毕业设计（论文）-智能护理床的机构设计与运动控制.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 毕 业 论 文智能护理床的机构设计与运动控制Intelligent Nursing Bed Mechanism Design and Motion Control 学院名称： 机械工程学院 专业班级： 机械设计制造及 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 副教授 2013年 6 月摘要 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 1.6 亿，老龄化率为 12%，据预测到 2020 年我国老龄化水平将达 17.17%，到 2050 年我国老龄化水平将推至 30%以上。 据资料显示，约 79.1%的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。 随着中国老年人口数目日益增多,老年人的护理、保健和康复日渐成为全社会关注的重要问题之一。人们对生活质量的要求不断提高,使得原有的老年人护理保健方式急需变革,护理人员的纯体力护理方式越来越不适应社会和家庭的护理需要,而社区专人护理和自动化、智能化护理设备的运用正是解决上述矛盾的有效途径。本论文研究了一种机器人化的多功能护理床,它是一种能有效减轻护理人员劳动强度,增强受护理人自理能力的多功能智能型护理设备,极具社会推广价值。 Abstract With the arrival of the worldwide aging population, our country has already entered the aging society. According to the statistics, the population in our country aged over 60 years old reached about 160 million at the end of 2008, which accounted for 12% of the total population. It is predicted that the aging rate of our country will reach 17.17% in 2020. Moreover, it will be more than 30% in 2050. According to information available, about 79.1% of the old man has at least one chronic disease. People with chronic diseases can get bedsore or other complications after a long-term bed rest, which will increase the body motility disorders significantly. Helping the patient to turn around from the back regularly can prevent or reduce the occurrence of bedsore. Patients with regular limb rehabilitation trainings will enhance the activity of their bodies and improve their own immunity. With the increase of the population of the old, the elderlys nursing, health care and rehabilitation increasingly become the important issues in the society .Peoples quality of life is ever increasing, making the way of original elderly nursing care needed change, nursing care way is not more suited to pure physical social and family care needs, and social district hand care and automation, intelligent care equipment use is an effective way to resolve these contradictions.This paper studied and designed a robotized care bed which could reduce the labor intension of nurses,increase the self-help capability of patients and be applied widely in hospitals and families for its advantage in future. 关键词：多功能护理床，机构设计，运动学分析Key words: Multi-functional nursing bed, care bed，Mechanism design,Motion Analysis 目录1 绪论 11.1 课题的来源、目的和意义11.2 国内外相关领域研究状况及发展前景11.3 研究和创新的技术问题22 多功能护理床的总体设计32.1 多功能护理床的设计要求和设计指标 32.2多功能护理床的整体方案设 32.3原动件的选择 43 多功能护理床的机构设计 53.1 起背装置的确定53.2 翻身机构的确定63.3 曲腿机构的确定73.4 便盆机构的确定83.5 机架的设计104运动仿真 124.1 建立构件的三维模型与装配134.2连杆特性和运动副 134.3定义载荷，完成仿真145结论 176致谢 187参考文献 191 绪论1.1 课题的来源、目的和意义智能护理床主要应用在残疾人护理应用方面，减轻卧床人员护理的难度和工作量。该课题根据企业的要求，通过对护理床运动的机构学的设计与研究，主要完成护理床机械结构的设计和运动控制的实现。前者重点是完成护理床的翻身、起背、曲腿及便盆进给等运动功能的实现，后者主要完成护理床的运动控制，在运动仿真的基础上，完成对护理床的各功能的运动控制实现。随着人口老龄化的加剧及计划生育政策导致新生人口数量的减少，年轻人面临的养老负担越来越严重，该课题的研究对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有着重大的意义。1.2 国内外相关领域研究状况及发展前景 护理床在国内的设计仍处于初级阶段，以功能基础型护理床为主。功能比较简单，不能实现使用者的护理要求，且以手动为主，操作繁琐，舒适性差。还有少量的功能普通型护理床，虽然可以实现一定的功能，但是其质量和技术水平较低，存在运动定位精度低、作用力难以控制的严重缺点，并且售后质量无法保证，因此不受医院和用户的欢迎。 而西方、美国、日本由于计算机技术进入医疗领域的时间早，国外的医疗卫生事业比较发达，医疗器械的产业规模相当大，特别是高端医疗器械产品，具有绝对的优势。目前，美国的通用、惠普，德国的西门子，日本的东芝岛津日立公司以及荷兰的飞利浦等少数的几个跨国大公司已经垄断了国际高新技术医疗设备市场。进入 20 世纪 90年代，电动护理床开始在医疗护理设备中暂露头角。目前高端的多功能护理床技术只掌握在欧美、日本等少数的发达国家，代表性的公司如美国的 Metrocare 公司，美国的 HILL-ROM、Devicelink 公司及日本的 Murate Machinery 公司以及八乐梦公司等（D.B Foster，1993）。护理床床体本身的构件可以实现多多功能医用护理床的结构设计及优化3种功能,包括平躺、仰起、曲腿、左侧翻、右侧翻、洁便门开关装置及冲洗马桶和冲洗身体的装置,另外还有烘干和抽风的设备。各个部分可以独立的运行来完成相应的动作,同时2将单个功能组合起实现复杂的功能。譬如病人躺在床上排泄问题的解决,改变靠背板的仰角或者左右的侧翻以取得舒适的姿态，护理人员对洁便池的清洗等。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。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。我国60 岁及其以上老年人口已达1.32 亿, 占全国总人口的10%, 并以年均3.32%的速度持续增长。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，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。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。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。庞大的消费群体、巨大的市场需求、产品的高科技含量以及国家政府的大力支持，必将会促进多功能护理床这一医疗器械产品的高速发展。1.3 研究和创新的技术问题 康复床的功能很多,机构复杂。大量的设计参数、参数之间的复杂交换影响和诸多约束给起居床的设计带来了很大的困难。其中,起居床设计的复杂性体现在要完成起身、翻身、辅助解便、污物后处理、康复床原位旋转、康复床与轮椅的转接、康复床的折叠和移动等工序装置繁多,零部件外形复杂,约束关系复杂,采用机、电、液系统结构难度大;采用计算机辅助工程(CAE)分析的方法,建立起居床的虚拟模型,对其进行机构运动学分析,可方便地修改参数和结构；通过模拟实验过程,明确各装置的相互关系,优化结构参数及动力分配,检验机构可靠性,为电、液系统提供主控参数。采用模块化设计方法实现即插即用的功能,使其方便快捷。2 多功能护理床的总体设计2.1 多功能护理床的设计要求和设计指标本课题设计的多功能护理床是针对肢体运动有困难的老年人及残障人士，为了避免由于长时间卧床引发的并发症，该床需要具备一定的功能。由于长期卧床容易引发褥疮,预防褥疮要做到定时翻身,一般情况下每2小时翻一次身,必要时每小时翻一次身,如此大量的护理工作要求康复床具备定时自动翻身功能;此外,这些残障者的排便和污物后处理也是家庭护理中的一项繁重工作,因此,辅助残障者解便及污物后处理也是康复床必备的功能。针对长期卧床的残障者可能产生的肌肉废用性萎缩、关节挛缩和僵硬,康复床应该能够协助患者进行有节奏的收缩与放松活动,以改善局部血液循环,促进组织修复,所以智能护理床应具备起身和曲腿功能。综上所述，该床必须具备左右翻身、起背、曲腿以及排便的功能。 设计指标如下所示：护理床规格：2000*950*50mm； 起背角度：0-85； 左右翻身角度：0-30； 曲腿角度：0-90； 2.2多功能护理床的整体方案设计机构的自由度的数目越多,机构也就越灵活,机构所能实现的动作数目和类型也就越多。但是为了为了降低系统的控制复杂度，在设计时本着原动件数目和自由度数目一致的原则。为了实现多个动作的控制，将各个体位姿势按照对应的床面面板加以逐个分解,转换为各个面板的独立动作的变换。所以讲床整体分为三个层次，即床架、实现运动的中架和上部的面板。上部面板的设计：（1）长度方向主要分为4个模块，分别为起背板、便盆板、大腿板和小腿板。根据人体黄金比例分割确认起背板为800mm，结合成年人人体尺寸确认便盆板为500mm，大腿板为300mm，小腿板为370mm。板块彼此间通过铰链连接。（2）宽度方向主要分为3个模块，分为中间的主支撑板和两侧协助实现左右翻转的辅助支撑板。主支撑板的宽度方向为600mm，协助支撑板的宽度方向为165mm。板块彼此间通过铰链连接在一起，铰链宽度为10mm。框架如图所示（未注铰链）小腿部分大腿部分便盆部分起背部分XY1Y3Y2图床架由方管焊接而成，实现运动的中架主要由各个零件装配形成的，将会在后面详细介绍。2.3原动件的选择 常用的驱动方式主要有气压驱动、液压驱动和电机驱动三种。由于电机驱动具有响应速度快，传动平稳，结构简单，容易控制，并且工作状态不会受到环境的影响的特点，所以选用电机驱动的驱动方式。因为该机械装置实现的是往复直线运动，而电动推杆的机械特性和过载能力都比较强，调速范围宽，低速平稳性好，占用空间小，并且控制方便，可以自由实现正反转向，所以选择市场上常见的电动推杆。 3 多功能护理床的机构设计护理床功能的实现需要通过一系列的机构实现，因此在设计的过程中主要考虑用何种机构来实现，为了保证能达到的精度。在设计过程中需要对一些关键的位置进行位置的定位。本次设计过程中，位置的定位主要是通过CAD软件用作图法实现的。3.1 起背装置的确定 起背机构的运动比较简单，只要在病人使用过程中不会感到不舒服且能实现旋转85的角度即可，所以直接用电动推杆推与起背板相连的推杆即可。主要是确认电动推杆的安装位置。以起背板和便盆板的铰链连接部分为圆心，保证推杆的球面与板接触且推杆与起背板平行。画出起背板的两个极限位置。这两个位置即为电动推杆长度的最大最小位置。根据推杆的最最短距离比行程长160mm，确定行程后即可确定电动推杆的最长和最短距离。本人采用了行程为300mm的电动推杆，分别以两个极限位置为圆心，以其对应的极限长度为半径画出两个圆。那么，这两个圆的交点就是电动推杆的位置。如图所示图3.2 翻身机构的确定翻身机构采用了类似“翘翘板”的方式，用电动推杆直接推板来实现翻转。因此，主要是确定电动推杆的杆长，行程以及连接位置。先画出板AB水平的位置。然后让其按照实现的翻转角度要求分别向上下旋转30度，画出极限位置。然后拟定行程，本次设计采用的行程为160mm。根据推杆的最短距离比行程长160mm。确定最短杆长为320mm，最长杆为480mm。分别以极限位置的端点为圆心，以其对应的杆长为半径画出两个圆。那么两圆的交点即为翻身机构电动推杆的定位点。具体作图方式如图所示:图3.3 曲腿机构的确定本着在实现运动功能保证运动精度的前提下，机构越简单越好的原则。曲腿机构采用电动推杆直接推板的方式。曲腿机构的确定就成了电动推杆行程、杆长、连接位置的确定。先画出支撑腿部的板的水平位置，即一个极限位置。然后画出翻转90度后的另一个极限位置。定义行程，本次选用了60mm的行程。根据推杆的最短距离比行程长160mm。确定最短杆长为220mm，最长杆为280mm。分别以极限位置的短点为圆心，以其对应的杆长为半径画出两个圆。那么两圆的交点即为曲腿机构电动推杆的定位点。作图如图所示：图3.4 便盆机构的确定机构的运动原理：当便盆电动推杆缩短时，带动上板先下降然后向右边移动，移开顶板和上部连接杆。在移动到一定的距离时，上部的连接杆和下部的中间连杆相碰撞，带动中间连杆向右移动。而中间连杆与下部的抬升杆又连接在一起。抬升杆一端固定，中间通过螺栓相连接。当抬升杆向右移动时，使得竖直方向的长度边长带动便盆支撑板和便盆向上移动。当电动推杆伸长时，刚好完成整个逆过程。便盆机构分为上下两个部分。图便盆上部由导轨、滑轮、滑轮连接杆、顶板和连接杆组成。顶板在便盆抬升前和床板保持水平，组成床的整体上平面。导轨和连接杆负责在便盆的抬升和下降过程过移开顶板，让便盆接替到顶板的位置完成整个功能。顶板和上部导轨的距离为32mm。便盆的下部由便盆、便盆支撑板、下部导轨、滑轮、滑轮连接杆、抬升杆、中间连杆组成。便盆和便盆支撑板焊接在一起。抬升杆的安装形式类似于北方的交叉板凳的形式。首先固定一端，抬升杆通过滑轮连杆在下部导轨中的移动实现上升和下降。便盆的上部距离顶板的上部为80mm，即抬升杆需要向上移动80mm的距离。抬升杆的长度为198mm，两个抬升杆与水平面之间的初始角度均为20mm。下部导轨 应该前进的距离是 53mm。如式所示 行程的确定:当上部连接杆的左端到达便盆的右端时，上部和下部开始同时运动完成整个的过程。上部连接杆与水平面的夹角为30，杆长为40mm，便盆顶板和连接杆左右连接的位置距离为100。便盆上部为便盆下部让路移动的距离为L=40xsin30+50+250/2+40xsin30x2=235所以推杆的行程为235+54=289mm。根据推杆的最短距离比行程长160mm。确定最短杆长为449mm，最长杆为609mm。分别以极限位置的短点为圆心，以其对应的杆长为半径画出两个圆。那么两圆的交点即为曲腿机构电动推杆的定位点。3.5 机架的设计本次设计需要完成侧翻的功能，床架既要支撑床板又要实现床的侧翻，如果只用一个床架难以实现。所以，在这次设计中采用了内外两个机架来完成支撑和实现其它的功能。外床架负责支撑总体的重量，内床架负责完成起背杆、曲腿杆、便盆移动杆的定位和板块之间的连接，同时和外支架一起共同完成翻身的功能。床架主要是由方管焊接而成的，焊接后注意进行时效处理。图外支架图图内支架图图总支架图 4运动仿真随着计算机软件业的飞速发展,目前,许多国内外的大型计算机设计分析软件都包含了机械零件建模(CAD)/仿真分析(CAE)/辅助制造(CAM)，这些高度集成的软件为广大设计人员提供了更完善的机械设计途径。利用UG软件可以建立多种运动分析方案,并对各方案进行分析比较,从而找到最合理的参数配置每种运动方案具有独立的运动环境,可以修改主模型为分析模型,所以各套运动方案的分析模型可以有差别,根据最优化的分析结果在不退出程序的情况下直接对主模型进行修改设置运动环境就是定义机械系统运动所必需的各种条件,比如:运动或力的输入、初始位置和状态在复杂的机械系统中,要定义多重动力驱动,并要定义不同驱动的大小、方向等关系,还有约束机构的速度或位移的最大、最小极限,使系统能在合理范围内运动。 运动仿真是UG/CAE（Computer Aided Engineering）模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。运动仿真功能的实现步骤为：1建立一个运动分析场景； 2进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷； 3进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动作的输出和运动过程的控制；4运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。4.1 建立构件的三维模型与装配利用UG的modeling模块建立三维实体模型。首先按照零件的形状、尺寸建构零件的三维模型,然后通过装配模块(Assemblies)完成零件的组装,形成运动机构模型。康复床是由几个不同的机构组成,而每个机构都由很多不同的构件组成,所以首先要建立构件及零件的模型,然后按需求进行装配。采用UG为建模平台因为它为用户提供了强大的复合建模手段,包括实体建模,曲面建模,特征建模型,装配建模等。同时还有加工仿真,有限元分析,饭金件设计等专有模块。这样可以更逼真的建立零件模型，为方便工程图的绘制打下基础。完成了康复床所有的零件立体建模后,需要对各零件进行整体装配,成为一个完整的床体。UG的装配与实际的装配不太一样，它是将一个零件模型引入到一个装配模型中是,不是将该零件的模型所有数据复制,而是建立装配模型与被引用零件模型文件之间的引用关系,一曰.被引用的零件模型被修改,其装配模型也会随之更新。 4.2连杆特性和运动副利用UG/Modeling的功能建立了一个三维实体模型后，并不能直接将各个部件按一定的连接关系连接起来，必需给各个部件赋予一定的运动学特性，即让其成为一个可以与别的有着相同的特性的部件之间相连接的连杆构件（Link）。同时，为了组成一个能运动的机构，必需把两个相邻构件（包括机架、原动件、从动件）以一定方式联接起来，这种联接必需是可动连接，而不能是无相对运动的固接（如焊接或铆接），凡是使两个构件接触而又保持某些相对运动的可动连接即称为运动副。在UG/Motion中两个部件被赋予了连杆特性后，就可以用运动副（Joint）相联接，组成运动机构。根据运动的关系，将相对不动的杆件定义为一个连杆，完成所有连杆的定义。定义的连杆中必须至少有一个连杆的位置是固定的，同一个杆件只能定义一次连杆，不能重复定义。为了表示个杆件之间的运动关系，还需要定义运动副限制杆件的运动。运动副的位置是指两个连杆连接或者连杆与机架连接时关节点的所在，连杆将在此点与机架或者连杆相连接。而不同的运动副其方向的定义是不同的，转动副的方向指的是连杆转动的旋转轴，而移动副的方向指的是连杆平移的方向。4.3定义载荷，完成仿真 为了完成整个仿真，还需要定义一个驱动力。对原来的三维实体模型完成了连杆特性的设置，运动副的建立和外载荷的添加的前置处理后，就完成了运动模型的构建。此时可以利用UG/Motion运动分析工具栏，对创建的运动模型进行运动仿真。以下为几个典型机构的曲线图。 图 翻身部分速度幅值曲线图 仿真时间为5秒，速度幅值最大为6mm/s,在之后的时间里递减。 图 翻身部分力幅值曲线图 仿真时间为5s，幅值先是递增，后基本维持不变，最大幅值约为29.2N。图起背角度幅值曲线图图起背力幅值曲线图图曲腿角度幅值曲线图图曲腿力幅值曲线图经过分析，根据力的大小以及速度都可以选用的推杆。图电动推杆选择图图电动推杆图结论 随着社会经济和医疗保健的进步和发展, 人口老龄化已成为一个重要的世界性社会问题。为了解决人口老龄化带来的压力以及满足人们对高生活质量的要求， 本文结合了国家十一五科技支撑项目残障人专用生活起居床研制，设计了多功能护理床，使其具有完成翻身、起背、曲腿和解决大小便的功能。本次设计采用了三维软件一体化的思想，通过三维软件UG对所有的构建进行了建模和装配，并且在装配的基础上进行了仿真。最后通过在UG制图模式中的视图导出和标注，完成了二维的图纸并直接导出pdf格式直接打印，有效的节省了时间，并感受到现代软件所带来的方便。结果展示如下所示：1 通过阅读大量的文献，对电动护理床的结构和市场前景有了一定的了解，提出了自己的设计方案。2 通过对护理床所具有功能的分析，对护理床进行了设计，使其能够完成起背、曲腿、翻身和解决大小便的功能。3 对机构进行了仿真4 完成了护理床的总装配图和关键零部件的零件图 本次设计由于自己能力有限，还有很多有意义的工作需要在此基础上进行。比如可以设计一套系统，根据人体的生理指标自动完成曲腿、翻身等动作。另外，在病人长期卧床时会产生一些热量集中在一起散发不出去，导致细菌的滋生。如果可以设计一套感受到温度超过多少度就自动在热量集中的地方进行散热的系统，将会给患者带来更大的舒适，使患者能够更快的回复健康。致谢本文是在吴伟光导师的精心指导下完成的。导师严谨的治学态度、渊博的知识、认真负责的工作态度和睿智的为人处世使我深受教益，将为我以后工作的学习典范。在课题的进行中，导师严格把关，对我进行耐心的指导与帮助，在论文完成之际，谨向吴伟光导师表示最崇高的敬意和诚挚的感谢。感谢在校四年中所有的任课教师，感谢你们耐心的指导，是你们让我对机械有了进一步的了解，具备了一些基本的知识和技能。我将会在今后的工作中进行进一步的学习和使用。感谢各位专家教授们在教课与科研的忙碌中抽出时间对我的论文进行评审。本次设计用的软件为UG，是在拿创新学分的过程中学习的，感谢我的软件入门老师沈春根沈老师。为了寻找一个安静的地方进行毕业设计，最后选择了图书馆。感谢图书馆工作人员可以让我们即将毕业的大四学生在早上8:00之前提前进馆学习，谢谢你们的理解与支持。参考目录【1】 王存亮 梁万年 家庭病床作用、管理和存在问题的分析 J中国全科医学 2002年 3 月第 5 卷第 3 期【2】 何丽芳, 廖淑梅 家庭病床服务的现状及展望 J护理研究 2006 年 1 月第 20 卷第 1 期上旬版(总第 165 期)【3】 刘宇, 何国平. 老年人社区护