水平与垂直转换机构设计

水平与垂直转换机构设计目 录摘要1ABSTRACT21 绪论31.1 课题研究的背景31.2 国内外研究现状的调查51.2.1 国外研究现状51.2.2 国内研究现状71.3 课题的发展趋势81.4 课题研究意义81.5 课题的主要研究内容和拟解决问题91.6 本章小结102 水平与垂直转换机构的概要设计102.1 用户需求分析102.2 人体下肢模型分析112.3 设计中应遵循的设计要求和指标142.4 结构的初步设计162.4.1 相关国家标准的查询与确定162.4.2 尺寸参数的初步分析172.4.3 水平与垂直转换机构运动范围分析182.4.4 机构方案的分析与选型203 机构的运动性能分析233.1 机构运动性能分析的目标233.2 基于Solidworks和AutoCAD的计算机辅助设计233.3 基于Solidworks motion的运动学分析263.3.1 水平与垂直转换机构的设计力学分析263.3.2 水平与垂直转换机构的运动学分析293.4 水平与垂直转换机构的动力学分析353.5 运动学分析的结果373.6 本章小结384 水平与垂直机构的详细设计384.1 连接与驱动方案的设计384.2 驱动方案的确定394.3 材料的选定404.4 本章小结405 装配调试与强度校核405.1 水平与垂直转换机构的装配405.2 水平与垂直转换机构的强度校核415.2.1 Solidworks simulation概况415.2.2 分析中所需的主要数据425.2.3 部分仿真过程及结果展示425.3 本章小结436 总结与展望436.1 全文总结436.2 后续的研究方向与展望456.3 心得体会45参考文献47附录493摘 要由于严重的老龄化趋势，中国社会中卧床不起的老人的人数占比很大，他们因为年龄的增长导致的下肢运动能力的退化，在日常生活中无法独立的完成吃饭、洗漱等动作，一举一动都需要他人的帮助与照顾。这给他们带来了巨大的痛苦，也给其家人和医护人员带来了沉重的负担。本次所设计的机构是水平与垂直转换机构，在本文的研究背景下，它主要是出现在医用智能护理床中，作为其重要的一部分，为患者的下肢提供辅助康复训练功能。它可以通过机构的设计，在一个平面与两个相垂直的机构之间互相转换，在医用智能护理床中，主要实现了下肢运动障碍者在长期卧床环境下的上下屈腿功能，帮助患者进行一些简单的关节、肌肉运动，防止因长期卧床的情况而出现的肌肉萎缩、神经坏死问题的出现。通过一系列的机构设计，可以减少对照顾老年人所需的人力需求，减轻其家人和医护人员的负担，同时提供更好的康复治疗效果。本文在满足患者心理需求和生理康复需求的大前提下，结合了人体工学的相关知识，秉持着安全、高效、舒适的原则，对机构进行了一系列的设计。其中包括下肢模型的分析、机构的方案选定、三维二维设计软件的应用、运动学和力学的分析和仿真等等。确定的机构是以电动推杆带动大腿板的运动，通过平行四边形机构的设计保证小腿板的平行，达到大腿板和小腿板之间的水平与垂直位置转换。关键词：水平与垂直转换，医用护理床，屈腿，三维建模Horizontal and vertical conversion mechanism designABSTRACTDue to the serious aging trend, the number of elderly people who are bedridden in Chinese society accounts for a large proportion. They are unable to independently complete eating, washing and other activities in daily life due to the deterioration of lower limb exercise capacity caused by their age. All actions require the help and care of others. The mechanism we designed this time is the horizontal and vertical conversion mechanism. In the research background of this paper, it mainly appears in the medical intelligent nursing bed. As an important part, it provides auxiliary rehabilitation training function for the lower limbs of patients. In the medical intelligent nursing bed, the upper and lower leg flexion function of the lower limb movement in the long-term bed environment is mainly realized, and the patient is assisted. Some simple joints and muscle movements prevent muscle atrophy and necrosis due to prolonged bed rest. Under the premise of satisfying the psychological needs and physiological rehabilitation needs of patients, this paper combines the relevant knowledge of ergonomics and adheres to the principles of safety, efficiency and comfort, and carries out a series of design on the institution. These include analysis of lower limb models, selection of institutional options, application of 3D 2D design software, analysis and simulation of kinematics and mechanics, and more. The determined mechanism is to drive the thigh plate by the electric push rod, and the parallelogram mechanism is designed to ensure the parallel of the lower leg plate to achieve the horizontal and vertical position conversion between the thigh plate and the lower leg plate.Keywords: horizontal and vertical conversion, medical nursing bed, flexed leg, 3D modeling水平与垂直转换机构设计孟旭彬 0111151031 绪论1.1 课题研究的背景本题目（水平与垂直转换机构），是导师主持的产学研项目，来源于正在研发设计的创新机械产品“医用智能护理床”，为其中的一部分机构，结合优化设计与实际应用，为此课题提供了有力支撑。目前，中国的人口分布有严重的老龄化趋势，老年人的总量在中国当今的总人口数量中已经占了很大的比重，且有持续上涨的趋势。数据表明，截止至2017年底，我国的人口总量为139008万人，其中，年龄在16-59之间的可劳动人口有90199万人，占总人口的17.3%，其中65周岁及以上人口15831万人，占总人口的11.4%。60周岁以上人口和65周岁以上人口都比上年增加了0.6个百分点。预计到2020年，老年人口达到2.48亿，老龄化水平达到17.17%，其中80岁以上老年人口将达到3067万人；2025年，六十岁以上人口将达到3亿，成为超老年型国家。考虑到70年代末，计划生育工作力度的加大，预计到2040我国人口老龄化进程达到顶峰，之后，老龄化进程进入减速期。图 1.1 2007-2020年中国60岁以上人口数量及比重与此同时，老年人群体中行动不便的人群占比也很大。数据表明，脑瘫的发病率在我国为1.84%，并且在老年人口之中，发病率更达到了10%。与此同时，肺部疾病导致的呼吸道相关疾病、心脏疾病导致的供血问题、关节骨骼的老化积液风湿、长期缺乏运动导致的肌肉萎缩老化等等疾病，都是常见与老年人口之中的疾病，且都会导致老年人口运动的障碍。长期以来，甚至会导致常年卧床不起，最终肌肉运动能力达到一个极低的水平，最终彻底丧失运动能力。这样的情况表明了，老年人口中，尤其是70、80岁的大龄人口，受运动障碍影响的人口将占很大的比重。这同是也表明了，社会需要投入很大的资源，包括医疗器械、医护人员等等的医疗资源在这些失去行动能力或者半失去运动能力的老年人口之上。然而对此类无运动能力、自理能力的人群的照顾，本身就是一个难题。长期失去运动能力的人群无自理能力，每天的一举一动都需要他人的协助，且按照现有的医疗条件，完成对无运动能力的老年人的翻身、排泄、坐卧切换往往需要2-3个医护人员的合作才能完成，随着中国老龄化人口的进一步增多，这无疑对医护人员的数量提出了巨大的要求。如此严重的人口老龄化势必将带来一系列的社会问题，众所周知，养老一直是中国社会一个长久存在的话题，且养老问题切实的联系到中国社会的方方面面，在我看来，只有合适的安排好老年人的赡养工作，做到老有所养，国家才能保证经济社会的稳定。可以想到的是，数量如此庞大的老年人口会带来十分严重的医疗、社保压力，现有的医疗保障政策和当今配套的医疗器械不可能应对的了持续增长的老年人口数量，一定会有相应的政策改动，相应的，医疗器械的研发也迫在眉睫，研发能在当今人口老龄化情况如此严重且持续增长的环境下，且能方便子女、医护人员照顾行动不便，甚至失去行动能力的老年人的一系列医疗产品成为了时代的要求，有着重要的意义。1.2 国内外研究现状的调查1.2.1 国外研究现状由于经济水平、科学技术水平较高，以日本、美国、欧洲为首的发达国家很早就开始重视了医用智能护理床产品的研发。因此在市场上常见各种国外厂家的不同规格、不同功能的智能护理床。在欧美和日本市场上，医用智能护理床已经有了较大的份额，市场价值也在逐渐膨胀。2011年，护理床在美国的整体市场份额就已经达到了53亿美元。并且国外的技术较为纯熟，且偏向高端。具有代表性的商家有日本的Murate Machinery公司，美国的Metrocare Devicelink 和HILL-ROM公司等等。日本的Murate Machinery公司早期生产的一款医用智能护理床的结构中，主要包括主床体和一个可变轻型轮椅结构，电动轮椅的机构平时收缩在床体内，在日常的使用时，轮椅与主床体是一体化的，但是此产品可以通过变形转换，将轮椅平面收缩，轮子及相关机构移出，成为一个可以让病人离开床体，在轮椅上自由活动，是一个十分新颖的一体化产品。该产品被誉为家庭护理领域的一场革命。此外，美国Metrocare公司的产品可以大大的减少医护工作者的体力消耗。它可以通过电动机控制，实现自动的起背、屈腿等动作，尤其是考虑到中国医护人员之中，女性占较大比重，所以这也是一项值得借鉴的产品。Devicelink公司的产品与日本的Murate Machinery公司有异曲同工之妙，也将轮椅和病床一体化，使其可以通过机构转换的方式自由切换两种形态，既可以作为病床满足日常医疗用途，也可以作为轮椅为家属照顾患者的外出通风透气提供了便利的条件。图1.2 德国bock公司生产的护理床产品图随着科技的迅速发展，医用智能床也有了新的革命性变更。早在本世纪初，科学家Jias等人利用CORBA作为通讯体系结构，设计了网络分布式远程护理系统，此类系统具有很好的比例缩放和交互通讯能力，同时满足不同的机构组织可以独立完成计算、分析、决策功能。并且产品拥有配套的平台，可以让使用者，包括医护人员和患者及时沟通交互，实现对患者的远程护理。著名的日本的三洋公司也有创新的项目。他们大胆的提出了整体传送方案，通过他们的设计，可以将病人从床上直接传送到浴室、洗手间等处。图1.3 德国bock护理床的结构简图1.2.2 国内研究现状而我国的医用只能护理床由于起步时间较晚，技术水平及使用普及率较欧美日等国的确有较大差距。但是我国在最近几年也在逐渐重视这项技术的研究。其中，华南理工大学的谢存禧等人便研发了一款护理床。他是利用了机器人多轴控制技术，由不同的电机驱动，在plc系统的控制下，完成各个模块的位姿转换，实现各种不同的功能形态，达到不同的护理效果。并且在人机交互方面也做了简化设计，可以通过语音控制和按键控制两种不同的方式来完成所需的功能。石家庄市满友医疗器械实业有限责任公司所研制的一款产品相对比较成熟。床体由框架结构构成，床面由几块不同的板子所构成，可以完成起背，坐姿卧姿姿态转换、屈腿、移动、刹车等等基础功能，是市面上功能较为完整的一个产品。并且他还加入了呼叫、娱乐、液晶显示屏等等不同的功能，能在功能上丰富了不少。图1.4 国内某公司生产的医用护理床在去年举办的第十二届中国国际养老、辅具及康复医疗博览会中，也出现一批优秀新颖的新一代医用智能护理床。其中的产品一般运用双曲柄摇杆机构来完成智能床的上下升降转换，与此同时，双曲柄摇杆机构与转动倒杆机构相互配合，可以使床身的上下升降和背部角度改变同时进行。同时也有很多机构可以通过机构设计和电机驱动，完成下肢部分的形态改变，十分新颖，也展现了我国国内在医疗护理器械的创新意识和设计理念正在慢慢更新，趋向于成熟。1.3 课题的发展趋势 在日常生活中，其实医院里一直都存在着医用护理床的初步概念。最初的护理床是普通的钢制病床，人们为了对病人起到固定作用，防止病人滚下，通常在四周加入挡板，并配有其他的一些小设计，如方便病人挂点滴的悬架，方便呼叫医护人员的呼叫按钮，方便及时对患者进行心率及其他指标检测配套仪器等。现存在医院中，最常见的病床也是通过了一系列的设计，加入了很多不同的功能，有可以转换成轮椅形态的轻质医疗床，有可以移动，当做担架使用的医疗床等等。最常见于医院病床之中的机构设计便是通过手摇可以改变背部角度，以达成坐姿卧姿转换的功能。这种功能可以方便对病人的洗漱、进食等方面的照顾，同时也可以转换姿势，给患者带来舒适。 但是仅有如此的设计，是无法满足如今及以后严重的老龄化问题的。近几年，随着科学技术的发展，同时伴随着整个社会对医疗保障体系的重视，电动护理床开始逐步出现在人们的视野之中。例如通过电动机驱动的方式来代替以往的手摇方式，可以更省力的完成坐卧姿态的转换。与此同时，还有更尖端、更具有创新特点的多功能护理床，此种护理床是将微机技术和机械技术、医疗技术相结合，完成对患者的综合护理工作，并且实现重大突破，在满足护理医疗功能的同时可以完成保健康复功能，完成综合多元化发展。随着现代物联网时代的到来，新一代医用智能护理床势必会将微机、医学、机械、人体工学等学科结合交叉在一起，达到多元化发展。同样，水平与垂直转换机构作为医用智能床很重要的一部分，也可以在下肢姿态转换的功能下，发展到模拟运动训练，以及其他更有创造性的功能。1.4 课题研究意义从上世纪90年代开始，中国就已经有了人口老龄化的趋势，本世纪初便开始正式步入了老龄化社会，并且老龄人口数量和占比都以一个很快的速度持续增长。与此同时，与欧美等国的老龄化情况不同，我国存在一个未富先老的情况，即经济发展水平并没有达到一个很高的程度，尚且处于一个发展中国家的阶段，便已经开始了逐渐步入老龄化社会。这样的情况预示着我国暂时并没有足够的经济实力、医疗条件和社会意识来应对如此严重且快速的老龄化进程。并且由于我国大量的人口基数，中国的老龄化程度在世界上也是数一数二的。我国的老龄人口数量远远超过世界上其他所有国家，而且由于上世纪中后期的生育思想、政策，我国的老龄化速度也是世界最高水平，因此，我国应对老龄化的任务是非常严重的，形势也非常严峻。况且对于其中相当数量的行动不便的老年人，长时间卧床不起可能会导致一系列问题，如占用大量的医护人员，且长时间卧床不起容易造成应力性溃疡，俗称褥疮。这是一种常见于瘫痪患者的疾病，是由于肌肉组织长期压力导致的局部组织坏死。据报道，每年约有6万人死于压疮并发症。与此同时，长时间卧床所导致的肌肉萎缩、长时间可能彻底丧失行动能力，都是医护过程中可能遇到的重大难题。结合上文中，中国社会老龄化严重、且养老的器械、人力资源紧缺的背景。我国需要把提升医疗从业人员的数量和素质、完善养老保障体系、研发高新技术的医疗器械三项任务放在一个重要的位置。现存的一些医疗器械大多数结构简单，功能单一，大多只有配套的，用来挂点滴的杆子，稍复杂的可能会配有呼叫装置、心率检测装置，但是总体的机构设计方面，特别是床板设计方面，结构非常简单，与日常使用的床无太大差异，最多通过手摇的方式能调整背部角度，实在无法满足更进一步的要求。而本文中本次设计所来源的项目多功能医用智能床就是为了应对如此严重的老龄化现状而生的新一代创新医疗产品。它可以通过一系列机械设计，以完成日常照顾大龄老人所需要的翻身、排便、模拟运动等一系列功能。而水平与垂直转换机构则作为其中的重要组成部分，则可以完成对患者下肢的姿态变化、并且通过模拟人走路的方式，对患者进行康复下肢康复训练，进而有效的防止由于长期卧床所导致的褥疮的产生及肌肉萎缩情况的出现，且对于下肢暂时损伤的患者来说，能起到牵引运功的作用，对下肢骨骼肌肉神经的复建起到了重要的作用。同时在治疗过程中并且能够对患者的心理也有很好的影响，进而对整体的康复医疗过程产生重大的意义。1.5 课题的主要研究内容和拟解决问题 本可以所研究的机构是医用智能护理床的一个重要机构，在医用智能护理床中，使患者可以改变常用的卧姿，让其可以正常屈膝，使患者完成日常所需的姿态转换与肌肉运动，有效避免因长期卧床而导致的褥疮、肌肉组织萎缩坏死等隐患，并提供了理论基础使未来床-轮椅一体化成为可能，从而支撑起了对患者的下肢护理、康复、训练功能。 在本次设计中，我拟完成的主要工作内容如下：用户需求分析：通过走访，数据调查等方式，了解到产品主要面向人群，即老年人、下肢运动障碍患者和其护理人员的日常护理情况，并分析其主要需求，来制定设计的主要思路和方案，也确定设计要求和设计指标。（1） 方案的概要设计：按照所分析确定的设计要求及设计指标，选择可行合适的机构方案，综合考虑成本、效果等因素，达到所需的效果。并确定整个结构的大致尺寸，对所需的电机进行选型完成驱动方案。（2） 机构的详细设计及建模：完成机构中各部分的详细机构设计，包括尺寸设计、材料选择等，并进行详细的逐个的零件Solidworks三位建模，初步验证概要设计中各部分尺寸选择的可行性。并完成整体的装配。（3） 受力分析：采用Solidworks中自带的有限元分析软件Simulation对建模的各部分进行力学强度校核，并对照安全要求，确定设计的可行性，保障设计的质量。并运用Solidworks Motion软件对各部分进行运动学仿真，确定各部分可以完全稳定的完成所需的功能。（4） 二维三维图纸的整理导出：根据已经完成的Solidworks三维建模绘制出设计中的一系列图纸，包括零件图、装配图等等，并标明各部分的尺寸要求、装配注释等等。（5） 设计的总结与体会：总结本次设计内容。包括自己的心得体会，总结设计过程的难点重点，自己设计的亮点及不足，以及对此项目的看法等等。本次设计中的主要技术路线依照上文设计内容展开。包括用户需求分析、机构分析及结构确定、尺寸的确定和计算、Solidworks三维建模、Solidworks Motion仿真、Solidworks及AutoCAD图纸的导出等。1.6 本章小结本章主要为后续的论文写作做出了前期的一系列准备工作，在进行本章内容的设计时，我查阅了大量的资料，对课题的研究背景、现实需求情况进行了分析，同时参考了现在市面上已有的产品，对他们的特点进行了了解，并在此基础上大致确定了下文需要研究并表达的内容以及研究思路，为我之后的写作起到了一个指导的作用。2 水平与垂直转换机构的概要设计2.1 用户需求分析本次的产品主要使用在医院的较高级病房中，为行动障碍的患者提供下肢康复的相关便利，同时也可以在家中使用，因此产品的主要适用人群不止是下肢运动有障碍的病人，还应把负责照顾他们的人群算在内，如医院的医护人员，还有家中的年轻一代。在医院病房和家中，有很多下肢运动有障碍的人，如残障人士，肢体瘫痪人群，脑部障碍人士等等，他们大多数不能独自完成日常的一些简单动作，如洗漱、翻身、抬腿等等，其中很多人甚至没有自理能力，属于失去行动能力的人群。对这类人群的照顾是一个相当辛苦的工作。现有的医疗条件下，照顾这些人群不仅给护理人员带来了巨大的身体负担，还会给其家人带来巨大的心理压力。尤其是考虑到我国老龄化进程飞速加快的如今。这一类的新型医用智能护理床的出现为的就是提高卧床患者的日常体验，以最方便的方式帮助他们完成日常的一些肢体动作，使部分行动本身不方便的轻症状人群有一定的自理能力，同时可以减轻医护人员的负担。认真分析背景意义，并对如今的医疗机构、医疗条件有一个初步的了解后，我觉得用户的主要需求如下：（1） 能轻松的了解其操作方式。考虑到患者主要是年龄较大的中老年人，因此产品的操作界面应以简单易懂为第一要点，尽量采取一键启动，一键停止的方式来控制。并且考虑到很多70、80岁以上的老年人文化水平较低，所以尽量再按钮上附上简单的图片，能让部分老年人也能独立完成机构的使用。（2） 能起到活动放松身体的效果。考虑到产品的用户大多数是行动不便，无法下地走路的群体，因此为避免长期卧床不动导致的肌肉萎缩、下肢退化、神经失灵等症状。（3）能帮助下肢的康复。对于部分患者来说，适当的治疗可以使他们的病情减缓，帮助他们进行下肢复建。尤其是长期卧床的患者，大多数时间其实都是可以被利用起来的。如果能把日常浪费掉的时间用来康复治疗，那一定会对患者的病情有重大的意义。2.2 人体下肢模型分析在医学上，人体腹部以下的全部部分被称作下肢。按照从上而下的顺序，医学上通常把下肢分为臀部、股部、膝部、小腿部和足部。它是由骨骼、肌肉、血管神经、浅深筋膜以及皮肤组织组成的，并可以区分为浅层结构和深层结构。在浅层结构中，主要是皮肤和浅筋膜两部分，并且在浅筋膜中，有很多浅静脉、淋巴管和表皮神经。深层结构则不同。有深筋膜、肌肉、血管、骨骼四部分，并以血管神经及其行径为依托，成为下肢结构中很多不可或缺的重要核心机构部分。图2.1 下肢组成分析图人的下肢还有相当数量的肌肉成分。髋肌、大腿肌、小腿肌和足肌等都是下肢肌肉不可或缺的部分，他们共同组成了下肢的肌肉组织。不同于人的上肢肌肉，下肢肌肉部分更强壮，肌肉数量更大。这样的肌肉组成可以很方便的保证人的日常行为动作，如日常的站立，走路，奔跑和坐卧等等各种功能。图2.2 下肢肌肉组成下肢肌肉相对于上肢肌肉的粗大等特点表明了它也有更好的接受压力的能力。而对足部而言，并不承担日常的工具使用等任务，对于长期卧床的人员来说，需要注意的是踝关节的活动。这里便不得不提到下肢最重要的三个关节，即髋关节，膝关节和踝关节。在本次课题中，需要印象到的关节主要为髋关节和膝关节，足关节暂时不在本文分析范围之内，因此在这里暂不做赘述。髋关节主要起到髋骨和股骨的连接中转作用，它是具有多轴性的特点，人体日常行为中的屈伸、收展、旋转及环转运动，都是依托于髋关节去完成的。髋关节的关节头与关节窝大小几乎一致，所以可以运动的角度并不大。此外，髋关节也有着关节囊厚的特点，同时因为相应韧带的有效牵制，髋关节十分稳固，但是灵活度有限。正是这样一个巧妙的结构满足了人类对于直立行走的要求。图2.3 髋关节的活动范围示意图与髋关节不同，膝关节主要负责股骨和胫骨的链接。膝关节很大且结构非常复杂，是下肢结构中，甚至是整个人体结构中复杂程度数一数二的关节之一。它主要由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，属于滑车关节。值得注意的是，膝关节是人体中非常复杂的关节，他在具有很高的使用频率同时，同样也是最脆弱、最易损坏的关节。尤其是老年人的膝关节，常伴有积液等等症状。所以膝关节是本次在做整个设计中最需要关注的关节。除去主要构成部分之外，还有半月板，髌上囊和髌下深囊和加固关节的韧带等，他们是主要的辅助结构。膝盖有很多常见的疾病，尤其是在老年人群体中，因此在设计中，需要特别注意对膝关节的保护。图2.4 膝关节活动范围示意图而每一个自由度可以达到的角度则如下表所示（表2.1）。表2.1 膝关节的运动方向和角度运动方向曲屈后伸旋内旋外运动角度0-1350-150-300-82.3 设计中应遵循的设计要求和指标（1）满足患者的生理康复需求对于那些饱受下肢障碍疾病的人群来说，药物的治疗只是一方面，合理的康复训练会对病人的健康回复起到很重要的作用。一般来说，间断的人为康复训练形式种类单一，效率较低，且由于人的控制能力相对较弱，整个过程中力度手法存在差异，无法保证训练能达到稳定的收益效果，且易出现错误。并且人的康复训练没有足够的反馈系统，患者并不能直观的看到效果，因此人工的康复治疗有很大的局限性。对于下肢运动障碍患者而言，下肢的运动训练十分重要，直接关系到患者的康复过程，甚至可能关系到患者的下肢骨骼、肌肉恢复情况、今后的自理能力和生活情况。及时有效的康复训练，增强下肢的肌肉活力，保持下肢的运动功能，为康复后的适应正常行走，对很多患者都有着十分重要的意义。与此同时，下肢运动障碍的患者很多都是因为下肢的不便而导致自理能力的缺失，并且可能常年卧床不起，使得本身就存在运动障碍的下肢情况更加糟糕，他们日常的活动，如洗漱，吃饭，排便等等都需要在床上进行。这会给他们的心里带来一定的影响，如缺乏安全感等等，进而影响自身的行为。这样的情况会使患者期望借助器械的功能，来独立完成一些事情。因此，按照他们的生活需求，针对他们的实际困难量身设计早期的康复训练运动，务必能实现患者的生理上真正康复。（2）满足患者的心理康复要求心理作用是客观存在于人的大脑之中的反应。人的行为和心里反应是互相影响的。从心理学角度去分析，下肢功能障碍者是心理上的弱势群体，他们知道自己的生理方面存在一定的缺陷，相对应的心理上可能存在着自卑、缺乏安全感、过于依赖别人等等一些列问题，伴随来的还有焦虑、恐慌、不安等等。而且当他们长期受到病痛的折磨，远离外界的社会，心理的复杂不是一般人能够想象的。他们也渴望回复健康，渴望能减少自己对他人产生的负担，做一个独立的人。由于患者的这样的心理，本文在设计中可以充分利用患者的主观能动性，让患者积极主动的投身于康复训练中，满足患者的心理康复要求，让患者有一个愉快的心情，帮助他们更快的康复过来。（3）满足人体工学的尺寸及细节设计在本文整个医用智能护理床结构的设计中，本文应该从人机工程学方面考虑。需要详细的分析人的生理结构情况、心理健康情况、行为习惯等等方面，为产品的患者提供最舒适的使用体验。在外观方面，产品尽量避免过于鲜艳的颜色，如红色、橙色、黄色等，尽量去选择偏于安静、沉稳的冷色调，如白色、灰色、浅绿色、浅蓝色等等，这样的颜色可以配合病房的整体布置，给老人一个偏于安静的心理环境，同时也对患者的心情有一定影响，跟可以对患者的心率等身体指标产生好的印象。在设计中，要以我国的成年人人体为主要尺寸标准来做参考，来确定医疗护理床的长宽及机体尺寸。肢体功能障碍的原因造成了常年卧床而形成的疾病，或者由于肢体的病变而造的不能大范围运动。在设计中，本文主要参考医用电气设备 第一部分：安全通用要求、医用电气设备 第二部分：医用电动床安全专用要求等相关标准，作为设计指标。同时又从人体工程学的的角度对活动范围以及关节活动度上进行适当的修正。在设计中，要多注重细节的设计。尽量将尺寸设计满足人体的四肢结构，且在运动过程中尽量平缓，除去发生危险意外的可能性。2.4 结构的初步设计2.4.1 相关国家标准的查询与确定本次所设计的产品主要面向人群是遭遇下肢损伤的运动障碍者和年龄较大的老人。因此要根据目标人群的具体特点来确定产品应用的承载能力。图2.5 中国各地区的身高体重分布表上表中反应了如今中国不同地区的体重、身高等指标的分布情况，可以看到中国各地区的体重等指标虽有差异，但大致相同。而且考虑到人的体重会随年龄。生活状况等因素多次改变，并不稳定，因此应以成年人的体重为标准，并考虑到特殊肥胖人群的需求。图2.6 床各部分载荷标准要求同时根据国家医用电气设备第二部分：医用电动床安全专用要求中的规定，现在设计的医用智能护理床必须有承受1700N载荷的能力。其中，1700N的载荷中，患者重量的指标为1350N，此外还包括了200N的床垫质量和150N的附件质量。并且上述文件还对医用智能床各部分的载荷分布做出了具体的规定。其中腿部的载荷，包括小腿和大腿支撑板的载荷，共占总载荷的30%。如上图所示。根据国家要求和自己的分析，最终选定总床的承载上限为2000N，且下文的设计都以此为标准。2.4.2 尺寸参数的初步分析在中华人民共和国行业标准病床文件中，规定了床体的整体尺寸标准，为长宽=1950mm900mmm且中华人民共和国行业标准文件中，规定了行医用机械床的基本尺寸要求，其中不含床架的床面长度范围为1900-2100mm ，床面宽度范围为 850-1000mm ，床面离地高为 380-630mm 。根据实际所查到的标准要求，并参考市场上已经存在的护理床的相关数据，结合实际的需求，综合考虑床的方便、舒适、和人体的适配性等一系列指标，满足项目具体需求的床体整体尺寸为2000 mm 900 mm 440 mm（长x宽x高）。图2.7 人体坐姿分析图水平与垂直转换机构是通过床板来达到最终的执行功能。在设计床板的尺寸时，毫无疑问的，人的坐卧姿尺寸及小腿大腿两部分的具体尺寸是最重要的参考数据。GB/T10000-1988中国成年人人体尺寸标准中给出了规定，如今36-60岁的女性身高标准为1477mm，其中坐姿高度为805mm，小腿加足高为388mm，做深为400mm。男性则稍有不同，36-60岁之间的男性身高标准为1761mm，坐姿高度为952mm，小腿加足高为442mm，坐深为494mm。同时由于人的坐姿可能改变，因而导致坐姿所得数据有差异。并且每个人的数据在不同的时间节点可能也不一样。所以在此处本文就以标准数据作为参考，以达到满足绝大多数人的日常使用需求。经过仔细分析，确定大腿板的尺寸为 300mm 690mm （长宽），小腿板的尺寸为280mm 690mm （长宽）。2.4.3 水平与垂直转换机构运动范围分析根据国家标准医用电气设备第二部分：医用电动床安全专用要求关于背板、大腿板、小腿板调节范围的建议值，如图下图所示：夹角A的弯曲范围应该在 0- 70内，且不小于此参数。夹角B的弯曲范围应该在 0- 12内，且不小于此参数。夹角C的弯曲范围应该在 0- 20内，且不小于此参数。夹角D的弯曲范围应该在 0- 180内。图2.8 国家对医用智能床的运动角度规定本次设计中，理想中的水平与垂直转换机构不仅仅可以完成向上的屈腿动作，也可以向下屈腿，完成近似坐姿的切换，因此，考虑过后确定整个屈腿部分的运动范围分别为实现上屈腿功能时的0- 40，实现下屈腿功能时的-70- 0。图2.9 下肢运动过程中两种运动方式的介绍2.4.4 机构方案的分析与选型通过查找资料、分析、参考现有的各种产品，发现水平与垂直转换机构可以通过很多种不同的方案来实现所需的屈腿功能。不同的机构能实现的功能也有差异，且在舒适度、治疗方式、稳定性等等性能方面也大大不同，下文我将通过对几种常见且可行的机构进行分析，认识他们的特点和功能，选出最适合本次设计的机构设计方案。图2.10 第一种设计方案结构简图上图是一个九个活动部件构成的机构，主要的部分是推杆、连杆和电机。该机构共有十二个低副，两个高副，自由度为因此，该机构自由度为一，有确定的运动形式。该机构的大腿板和小腿板是由连杆机构所带动的。当有动力输入电机中时，电机开始工作，提供动力让推杆及丝杆进行转动动作，并由连杆机构最终带动大腿及小腿部的床板运动。大腿及小腿的床板通过这个过程运动了一定的角度，达到了一定的位置时，便达到了本文中所需的屈腿效果。在此种方案内，最关键的部件是推杆，如果想让小腿及大腿床板拥有较大的活动范围，则对推杆的长度尺寸有着较大的要求。并且当下屈腿功能进行时，由于机构本身的缺陷，可能会出现与床其他部分想干涉的情况。并且此种机构占用空间较大，且结构复杂，不符合本文轻便的设计要求，因此，这次设计最终舍弃了这种方案。图2.11 第二种设计方案结构简图此种机构是大腿床板与小腿床板单独控制进行运动的机构。机构中为大腿床板和小腿床板分别配备了一套独立的连杆机构。此机构中共有六个活动部件，其中旋转低副共有六个，滑动低副共有两个，没有高副机构，床板与连杆机构之间通过铰链的形式进行连接。自由度为 依靠该机构设计的垂直于竖直转换机构的自由度为2，大腿床板与小腿床板运动独立，有两个电动机驱动，即有连个原动件，原动件数量和机械自由度相等因此也有确定的运动。在运动过程中，需要两套电动推杆进行配合。此机构同上一个机构一样，都对推杆的长度都有较大的要求，进而占用空间较大。且此机构需要两套电机 - 连杆机构，带来了更大的控制难度，同时两个机构需要相互配合，也使它的成本、故障率达到一个较高的水平。综上所述，本次的水平与垂直转换机构也暂时不考虑此种方案。图2.12 第三种设计方案的结构简图上图所示的第三种方案是以平行四边形为主要设计思路的方案，机构由大腿床板、小腿床板、连杆机构和一个电动推杆所组成，主要是通过连杆来推动大腿床板的运动，同时依据平行四边形的结构特性，保证了小腿床板的运动情况。机构中共有五个活动部件，其中低副共有七个，转动副六个，滑动副一个，没有高副机构。自由度为机构的自由度为1，由一个电动推杆作为原动件提供动力，原动件数量等于机构自由度，因此机构有确定的运动形式。在完成上下屈腿的动作过程中，电动推杆带动大腿床板进行转动，达到位置的变化需求。同时，利用平行四边形的机构特点，可以保证小腿板始终与地面、床板处于平行状态，保证了整个机构的稳定，也给用户提供了较为舒适的体验。此机构结构相对简单，且性能平稳，能满足产品的功能需求的同时，符合产品所需的稳定性、舒适性等一系列性能指标。与此同时，整个机构的运行状态仅由电动推杆来决定，因此便于后期控制方案的选定设计，故障率低的同时易于后期的维修调试。因此在几种方案的对比中，此方案是一个较为理想的结构方案。 最后综合对比以上几种方案的优势和缺点，综合考虑其在加工难度、制造成本、控制方案、占用空间等等一系列因素，最终选定了第三种方案，以平行四边形和电动推杆驱动为主要依托，将其应用在医疗智能护理床上的水平与垂直转换机构，实现所需的屈腿功能，达到下肢康复训练的实际需求。3 机构的运动性能分析3.1 机构运动性能分析的目标在对水平与垂直转换机构设计的过程中，首先要做的便是确定机构的运动形式，之后需要根据产品的具体需求以及实际的使用情况，确定机构中连杆、床板等等部分的具体尺寸。在确定尺寸之后要做的事情便是对本机构进行相应的运动学、力学分析，以确定机构可以顺利的完成期望的动作，并且在运动过程中保持平稳安全，可以满足使用者的安全的同时达到期望的效果。在对机构进行运动学分析的过程中，需要研究机构中各部分的驱动方式以及其具体的效率是否达到产品的要求，同时通过软件分析机构上的各店的速度与加速度，来验证运动是否平稳，是否满足设计要求。确保了机构运动是合理的之后，需要通过一些仿真软件。如Solidworks motion、Adams软件来分析构件在承受载荷时的各部分力学性能，包括整体框架的受力情况以及连接处的力学性能，以确定所设计的构件的力学性能是合格的，这样才能投入生产，供人使用。3.2 基于Solidworks和AutoCAD的计算机辅助设计根据上文中的初步设计，我进行了详细的Solidworks和AutoCAD的计算机辅助设计。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。部分成果展示如下：图3.1 用来连接床整体和腿板的杆图3.2 支撑小腿板的托架图3.3 腿板之间的铰链机构图3.4支撑腿板的框架机构图3.5 装配示意图3.3 基于Solidworks motion的运动学分析3.3.1 水平与垂直转换机构的设计力学分析在医用智能护理床中，水平与垂直转换机构的结构采用平行四边形与电动推杆相结合完成功能，大致的结构简图如下： 图3.1 曲腿运动机构简图（下曲极限位置）在上述结构简图中，A、B、F三处为选定的固定支点，固定在医用智能护理床的床架结构中，起固定支撑作用。AD处为大腿板部分的床板，BE为一个长杆，DE为短杆，AD、BE、DE组成了机构中的四边形。CF为结构中的电动推杆，起到了为整个机构提供动力的作用，他的运动情况也和整个构件的运动情况息息相关。在这里，把A作为原点，将AB矢量方向作为Y轴，将AB矢量方向顺时针旋转90度作为X轴，建立平面直角坐标系，图中所标注的角1为大腿板AD和X轴正方向的夹角、2为电动推杆CF与X轴正方向的夹角，以此为基准进行下文的分析计算。此机构主要是由一个平行四边形结构和连杆、推杆构成。运用了平行四边形对边始终平行的原理，在大腿板不断运动，调整角度的同时，可以保证小腿板始终的平行稳定的结构。而在实际的应用中，整个结构实际上是由两组平行四边形连杆机构组成，他们分别在床板的左侧和右侧两侧分布，以保证整体的结构稳定性和承受载荷的能力。电动推杆支撑链接点位于腿板的中间，可以完成产品所需的功能。上图表现了整个机构位于下极限位置，即向下屈腿的极限位置的情况。以床板形态的初始位置及上极限位置，即上屈腿的极限位置的结构简图见下图。图3.2 曲腿运动机构简图（初始位置）在本次设计中规定的机构运动范围为70 - -30，其中，上屈腿的极限角度为30，下屈腿的极限角度为-70。这是由机构设计和功能需求功能决定的。在设计中，取到的具体尺寸为AD= 355mm，BE= 355mm，DE= 46mm，AC= 96mm。图3.3 曲腿运动机构简图（上曲极限位置）3.3.2 水平与垂直转换机构的运动学分析 水平与垂直转换机构是医用智能护理床中非常重要的一部分，因此，本文也需要对其进行运动学分析，以保证其运动的合理性，帮助设计中最终确定方案中，传动是否稳定，运行是否平稳，最终的结构是否可行。 在这个部分中，本文主要选用Solidworks motion插件进行运动学分析和仿真。Solidworks motion软件是著名的三维建模软件Solidworks中的一个实用的插件，它是基于Windows环境的参数化三维实体造型软件。通过Solidworks motion软件的应用，不仅可以进行三维建模，而且可以进行有限元分析、结构的优化设计、装配、运动学仿