多功能医用护理床设计【说明书+CAD+PROE】
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多功能医用护理床设计【说明书+CAD+PROE】,多功能,医用,护理,设计,说明书,CAD,PROE
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目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状21.2.1 护理床的分类以及实现的功能21.2.2 测量系统的发展41.2.3 控制系统的发展41.3 本文主要研究内容51.4 本章小结52 护理床结构的整体方案62.1 设计原则62.2 护理床的功能要求62.2.1功能要求62.2 护理床的总体方案构思72.2.1 构思的提出72.2.2 相关要求与指标82.2.3 护理床的组成92.2.4 护理床的初步设计尺寸102.3 本章小结103 护理床的整体结构设计113.1 护理床各功能模块构型设计113.2 抬背机构113.2.1 抬背机构的结构和工作原理113.3.2 抬背机构的设计113.4 曲腿机构123.4.1 曲腿机构的结构和工作原理123.4.2 曲腿机构的设计133.5护理床的三维建模133.6 本章小结154 基于ADAMS的护理床运动学优化164.1 前言164.1.1 ADAMS软件简介164.2翻身机构的运动学分析164.2.1 翻身机构在ADAMS中的建模174.2.2 样机的参数化184.3抬背机构的运动学分析204.3.1 抬背机构在ADAMS中的建模204.3.2 样机的参数化214.4曲腿机构的运动学分析224.4.1 曲腿机构在ADAMS中的建模224.4.2 样机的参数化224.5本章小结245 护理床动力学优化255.1引言255.2侧翻机构动力学分析255.2.1为机构添加外力255.2.2侧翻机构动力学优化仿真265.2.3样机的实际结构275.3抬背机构动力学分析275.3.1为机构添加力275.3.2抬背机构动力学优化仿真275.3.3样机的实际结构295.4曲腿机构动力学分析295.4.1为机构添加外力305.4.2曲腿机构动力学仿真305.4.3 样机的实际结构315.5本章小结316 护理床的力学分析326.1 引言326.2 力学计算326.2.1护理床纵轴的设计与校核326.2.2 护理床横轴的设计与校核336.2.3护理床电动螺杆的设计与校核356.3 本章小结377 护理床控制系统设计387.1 引言387.2 直流电机控制原理387.3 电动机的选择397.3.1抬背电动机397.3.1屈腿电动机397.4 控制系统方案407.4.1 控制模块的方案407.4.2 电机驱动模块方案417.4.3 限位模块417.4.4 显示模块417.4.5 键盘模块417.4.6 电源模块417.5 控制系统的硬件设计427.5.1 电源电路设计427.5.2 电机驱动电路设计427.5.3 显示电路设计437.5.4 键盘电路设计457.5.5 限位反馈电路设计457.6 控制系统的软件设计467.6.1 程序流程467.6.2 显示程序流程477.6.3 控制程序487.7 本章小结508 结论518.1 课题结论518.2课题展望51参考文献52致谢54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抬背、屈膝以及翻身，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。利用机械分析软件ADAMS对其进行运动学及动力学分析，研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ADAMS提供的优化功能对其分别进行了运动学和动力学优化。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。关键词：医疗设备，护理床，机构设计AbstractWith the speed of population aging,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 .the mechanical analysis software ADAMS kinematics and dynamics of its analysis, research of the bed board in the under a wide variety of sports on the angular acceleration of the impact of patient comfort and linear putter in the posture of the force, and provided the use of optimization ADAMS conducted its kinematic and dynamic optimizationFirst 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 designI1 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791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34亿，其中约110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。可见多功能护理床的研究已成为医学界的热点问题。1.2 国内外研究现状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。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。1.2.1 护理床的分类以及实现的功能结构功能单一的护理床已经逐渐隐退。如今护理床床体本身的构件要实现多种功能, 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, 同时将单个功能组合起实现复杂的功能。护理床的基本分类如表1-1所示1。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2。表1-1护理床分类概括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。4312 多功能护理床实现的各种动作： 1.抬背功能；2.抬腿功能；3.抬升功能；4.抬背屈膝功能. 图1-1 多功能护理床实现的各种动作1.2.2 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1-2血压、心率和体温测量系统1.2.3 控制系统的发展可编程控制器(PLC) 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PLC 可管理高达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。PLC对护理病床多轴运动控制主要的优势表现为有足够容量的存储单元和大量高速运算指令，能够进行各种接口、通信、数据逻辑运算及复杂的逻辑控制。然而PLC 的高可靠性、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MS51 系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。1.3 本文主要研究内容鉴于人口老龄化的发展、医疗和护理费用的不断增加以及国内外市场需求的不断扩大，本文提出了一种新型的多功能医用护理床，提出几种新型的护理床侧翻机构、抬背机构以及曲腿机构，以单片机为主控制芯片，控制多台直流电机驱动整台护理床工作。实现床面的多种姿态的切换，达到满足护理要求的多功能医用护理床。主要研究内容如下：(1) 设计各种护理床的运动机构，并用图解法的方法得到初始设计尺寸。(2) 利用Pro/E三维设计软件，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计，并对其进行干涉检查，然后导出CAD图。(3) 根据初始设计数据在ADAMS中建模，利用优化功能对其进行运动学和动力学优化仿真，得到优化后的设计数据。(4) 根据优化数据修改三维模型，并同时检查模型中是否存在干涉，得到满足设计要求的护理床。(5) 对护理床的主要零件进行受力校核，检验整台护理床使用的安全性及稳定性。(6) 设计护理床的整体控制方案。设计控制流程框图，用PROTEL软件完成单片机接线图，以及外部接线图，编写单片机主要程序。1.4 本章小结本章主要介绍了课题的目的和意义，目前医用护理床在国内外的发展趋势和各类护理床的比较，在多个方面表明了当今多功能医用护理床护理床各个模块的发展情况，最后根据研究分析确定了自己所需完成的研究内容。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 护理床的功能要求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 护理床的总体方案构思护理床的总体构思包括机械结构设计、电机驱动、传感、控制运动以及总体位姿协调等问题。床面各板块人体重量分布如图2-1所示。图2-1 床面各板块人体重量分布2.2.1 构思的提出通过分析现有的护理床设计，我们很容易发现，为了实现床面某一个特定的体位姿态，传统的设计方法就会设计一套特定的机构与之对应。当位姿数目越来越多时，所需机构数目也随之增加，同时空间体积也随之膨胀。而床体的总体积是有一定限制的，即床体的长、宽、高尺寸必须按照有关护理床标准规定限制在某一个空间范围之内，才能够既满足病人的舒适感的要求又满足空间限制要求。多机构协调的技术是源于模仿人体的运动，人体的运动具有极大的柔性。受此启发将护理床床面板整体分为四个部分，这样有利于实现抬背和屈腿机构，如图所示。各个机构利用电动推杆实现机械功能。将床面板制作成网格形状，在减轻整体重量的同时增加了使用者的舒适性。在床两侧安装护栏，用来保护使用者休息时的安全问题。床腿安装万向轮，适合于使用者不宜自主活动的情况下的移动。2.2.2 相关要求与指标医用电气设备 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080o（或更大）可调。2) 大腿板与水平面间夹角（图2.2中B）应能从012o（或更大）可调。3) 小腿板与水平面间夹角（图2.2中C）应能从020o（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 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2.1 体位调整类指标指标项具体数值左翻身角度045o右翻身角度045o抬背角度080o大腿板翻转角度050o 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。参考实验室现有的多功能护理床的实物，并依据相关要求规定，考虑使用者的舒适性，设计了满足要求的多功能护理床。其面板图如图2-3所示。81182736451. 床头护栏；2.抬背推杆；3.床底架；4.万向轮；5.床侧护栏；6.床板；7.屈腿推杆；8.抬升推杆图2-3 多功能医用护理床面板图2.2.3 护理床的组成多功能医用护理床从结构和功能上分为：床框架、平面连杆机构、床板、控制系统组成。图2-2 多功能医用护理床系统框图床框架除了固定的机械机构以外，还包括各个电机安装模块。平面连杆机构包括：侧翻机构、抬背机构、曲腿机构。床板由床板框架和床板面板组成，整台多功能医用护理床中共有四台直流电机，分别完成头部升降、腿部屈伸、左右侧翻等动作。本课题工作重点在平面连杆机构部分，包括机构结构的设计，运动方案的设计，整个多功能医用护理床三维虚拟样机的建立，虚拟样机运动学与动力学优化，整床的装配及调试；控制方案确定，电路板设计、控制线路布置、连接，各种传感器设计安装，编程以及调试。2.2.4 护理床的初步设计尺寸采用上述方案确定的护理床装配前视图如下所示，其基本尺寸是：（单位：mm).详细尺寸参考各零件图CAD图纸。床垫钢丝网尺寸：采用四段钢丝床垫，每段尺寸分别是：A：417850；B/C：370850；D：483850。采用Q235焊接而成。床架尺寸：床架整体采用型钢及冷轧板焊接而成，其主要尺寸：长宽高：2050950450，根据钢丝床垫需要亦采用四段。侧栏护架尺寸：整体采用不锈钢管焊接，才套用橡胶增加质感。主要尺寸：钢管直径：20，三根钢管长度390。床头和床位护栏亦采用20的不锈钢管焊接，其基本尺寸：长高：900386。图2-3 护理床装配前视图2.3 本章小结本章围绕护理床的总体构思而展开，通过论述护理床所处的工作环境及位姿要求，指出了护理床设计时所需的各项要求，以这些要求为契机，提出了护理床的总体方案的构思，包括整体设计的构思思路，护理床结构形式的初步探讨，护理床的各个组成部分。对于控制系统采用单片机为主控制芯片，控制多台电机实现联动控制，完成护理床的各项功能。3 护理床的整体结构设计3.1 护理床各功能模块构型设计多功能医用护理床为了实现侧翻、抬背和曲腿等动作主要有以下几个机构组成：抬背机构，抬升机构和曲腿机构。依据机械原理所学知识3.2 抬背机构抬背机构是多功能医用护理床上的一个关键机构，其主要的功能实现患者在护理床上的抬背及端坐功能。3.2.1 抬背机构的结构和工作原理多功能医用护理床的台北机构类似于侧翻机构，由线性推杆、抬背连杆、抬背滚子、背板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于抬背构件上，抬背构件的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与背板连接，中部床板焊接固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得抬背构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。简图如图3-3所示。图3-3 抬背机构3.3.2 抬背机构的设计多功能医用护理床的抬背机构采用一个四杆机构，用单个线性推杆驱动。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，达到抬背的目的。其运动简图如图3-4所示。查阅手册得人体的坐高大约为800mm左右，所以本机构中背板的长度为860mm，滚子的直径为20mm，与侧翻机构相似，图解法设计，设臀部床板的长度为400mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为608mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的抬背机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，将背板向上翻转75之后，利用偏移命令，找到转动摆杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为190mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。图3-4 抬背机构运动简图3.4 曲腿机构曲腿机构是医用护理床上的一个关键机构，主要实现腿部床板的向下弯曲。在向下弯曲的时候，脚板必须处于水平位置。3.4.1 曲腿机构的结构和工作原理多功能医用护理床的曲腿机构是一个五杆机构，由单线性推杆驱动，实现曲腿的动作。简图如图3-5所示。图3-5 曲腿机构多功能医用护理床的曲腿机构包括：线性推杆、曲腿连杆、曲腿连杆、腿部床板和部分床架。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于曲腿连杆上，曲腿连杆又和曲腿连杆相铰接，曲腿连杆再和腿部床板铰接；曲腿连杆和腿部床板通过不同的铰接分别固定于床架上，线性推杆的推动使得曲腿构件绕着床架发生转动，通过曲腿连杆与腿部床板相铰接，使得腿部床板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。3.4.2 曲腿机构的设计多功能医用护理床的曲腿机构采用一个五杆机构，设大腿板的长度为445mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为380mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的曲腿机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，机构做拉动，将腿板向下翻转45之后，利用偏移命令，找到转动连杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为101mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。其抬腿机构运动简图如图3-6所示，各点安装位置也如图所示。图3-6 曲腿机构初始设计尺寸图在大腿板和脚板的连接处添加两处支撑滚子，在曲腿没有或初进行时，滚子起支撑脚板的作用。在床架下框架再添加两处支撑滚子。当曲腿运动进行时，脚板碰到床下框架的滚子，使得小腿板弯曲变为接近水平位置，起到支撑脚的作用。而腿板与脚板连接处的滚子由于曲腿动作失去支撑作用。3.5护理床的三维建模通过图解法的方法得到了护理床的初始设计数据，这些是对护理床进行建模的基础，根据上述初始设计数据，通过Pro/E软件对其进行建模，Pro/E软件功能强大，组件繁多。Pro/E功能强大、易学易用和技术创新是Pro/E的三大特点，使得Pro/E 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。Pro/E 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。Pro/E不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。得到的模型如图3-7所示。图3-7床架三维模型 图3-8 抬背连杆三维模型 图3-9抬升连杆三维模型图3-10曲腿连杆三维模型图3-11护理床三维图模型3.6 本章小结本章通过对多功能医用护理床的各个机构经过论证讨论，初步确定了各个机构的方案，并用图解法的方法，得到了各个机构的初始设计参数，为下一步进行运动学、动力学优化打下了基础。4 基于ADAMS的护理床运动学优化4.1 前言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ADAMS机械分析软件。ADAMS是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用ADAMS在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。4.1.1 ADAMS软件简介ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程。对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。目前，ADAMS软件已被广泛用于机构的分析、优化设计中。本文应用该软件对多功能护理床进行设计参数优化 。4.2翻身机构的运动学分析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ADAMS机械分析软件，得到满足机构要求的机构参数。翻身机构的左右两部分相同，只研究右半部分的翻身机构。图4-1 翻身机构关键点简图过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4-1 坐标系中各点位置坐标点X坐标/mmY坐标/mmO00AX1Y1BX2Y2CX3Y3DX4Y4把所有零部件视为刚体，OA为线性推杆，其长度可以变化，最短长度为348mm。侧翻所转过的角度与各个点的坐标有关。4.2.1 翻身机构在ADAMS中的建模数学模型是多功能护理床机构利用ADAMS软件优化的基本方程。在机构的初始位置没有要求的情况下，应该选择一个方便于建模的位置，在进行ADAMS分析时，此位置就是机构的初始位 置。由于医疗床侧翻机构的模型比较简单，利用ADAMS自身提供的建模工具，就可以建立侧翻机构的模型。使用ADAMS view提供的参数化的方法可以方便的建立参数化的样机模型。利用该样机模型可以进行动力学及运动学仿真，通过其自身提供的后处理功能，可以将所得的数据绘制成数据曲线图，并可以对曲线进行数学操作。ADAMS还以可通过自身所具有的模块对机构进行优化，得到理想的机构模型。由于机构的驱动器采用为线性推杆，其具有一定的安装尺寸要求。医疗床的床面高度，以及侧翻机构的侧翻角度也有一定的要求，所以设计的时候由一定的尺寸要求，设计成形后要求线性推杆的初始长度为348mm，机架的最大高度340mm左右。这些设计数据对应于设计变量的取值范围，定义好后的设计变量如表4-2所示：表4-2 初始设计变量变量名说明Standard value/mmDV_L1A点X方向坐标250DV_L2A点Y方向坐标245DV_L3B点X方向坐标200DV_L4B点Y方向坐标330DV_L5C点X方向坐标150DV_L6C点Y方向坐标390DV_L7D点X方向坐标400DV_L8D点Y方向坐标370图4-2 关键点的建立（4）建模后的仿真结果图4-4 仿真结果4.2.2 样机的参数化通过ADAMS提供的设计研究，对各个设计变量进行设计研究得到报表如下所示。通过上述的设计研究发现DV_L4、DV_L7和DV_L8的敏感度最大，所以在实验研究的时候着重对这三个点进行研究，改变三个设计变量的变化范围DV_L4的变化范围是020，DV_L7的变化范围是-200，DV_L8的变化范围是-200； 表4-3 设计结果报表Trial O1 DVSensitivityI17.4181 307.00 -0.3089723.8649 318.50 -0.219923 2.3599 330.00 -0.1286740.90560 341.50 -0.08763650.34428 353.00-0.048811 II13.9090 127.50 -0.07139422.3599 150.00-0.05451631.87921.8792-0.03968143.1058138.75 -0.06884851.4671172.50-0.036631 III12.7446360.50 -0.01399222.5382375.25-0.01304132.3599390.00-0.009686942.2525404.75-0.007259752.1458419.50-0.0072352图4-5 各数据下的角加速度曲线（3）优化分析在实验研究的时候着重对这三个点进行研究，改变三个设计变量的变化范围DVI的变化范围是07，DVII的变化范围是-70，DVIII的变化范围是-60；图4-6 优化前后角加速度对比通过对比，我们很容易发现优化后角加速度明显减小，图4-9中实线为初始角加速度曲线，虚线为优化后曲线。经过优化，可以确定三个变量的值分别为DVI为346.10、DVII为240.28、DVIII为236.30，此时可以满足设计要求，即背板翻转角度为75，角加速度减小到机构满足的范围之内。优化之后主要变动的为B点的安装尺寸及BD杆的长度，具体变化详见表4-3。表4-3 杆件尺寸变化B点距A点竖直距离/mmBD/mm初始尺寸65 98.4优化后尺寸48.9115.14.3抬背机构的运动学分析图4-7 抬背机构关键点简图4.3.1 抬背机构在ADAMS中的建模建立设计变量表4-4 关键点设计变量及初始值关键点坐标方向变量名初始值/mmAPoint_A_XDV_1495Point_A_YDV_2390BPoint_B_XDV_3222Point_B_YDV_4370CPoint_C_XDV_5458Point_C_YDV_6330DPoint_D_XDV_7608Point_D_YDV_8275EPoint_E_X0Point_E_Y04.3.2 样机的参数化（1）设计研究运动学设计研究报表如下所示。表4-5 设计结果报表Trial O1 DV Sensitivity I13.4637 448.000 0.0005046023.4662 453.000 0.0005248733.4689 458.00 0.0005584443.4718 463.00 0.0005798053.4747 468.00 0.00058786 II13.4864 314.000 0.001273023.4783 321.000 0.001376633.4689 330.000 0.001605043.4579 333.000 0.001880253.4450 340.000 0.0020307III13.4683 601.000 -6.4020e-00523.4685 604.000 -8.3627e-00533.4689 608.000 -0.0001185643.4695 612.000 -0.0001458153.4701 616.000 -0.00015773通过上述报表，对比发现DVII的敏感度最大，所以在优化设计的时候选取上述四个设计变量作为优化的变量值。（2） 优化设计以背板角加速度的最大值最小化作为优化目标，进行优化设计，期望在满足机构运动条件的情况下，得到最优的机构数据。图4-9 抬背机构运动学优化前后背板角加速度曲线表4-5 优化前后机构杆件尺寸表A、C点间竖直距离/mmBC /mmCD /mmDE /mm初始值60236256667优化值76.22372426824.4曲腿机构的运动学分析图4-10 曲腿机构关键点简图4.4.1 曲腿机构在ADAMS中的建模（1） 建立设计变量表4-6 关键点设计变量及初始值关键点坐标方向变量名初始值/mmAPoint_A_X0Point_A_Y0BPoint_B_XDV_1294.5Point_B_YDV_2240CPoint_C_XDV_3414.5Point_C_YDV_4320DPoint_D_XDV_3414.5Point_D_YDV_5405EPoint_E_XDV_6204.5Point_E_YDV_7447.5FPoint_F_XDV_8162Point_F_YDV_93704.4.2 样机的参数化经过设计研究之后，各个设计变量的敏感度如下所示： 表4-6 设计结果报表Trial O1 DV Sensitivity I11.6488 290.00 -0.02092922.2766 320.00 -0.02379433.0764 350.00 -0.02665842.4718 363.00 -0.05798052.4747 368.00 -0.0-58786 II12.8166 397.00 0.06922922.2766 405.00 0.06019732.4689 330.000 0.006605042.4579 433.000 0.006880252.4450 440.000 0.0060307III12.2724 197.50 -6.4222e-00523.4685 204.000 -8.3627e-00532.2766 204.50 -5.9733e-00542.4695 212.000 -4.5812e-00552.4701 216.000 -4.4633e-005分别选择DVI、DVII、DVIII三个设计变量作为优化时的设计变量，进行优化设计，优化目标函数为小腿板转动角加速度最大值的最小化，优化后设计如表4-7。表4-7 优化前后曲腿机构杆件尺寸变化表AB/mmBC/mmCD/mmDE/mmBE/mm初始值380144.685207.5185.6优化值382145.586.3207.2184.8图4-12 曲腿机构运动学优化前后腿板角加速度曲线观察图4-12，可以知道曲腿机构经过运动学优化之后，机构的运动学性能得到了显著的改善，其角加速度的最大值由原来的1.0deg/s2减小为优化后的0.46 deg/s2由此可知，经过运动学优化之后，机构的整体的运动学特性得到了改善。4.5本章小结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。本章是动力学优化的基础。5 护理床动力学优化5.1引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ADAMS建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。5.2侧翻机构动力学分析5.2.1为机构添加外力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solidworks软件对虚拟样机进行质量测量，测得背板质量为20kg，通过设计手册查得我国身高1.85m的成年人平均体重为83kg左右。为了真实的模拟虚拟样机的性能，本文采用背板质量为20kg，人体背部重量为50kg。对机构添加力之后，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5-1所示。图5-1 各点受力曲线5.2.2侧翻机构动力学优化仿真从图5-1中，得知MAKER_5点的受力最大，机构的受力优化就从MARKER_5着入。首先，测试各个设计变量对MARKER_5的受力变化的敏感度。运行一次动力学仿真，时间为25s，步数为500步，线性推杆移动速度为5.5mm/s，背板质心处加力500N，背板自重20kg。运行优化设计，优化的目标为将MARLKER_5点的受力的最大值进行最小化，仿真后优化数据如下：Model Name : model_1Date Run : 2009-04-14 17:13:51Objectives O1) Maximum of MARKER_5_MEA_1 Units : newton Initial Value: 1444.34 Final Value : 1130.2 (-21.7%) Inter. O1 DV_1 DV_2 DV_8 0 1444.3 150.00 295.00 136.30 1 1133.7 165.00 265.50 135.83 2 1130.2 165.00 265.50 134.94 3 1130.2 165.00 265.50 134.945-4 MARKER_21点优化前后受力曲线 5-5各参数下的翻转角度值5-2 MARKER_5点优化前后受力曲线 5-3 MARKER_1点优化前后受力曲线从图5-2至5-4中，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5-2中MARKER_5点受力从1443N减至1133N，从图5-5中，背板的转动角度在角度约束的范围之内。5.2.3样机的实际结构通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表5-1所示表5-1各关键点实际取值DV_L1/mmDV_L2/mmDV_L4/mmDV_L7/mmDV_L8/mm初始值250245330400370优化值265215346.1390.28359.94此时，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5-2所示：表5-2 优化前后杆件尺寸对比A、B水平距离/mmA、B竖直距离/mmBD/mm初始值506598.4优化值35191185.3抬背机构动力学分析5.3.1为机构添加力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。5.3.2抬背机构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：Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 1914.3 369.00 10.740 2 2134.5 389.50 -0.021580 3 1913.4 410.00 -2.5693 4 2029.1 430.50 -0.019588 5 1912.6 451.00 -5.6838Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 1913.3 -18.000 0.0037970 2 1913.3 -27.000 -0.0031447 3 1913.4 -36.000 -11.532 4 2120.9 -45.000 -0.0029932 5 1913.5 -54.000 23.048Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 1925.6 90.000 22.755 2 2039.4 95.000 -1.2229 3 1913.4 100.00 -12.825 4 1911.2 105.00 -0.42287 5 1909.2 110.00 -0.39627Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 1912.8 -50.800 -0.079290 2 1913.3 -57.150 -0.044021 3 1913.4 -63.500 -0.042952 4 1913.9 -69.850 -0.069998 5 1914.3 -76.200 -0.062845Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 1913.5 3.9200 0.011536 2 1913.4 0.00000 0.0081747 3 1913.4 -3.9200 -0.012181 4 1913.5 -7.8400 -3.5109 5 1940.9 -11.760 -6.9926Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238 3 1913.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777Trial O1 DV_7 Sensitivity 1 1985.6 306.74 -4.2359 2 1913.4 323.78 -2.1180 3 1913.4 340.82 6.3905 4 2131.2 357.86 0.0011642 5 1913.4 374.90 -12.779Trial O1 DV_8 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238 3 1913.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777通过设计研究，观察计算结果，可以发现实际变量DV_3、DV_4、DV_6、DV_8的敏感度最大，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。5.3.3样机的实际结构通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表5-3所示表5-3各关键点实际取值DV_2/mmDV_5/mmDV_6/mmDV_8/mm初始值390458330275优化值381452.60332317278.8优化前后杆件尺寸变化如表5-4所示。表5-4 优化前后杆件尺寸变化表A、C竖直距离/mmBC /mmCD /mmDE/mm初始值60236256667优化值62228248659图5-6 抬背机构动力学优化前后电机受力曲线观察图5-6可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。5.4曲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。5.4.1为机构添加外力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。5.4.2曲腿机构动力学仿真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：Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 4229.0 270.00 10.633 2 4548.0 300.00 10.659 3 4868.5 330.00 10.686Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 4435.8 -56.700 -17.645 2 4519.2 -61.425 -18.141 3 4607.2 -66.150 -18.637Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 4833.0 156.75 -32.756 2 4427.7 169.12 -28.017 3 4139.6 181.50 -23.278Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 3850.1 -243.00 -25.573 2 4367.9 -263.25 -26.353 3 4917.4 -283.50 -27.134Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 4792.4 -81.498 55.604 2 4434.7 -87.932 51.809 3 4125.8 -94.366 48.013Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 4541.0 -597.60 -0.10561 2 4548.0 -664.00 -0.098506 3 4554.0 -730.40 -0.091406根据上述的设计研究的结果对DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5、DV_7、DV_9七变量，作为优化设计时的设计变量，进行动力学优化仿真。图5-7 曲腿机构动力学优化前后电机受力曲线图观察图5-7可以得知，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。5.4.3 样机的实际结构 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5.5所示表5-5各关键点实际取值DV_1/mmDV_2/mmDV_3/mmDV_4/mmDV_5/mm初始值300-63165-270-85.788优化值270-56.7181.5-243-94.36此时，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5-6。表5-6 优化前后构件尺寸变化表AB/mmBC/mmCD/mmDE/mmBE/mm初始值380144.685207.5185.6优化值350136.783.6209.35192.85.5本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。6 护理床的力学分析6.1 引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。6.2 力学计算护理床各主要部件及连杆材料均选用Q235A钢6.2.1护理床纵轴的设计与校核1、求轴上的功率P1，转速，和转矩T1。P1=P1电机螺杆2轴承=600.40.992=24W(忽略连杆自重）=经整体规划将轴设计为空心光轴。2、初步确定轴的直径选用内径为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：其中：由前面轴的材料为45钢，调质处理。查得，因此，故安全。6.2.2 护理床横轴的设计与校核求轴上的功率P2、P3转速n1、n2及转矩T2、T3。P2 = P2电机螺杆2轴承 = = 47W （忽略连杆重量） P3 = P3电机螺杆2轴承 = = 24W将轴设计为空心光轴。初步确定轴的直径因计算比较保守，先选用外径42mm，内径32mm的45钢管，待后面校核。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 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。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。图6-3抬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F1=500N，方向向上。F3x=950N，F3y=2039N，=830mm，=680mm, =54mm。F2x=F3x=950N，F2y=F1+F3y=500+2039=2539N在AB段剪力 F=F1=500N，方向向上弯矩 M=Fx，得：M=0340NM，方向为顺时针方向在BC段剪力 F= F3y=2039N，方向向下弯矩 M=F2y（x-0.68）-F1x (0.68x0.734) 得：M=229.9340NM，方向逆时针方向M= F2y（x-0.68）+F2x-F1x （0.734x0.83）得：M=-18.5229.9 NM，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6-4所示。图6-4 抬背杆所受剪力及弯矩图根据剪力及弯矩图说明了抬背杆在AB段的受力最大，前后两端均受到压力使之变形，中部的受力变形则是由于前后两端分别受到向下的压力，所以导致了中部产生了拱起现象的受力。由于抬背杆整体上的受力并没有发生突变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。抬背杆在三种机构中最危险，因为抬背杆满足了设计要求，所以侧翻和曲腿杆满足设计要求。6.2.3护理床电动螺杆的设计与校核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：其中Q为轴向载荷1000N，螺纹伸角为，当量摩擦角。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=28Nm。由此得出螺纹最小扭矩为28Nm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。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。1、 螺杆强度校核：其中F为轴向压力：。A为螺纹段的危险截面面积：（d1为螺纹小径）WT为螺杆螺纹抗扭截面系数：T为螺杆所受扭矩：T=38Nm。经计算得。查表得，因此，故安全。6.3 本章小结本章通过材料力学分析的方法，检验了多功能医用护理床中主要零件的受力性能，从用户使用的安全性及可靠性出发，保证机构运行的安全性。本章是检验机构运行安全的一个重要环节，是保证机构运行的安全的基础。7 护理床控制系统设计7.1 引言为了实现多功能医用护理床各个机构的运动，对护理床进行控制部分的设计。控制系统由单片机构成主控制以及各个辅助模块，对运动的控制，实质是对四台直流电机正反转和速度的控制。将控制系统分为几个模块进行设计，采用PROTEL软件绘制电路图。7.2 直流电机控制原理直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。直流电机调速基本原理是改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。因此最常用的一定是PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。电机调速一般分为三个级，控制级，驱动级和反馈级。单片机属于前端的控制级，只需要能够产生可调的PWM波形就可以（很多单片机都有专用PWM输出功能，有定时器就能做到）。驱动级，在控制级后。因为单片机弱电不能直接驱动电机这样的强电，所以需要用功率开关器件来驱动电机。基本思路就是通过弱点控制强电。通常，驱动级和控制级还需要电气隔离（光耦器件）保证安全。反馈级是为了实现精确调速的。一般是电流反馈，也有用转速反馈的，也有电流转速双闭环反馈控制的。PWM输出的占空比具体是多少由单片机通过反馈的信息综合运算得到（是负反馈控制）。具体的原理图要根据具体的电机。7.3 电动机的选择7.3.1抬背电动机1）功率取t=40s，极限角度，转臂角速度：转臂速度：负载，则转臂传递的功率： （忽略转臂自重）电 动 机 的 许 用 功 率：P许2 =（忽略轴的转动惯量连杆自重）电动机实际功率：P许2 1.2=78W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 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=30054060=90r/min7.3.1屈腿电动机1）功率：，极限角度，转臂角速度：转臂速度：负载T3=1000N，则转臂所传递的功率：P许3=(忽略轴的转动惯量连杆质量）电动机实际功率：P3=P许31.2=42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，螺杆导程间距，可以得出电动机的最低转速约：7.4 控制系统方案控制部分采用模块化，控制系统方案框图如图7-1所示图7-1 控制系统框图7.4.1 控制模块的方案控制系统的主控制CPU采用AT89S51单片机，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大。7.4.2 电机驱动模块方案采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。7.4.3 限位模块当连杆机构运动到设计要求的角度时，通过传感器使机构运动停止，同时反馈位置信息到单片机进行调节。7.4.4 显示模块采用12864LCD液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较复杂，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。7.4.5 键盘模块采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需m根行线和n根列线就可组成mn个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。但此种键盘的软件结构较为复杂。7.4.6 电源模块通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如7812、7805等），此方案可靠性、安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。综上所述：（1）控制模块： 采用AT89S51单片机；（2）电机驱动模块： 采用直流电机驱动芯片L298N实现；（3）限位模块： 采用传感器；（4）显示模块： 采用12864LCD液晶显示模块；（5）键盘模块： 采用标准的矩阵式键盘；（6）电源模块： 采用7805、7812芯片实现。7.5 控制系统的硬件设计7.5.1 电源电路设计电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机需要24V电源，而单片机、显示模块等其它电路需要5V的电源，因此电路中选用7805和7812两种稳压芯片，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图7-2所示。图7-2 电源电路7.5.2 电机驱动电路设计驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用L298N电机驱动芯片驱动电机，该芯片是由四个大功率晶体管组成的H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。其中输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻，Vss接逻辑控制的电源。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL 逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。其电路如图3.3所示，利用两个光电耦合器将单片机的I/O与驱动电路进行隔离，保证电路安全可靠。这样单片机产生的PWM脉冲控制L298N的选通端，使电机在PWM脉冲的控制下正常运行，其中四个二极管对芯片起保护作用。其电路如图7-3所示。图7-3 电机驱动电路7.5.3 显示电路设计根据设计要求要对系统各项参数和电机运行状态进行显示，因此在电路中加入显示模块是非常必要的。在系统运行过程中需要显示的数据比较多，而且需要汉字显示，在这里选用12864液晶显示器比较适合，它是一种图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成，可完成汉字（1616）显示和图形显示共有20个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图7-4，引脚功能如表7-1所示。图7-4 12864LCD引脚分布表7-1 12864液晶显示模块引脚功能引脚符 号引 脚 功 能引脚符 号引 脚 功 能1VSS电源地15CS1CS1=1芯片选择左边64*64点2VDD电源正+5V16CS2CS2=1芯片选择右边64*64点3VO液晶显示驱动电源17/RST复位（低电平有效）4RSH：数据输入；L：指令码输入18VEELCD驱动负电源5R/WH：数据读取；L：数据写入19A背光电源（+）6E使能信号。20K背光电源（-）7-14DB0-DB7数据线有些型号的模块19、20脚为空脚12864液晶显示器与单片机的连接电路如图7-5所示：图7-5 显示模块电路7.5.4 键盘电路设计根据设计需求，本系统中使用了44键盘用以实现对护理床各个动作的控制，其电路原理图如图7-6所示。图中L0L3为44键盘的列信号，H0H3为44键盘的行信号。在本系统中，用P1.0P1.3连接键盘的列信号L0L3；用P1.4P1.7连接键盘的行信号H0H3。按照要求设计操作面板如图7-6所示：图7-6 键盘电路键盘操作说明：在系统开始运行时，12864LCD将显示开机界面，若按下设置键显示屏进入参数设置界面，此时按1、2、3、4进入相应参数的设置的状态，输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正/反控制键设置正反转，最后按启动键启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停止运行的控制。7.5.5 限位反馈电路设计图7-7 限位电路根据设计要求，当各个运动到达特定角度时，各个运动就要停止。因此要在指定角度出添加限位。这里使用传感器作为限位，同时反馈到单片机，达到更加精确地角度。7.6 控制系统的软件设计7.6.1 程序流程图7-8 主程序流程 图7-9 键盘流程 图7-10 系统主函数流程 图7-11 子程序流程7.6.2 显示程序流程显示模块是实现人机对话的重要部分，在这里选用12864LCD显示器可实现对汉字和字符的显示，该显示器的引脚功能在上面已经做了说明，下面介绍12864LCD的相关指令。（1）读取状态字D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BUSY0ONOFFRST0000当R/W=1，D/I=0时，在E信号为高的作用下，状态分别输出到数据总线上。状态字是了解模块当前工作状态的唯一的信息渠道，在每次对模块操作之前，都要读出状态字判断BUSY是否为“0”。若不为“0”，则计算机需要等待，直至BUSY =0为止。（2）显示开关设置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111DD=1：开显示；D=0关显示。（3）显示起始行设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011显示起始行（063）指令表中DB5DB0为显示起始行的地址，取值在03FH（164行）范围内，它规定了显示屏上最顶一行所对应的显示存储器的行地址。（4）页面地址设置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page（07）页面地址是DDRAM的行地址。8行为一页，DDRAM共64行即8页，DB2-DB0表示0-7页。（5）列地址设置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00001Yaddress（063）列地址是DDRAM的列地址。共64列，DB5-DB0取不同值得到0-3FH（1-64），代表某一页面上的某一单元地址，列地址计数器在每一次读写数据后它将自动加一。（6）写显示数据 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010显 示 数 据该操作将8位数据写入先前已确定的显示存储器的单元内。操作完成后列地址计数器自动加一。 （7）读显示数据 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB011显 示 数 据该操作将12864模块中的DDRAM存储器对应单位中的内容读出，然后列地址计数器自动加一。7.6.3 控制程序（1）8255芯片初始化子程序B255: MOV DPTR, #3FFFH MOV A, #10001001B MOVX DPTR, A MOV DPTR, #3FFCH MOV A, #0FFH MOVX DPTR, A MOV DPTR, #3FFDH MO
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