机械创新设计多功能护理机床讲解

1、机械创新设计结课论文专 业 机械设计制造及其自动化 班姓 名 学 号 1题 目 多功能护理床任 课 教 师 童小利起 止 日 期 2016-3-032016-5-18任 任课 课教 教师 师童小利童小利起 起止 止日 日期 期2015-220-153-2-2103152-50-125-5-2目录摘要 21 设计意义 32 设计内容 33 护理床结构的整体方案 43.1功能要求及设计指标 43.1.1功能要求 43.1.2 设计指标 43.2护理床本体总体方案 63.2.1 总体布局 63.2.2床面设计 73.3护理床各功能模块构型设计 83.3.1抬背构型设计 93.3.2翻身机构构型设计

2、103.3.3抬背、腿机构的设计 114 创新点 125 三维仿真设计 12抬背、曲腿功能 13抬背功能 14床垫 14床垫 15床垫 15弹簧支撑杆 16参考文献 17摘要“孝为先”家用老年人多功能护理床设计，旨在解决无自理能力的老年人卧床过程 中面临的一些问题，如翻身、大小便。同时，也为照护者提供方便、轻松、卫生的照护 环境。论文从前期调研、 创意风暴、最终方案、 模型制作等四大部分介绍该护理床设计前期调研阶段从现有实际问题出发，通过亲身体验、与护理床销售人员沟通和对市 场现有护理床产品比较分析，将该设计定位在全手动操作、适用于整体收入较低农村家 庭的家用普通护理床。在创意风暴阶段，根据前

3、期调研和人机工程学内容，对产品的外观和使用方式进行 了深入的、全方位的推敲，同时，对产品可能应用到的结构进行了分析整理，最终得到 了一套比较完美的设计方案。关键词： 老年人护理床，多功能，设计分析1 设计意义通过这种设计使老年人感受到来自社会的关爱和来自子女的孝意。 多功能老年人专 用护理床所传达的更深层的意义是社会责任感，是社会对老年人的关怀，这种意义使老 年人在精神上感觉到温暖；同时，有了这样一款产品，减少了子女在照顾老人过程中出 现的一些不便，从而减少了一些抱怨之声，换来的是老人身心的愉悦。这样的一款产品 不只局限于年轻的子女使用，其他的有爱心的人也可以通过操作该产品帮助照顾老人， 让老

4、人感受到更多的幸福和快乐。2 设计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

5、床的三维建模3 护理床结构的整体方案3.1 功能要求及设计指标3.1.1 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

6、床上坐起饮食以及看书。3.1.2 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 500mm2、承载指标按照医用电气设备 第二部

7、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。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.

8、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。3.2 护理床本体总体方案3.

9、2.1 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、翻身部件四大功能模块。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

10、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。3.2.2 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 18为下层板， 1114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

11、，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 2.2 各床板 X 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 2.3 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平躺各床板均水平左/右翻身半边床板与水平面夹角为 0 45o1、 3、5、7 床板组 合或 2、4、6、8 床板组合 联动，绕 X 轴翻转抬背背板与水平面夹角为080

12、o1、 2、11 床板组合 联动，绕 Y1 轴翻转曲/伸腿大腿板与水平面夹 角 035o 小腿板与水平面 夹角为 -20o 05、 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。3.3 护理床各功能模块构型设计3.3.1 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）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

13、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，

14、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=43.5 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 为二种之中的最优构型，故抬被机构最终采用该构型3.3.2 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

15、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

16、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局要10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，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。3.3.3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

17、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 抬背机构简图图 2.7 抬腿机构简图114 创新点1）、采用分模块原理实现进餐、翻身等功能；2）、采用螺旋传动控制，操作简单；3）、进餐模块中，餐具设计巧妙，集各种餐具的功能于一体；4）、可完全折叠，携带方便。5 三维仿真设计抬背、曲腿功能12抬背功能13身功能A4床垫床垫15弹簧支撑杆16参考文献1 孙桓，陈作模 .机械原理（第六版） .高等教育出版社 .20