择 ;对多功能护理床的支背、曲腿、侧翻功能模块进行结构设计 ;对各机构进行力学分析 ,从而确定驱动电机型号 ;展示多功能护理床在各功能状态下的三维立体图。 4)运用 件分别对床架以及升降 横梁进行应力应变分析 ,根据分析结果得出该零部件具有较高的刚度和强度 ,能够满足设计要求。 二护理床的运动学优化 运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。 运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体 (弹性体、流体等 )的运 动。 在变形体研究中，须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选的参考系不同而异；而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为：刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。 多功能医用护理床的运动学分析，主要是为了进一步确定各机构的杆件尺寸，在满足各机构运动要求的前提下，保证在运动的时候各机构之间不能发生干涉现象，同时多功能医用护理床的运动学分析也时为了 在满足机构运动的条件下，使机构在运行的过程中达到机构运动的优良的运动学状态，得到优化后的设计数据及杆件尺寸数据。 多功能医用护理床的运动学分析基于 械分析软件。全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。 多功能医用护理床的侧翻机构运动学分析，是以侧翻背板的角加速度的最大值最小化为目标函数，建立运动学方程，基于 械分析软件，得到满足机构要求的机构参数。 侧翻机构的左右两部分相同，只研 究右半部分的侧翻机构。 图 4翻机构关键点简图 过 O 点建立坐标系，以水平方向为 X 方向，以竖直方向为 Y 方向。 表 4标系中各点位置 坐标点 X 坐标 / 坐标 / 0 0 A 1 B 2 C 3 D 4 把所有零部件视为刚体， 线性推杆，其长度可以变化，最短长度为 348翻所转过的角度与各个点的坐标有关。 根据图解法得到的初始设计数据，建立了虚拟样机模型，经过运动学优化之后，得到了满足机构运动要求的参数及尺寸。但这样的虚拟样机优化与 实际样机还存在着一定的距离，所以，本文作者通过运动学优化之后的数据，作为动力学优化的初始数据，再对机构进行动力学优化，真正满足机构在运动过程中的安全性及可靠性 。 三总结 世界范围内人口老龄化的大背景下 ,我国也进入老龄化行列。据统计到 2008年底 ,我国 60岁以上的人口约达到 老龄化率为 12%,据预测到 2020 年我国老龄化水平将达 到 2050 年我国老龄化水平将推至 30%以上。 据资料显示 ,约 老人至少有一种慢性病。慢性病使病人长期卧床不起、产生褥疮等并发症 ,并且由此引发的肢体运动 性障碍显著增加。定时为病人翻身可预防或减少褥疮的发生 ;定时对病人的肢体进行康复训练可大大增强病人肌体的活性 ,提高自身免疫力。 1， 魏理 ;梁欢 ;王艺旋 ;多功能护理系统软件的研究 J;护理实践研究 ;2009 年 23 期 2， 周慧强 ;谢存禧 ;张铁 ;熊伟 ;机器人化多功能护理床实用双机系统的设计及实现 J;机床与液压 ;2006 年 06 期 3， 姜生元 ;胡艳娟 ;王尧 ;李建永 ;基于 片机的智能化多功能电动康复床控制系统设计 J;机电一体化 ;2008 年 06 期 4， 张东 ,谢存禧 ,吴剑 ;机器人化多功能护理床的研究与开发 J;机器人技术与应用 ;2003 年 06 期 5， 刘宇 ;赵京 ;李谦 ;多功能护理翻身床的设计 J;机械设计与究 ;2008 年 05 期 6， 汪烨 ;多功能电动护理床控制系统研制 J;制造业自动化 ;2009年 06 期 7， 姜生元 ;胡艳娟 ;李建永 ;焦宏章 ;卢杰 ;智能化多功能电动康复床的研制 J;机械设计 ;2008 年 05 期 8， 杨达毅 ;孙庆春 ;刘锡敏 ;陈丽敏 ;多功能自理床的研制 J;机械制造 ;2008 年 01 期 9， 田志宏 ;白稳峰 ;残障人生活起居床控制系统的设计 J;计算机测量与控制 ;2011 年 03 期 10谭林 ;鲁守银 ;张伟 ;贝太学 ;机械制造 J;山东建筑大学学报 ;2010年 01 期 1，魏理 ;梁欢 ;王艺旋 ;多功能护理系统软件的研究 J;护理实践研究 ;2009 年 23 期 2，周慧强 ;谢存禧 ;张铁 ;熊伟 ;机器人化多功能护理床实用双机系统的设计及实现 J;机床与液压 ;2006 年 06 期 3，姜生元 ;胡艳娟 ;王尧 ;李建永 ;基于 片机的智能化多功能电动康复床控制系统设计 J;机电一体化 ;2008 年 06 期 4，张东 ,谢存禧 ,吴剑 ;机器人化多功能护理床的研究与开发 J;机器人技术与应用 ;2003 年 06 期 5，刘宇 ;赵京 ;李谦 ;多功能护理翻身床的设计 J;机械设计与究 ;2008 年 05 期 6，汪烨 ;多功能电动护理床控制系统研制 J;制造业自动化 ;2009年 06 期 7，姜生元 ;胡艳娟 ;李建永 ;焦宏章 ;卢杰 ;智能化多功能电动康复床的研制 J;机械设计 ;2008 年 05 期 8，杨达毅 ;孙庆春 ;刘锡敏 ;陈丽敏 ;多功能自理床的研制 J;机械制造 ;2008 年 01 期 9，田志宏 ;白稳峰 ;残障人生活起居床控制系统的设计 J;计算机测量与控制 ;2011 年 03 期 10谭林 ;鲁守银 ;张伟 ;贝太学 ;机械制造 J;山东建筑大学学报 ;2010年 01 期 机械制造 一、 机械制造指从事各种 动力机械 、起重运输机械、农业机械、 冶金 矿山机械、化工机械、 纺织机械 、机床、工具、仪器、 仪表 及其他机械设备等生产的 工业部门 。机械制造业为整个国民经济提供 技术装备 ,其发展水平是 国家 工业化程度的主要标志之一。 生产流程 产品的生产过程是指把 原材料 变为成品的全过程。机械产品的生产过程一般包括： （ 1）生产与技术的准备如工艺设计和专用工艺装备的设计和制造、 生产计划 的编制、生产资料的准备等； （ 2）毛坯的制造如 铸造 、 锻造 、 冲压 等； （ 3）零件的加工切削加工、热处理、表面处理等； （ 4）产品的装配如总装、部装、调试检验和 油漆 等； （ 5）生产的服务如原材料、外 购件和工具的供应、运输、保管等。 生产类型 企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化程度的分类称为生产类型。生产类型一般可分为：单件生产、成批生产、大量生产三种类型。 （ 1）单件生产 单件生产的基本特点是：生产的产品种类繁多，每种产品的产量很少，而且很少重复生产。例如重型机械产品制造和新产品试制等都属于单件生产。 （ 2）成批生产 成批生产的基本特点是：分批地生产相同的产品，生产呈周期性重复。如机床制造、 电机 制造等属于成批生产。成批生产又可按其批量大小分为小批生产、中批生产、大批生产三种类型。其中，小批生产和大批生产的工艺特点分别与单件生产和大量生产的工艺特点类似；中批生产的工艺特点介于小批生产和大批生产之间。 （ 3）大量生产 大量生产的基本特点是：产量大、品种少，大多数工作地长期重复地进行某个零件的某一道工序的加工。例如，汽车、拖拉机、 轴承 等的制造都属于大量生产。 制造过程 （ 1）产品设计 产品设计 是企业产品开发的核心，产品设计必须保证技术上的先进性与经济 上的合理性等。 产品的设计一般有三种形式，即：创新设计、改进设计和变形设计。创新设计（开发性设计）是按 用户的使用要求进行的全新设计；改进设计（ 适应性设计 ）是根据用户的使用要求，对企业原有产品进行改进或改型的设计，即只对部分结构或零件进行重新设计；变形设计（ 参数设计 ）仅改进产品的部分结构 尺寸 ，以形成系列产品的设计。产品设计的基本内容包括：编制设计任务书、方案设计、 技术设计 和图样设计。 （ 3） 零件加工 零件的加工包括坯料的生产、以及对坯料进行各种 机械加工 、特种加工和热处理等，使其成为合格零件的过程。 极少数零件加工采用精密铸造或精密锻造等无屑加工方法。通常毛坯的生产有铸造、锻造、焊接等；常用的机械加工方法有： 钳工 加工、车削加工、钻削加工、刨削加工、铣削加工、镗削加工、磨削加工、 数控机床 加工、拉削加工、研磨加工、珩磨加工等；常用的热处理方法有：正火、退火、回火、时效、调质、淬火等；特种加工有：电火花 成型加工、电火花线切割加工、 电解 加工、激光加工、 超声波 加工等。只有根据零件的材料、结构、形状、尺寸、使用性能等，选用适当的加工方法，才能保证产品的质量，生产出合格零件。 （ 4）检验 检验是采用测量 器具 对毛坏、零件、成品、原材料等进行 尺寸 精度 、形状精度、位置精度的检测，以及通过目视检验、无损探伤、 机械性能 试验及金相检验等方法对产品质量进行的鉴定。 测量器具包括量具和量仪。常用的量具有钢直尺、卷尺、游标卡尺、卡规、塞规、千分尺、角度尺、百分表等，用以检测零件的长度、厚度、角度、外圆直径、孔径等。另外螺纹的测量可用 螺纹千分尺 、三针量法、 螺纹样板 、螺纹环规、螺纹塞规等。 常用量仪有浮标式气动量仪、 电子式 量仪、电动式量仪、 光学 量仪、三坐标测量仪等，除可用以检测零件的长度、厚度、外圆直径、孔径等尺寸外，还可对零件的形状误差和位置误差等进行测量。 （ 5） 装配调试 任何机械产品都是由若干个零件、组件和部件组成的。 根据规定的技术要求 ,将零件和部件进行必要的配合及联接 , 使之成为半成品或成品的工艺过程称为装配。将零件、组件装配成部件的过程称为部件装配；将零件、组件和部件装配成为最终产品的过程称为总装配。装配是机械制造过程中的最后一个生产 阶段 ，其中还包括调整、试验、检验、油漆和包装等工作。 常见的装配工作内容包括： 清洗、联接、校正与配作、平衡、验收、试验 。 机器人化多功能护理床的研究与开发 机器人技术与应用床进行了广泛深入的国内外调研分析后，结合国际护理最新技术的发展，进行了多功能智能护理床的开发，在护理的领域中引入了机器人化多电机协调控制的先进技术。 一 . 机器人化多功能 护理床 的结构机器人化多功能护理床专门为缺乏自理能力的老年人、残疾人而设计，将使他们恢复部份的自理能力，使他们能在家庭、医院、疗养院等环境下处于健康受到监护和关注的状态，这将使我国的保健事业达到一个新的水平。 护理床由（见图 1）七块板块组成，每块板块独立驱动，可视为若干个独立运动链。板块 1 和 2 可分别绕 X 轴和 Y 轴转动，板块 3 和 4 绕 X 轴转动，而板块 5 和 6 可绕 Y 轴转动， 1、 2、 3、 4 各板块之间以万向铰链原理联接以 实现二向转动。每块板块可以单独驱动，也可以按某一体位要求同时驱动，从而实现不同体位。 受护理人需要抬高背位时，板块 1 和 2 同时绕 Y 轴转动一个角度；需要翻身时，板块 1、 3 或 2、 4 绕 X 轴翻转（模拟医院护士的动作，当翻转人体背部、臀部时，脚也随之翻转）；当需要坐姿时，板块 1、 2 抬高，板块 3、 4、 5 不动，板块 6 下翻，各板块同时动作即可完成坐姿 .使小板块 12属于板块 1 或 2）抬高一定角度，以使液体流通畅顺，对于骨科病人需抬高脚部时 ，板块 5 和 6 联动升高某一角度。排便动作则由板块 7 实现向下翻转，同时拉动便盆到位来完成。 (1)护理床的大致尺寸为长 2000宽 900高 600（ 护理床脚设方向移动轮，有止动机构。 (2) 护理床上半身摆高 80 度，上肢（ 12单独抬高 15 度（输液用），下肢摆升最大 30 度，摆降最大 90 度，侧卧左右最大 80 度。参量将根据实际情况作适当变动。 (3) 受护理人可以语音操作，同时也设有按键式操作板，用手指操作；可单动或按体位要求联动。 (4) 实时检测体温、血压、呼吸循环及心电等参数，其检测系统内设临界值，供比较警示。 (5) 使用 24V 安全电压驱动，所有传动机构包括排便器内藏于床下，控制板（按键、语音示教）设于床的右侧（板块 2、 4 一侧），生理参数测量及监护系统设于床的左侧（板块 1、 3 一侧）。 二 . 机器人化智能护理病床的控制系统护理病床的控制系统如图 2 所示，单片机系统为上位机，在接收到按钮控制指令或语音控制信号后，先将语音提示控制指令由语音回放系统送出；与此同时，单片机系统将护理床动作控制指令向 ，由 制继电器电路工作，从而达到多轴电机同时动作，以满足使用者的护理要求。现在的 管理高达 5000 多点的 I/O 口，并且有很高的指令执行速度和高可靠性，使它能满足多轴运动控制系统的控制要求。 够进行各种接口、通信、数据逻辑运算及复杂的逻辑控制。然而活高速的运算指令并不能弥补其昂贵的造价和有限的扩展性。而 列单片机系统却以其低成本、高集成、指令强、速度快、易扩展被广泛地应用于工业生产 的方方面面。该护理床的控制系统吸收了单片机系统成本低廉和扩展性强的特点，利用单片机作为上位机；又采用了 速灵活的指令和高可靠性的优势，将 统作为下位机进行底层控制，从而避免了单一单片机系统在强电控制中的干扰和误动作。而且该控制系统中各个系统均采用模块化设计，系统的可靠性及维护性也相应大幅度提高。由 于 接受智能护理病床辅助护理的使用者大都丧失部分或全部自理能力，因而为了让使用者在丧失行动能力的情况下仍能享用全面护理的需要，护理床的所有功能均可由语音控制。使用前先由护理人员示教护理床对应不同功能、 体位的动作，再由使用者口读一遍词组进行训练，不同词组的不同音频信息，作为一个数字信号，对应于人工示教的动作。实际使用时（再现）只要受护理人口读词组即可再现操作，在病房环境下语音系统的识别率高达 3 . 机器人化多功能护理病床的语音控制系统语音作为当前控制方法中最自然的控制命令 , 随着计算机和语音处理技术的发展 ,语音识别系统的实用性不断提高。语音识别控制技术将是今后一段时期语音技术的发展方向。将语音识别技术引入到护理床控制，将为丧失自理能力的使用者带来极大的便利。护理床的语音控制系统包 含语音识别模块和语音回放模块，从而使护理床不但能实现语音控制操作，而且通过语音回放模块可以为使用者提供语音反馈，更有亲和力，更具人性化。 (1) 语音信号的采集处理过程 语音信号是一种典型非平稳信号，但常常可假定为短时平稳的，既在 10 20采用平稳过程的分析处理方法来处理，即语音信号的时域处理方法（如采样率为 8利用 内的信号分量）。如图 3 所示，语音信号数字化过程，即 A D 变换。首先麦克风将使用者说出的词转变成为模拟信号，与其它信 号数字化过程一样，须先进行低通滤波，使信号中最高频率成份的频率低于采样频率的一半，滤除高于 1/2 采样频率的信号成份或噪声，以避免混叠失真。再将其转变为 1 和 0 的数字流进行编码，最简单的编码方法就是将每个采样所得样本的幅度量化表示为 2 进制数字信号，并通过并串转换过程转换成串行的脉冲，以便于传输和储存。最后译码软件寻找与储存的音素模式相匹配的模型进行特定模形式复合单词概率的计算。这种模式还包含有关语句组成方式以及语句中单词顺序方面的信息。 (2) 语音识别方式 语音识别分为特定人识别系统和非特定 人识别系统，由于使用者的语音以及地方语言存在很大差异性，我们使用可不依赖于对地方语言识别的特定人识别系统，即每一位使用者都必须在使用前建立自己专用的参考模式库，然后说话人的语音数字流与一套公用的参考模式库啮合，进行少量的训练修改，使之能自动适应用户的语音特性。语音识别的首要步骤为特征提取，特征参数有：带通滤波器组的频谱参数、失真测度（对数偏差的 L 范数）。一段语音信号经过特征提取后便得到特征矢量序列， O2,.然后进行相似度计算，其中模板匹配法是多维模式识别系统中最常用的一种相似度 计算方法。在训练过程中，经过特征提取和特征数的压缩，并采用聚类方法或其它方法，针对每个模式类各产生一个或几个模板。在识别阶段将待识别模式的特征量与各模板进行相似率计算，模式匹配单元将输入语音的特征矢量序列与各个参考模式分别进行非线性时间对准算法（动态时间弯折 取其中匹配得分最高的判别为识别结果。系统工作环境对识别系统的干扰，可利用语音增强技术，选取对噪声不敏感的特征参数，模板在匹配阶段进行自适应。为提高系统辨别的可靠性及鲁棒性，本系统采用以下技术： 鲁棒性训 练法：鲁棒训练是一种串行训练法，将每一词重复说多遍，直到获得两个一致性较好的特征矢量序列，最终得到的模板是在一致性较好的特征矢量序列对在 路径上求均值。 关键词捡出（ 使用者语音命令中不仅包括命令关键词还夹杂其它词，以及各种非语言的咳嗽声、呼吸声、关门声、音乐声、多人共语声以及背景噪音，这就需要采用语音系统辨别技术把需要的关键词从连续语句中提取出来（基于 关键词提出）。 外文 资料 翻译 1 护理床动力学优化 言 动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。 动力学以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。牛顿首先引入了质量的概念，而把它和物体的重力区分开来，说明物体的重力只是地球对物体的引力 。 多功能医用护理床的运动学分析是 基于 立于在运动学分析的基础之上的，根据先前的运动学分析，以运动学分析结果作为动力学分析的初始值，综 合考虑线性推杆的推、拉力的限制以及机架各支点的受力状况，主要对线性推杆的受力状况及各床架支点的受力状况进行动力学分析。 翻机构动力学分析 侧翻机构在运行的过程中，会有以下几个方面对机构运动产生影响。它们是机构自身质量，患者体重以及各个运动副之间的摩擦力。由于摩擦力很小，在此忽略不计，只考虑机构的重量及患者的体重。 通过 件对虚拟样机进行质量测量，测得背板质量为 20过设计手册查得我国身高 成年人平均体重为 83右。为了真实的模拟虚拟样 机的性能，本文采用背板质量为 20体背部重量为 50机构添加力之后，运行一次动力学仿真。测量各个点的受力以及电机的受力。仿真时间为 25s，步数为 500 步。 添加力测量，测得的各点受力曲线如图 5示。 图 5点受力曲线 外文 资料 翻译 2 5优化前后受力曲线 5优化前后受力曲线 5优化前后受力曲线 5参数下的翻转角度值 从图 5，得知 的受力最大，机构的受力优化就从入。首先，测试各个设计变量对 受力变化的敏感度。运行一次动力学仿真，时间为 25s，步数为 500 步，s，背 板质心处加力 500N，背板自重 20行优化设计，优化的目标为将 的受力的最大值进行最小化，仿真后优化数据如下： : 20097:13:51 1) : : 0 图 5 5，可以发现经过动力学优化之后，各支点受力均有明显的改善，其中图 5 受力从 1443N 减至 1133N，从图 5，背板的转动角度在角度约束的范围之内。 外文 资料 翻译 3 通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表 5示 表 5关键点实际取值 始值 250 245 330 400 370 优化值 265 215 时，样机的背板转动角加速度最小且各支点的受力也达到了最小化、满足了机构的设计要求。动力学优化前后机构构件尺寸表如表 5示： 表 5化前后杆件尺寸对比 A、 B 水平距离 /、 B 竖直距离 /D/始值 50 65 化值 35 19 118 背机构动力学分析 为了较为真实的模拟人体的质量，以及考虑背板的推、拉力的限制，在抬背机构的背部添加竖直向下的均布力，大小为 400N，在臀部床板添加 400N 的力，运行一次动力学优化仿真。 为了进一步研究线性推杆的受力状况，以及机架上各支点的受力状况，使得机构工作得更安全及更可靠，以抬背机构运动学优化数据为动力学优化的初始数据，优化目标函数为抬背过程中线性推杆受力的最大值最小化，进行动力学优化仿真，已得到满足机构设计要求的最优化参数。通过设计研究对各个设计变量进行敏感度测试。根据设计研究对各设计变量的测试，得到的数据报表如下： 文 资料 翻译 4 4 文 资料 翻译 5 3 过设计研究，观察计算结果，可以发现实际变量 敏感度最大，所以在优化设计的时候着重考虑上述几个设计变量，对它们进行优化设计，以期望得到满足设计要求的机构最优化参数。 通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表 5示 表 5关键点实际取值 始值 390 458 330 275 优化值 381 2317 化前后杆件尺寸变化如 表 5示。 表 5化前后杆件尺寸变化表 A、 C 竖直距离/C /D /E/始值 60 236 256 667 优化值 62 228 248 659 图 5抬背机构动力学优化前后电机受力曲线 观察图 5以得知在机构动力学仿真之后，机构表现出了良好的动力学性能，机构的受力状况得到了有效的改善，达到了预期的效果，即电机受力的最大值最小化。 腿机构动力学分析 为了真实的模拟曲腿机构在运行过程中的受力性能，以及线性推杆的受力状况，所以对曲腿机构在运 动学仿真的基础之上进行一次动力学仿真，为了得到较为真实的机构运行状况，并进行优化仿真，得到理想机构设计参数。 外文 资料 翻译 6 综合考虑人体的自身重量以及床板的重量，在小腿板的质心处及脚板的质心处各添加竖直向下的力，大小为 500N。 以运动学优化的数据作为动力学优化的初始数据，进行动力学优化，优化的目标函数为电机受力最大值的最小化。首先，对各个设计变量进行设计研究，设计研究的报表如下： 据上述的设计研究的结果对 变量，作为优化设计时的设计变量，进行动力学优化仿真。 外文 资料 翻译 7 图 5腿机构动力学优化前后电机受力曲线图 观察图 5以得知，经过动力学优化后的电机受力的最大值由原来的4550N 减小为优化后的 2850N，电机的受力大大的减小，从而保证了机构运行的安全性及运行的稳定性。 机的实际结构 通过以上的分析，在优化设计时选取上述设计变量作为优化设计时的设计变量，进行动力学优化，经过动力学优化之后，各关 键点的坐标取值为如表 示 表 5关键点实际取值 始值 300 65 化值 270 243 时，样机的线性推杆的受力最小且各支点的受力也达到了最小化、满足了机构的设计要求。优化前后机构杆件尺寸变化见表 5 表 5化前后构件尺寸变化表 AB/C/D/E/E/始值 380 5 化值 350 章小结 本章在运动学分析的基础之上的，利用运动学分析的数据作为动力学分析的初始数据，对机构进行动力学分析；在满足机构运动学要求的基础上改善机构的动力学性能及机架的受力性能。使得样机的运动性能及受力性能达到最好，满足人体工学以及机构在工作过程中的稳定性及安全性。本章是进行样机物理设计的依据。 外文 资料 翻译 8 6 护理床的力学分析 言 多 功能医用护理床在满足运动学及动力学性能要求的基础上，需要对其中的一些主 要零件进行强度校核，以便在设计的时候合理的选材，在保证多功能医用护理床安全性和稳定型以及尽可能的降低生产成本。 学计算 护理床各主要部件及连杆材料均选用 考虑到由于多功能医用护理床内的机构角度，不可避免的会使床的质量增加。由于整床的重量将全部压在床底架长杆上，所以底架长杆将会是受力最大的杆件，根据设计尺寸，底架长杆的长度为 1440底架长杆上有两个支撑点，假设床身的质量为 400体的质量为 150重为 550体计算如 下所示： 图 6底架受力示意图 根据 称重功能，测得床的质量为 365假设 床身的质量为400体的质量为 150重为 550以 3=2750N，4400200 根据力矩平衡公式： 232 7 5 0 1 0 9 0 2 7 5 0 7 01440 = =4=3 得 文 资料 翻译 9 通过上述已知条件，计算杆各段所受的剪力及弯矩： 以 A 为原点，在 内： 剪力 F=向向下 弯矩 M=x 得： M=0M，方向为逆时针方向 在 内： 剪力 F= 向向上 弯矩 M= 得： M=M，方向为逆时针方向 在 内： 剪力 F=向向上 弯矩 M=x 得： M=0M，方向为逆时针方向 所以，根据计算分析，得出的结果为 B 点的受力最大且弯矩也最大，所以 算后的剪力图及弯矩图如图 6示。 图 6底架剪力及弯矩图 根据剪力及弯矩图说明了 床底架杆在整体上的受力并没有发生突变 ， 同时也不存在在某段的力值特别大的现象，所以从整体上而言 ， 床框架的力学性能良好，受力情况满足了机构的设计要求 。 背 杆校核 多功能医用护理床在抬背的时候，其抬背摆杆将是受力较大的杆件，由于人的背部质量较大，所以其将会时比较危险的杆件，对其的力学计算如下。 外文 资料 翻译 10 图 6背杆受力示意图 按照人体的质量及床板的质量均分，则圆整后的数据为 00N，方向向上。 50N， 039N，30804 3x=950N， 1+00+2039=2539N 在 剪力 F=00N，方向向上 弯矩 M=F x，得： M=0340N M，方向为顺时针方向 在 剪力 F= 039N，方向向下 弯矩 M= x (x 得： M=40N M，方向逆时针方向 M= +x （ x 得： M= M，方向逆时针方向 所以，根据上述计算结果，得知 B 点的剪力最大且所受的弯矩也是最大，综上所述， B 点所在的截面为危险截面。根据计算结果画出的剪力图及弯矩图如图 6示。 机器人化 多功能 护理床 研究与探讨 翻译人 要： 人性化设计是现代设计的一个重要理念 ,它强调在设计产品时从人体工学、生态学、美学等角度达到完美 ,体现了科技以人为本的思想。该护理床的设计正是基于这种理念 ,它不仅能够实现抬背、抬大腿 ,曲小腿和调整坐姿的功能 ,并将设计通过 三维实体建模软件进行模拟和仿真分析 ,进一步指导和验证设计的合理性 。 为满足目前日益提高的家庭护理要求，将机器人的多轴协调控制技术应用于护理床的控制，研制了一种机器人化的多功能护理床该护理床通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动 方式来实现各种位姿，并通过语音或键盘来控制进行多位姿的运动护理床的控制系统由主控制模块和辅助控制模块两部分构成其中主控制模块采用单片机进行控制，这样既可降低成本，又可保证护理床操作的灵活性和可靠性；辅助控制模块包括语音识别和语音回放两部分的功能实际使用效果证明了所研制的护理床的实用性和有效性本文由 医学论文 网与您分享！ 关键词 ：机器人化护理床；控制系统；语音识剐；单片机 概述 ： 目前，无论是发达国家还是发展中国家 ，均面临着越来越严重的人口老龄化问题。老年人由于各项生理机能退化，健康状况普遍不佳，消耗大量医疗资源，增加了医院的负担。世界各国均在积极探求一种新的健康服务模式，提供更高质量、更可靠、更容易被接受且成本低廉的健康服务。因此现代远程监护系统的构建，具有很好的发展前景。本文研究了一种面向社区的基 于 机器人化 多功能 式 智能 健康监护系统，用来对病人的生理参数进行连续、长时间、自动、实时检测，并经分析、处理后实现多类别自动报警、自动记录， 而且可以 通过网络远程监护便于医护人员及时发现病人的病情变化，随时采取必要的护理与急救 措施。 随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人口寿命不断延长，城市人口正逐步进入老龄化据统计，在我国现有人口中，老龄人口达 1 32 亿，并且还在以每年 3 2的速度递增其中空巢家庭占所有老龄家庭总数的 25 8，在一些大城市中该比例更大，如北京为 34，上海为 34 8，广州为 30，天津为 36 5 “o人口的老龄化对社会医疗服务体系提出了更高的要求，建立以社区为核心的健康监控和疾病预控信息化系统具有很大的现实意义 ”o老年人由于年龄偏大，肌体的活性逐渐降低，对疾病的抵抗力日益减弱，且疾病多以慢 性病为主对于慢性病人和瘫痪病人而言，除了配合药物和针剂的治疗外，物理方式的护理也必不可少正确、适当的护理可以大大增强患者肌体的活性，减少并发症的产生对于许多慢性病患者而言，通过定期服药、适当监护和正确护理，可以不必长期住院特别是对那些因种种原因不可能长期住院治疗的患者、老年人和残疾人士而言，配置必要的护理设备和用具尤为重要 “。相比于普通人，慢性病人、瘫痪病人和残疾人士的卧床时间更长、更久，因此开发一种舒适、护理功能齐全、性价比高的护理床，将具有广阔的市场前景 ”?目前，我国正着力于建设社区公共卫生 服务体系，如果将所开发的护理床与社区、医院医疗体系连接，实现医疗、护理、健康监护、医疗救治、疾病预控等的一体化，可大大减轻医院的压力，更为合理、有效地利用现有的医院资源 ”4同时，通过医院、社区两种信息化系统的建立和连接，可大大提升我国应对突发性公共卫生事件的响应速度和处理能力有鉴于此，笔者针对我国社会医疗服务的发展现状及现实需求，提出了一种基于机器人多轴协调控制技术和语音识别技术的多功能护理床的概念，成功研制了一种机器人化的多功能护理床，并在此基础上研制了一套基于该护理床的社医监护系统本文主要对该机 器人化护理床的结构及控制系统进行探讨 图一 常用的护理床结构 1 机器人化护理床的结构 在进行机器人化护理床的结构设计时，主要考虑了以下儿点： (1)护理床应能够实现护理所需的各种体位的位姿要求； (2)各个活动床面板的摆动角度应符合医疗护理要求并兼顾人体的舒适性； (3)护理床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合医疗护理要求； (4)床体的尺寸有一定的空间范围限制； (5)要考虑护理床在房间内移动的简易性以及医护辅助装置 (如吊液架和书饭桌 )在护理床 f：的可安装性所研制的机器人化护理床的床面结构如图 1 所示，它实现 J，对护理床的 7 个基本体位的位姿的要求，即平躺、抬背、屈伸腿、抬腿、左右翻身、坐起以及解便， 7 个面板是相互独立的通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现护理床所需的各种体位的位姿护理床的位姿与相应的床面板动作如表 l 所示各床面板的摆动角度如下：背板 (坐姿 )， o。一十 750；背板 (左右翻身 )， o。+65。；左右臀部板， O。 +75。；大腿板， o。一 +35。；小腿板，一 55 o +35。；解便盖板， O。一 +90。 2 机器人化护理床的控制系统为了便于对护理床进行智能控制，及 时 r 解护理床的当前工作状态，律护理床的脒身上需安置必要数目的传感器 ”?通过分析传感器传输来的数据，控制系统可以实时了解、控制床面板的运动状态，防止不同机构问的相互干涉或是驱动电机超调对床体、人员造成的不必要伤害控制系统的总体结构如图 2所示在床体位姿的控制方式方面，除了采用通行的键盘按钮输入方式外，为了方便体弱病残者，还增加了语音输人方式 +操作者可以通过语音命令来操纵护理床由于普通类型的控制芯片难以完成语音命令的识别，冈此将整个护理床的控制系统分为两大模块第一部分为主控制模块，它由一个单片机控制系统 构成，用于实现护理床系统的主体控制，包括接受键盘语音控制命令和传感器位置信号的输入，以及输出电机控制信号等，第二部分为辅助控制模块，主要进行语音的识别和回放，它将来自操作者的语音控制命令转化为电信号，然后经过编码转换，输送至主控制模块，同时接受来自主控制模块的电信号，将这些控制指令转换为操作者可以理解的声音信号 2 1 机器人化护理床的主控制模块主控制模块在运行时接收来自 键盘语音识别电路的电信号，经过分析处理，将控制信号通过外部接口输送到语音回放电路，由语音回放电路将电信号转化为声音信号，提供语音反馈信号，使操作者随时了解护理床的实时动态；另一方面，主控制模块根据各种信号命令，控制不同的电机运转，从而实现用户所期掣
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