多能护理床的设计.doc

毕业设计 论文 多功能护理床的设计 院 别自动化工程系 专业名称机械工程及自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月 10 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 页 多能护理床的设计 摘 要 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 关键词 医疗设备 护理床 机构设计 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 I 页 The design of multi functional care bed Author Li Zhiyao Tutor Zhao Yuqian Abstract With the speed of population ageing 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 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 II 页 目 录 1 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 本文的研究意义 5 1 3 本文的研究内容 6 2 护理床结构的整体方案 7 2 1 设计原则 7 2 2 功能要求及设计指标 7 2 2 1 功能要求 7 2 2 2 设计指标 8 2 3 护理床本体总体方案 10 2 3 1 总体布局 10 2 3 2 床面设计 10 2 4 护理床各功能模块构型设计 12 2 4 1 抬背构型设计 12 2 4 2 翻身机构构型设计 13 2 4 3 抬腿机构的设计 14 2 4 4 床上吃饭机构的设计 15 2 5 本章小结 16 3 机构设计 17 3 1 基本参数的设定 17 3 2 电动机的选择 17 3 2 1 坐起电动机 17 3 2 2 曲腿电动机的选择 18 3 3 零件设计 19 3 3 1 纵轴的设计与校核 19 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 III 页 3 3 2 横轴的设计与校核 20 3 3 3 螺杆的设计与校核 21 3 3 4 坐起机构中零件的设计与校核 24 3 3 5 曲腿机构中零件设计与校核 24 3 4 本章小结 25 4 三维仿真设计 26 4 1 设计仿真应用软件概况 26 4 2 三维仿真视图 27 结 论 30 致 谢 31 参考文献 32 附 录 34 附录 A 34 附录 B 39 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 0 页 1 绪论 1 1 研究背景 随着经济的快速发展 人民生活水平的不断提高和医疗保健行业的蓬勃发展 人 口老龄化已成为世界范围内的重大社会问题 据调查 目前全球 60 岁以上的老年人口 已经达到了 6 亿的规模 而且在很长一段时间之内还有不断扩大的趋势 由于计划生 育的原因 我国人口老龄化的速度比世晃上大多数国家的更加快速 已经提前进入了 人口老龄化国家的行列 据报道 中国不仅是世界上老龄化人口最多的国家 而且也 是老龄化速度最快的国家之一 2000 年的全国第五次人口普查资料显示 60 岁及以上 老年人口己达 1 3 亿 占全国总人口的 10 3 65 岁以上老年人口为 8687 万 占 7 预计到 2015 年 老年人 121 将超 2 亿 占全国人口的 14 2025 年 将增加到 2 84 亿 比例将进一步攀升为 19 3 这段时期可称为人口老龄化的高峰期 更为突出的 是 我国 80 岁以上老年人口已达 1100 万 并以年均 5 4 的惊人速度递增 人口老龄 化的趋势在很大程度上增加了老年人群患慢性病的风险 根据资料 约 79 1 的老人 至少有一种慢性病 而这类人群往往也有较差的功能状态 较高的残疾风险和较高的 死亡率 因而将成为健康情况最差的一个群体 他们中的大部分自我照料能力差甚至 无法完成自我照料 需要长期的照顾服务 对家庭 社区 政府依赖程度较大 据调 查 在 80 岁以上男性老人中 能自我照料的只占 35 7 然而 人口的老龄化程度与我国当前的经济社会发展情况明显不相匹配 世界上 人口老龄化程度高的国家往往都是发达国家 这些国家有更好的医疗和社会保障系统 因此老龄化带来的社会问题并不是特别明显 而我国是在社会主义发展的初级阶段 经济社会发展相对落后的情况下就迎来了老龄化社会 这给医疗和社会保障系统带来 了空前的压力 所面临的社会问题也尤为突出 现阶段我国高龄老年人主要由家庭照 料 护理强度大 费用高昂 情况亟待改善 目前全国共有家庭 3 4 亿 其中约 1 10 的家庭有需要看护的人员 各类和长期卧床的老年人和病人大量存在 使得这类 人群的护理已成为一个重大的社会问题日益凸显 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 伴随老龄化社会到来的 空巢家庭 已经逐渐成为一个普遍的社会现象 所谓 空 巢家庭 是指没有儿女或者虽有儿女 但不在身边的纯老人家庭 它的出现 是人们 社会价值观 就业方式 城市化等多种现代化因素综合作用的结果 有资料称 目前 我国有老人家庭的 空巢 率已达 26 4 比 1987 年整整高出了 10 个百分点 并且这 一比例还在逐年加大 在可预见的 10 年内 空巢家庭 将成为老人家庭的主要存在形 式 比例有可能达到 90 甚至更高 目前我国的社会保障体系还不是很完善 社区等 正式组织给予平常家庭老人的照顾还不够 子女本应是老人日常的主要照顾者 然而 目前的 空巢 现象却造成了越来越多的老年人 照顾缺位 而且这种现象在农村的同类 家庭中体现的更加明显 老龄化社会的提早到来 空巢家庭的日趋增多 与我国较为 落后的医疗和社会保障体系构成了一对较为尖锐的矛盾 因此 用何种社会保健方式 来解决因身体虚弱卧床不起和因疾患导致生活不能自理的老人家庭护理问题 提高他 们的生活质量 已经成了我国亟待解决的一个社会问题 正是由于上述问题的存在 近几年来普通的病床得已经无法满足当今病人与医院 的需要 您是否曾经也有过如此感受 家中有了老人或者不能自理人士 为他们的饮 食感到烦恼 为他们的排便感到苦恼 为他们日久不能活动而落下后遗症感到心酸 这一切就在有了多功能护理床之后烟消云散了 从此你我不再彷徨与不安 世界又多 了一张张微笑的脸庞 为此我国加大了对医疗护理器械的研发扶持力度 为方便偏瘫 病人和长期卧床的病人使用的及护理 吃饭 等功能于一体的多功能护理床就此应运 而生 为广大生活不能自理患者带来了又一福音 现在普通家庭对于价格适中的护理 床的需求正日益提高 以前是简易的记理床 后来加上餐桌和护栏 再后来是加上了 排便孔和滑行轮 现在是及多功能于一体的电动翻身护理床 在国外 医疗护理器械 高新技术含量越来越多 对新工艺 新材料的要求越来越高 医疗器械的发展趋势可 从材料和产品形式两个方面来分析 从材料方面看 目前手术器械产品材质丰富 除 广泛采用含钼不锈钢外 还采用铜 铝 特殊台金和塑料等材料 从产品形式来看 手木器械采用了现代新技术后正突破传统结构 向高效能 设备性发展 但国外这种 复杂的多功能的护理器械造价高昂 功能操作相对复杂 在我国现在的经济水平下很 难得到大众化的推广应用 在国内 相关的医疗护理器械发展不太成熟 特别是护理 病床的发展远远不能满足实际的需要 功能比较单一 自动化程度不高等原因是现有 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 2 页 一些多功能护理病床得不到大众化推广的原因之一 同时 护理床的发展方向又可从 动力形式和功能两个方面来分析 如表 1 1 图 1 1 所示 表表 1 1 多功能护理床的功能分类多功能护理床的功能分类 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 2 手动为主 操作麻烦 3 造型传统 舒适性差 4 应用范围局限 功能普通型护理床 1 一般为电动 用户可简单 地操作控制 2 能完成基本的护理功能 3 增添了辅助功能接口 4 整体造型得到改进 1 市场价格偏高 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 3 结构设计合理安全 4 造型新颖 符合人体学 5 文子 标识容易识别 1 市场售价极其昂贵 造成 功能浪费严重 2 整体可拆性差 运输 安 装繁琐 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 3 页 图 1 1 多功能护理床的功能分类 多功能护理床所能完成的体位调整以及多功能护理床的动力类型 如图 1 2 图 1 3 图 1 4 所示 图 1 2 多功能护理床可帮助病人实现的形态 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 4 页 图 1 3 手动多功能护理床外观 图 1 4 电动多功能护理床的外观 随着护理行业的发展以及人民的需求 也必将导致多功能护理床向着功能全面发 展 手动必将被自动所代替 目前市场上生产多功能护理床的商家主要有北京的佳康 时代医疗器械公司 江苏永新医用设备公司 江苏欣盛医疗器械有限公司等 各个公 司所开发的不同型号的护理床的价格也有所不同 手动的比较便宜大约千元左右 电 动的贵一些的则需要两三千左右 同时 市场上又出现各种山寨医疗器械厂生产的护 理床 一场护理大业就要到来 1 2 本文的研究意义 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 5 页 为了解决我国正在面临的护理压力 和人民对医疗保健日益需求 我们设计了这 款多功能护理床 力求成本与质量共存 实用与高效并重 多功能护理床是针对医院和生活不能自理的病人 残疾人 危重病人 瘫痪病人 的特殊需要而设计的 可实现病人翻身 坐起 屈膝及吃饭四大功能 并可实现病人 自由调控卧姿 解决了长期以来普遍存在的病人大小便 吃饭 移动 看书 写字 娱乐难等多方面的问题 并满足患者生理和心理上的要求 提高康复力 大大减轻护 理负担 轮椅式的设计 病人躺在床上可以调节平卧 半卧 直坐三种姿势 还可以 对腿部的角度进行调节 病人还可以在床上看书 写字 就餐 其人性化的设计 解 决了一系列护理难的问题 为我国医疗事业的蓬勃发展 为广大人民群众奔向小康致 富之路带来了又一曙光 为了更好地支持国家发展和谐社会 为了广大患者能有一个 更好的治疗环境 正是本文的研究初衷 1 3 本文的研究内容 常见的一些新型护理床有可手动升降的病床 遥控气动可升降病床 电动遥控升 降病床等 结合病人的实际情况和病人的实际需要 我们这款多功能病床主要实现以下四大 功能 1 帮助病人坐起功能 使病人可以在任何自己感觉舒适的位置坐下 2 帮助病人屈膝功能 使病人腿部处于所需的舒适位置 3 帮助病人左右翻身功能 实现病人是左右翻身 4 帮助病人用餐和看书功能 使病人在床上用餐和看书处于一个舒服的位 置 并提供放置饭菜的地方 为实现上述功能 设计护理床的主要任务 1 多功能护理床运动结构的设计 2 多功能护理床的机构的设计 3 多功能护理床的零件的设计 4 多功能护理床的三维建模 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 6 页 2 护理床结构的整体方案 2 1 设计原则 多功能翻身护理床的设计应该遵循一下的几个原则 1 安全性原则 由于护理床对老年人和病人的身体进行直接的接触与操作 而且相对于健康人来 说 这类人群的身体更容易收到损伤 所以护理床在安全性方面的要求很高 无论是 护理床的结构还是控制系统的设计 安全性始终是最优先考虑的一个原则 比如 在 结构设计方面 不应存在任何干涉情况 结构的刚度和强度方面都要留有充足的余量 要考虑到各种极限情况 2 人性化 舒适性原则 人性化 舒适性设计是可用性设计的延伸 护理床应该根据人体生理学原理 更 多地从人的生理结构 心理情况 行为习惯等方面加以考虑 比如各部分结构要与人 体的尺寸匹配 设计中力求加速度最小化等等 3 功能多样化原则 护理过程中 不同使用者往往对护理床有着各种各样不同功能的要求 除了基本 的体位要求之外 还有诸如吃饭 洗漱 排便等更多的要求 4 标准化原则 护理床机械零件的设计与选择 控制系统的设计 零部件之间的相对位置关系和 尺寸匹配 都有相关的行业标准 参照标准设计 不仅能在最大程度上满足使用要求 而且有利于增强互换性 降低陈本 5 轻量化原则 从降低能量消耗和减小运动惯性的角度考虑 护理床应该在保证功能和安全的情 况下遵循轻量化原则 这样不仅节约了材料 降低了成本而且减小运动惯性则非常有 利于某个部件的停启 使护理床的运输使用成本都有很大的降低 2 2 功能要求及设计指标 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 7 页 2 2 1 功能要求 根据我在各个医院观察的结果 类比市场上的护理床种类功用 再加上一定创新 确定了多功能护理床的功能范围 主要包括体位调整类功能 吃饭看书功能 1 体位调整功能 护理床首先必须满足日常护理中的多种必要的体位位姿 实现各体位的自动变换 对于提高使用者的自理能力 减少因长期卧床引发的并发症 改善其健康状态 有着 积极的意义 同时可以大大减轻护理医务人员的劳动强度 具体包括 平躺 左 右翻 身 抬背 曲 伸腿 2 吃饭看书功能 长期卧床患者的饮食也是困扰护理人员的又一难题 本设计通过简单可行的方法 使患者能够在床上坐起饮食以及看书 2 2 2 设计指标 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 中华人民共和国行业标准 病床 中华人民共和 国国家标准 中国成年人人体尺寸 等相关标准 同时类比国内外文献中的相关参数 作为设计指标 1 外形尺寸 多功能护理床主要用于病房或家庭中 因此在各个姿态时 其所占的空间范围必 须与病房和家庭房间的相关尺寸向适应 同时采取适当的尺寸 可以使被护理人员感 到舒适 按照 中华人民共和国行业 标准病床 标准 多功能护理床的外形尺寸最终取 为 长 宽 高 2000mm 1000mm 500mm 2 承载指标 按照 医用电气设备 第二部分 医用电动床安全专用要求 规定 床的安全工作 载荷必须至少承受 1700N 的载荷 这 1700N 包括 1350N 患者重量 200N 床垫和 150N 附件 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 8 页 标准中提供了人体在床的各个板块上的重量分布 如图 2 1 所示 护理床的各个 模块的设计均可以此值为准 图中 1 代表背板 2 代表臀部板 3 代表大腿板 4 代 表小腿板 图 2 1 床面各板块人体重量分布 3 体位调整类指标 体位调整类指标包括 左 右翻身角度 抬背角度 大腿板翻转角度 小腿板翻转 角度 医用电气设备 第二部分 医用电动床安全专用要求 给出了背板 大腿板 小腿板的调节范围建议值 1 背板与水平面间夹角 图 2 2 中 A 应能从 0 80o 或更大 可调 2 大腿板与水平面间夹角 图 2 2 中 B 应能从 0 12o 或更大 可调 3 小腿板与水平面间夹角 图 2 2 中 C 应能从 0 20o 或更大 可调 4 大腿板与小腿板间夹角 图 2 2 中 D 应能调至 180o 平面 图 2 2 床面各板的推荐调节范围 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 9 页 根据上述数据 参照调研所得结果 同时考虑文献中同类研究的相关参数 确定 了体位调整类具体指标 见表 2 1 表表 2 1 体位调整类指标体位调整类指标 指标项具体数值 左翻身角度0 45o 右翻身角度0 45o 抬背角度0 80o 大腿板翻转角度0 50o 注 以上各项动作均可以在设定范围内的任意角度随时停止 2 3 护理床本体总体方案 2 3 1 总体布局 从整体结构上讲 多功能翻身护理床可以分为总体框架 抬腿部件 抬背部件 翻身部件和智能座便系统五大功能模块 在总体布局时 有以下几方面要求 1 综合考虑两种状态下的尺寸 稳定性和强度要求 2 布局要使各个模块的机构运动相对简单 并解决好干涉问题 3 分配好每个部件的尺寸 最大限度地利用床下有限的空间 4 要尽可能地把传动部件隐藏给人以安全感 避免心理恐慌 从以上设计角度除法 根据前文确定的设计原则 确定护理床采用床面大尺寸 支撑框架略小的结构 有利于空间的节约 移动方式为前面布置两个万向轮 从而使 得转弯半径较小 各个功能模块机构初步选用连杆结构 以方便实现各床面板的运动 规律 其驱动元件均布置于支撑框架下层 以保证机构传动角和框架强度要求 各零 部件近似对称布置于床面之下 使机器人重心始终处于机构中间位置 以增强整体稳 定性和使用者的心理安全感 2 3 2 床面设计 多功能护理床床面设计的特点在于要实现的运动较多 而且每块床板都必须能够 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 10 页 沿相互垂直的方向转动 这就给床板之间的连接提出了很高的要求 结合所需实现的 功能 本文提出采用分体式双层床面结构 如图 2 3 所示 图 2 3 床面结构示意图 其中 床板 1 8 为下层板 11 14 为上层板 1 2 11 为背板 3 4 12 为臀 部板 5 6 13 为大腿板 7 8 14 为小腿板 各床板之间通过铰链相互连接 整体 床面则通过臀部下层板固定到支撑框架之上 护理床所需的各个动作都能够通过传动 部件带动相应的床板组联动实现 参见表 2 2 表表 2 2 各床板各床板 X 向尺寸向尺寸 尺寸项 具体数值 背板 740 臀部板 260 大腿板 400 小腿板600 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 11 页 各床板的尺寸基于 GB10000 88 常用人体测量数据确定 9 参考市场上的护理床 尺寸 根据专家给出的数据进行选择后 最终尺寸见表 2 3 表表 2 3 多功能护理床实现功能所需的床板联动多功能护理床实现功能所需的床板联动 功能项相关参数备注 各床板均水平 半边床板与水平面夹角为 0 45o 1 3 5 7 床板组合或 2 4 6 8 床板组合联 动 绕 X 轴翻转 背板与水平面夹角为 0 80o 1 2 11 床板组合联动 绕 Y1 轴翻转 大腿板与水平面夹角 0 35o小腿板与水平面夹 角为 20o 0 5 6 13 床板组合联动 绕 Y2 轴翻转 7 8 14 床板组合联动 绕 Y3 轴翻转 注 上述表述中 水平 以护理床处于水平地面上为参考状态 2 4 护理床各功能模块构型设计 2 4 1 抬背构型设计 抬背机构运动的实现较为简单 有以下几种构型可供选择 如图 2 4 所示 平躺 左 右翻身 抬背 曲 伸腿 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 12 页 图 2 4 抬背机构的 3 种备选构型 构型 a 该抬背机构为螺旋一连杆组合机构 其自由度为 1 有 1 个原动件 具有 确定的运动 可采用电动推杆作为驱动部件 构型简单 制造容易 而且初始状态的 传动角远远大于 40 力的有效利用程度很高 如果没有其他限制条件 应该首选该构 型 但是在护理床的结构中 支撑框架的 Z 向尺寸较小 而背板又要翻转 80 这也 就引起一个矛盾 既要求电动推杆的行程要很大 又要求其初始状态尺寸较小 显然 这样的要求是达不到的 因而放弃该构型 构型 b 该机构也是螺旋一连杆组合机构 自由度为 1 有 1 个原动件 具有确定 运动 结构较为简单 抬背角度大 滚轮与背板之间为高副联接 该构型为螺旋传动 优点是结构简单 加工容易 成本低廉 传动精确 缺点是承受的轴向推力大 效率 低 摩擦严重 构型 c 该机构为螺旋一连杆组合机构 实际上可以等效为一五杆机构 等效后的 机构具有 4 个活动构件 3 个转动副 2 个移动副 因此自由度 F 4 3 5 2 2 该机构 需要 2 个原动件才能有确定运动 采用电动推杆作为连杆和动力源之一 可以获得很 大的翻转角度 但是该机构成本较高 综上 构型 B 为三种之中的最优构型 故抬被机构最终采用该构型 2 4 2 翻身机构构型设计 多功能护理床要实现左右翻身 各需要一套传动机构 考虑到二者运动相同 故 采用同一种构型 翻身动作中联动床板较多 因此构型设计也较复杂 图 2 5 中列出了 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 13 页 几种原理和功能上符合的构型 下文将对各构型进行详细分析 图 2 5 翻身机构的 3 种备选构型 构型 a 文献提出了一种变机架的四杆机构 所谓变机架 就是在 D1 和 D2 处分 别安置一电磁铁 通过电磁铁的交替吸合来实现机架转换 该机构构型新颖 用同一 套机构实现了左右翻身两个相似运动 但是其主要适用于横向 3 折床面 另外 采用 电磁铁吸合方式来固定床面的一端 其可靠程度仍需要特别考虑 鉴于以上原因 该 构型不是翻身机构的最佳方案 构型 b 构型 b 是一种由 正切机构 和 双滑块机构 串联而成的单自由度六杆机构 该机构在初始状态时的传动角为 90 力的有效利用程度非常高 而此时也正好是机构 受力最大的时候 机构可拆分为由构件 4 5 组成的 RPRII 级杆组 构件 2 3 构成的 RRPII 级杆组 原动件 1 和机架 O 因此一个 II 级机构 部件详细设计时 可将构件 1 2 绕机架 0 旋转 90 布置 使整个机构成为一个空间机构 这样就可以满足整体布 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 14 页 局要求 同时 为防止翻身机构与抬背 抬腿机构运动干涉 具体设计时需将构件 4 演化为滚轮 通过高副接触带动构件 5 的运动 由于人体的重力直接作用于构件 5 因 此 虽然运动副做了改变 但是运动效果仍然相同 主动件 1 的驱动可以采用螺旋传 动方式 此时该机构又演化为螺旋一连杆组合机构 构型 c 文献提出了一种螺旋一连杆组合机构 该机构实际上是一种对称结构 单 边可等效为经过演化的四连杆机构 其中 C D 点与滑台可分离 因此可以分别实现 左右翻身动作 该机构也是一种新颖构型 结构简单 制造和装配方便 但只能横向 布置 需要空间较大 容易产生干涉 因此这种构型也不是最优构型 2 4 3 抬背 腿机构的设计 抬腿机构的构型相对来讲和抬背机构是相同的 抬背机构和抬腿机构总体的简图 如图 2 6 图 2 7 所示 床板平置时 人躺在床上和普通病床一样 当需要坐起时由图中左边的电动机驱 动螺杆 9 转动 使得螺套 7 向右运动 再由连杆 6 带动转臂 5 旋转 最后由转臂驱 动床板 1 绕 J 点旋转 从而使人坐起 需要曲膝时 同样右边的电动工作 通过螺旋 传动使得转臂 12 旋转 将床板 3 顶起 达到曲膝的目的 坐起和曲膝动作如图 坐起 状态 图 2 6 抬背机构简图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 15 页 图 2 7 抬腿机构简图 2 4 4 床上吃饭机构的设计 吃饭装置的设计采用了平行四边形机构 固定在床的两侧 不需要使用时可放至 与床面平行 当吃饭或者看书时即可把机构 A 拉起至 90o固定好即可使用 简单方便 如图 2 8 所示 图 2 8 吃饭装置 2 5 本章小结 本章完成了多功能护理床总体方案的设计 1 制定了该护理床设计应该遵循个几个原则 提出了所要达到的各项功能 明确 了应该达到的各项技术指标 2 对护理床的总体方案进行了设计 首先提出了护理床的总体布局 然后确定了 床面结构形式 具体尺寸 最后在分析比较基础上 确定了各功能模块的机构构型 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 16 页 3 机构设计 3 1 基本参数的设定 在第二章的设计指标中已经给出了基本参数 由于本章着眼于计算 方便我们可 以直观地获得数据 我们再一次给出护理床的基本参数值 床的基本尺寸为 长 宽 高 2000mm 1000mm 600mm 左右翻身角度为 0 50o 抬背角度为 0 80o 大腿翻转角度为 0 50o 3 2 电动机的选择 3 2 1 坐起电动机 1 功率 取 t 40s 极限角度 转臂角速度 0 80 srad 0393 0 40 2 2 转臂速度 smtv 0244 0 62 0 0393 0 222 负载 则转臂传递的功率 NT1000 2 忽略转臂自重 smvTP 4 24 22 2 电 动 机 的 许 用 功 率 P许 2 忽略轴的转动惯量及连杆自重 W P 65 99 0 99 0 98 0 4 0 4 24 224 4 2 321 2 电动机实际功率 P许 2 1 2 78W 2 P 由以上结果知 选用额定功率为 90W 的单相电容式减速电动机 2 转速 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 17 页 由图 3 1 可知坐起螺杆导程 1 最短约为 300m 那么由上身坐起的时间 t 40s 螺 杆螺纹间距 d 5mm 可以得出电动机的最低转速 n 300 5 40 60 90r min 3 2 2 曲腿电动机的选择 1 功率 极限角度 转臂角速度 st30 o 50 srad 035 0 30 18 5 3 转臂速度 smtv 013 037 0 035 0 333 负载 T3 1000N 则转臂所传递的功率 P许 3 忽略轴的转动惯量及连杆质量 W p 35 99 099 0 98 0 4 0 13 222 4 2 321 3 电动机实际功率 P3 P许 3 1 2 42W 由以上结果知 选定额定功率为 60W 的单向电容式减速电动机 1 转速 由图 3 2 可知屈膝螺杆导程 1 最短约为 213mm 那么由屈膝的抬腿时间 st30 螺杆导程间距 可以得出电动机的最低转速约 mmd5 min 6460405213rn 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 18 页 图3 1 左右翻身机构简图 3 3 零件设计 3 3 1 纵轴的设计与校核 1 求轴上的功率 P1 转速 和转矩 T1 1 n P1 P1 电机 螺杆 2轴承 60 0 4 0 992 24W 忽略连杆自重 1 nmin 375 0 2 60 1 r mN n p T 612 375 0 24 55 955 9 1 1 1 经整体规划将轴设计为空心光轴 2 初步确定轴的直径 mm n p Ad40 5 01375 0 24 0 100 1 44 1 01 选用内径为 27mm 外径为 45mm 的 45 钢经调质处理 3 轴的结构设计 根据轴向和周向定位要求 将轴与转臂套筒用螺栓联在一起 具体位置由床整体 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 19 页 结构来确定 4 初步选定滚动轴承 因轴承所承受的轴向力可忽略 认为只受径向力 选用深沟球轴承 5 轴的强度校核 只校核轴的危险截面 因该轴所受弯矩可忽略 下面只按扭转强度校核 轴的计算应力 MpaMpa W T T ca 71 1 1 1 其中 76 0 1 32 42 1 16 4 3 4 3 1 1 d WT 由前面轴的材料为 45 钢 调质处理 查得 因此 故安全 Mpa155 1 ca 1 3 3 2 横轴的设计与校核 1 求轴上的功率 P2 P3转速 n1 n2及转矩 T2 T3 P2 P2 电机 螺杆 轴承 47W 忽略连杆重量 2 99 0 4 0120 P3 P3 电机 螺杆 轴承 24W 2 99 0 4 060 min 375 0 2 60 3 2 rn min 334 0 2 60 3 3 rn mNmN n P T 1197 375 0 47 55 9 55 9 2 2 2 NmN n P T686 334 0 24 55 9 55 9 3 3 3 将轴设计为空心光轴 初步确定轴的直径 mm n P Ad50 5 01375 0 047 0 100 1 3 4 3 4 2 2 02 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 20 页 因计算比较保守 先选用外径 42mm 内径 32mm 的 45 钢管 待后面校核 mm n P Ad42 5 01334 0 024 0 100 1 3 4 3 4 3 3 03 同以上选择一样 1 轴的结构设计 根据轴向和周向定位要求将轴与转臂套筒用螺栓固定 同时考虑到传动角的范围 将连杆在轴上的固定孔偏离转臂套筒固定孔 40o 2 初步选定滚动轴承 因轴承所受轴向力可忽略 认为只受径向力 选用角接触球轴承即可 3 轴的强度校核 因这轴所受弯矩很小 可忽略 认为只受扭转作用 故只考虑扭转强度校核 轴的计算应力 MpaMpaMpa W T 121 76 01422 0 1197000 43 3 2 2 MpaMpaMpa W T 69 76 01422 0 686000 43 3 3 3 由以上计算确定轴的材料为 45 钢 经调质处理 查得 因此 故 轴安全 Mpa155 1 123 caca 图 3 2 横轴简图 3 3 3 螺杆的设计与校核 横轴 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 21 页 1 螺杆的确定 因三根螺杆中使病人坐起的机构中螺杆受力最大 故先设计该机构中的螺杆 负 载 T2 1000N 螺杆轴向力最大为 1000N 根据螺旋传动的设计计算公式 2 2 2mV QfddqTGT 其中 Q 为轴向载荷 1000N 螺纹伸角为 当量摩擦角 o 5 o v 5 d2为螺纹中径 查找相关资料取 d2 20mm dm为支撑面平均直径 dm d2 20mm F 为摩擦系数 取 f 0 1 因此计算得 T 28N m 由此得出螺纹最小扭矩为 28N m 时即可将 1000N 负载支起 而电动机提供给螺杆 的转矩为 故符合要求 mNmNT 2838 30 120 55 9 2 螺纹长度的确定 由前面电动机选择过程中求电动机转速时算出的数据 翻身螺杆导程为 3000mm 螺纹选 350mm 据床的整体机构确定螺杆总长度 500mm 材料选用 45 钢 坐起螺杆导程为 300mm 螺纹选 350mm 据床的整体机构确定螺杆总长度 450mm 材料选用 45 钢 屈膝螺杆导程为 213mm 螺纹选 250mm 据床的整体机构确定螺杆总长度 450mm 材料选用 45 钢 3 螺杆强度校核 2 2 3 T ca W T A F 其中 F 为轴向压力 N d tgTF v 2160 2 2 A 为螺纹段的危险截面面积 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 22 页 d1为螺纹小径 2 1 4 dA WT为螺杆螺纹抗扭截面系数 3 1 16 dWT T 为螺杆所受扭矩 T 38N m 经计算得 查表得 因此 故安全 Mpa ca 29 Mpa55 1 1 ca 4 螺杆稳定性校核 因坐起螺杆和曲腿螺杆柔度故不必进行稳定性校核 只校核翻身机构中的40 s 螺杆 56 i ut s N ut EI Fcr16250 5005 0 64 18 1006 2 2 4 52 2 2 NdtgTF v 11952 2 0 55 3 6 131195 16250 S Cr sc S F F S 故认为螺杆稳定 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 23 页 图 3 3 坐起螺杆导程示意图 3 3 4 坐起机构中零件的设计与校核 1 连杆的设计 A 初步确定连杆材料 连杆一 330mm 连杆二 150mm 直径 28mm 45 钢调质处理 B 连杆强度校核 同上 只校核连杆二 mmNlFM oo 10848615080sin70cos2160sincos 221 连杆所受的轴向力可忽略 因 故安全 49 281 0 108486 3 Mpa W M ca Mpa ca 70 1 2 转臂的设计 A 转臂选材 据横轴一的位置及床整体结构 确定转臂长度为 570mm 材料为结构用冷弯矩形 空心型钢 标准 GB T6728 1986 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 24 页 A mm 50 B mm 25 壁 t mm 1 2 B 转臂强度校核 杆所受最大弯矩 mmNlTM 30000060cos max Mpa W M z ca 8 28 max 材料的许用应力 因为 故安全 Mpa75 1 ca 3 3 5 曲腿机构中零件设计与校核 1 连杆的设计 A 连杆的设计 连杆一 300mm 连杆二 150mm 直径 25mm 45 钢经调质处理 B 连杆强度校核 因本机构中连杆材料及尺寸与翻身机构中一样 但受力却较前者小 故无需强度 校核 2 转臂设计 A 转臂选材 根据横轴二内位置及床的整体结构 确定转臂长为 370mm 材料与前面一样 B 转臂强度校核 因本机构中转臂所受弯矩较坐起机构中小得多 故也无需进行强度校核 3 4 本章小结 本章承接上文的总体设计方案 以科学的方法和数据 完成了护理床的详细设计 1 完成了基本参数的设计 2 完成了各部件的设计 3 完成了零件的设计 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 25 页 4 三维仿真设计 4 1 设计仿真应用软件概况 上文已经给出了关于多功能护理床造型设计以及零件尺寸 进行三维仿真设计应 用的软件是我个人所在实习公司所用造船软件 TRIBON TRIBON 软件是由瑞典 KCS Kockums ComputerSystem AB 公司研发的一款辅助船舶设计和建造的计算机软件 集成系统 集 CAD CAM MIS 于一体 在造船业中有着广泛的用户 迄今为止 全球 已有 200 多家厂商采用该系统进行船舶产品的设计和制造 例如在欧洲有挪威 德国 法国 丹麦 芬兰 英国等国家 在亚洲包括中国 日本 韩国 新加坡等国家的多 个厂家安装了该系统 TRIBON 一共分为六个设计模块 其中包括 船体设计模块 舾装设计模块 管 系设计模块 电缆设计模块 舱室设计模块和铁舾装 Structure 设计模块 船体设计主要包括包括线形光顺 船体平面模 船体曲面模 性能计算 零件分 离 数控套料 生成切割指令等模块 它实现了船体 CAD CAM 的集成 舾装基础数据主要包括部件库 component 符号库 symbol 设备库 equipment 该模块用于存储整个炯装系统的部件信息 并负责建立 修改和维护这些数据信息 栖装系统的各子系统如管路模块 电缆模块等均以附件库为设计基础 附件库对胭装 各专业所需附件集中统一管理归类 附件的信息以记录的形式存人部件数据库中 并 且用户可以追加记录 以扩充附件数量 TRIBON 系统的附件库采用的是单一数据库 single data bank 对于不同的项目 project 相同的附件仅需建立 1 次 因此初始时的 建库工作量很大 随着附件信息的逐步扩充 工作量会越来越小 为后续的设计工作 节约了时间 附件库的建立可以边设计边建立 建库准备是船舶设计的基础 TRIBON 系统正是因为有了这些基础的数据库 各子系统的信息才能高度的共享和统一 管系设计包括管系原理设计 General Dia grams 管路建模 Pipe Modelling 生产 信息提取 Outfitting Lists 等模块 由于 TRIBON 采用单一数据库管理 在管系原理图 设计时 管材 规格 法兰 设备 阀门等符号均会与附件信息建立联系 同时又可 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 26 页 以与管系 3 维模型信息建立联系 因此 在管系 3 维放样设计时 可以利用管系原理 图 检验设计是否前后一致 或有无缺漏 电缆设计系统可分为电缆原理图设计和电缆放样 2 大模块 原理图设计类似于管 系原理图设计 系统能自动导出电缆布放原理图和有关清单 电缆放样是在 3 维图形 环境中进行的 通过调入相关的船体分段 管路和其他专业设备 电气设备及支架布 置等 构成电缆路径 托架和贯通 具有检查电缆路径的连接情况 电缆敷设 电缆 路径 真实贯通的填充率等功能 舱室布置系统主要是以计算机为工具 辅助专业人员进行舱室布置设计 实现计 算机出图和输出清单 其主要功能如下 国可以直接将船体结构作为舱室布置的甲板 回可以输出任意区域的局部视图 如卫生单元的视图等 国可以以房间 room 为单位进 行任意拷贝 删除 修改 国提供了门 窗 家具 设备 壁板 天花板 甲板敷料 等的布置功能 国能计算出重量 重心等参数 回能提取有关属性数据 回能方便地 为其他专业提供背景图形 该模块主要用来设计铁舾装件 基座 支架 扶梯等 所建立的模型存在于独立的 模型库中 可以被其他专业作为参考模型使用 4 2 三维仿真视图 首先需要根据床面尺寸建立护理床基本床面单元视图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 27 页 图 4 1 护理床床面三维仿真尺寸图 护理床的床面的三维建模 图 4 2 护理床床面的三维建模图 护理床的床面连接单元建模图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 28 页 图 4 3 护理床床面连接单元建模图 护理床各单元尺寸图 图 4 4 护理床各单元尺寸图 护理床整体三维建模图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 29 页 图 4 5 护理床整体三维建模图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 30 页 结 论 针对社会对高级医护装备的迫切需求 本文设计了多功能护理床 通过对护理床 各个单元模块的分析 计算与建模 初步完成了对护理床的全面设计 护理床共可以 实现四大功能 由四大功能模块所构成 论文在参考查阅大量的相关专业文献的基础 上 对多功能护理床进行了认真和深入的研究 主要完成了如下工作 1 多功能护理床的整体设计方案 整体方案主要涉及到护理床能实现帮助病人坐起 翻身 吃饭 屈膝四大功能 并根 据中华人民共和国医用电器相关条例设计出多功能护理床的各单元模块外形尺寸 承 载能力 各模块所能完成的功能特性设计以及护理床的整体布局 2 多功能护理床各单元模块的相关计算 根据各个单元模块所能实现的功能分别对组成零件进行计算 其中包括了电机的选择 横轴的强度计算与校核 连杆的强度计算与校核 3 多功能护理床的三维建模设计 通过 TRIBON 制图软件与大学四年的 CAD 应用经验 绘制了护理床零件以及整体的 三维视图 随着科技的发展 各种新技术的不断涌现 多功能护理床的研究将会有广阔的前景 在如何提高构件造型以及结构设计方面 可以进行护理床构型的进一步研究 探索更 好的策略 或者结合控制系统方面考虑 进一步完善护理床对病人的护理能力 另外 还可以考虑对现有机构进行优化改进或者采用新模型设计形式 减少材料的 使用 降低成本 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 31 页 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 32 页 参考文献 1 孙桓 陈作模 机械原理 第六版 高等教育出版社 2001 5 2 刘鸿文 材料力学 高等教育出版社 2002 9 3 范钦珊 殷雅俊 材料力学 北京 清华大学出版社 2004 4 濮良贵 纪名刚 机械设计 高等教育出版社 2001 4 第 7 版 5 李杞仪 赵韩主编 机械原理 武汉 武汉理工大学出版社 2009 8 6 吴宗泽 机械零件设计手册 机械工业出版社 2004 1 7 王昆等 机械设计课程设计 高等教育出版社 1995 12 8 王文斌等 机械设计手册 第 3 版 北京 机械工业出版社 2004 8 9 朱冬梅 胥北澜 画法几何及机械制图 第 5 版 高等教育出版社 2000 12 10 白建军 张华 刘继忠 轮椅床智能座便器的设计 J 机械设计与研究 2010 26 1 121 124 11 吴剑 机器人化多功能护理床的研究与开发 D 华南理工大学 2003 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 33 页 附 录 附录 A Machine design theory The machine design is through designs the new product or imp