病人搬移设备的机电一体化设计和应用.doc

病人搬移设备的机电一体化设计机07A-6 张维 07101030628一.产品开发的前景目前，在医院里搬移受伤、瘫痪或手术前后病人时通常采用多人抬抱的方法，这样既费人力又不安全。为了把一位不能独自行走的病人从病床搬移到担架车上或从担架车搬移到病床上，至少需要三位护士才能完成。搬移病人时，护士要付出比搬送同等重量的物体更繁重的体力劳动，而且如果稍微粗心还可能加重病人的痛苦，甚至导致意外事故。随着世界范围内老龄化社会的加速到来，需要外界辅助才能移动的病人数量正逐步增加。在现代化的医疗护理中是非常必要的。在医院，有时候要求在不改变病人姿态的前提下，把病人从集中治疗室或检查室搬移到病床上，例如：手术后连接着输液管和静脉导管等导管的病人、股骨骨折的老年病人、手术后还处于麻醉状态的病人、透析后需要休息的病人等等。因此，研究和开发既可以减轻护士的负担，又有利于病人安全病人搬移设备。二.同类产品的发展现状人们已经开发了各种用于搬移病人的辅助工具，如滑行垫、滑动板和滑动担架等。但是使用这些工具时需要使病人倾斜，因此很难获得推广应用。如果病人需要被水平地搬移，则只能依靠人工来完成，这对护士来说是很大的体力负担。为了解决上述问题，人们研究并开发了各种用于辅助搬移病人的机电设备。其典型设备是FUJIDA提出的“Torancemover”。该设备由上、下两个金属板和皮带组成，主驱动电动机和控制器安装在担架车上，通过上、下部皮带的旋转来搬移病人。TAKAOKA和KAKUTANI 等开发了一种助力搬移设备。该系统包括三个用于搬移的金属板，它们各自有一个控制杆。搬移病人时，操作者必须通过操纵控制棒将金属板插入到病人身体下。日本DAIHEN公司开发了两种类型的病人搬移设备。与前述的搬移设备相比，其最大的特点是： 搬移设备和担架车是分开的，相互独立。 驱动电源采用24 V 的电池，使用范围广。 病人的姿态和设备的方向可以调节。KASAGAMI 等提出了一种插入板较厚但可以两面搬移的设备。本文介绍一种插入板较薄的新型病人搬移设备。基于模块化机械结构和嵌入式控制系统的机电一体化设计思想，提出了整体设计和机构组成的方法，开发了一种嵌入式新型伺服系统，提出其控制原理和控制算法。该病人搬移设备研发的主要目的是减轻护士的劳动强度，消除病人被搬移时的不安和痛苦，提高病人搬移的安全性、可靠性和工作效率。三.开发理念该病人搬移设备的开发理念是减轻护士的体力负担，并使病人觉得更安全、可靠、放松和舒适，从而提高医疗服务的水平和质量。为了实现上述目标，采用了模块化结构设计、嵌入式控制系统和人机和谐共处的机电一体化设计思想。(1) 模块化结构设计。模块化设计有利于提高系统的稳定性和可性，提出的病人搬移设备由四个模块组合而成，每个模块又包括模块化的上、下两部分，便于安装、易于拆卸，具有互换性。(2) 嵌入式控制系统。嵌入式系统以其本身体积小、功能多、高智能等优点而逐渐地被引入到机器人技术领域。病人搬移设备采用小型直流电机和嵌入式伺服系统，从而使得搬移设备和担架车相互独立。(3) 人机和谐共处。搬移设备是和病人接触的，护士、病人和设备需要人机和谐共处。在设计过程中注重考虑了安全问题，设备具有负载异常检测、落下防止和语音提示等安全功能。开发了一种特殊的新颖机构，使病人在搬移过程中能够保持姿态不变，从而确保需要水平躺着的病人感到安全。 病人搬移装置的开发理念基于上述的开发理念和设计思想，开发了该用于搬移病人的新型辅助设备，如图1所示。由于电动机、控制器、主控计算机和电池组安装在设备的一侧，插入板只有35 mm，因此在搬移过程中，病人没有太大的倾斜。另外，该设备具有成本低、重量轻的特点，其基本参数如表所示。参数 数值设备型号 Rb011本体尺寸长宽高lbh/mm 1820650160插入板厚度d/mm 35本体质量m/kg 35驱动电源电压UD/V 24充电器电压 UA/V 100移动速度v/(mms1) 70搬移患者身高h/cm 180搬移患者体重W/kg 100图1四.原理简介1. 整体设计与机构组成病人搬移设备由四个模块组成，每个模块又包括上、下两部分，共有八个电动机驱动。采用嵌入式控制系统，电动机、控制器、驱动器、主控微机和电池组等全部安装在设备内部。模块包括上、下两层机械装置，各自驱动环绕其四周的皮带。上、下两部分的内部均设计有皮带张紧装置，驱动滚筒通过与皮带的外表面接触来带动皮带转动。整个驱动装置由驱动滚筒、减速器和电动机组成。驱动机构的大部分载荷被用于驱动皮带旋转。为了减少皮带传动的负载并使该装置的结构更加紧凑，采取了以下措施。(1) 开发了一种具有光滑内表面和粗糙外表面的环形皮带。(2) 利用内表面光滑的特性，当皮带与机械装置相互作用时，能够降低接触载荷，从而减小电机的功率。(3) 利用外表面粗糙的特性，当皮带与驱动辊相接触时，可以降低皮带张紧力并使该设备的结构更加紧凑。另外，皮带的粗糙外表面与病人接触，可以避免病人和皮带之间的相对打滑。(4) 上部机构的前端有一伸长臂，伸长臂端部一直倾斜到移动面上，这使得该装置更容易滑移到病人身下。此外，通过伸长臂末端的自由旋转滚筒。可以减少皮带旋转时的摩擦。(5) 在伸长臂下部，安装了一个两面光滑的金属板，从而使伸长臂很容易插入到病人身下并能将病人平稳地移动到该设备上。此外，这种结构还有助于减轻接触压力，从而提高了电机的负载能力。2. 控制系统在该设备的一侧配备有八个电动机驱动器用于驱动电机，四个小型控制器直接向驱动器输出脉宽调制(Pulse width modulation，PWM)信号，又由主控微机控制这些控制器，并由电池组向其提供电源。主控微机采用的是日立公司生产的单片机(SH2)。设备运行时，由语音系统向护士发出操作提示，并能够使病人有心理准备。电源采用镍金属氢化物电池，一次充电可以搬移病人40 次。在病人搬移过程中，分别对设备上部和下部机械装置的四个电动机指定了相同的速度。然而由于实际工作中不同的电机承受的负载不同，它们的实际运行速度并不相同。为了使上下部的电动机在搬移过程中保持相同的速度，采用了同步控制的方法。同步控制方法的研究很多，国庆鼎等研究了基于自适应控制的双电动机同步传动控制技术，提出了系统结构、控制方案的设计原理和自适应律设计。本文根据病人搬移设备系统的特点，提出一种简单的控制方法。该方法可具体描述如下。(1) 对上下单元，分别比较四个电动机的位置找出最小位置minP jmin min 1 , 2 , 3 , 4 P j = P j P j P j P j j =1,2式中 j 表示上部或下部单元， ji P(1, 2, 3, 4)为四个电动机的位置。(2) 计算最小位置电动机和其他电机之间的位置误差minj j jei = Pi P i =1,2,3,4(3) 如果指定的速度是sv j，可用下式求得每一个电动机的速度s (1 / ) j j jvi = v ei c式中 c 是一个通过试验获得的常数。应用上述同步运动控制方法，每一个电动机的运行速度可以根据自身的位置自动调节，从而使得上部或下部皮带能够在外部载荷变动下保持同样的实际速度。五评价：(1) 这是一种新型病人搬移设备的机电一体化设计。采用模块化结构设计、嵌入式伺服系统和同步协调的控制方法。具有负载检测、落下防止等安全保护措施和语音提示系统。(2) 该设备具有在不改变病人姿态的前提下搬移病人的特点。应用这种设备，不仅能够减轻护士的劳动强度，而且能够增加病人的安全感和舒适度。(3)在大阪府立医疗中心对设备的安全性、护士的可操作性和病人的舒适度进行了临床应用试验，获得了护士和患者的一致好评。六特点(1) 病人一般并不会处在完全平直的位置，其身体往往是弯曲的或者与搬移设备成一定的角度。该设备通过改变各个模块的运行速度并使其有效配合，即可使该装置旋转到与病人平行的位置，然后沿直线方向滑移到病人身体下。(2) 应用一种新的伺服系统，通过不断检测电机的转速和电流，从而使四个模块同步协作。另外，当出现某些异常时，如检测到某些异物卡在上下机三种控制模式可以随时切换。当控制器接收到来自主计算机的指令后，通过一系列的运算和平滑处理，对电动机驱动器输出一个PWM 信号。电动机的位置、速度和转矩能实时测量并送到主计算机。七发展趋势医用搬移车是目前唯一具备搬移功能的新式病员转运设备。其“搬移”技术，解决了重症患者、手术产妇以及其他自身行动不便的病人，在搬移过程中可能遇到的二次损伤或疼痛的问题。其应用，能改变医院人力硬抬病人的状况，替代医护人员搬移病人的工作，减轻患者家属参与搬移的陪护压力，提升医院的服务水平。 医用搬移车的市场需求量，仅国内医院大约有6.5-9.2万台，海外包括发达国家至今尚未开发出比其更先进的搬移技术。所以，其发展前景很大，市场需求大。八个人看法 该产品是典型的机电一体化系统，从驱动机构到控制系统再到执行机构，综合运用了机电一体化的知识，有一定的典型性。该产品设计具有一定的前端性，并且市场需求很大，具有很大的经济效益和社会效益。是一个比较成功的机电一体化产品开发个例。九参考文献1 喻洪流，张意彬，葛斌，等. 一种新型多功能急救担架车的研制J. 医疗卫生装备, 2006, 27(1)：93-94.YU Hongliu, ZHANG Yibin, GE Bin, et al. Developmentof a novel multifunctional first-aid stretcher cart J.Chinese Medical Equipment Journal, 2006, 27(1)：93-94.2 陆涛, 吕国平, 石延军, 等. 全机械手动换床担架车的研制J. 医疗卫生装备, 2008, 29(1)：50-51. LU Tao, LV Guoping, SHI Yanjun, et al. Development ofa transferring trolley for operation patients J. ChineseMedical Equipment Journal, 2008, 29(1)：50-51.3 袁承浪, 官春红, 敖惠萍. 简易过床担架的设计与应用J. 井冈山学院学报, 2007, 28(6)：121.YUAN Chenglang, GUAN Chunhong, AO Huiping.Design and application of simple transfer stretcher J.Journal of Jinggangshan University, 2007, 28(6)：121.4 FUJIDA M. A MIZUHO Torancemover system used forpatient transfer in hospitalJ. The Japanese Journal ofMedical Instrumentation, 1994, 64(11)：517.5 TAKAOKA D, IWAKI T, YAMADA M, et al.Development of a transfer supporting equipmentapplyingpower assist control C/ Proc. 4th Int.Workshop on Advanced Motion Control, Mie, Japan,March 18-21, 1996(1)：92-96.6 KAKUTANI K, IWAKI T, TAKAOKA D, et al.Development of a transfer supporting equipment C/Proc. IEEE Int. Conf. Intelligent Robots and Systems,Pittsburgh, USA, August 5-9, 1995(3)：268-273.7 KASAGAMI F, WANG H B, ARAYA M, et al.Development of a robot to assist patient transfer C/Proc. Int. Conf. System, Man and Cybernetics, Hague,Netherlands, October 10-13, 2004(5)：4 383-4 388.8 XU Yanshen, XU Qianli, CHEN Yongliang, et al.Research on the generalized modular design method withflexible modules of product structures J. ChineseJournal of Mechanical Engineering, 2004, 17(4) ：477-480.9 DUAN Xingguang, HUANG Qiang, XU Yan, et al.Development and motion analysis of miniaturewheel-track-legged mobile J. Chinese Journal ofMechanical Enginee