【一种用于常人家庭使用的助老功能床结构设计11000字（论文）】

一种用于常人家庭使用的助老功能床结构设计摘要本设计围绕着便利老年人提高照护效率的主题，从设计帮助老年人独立活动起居的机械装置的内容出发，立足于中国现阶段养老问题突出的社会现实，以老年人的生活需求为立足点，致力于解决老年人在独居时面临的上下床困难的问题。助老功能床是一种针对腰腿力量弱化的老年人群的自动化舒适性生活需要而设计的，能随意调节床的背部和腿部的角度。它既可以通过控制器来实现家庭生活的自动化，又可以使人民的生活更加舒适更加方便，从而提高家居生活的质量。本文设计一种用于常人家庭使用的助老功能床，解决老年人行动和坐卧方面的需要，如变换姿势，他人照顾等。该设计对助老功能床的各项便利化功能进行了方案的筛选、分析传动原理、关键零件尺寸计算及其强度校核，使助老功能床可以满足各设计功能并且互不干涉。并采用三维数字化设计软件soildworks对其进行建模和装配，最后对其整体方案进行校核分析。关键词助老；多功能床；人口老龄化；丝杆螺母传动目录TOC\o"1-3"\h\u279251.绪论 绪论1.1研究背景随着国家的发展速度加快和人们生活水平以及医疗水平的提高，全世界老年人的整体数量正在加速增加，根据近几年人口调查显示，我们的老龄化社会人口增长速度也在加快了，如今我们已处在一个老龄化的社会。当下，老龄化人口快速增长已经成为一个严重的社会问题。随着近期最新一次全国人口普查结果公布的最新调查数据，2021年中国的人口总量达到14亿人，从各年龄段人口的构成来看，有25385万人口年龄为60周岁以上，占我国居民的百分比为18.1%，其中有17599万人年龄为65周岁及以上，占我国居民的百分比为12.6%。中国老龄化程度进一步加深的现状再一次引起各界关注。当下，中国养老产业快速发展但“缺口”仍然巨大，如何在各类养老设施中作出选择，成为众多中老年人士规划晚年生活时考虑的重要问题。老年人的持续快速增长不但增加了个人和家庭的经济负担和护理时间，另一方面还给国家医疗保障系统和社会保障体系造成了巨大的负担。而随着老年人年龄的增长，他们的身体机能会发生很大的改变，其中尤为突出的就是老年人腰腿力量的退化，随着年龄的增长，胶原蛋白的减少引起骨关节的退化，使得很多老年人的腰腿力量退化，连最简单的上下床都不能独立完成。市面上大多的助老床虽能实现移动、平躺、起背、曲腿等功能，但是对于腿脚不便的老人，实现这些功能需要他人辅助护理，而且市面上的助老床的背板仅能简单翻折，没有考虑到老年人背部舒适性的问题，所以现在市场急需一种可以帮助老年人独自上下床并且使老年人感到舒适的新型助老功能床。1.2研究意义我想要设计一种能够帮助老年人独立上下床的的新型助老功能床，能够帮助腰腿力量不足的老年人在生活中，不需要别人的帮助，自己能够独立的上下床，方便老人的生活。我国的助老产品的研究项目还在起步阶段，现有的助老床都没有采用柔性结构，使之在使用过程中，没有充分的考虑到老年人的舒适性问题，背板的设计没有更好的贴合人体脊椎结构，不能让老人在感到舒适的情况下推起老年人的后背，背板和坐板没有采用联动的设计，使老年人在推起后背的同时不能放下腿部，更使老年人缺乏安全感。基于以上目的，我设计了这种新型的助老功能床，填补市场的空白，帮助老年人更方便，更舒服的上下床，改善他们晚年生活质量，助力我国助老产品的发展。图1-1手动护理床图1-2电动护理床1.3国内外发展现状多功能护理床的发展从上个世纪90年代才开始，当时世界上护理功能床发明制造还较为落后，在各个掌握护理床技术的国家中最领先的当属日本的多功能电动床，虽然它当时的技术并不完善，但当这款功能床上市时，还是受到了很多人们的欢迎，成为世界电动护理床开发的领行者，引领了电动护理床的革命[1]。接下来，松下电器发明了一种护理床可以经操作转变为轮椅，帮助了很多终年瘫痪在床的老年病人，该款床可以由床向轮椅转变，使床和轮椅的相互转换不再费事，扩大了老年人因腰腿不便而减少的活动范围，并且还自带有一个自动升降的功能，很符合人体工程学。位于日本的八乐梦是世界上最大的医用护理床生产公司，已有70多年的发展历史。最开始该公司制作手动护理床，在1975年，八乐梦研发出日本第一台电动床，满足了老年人的需求。后续还研发了一系列的超低床和ICU电动床等产品，这些理念和技术已经经过20多年的发展壮大。图1-3日本八乐梦电动护理床CA-29B美国的护理床市场则相比较国内更加成熟。它的技术更加先进专业，产品的涵盖面更加广泛，并且有政府和生产机构之间的相互帮助协调。在欧美，助老床的市场价值也在逐渐发展，在2012年美国医用电动床的市场份额就已至53亿美元。图1-5美国Malsch电动护理床由于内地医疗市场对于多功能护理床产品需求量很大，创造生产护理床产品的公司层出不穷，内地现有的护理床品牌很多，主要的护理床品牌包括：养光、邦恩、君缘、中臣、Ｈ强、合佳、助邦、骇德等。其中有公司达引进日本发明技术，由公司研究部门的不断改进和完善，已经开始向国外出口产品扩大市场，产品的定价在几千至一万多元之间。迈德斯特与欧洲知名护理床品牌合作，近几年来研发出多款普通家用护理床，医用病床和精品电动护理床，出口的遍布20多个国家，产品价位在五千元以内。从护理床发明问世以来，国内电动医用床产品的研发就一直落后于国外发达国家，而且有很多产品一直是借鉴国外，功能千篇一律且缺乏自我创新。而真正投身于研究国内护理床品牌的公司也十分罕见，不过在最近几年间，内地市场出现了像山东旭日集团这样勇于创新的新公司，发明出了比以前更具有实用性和代表性的产品。虽然有很大进步但依然有不足，还有很多病患和老年人的深度需求无法满足，可进行改进便能更好地为老年人服务。国内市场主要的护理床种类，根据电力设备的不同，可分为手动护理床和电动护理床，电动护理床由于方便程度和制造难度售价更高，国内价格大概在三千元以上，部分功能较多的护理床价格过万，但能在最大程度上协助护理人员，不过因为价钱较高，在国内使用率较低。手动护理床价格便宜，价位大概在两千元以内，但操作费事[2]。这些年，山东睿宏设备公司居家护理床、全自动护理床和多功能护理床等功能较为齐全的手动或电动护理床已经上市，如今的护理床可以集合市面上各种护理床的优点，把遥控技术应用在护理床上，向主动、方便和数字化方面跨进。这样看来，因为科学技术的飞速发展，护理床也正在向便捷化的方向进步。1.4本文研究内容随着科技和经济水平的发展，护理床在人们的生活中越来越普及，甚至成为了有些老年人家中不可或缺的设备。对于一般的护理床，多由背板，座板和脚板三部分组成，而目前的护理床多半是需要人工协助操作的，而且大都只注重老人坐起这个动作，对于老年人下床还是存在很多不方便。为了提高护理床的方便性和舒适度，开始研究电动护理床这种方案。当病人需要从躺姿变成坐姿时，需要将腿部放下，而医用护理床为了病人腿部治疗大多会将腿板推起。所以曲腿部分采用两根电动推杆连接一套连杆机构，电动推杆底部与床架连接，连杆机构一端和床架连接，另一端与小腿板连接。日常躺姿时电动推杆延长对小腿板提供竖直方向的力使其和背板水平，当需要躺姿变坐姿时，电动推杆将小腿板下拉，小腿版绕和座板连接处转动，可以使人腿部自然弯曲并放下。而在背板推起过程中，很多护理床是需要手摇才能升起，并且这种操作可能不连贯或者平稳性不好。所以我选用了电动可遥控操作的方案。驱动床底部的步进电机带动丝杆螺母机构驱动摇杆滑块机构，使得背板上升。

2.助老功能床的结构设计2.1设计要求助老功能床的主要受众面在老年人和身体有残疾的人群间，由于他们的身体情况和使用环境，这对护理床的要求较高。根据国家标准和医疗设备规定，助老功能床的设计要求主要有以下几点。安全性要求：老年人和普通健康人相比，其身体更加容易受损，所以对所使用的护理设备要求更高。所以助老功能床首先要考虑的问题就是其安全性，包括刚度、硬度和承载能力。并且还要考虑各种可能发生的极限情况[3]。舒适性要求：护理床应基于人体工程学，根据人体各个部分的尺寸来设计床板床架尺寸，并在各个尺寸中留有空余部分，充分考虑老年人的每一种身体条件。而由于助老床大多在家庭和医院使用，所以在使用过程中，噪音不宜过大，提高使用舒适性。标准化要求：基于护理床的受众人群的特殊情况，其各个传动模块、控制系统和零件之间的配合精度都要符合行业的标准，在最大程度上满足使用者的使用要求。便捷化要求：在保证助老功能床的安全性和合理性的前提下，适当减轻床体的材料用量，这样不但可以减轻床的质量和制造成本节省用料，还可以更加方便运输和根据使用者要求移动护理床。2.2主要功能及设计参数2.2.1主要功能本文所设计的助老功能床主要为行动不便的老年人提供护理帮助，行动不便老年人可以自己使用遥控器操控来改变自己不同状态下的体位，部分常年卧床的老年人也可以由护工借助护理床照顾，大大缩减了护工的工作难度。从老年人和照顾者的角度出发，并且考虑当下的国内护理床发展现状，我设计的护理床包含了以下两个功能。调整体位功能为老年人提供助老功能床，是为了协助他们的日常生活，改善他们的日常生活质量，使老年人的生活更轻松，并协助家庭及照顾者的工作。对于常年卧床者，姿势变换可以加快血液循环，防止肌肉萎缩和其他疾病产生。所以助老功能床将具备平躺，抬背，左右侧翻和弯腿等体位变换[4]。后背按摩功能当一个人长期处于坐姿和躺姿时，后背负荷增加，会造成肌肉僵硬和骨骼酸痛。所以助老功能床在背板中嵌入按摩机构，在人体与背板接触时，按摩机构可以上下移动疏通后背的筋络。2.2.2床体设计参数在助老功能床的设计过程中，参考《医liao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》等标准[5]，并结合国内外相关护理床标准，制定护理床相关尺寸。床面尺寸根据中国成年人人体尺寸中的标准规定，床板的平放和抬起尺寸应满足成年人躺姿和坐姿的要求，如表2-1和表2-2所示。分组比重测量选项男(18～61岁)女（18～56岁)151050909599151050909599

眼高14361474149515681643166417051337137113881454152215411579

肩高12441281129913671435145514941166119512111271133313501385

肘高9259549681024107910961128873899913960100910231050手功能高656680693741787801828630650662704746757778

会阴高701728741790840856887648673686732779792819

胫骨点高394409417444472481498363377384410437444459表2-1站姿人体尺寸图2-1坐姿人体示意图分组比重测量选项男(18～61岁)女（18～56岁）151050909599151050909599

坐高836858870908947958979789809819855891901920坐姿颈椎点高599615624657691701719563579587617648657675

坐姿眼高729749761798836847868678695704739773783803

坐姿肩高539557566598631641659504518526556585594609

坐姿肘高214228235263291298321201215223251277284299

坐姿大腿厚103112116130146151160107113117130146151160

坐姿膝高441456464493523532549410424431458485493507小腿加足高372383389413439448463331342350382399405417

坐深407421429457486494510388401408433461469485

臀膝距499515524554585595613481495502529561570587

坐姿下肢长8929219379921046106310968268518659129609751005表2-2坐姿人体尺寸根据上表的人体尺寸，并结合市面常见的护理床尺寸，最后确定床面的设计尺寸为：总长2040mm，总宽900mm。床板的分布按图2-2所示。各体位角度设计本文设计的助老功能床具有抬背、辅助翻身和曲腿功能，根据《医用电气设备第二部分：医用电动床安全专用要求》中的标准，以及人体舒适度的要求，确定各床板摆动角度如下[6]：抬背机构翻转角度：0°～70°左右侧翻机构翻转角度：0°～45°曲腿机构相对水平向下翻转角度：0°～45°2.3各个模块的设计方案2.3.1床板设计方案图2-3床板平面示意图如图2-3所示，助老功能床的床板分为8块。其中（1）、（2）、（3）为背板，（4）、（5）、（6）为座板与人体臀部和大腿贴合，（7）为小腿板，（8）为脚板。抬背时三块背板同时绕Y1轴向上翻转；侧翻时左右的背板座板联动，绕X1轴和X2轴向上翻转；曲腿时座板固定小腿板绕Y2向下转动，带动脚板绕Y3轴同时向下转动，最后脚板可放置在床架上。该设计方案中，制造连接方式无较大难度，各构件并不相互干扰，可以相互协调工作，通过联动或单动的方式实现人体姿势转变[7]。2.3.2抬背机构设计方案抬背机构是助老功能床中最主要的一个机构，它可以帮助实现由躺姿向靠姿和坐姿的转变，为老年人的治疗或日常生活提供便捷。根据市面上的护理床分析，本文提出以下三种抬背机构。图2-4抬背机构方案一方案一：该方案是一种螺旋连杆机构，其中1为抬背板，固定侧与床板铰接，2是中部承接的连杆，3和4组成螺旋连杆，4与床架铰接。这种机构中原动件为1，自由度为1，驱动件为电动推杆，以略偏于水平面的角度布置在床下。工作时，电动推杆3伸长，带动中部连杆2绕固定点旋转，带动滚轮向上滑动，从而推起背板。而本文设计背板抬起角度最大为70°，所以连杆2旋转角度较大，使得电动推杆3向前推动的行程较大，导致空间的位置不够。而且该方案会阻碍侧翻机构，形成干涉，所以不采用此方案。图2-5抬背机构方案二方案二：该方案为一种连杆机构，1为抬背板，尾端固定端和床架铰接，2和3为电动推杆，二者在抬背板下方直接连接。该机构的原动件为1，自由度和原动件数相等。工作时，电动推杆前半部分2伸长，推起抬背板1，使得背板绕与机架铰接点转动。该方案零件较少，传动结构不复杂，安装便捷无难度，但当背板逐渐抬起70°时，需要电动推杆不断伸长的尺寸较大，故安装时电动推杆伸缩杆较长，而床下的安装空间较小，无法实现该机构的运动。且电动推杆和床板连接处受力面积较小，所有力集中在一点会导致受力不平衡，容易使床向侧面翻转。所以不采用此方案[8]。图2-6抬背机构方案三方案三：该方案为螺旋传动加上连杆转动机构，该机构的原动件为1，自由度和原动件数相等，有确定相对运动。工作时，步进电机1的输出转动轴通过联轴器2连接丝杆3，丝杆穿过两个轴承座固定在床架底部，电机轴转动带动丝杆3转动从而带动螺母套4沿丝杆方向运动，螺母套4连接连杆5带动转臂6绕立式固定座7转动，转臂上端通过连接件8与直线轴承9连接，直线轴承9在光杆10上滑动，光轴10两端用光轴固定座11固定在背板下方，从而抬起背板。此方案连杆结构简单，采用铝合金加工拥有高强度和耐腐蚀性，而且加工后抗挤压且性能好，成本低，传动精确，相比较方案一和方案二在空间性和安全性方面更好，故采用此方案。2.3.3曲腿机构设计方案曲腿机构作为助老功能床中的一个关键机构，可以辅助腿部自然向下弯曲，帮助人体完成由躺姿向坐姿的转变。且在小腿板向下转到固定位置时，脚板应该水平放置。根据市面上常见的护理床分析，本文提出以下两种曲腿机构。图2-7曲腿机构方案一方案一：该方案采用螺旋连杆结构，1为座板，与床架铰接，2为小腿板与大腿版铰接，3为小腿板支杆，上端与小腿板铰接，下端与床架铰接，4与5为电动推杆，两端分别与座板和床架铰接。该机构原动件为1，自由度与原动件数相等，有确定相对的运动。运动开始时，电动推杆伸缩杆4延长，推动座板绕铰接点O转动，与此同时座板与腿板联动形成夹角达到曲腿目的。该机构提供动力的原件为电动推杆，可以同时推动座板和小腿板，这种机构零件少，制造成本低，结构简单且安装难度低。但曲腿角度最大可达45°，对电动推杆行程要求较大，而床面较低，安装空间不足，无法实现该机构的运动行程。故不采用此方案。图2-7曲腿机构方案二方案二：该机构采用螺旋连杆机构，5为小腿板，左端与床架铰接，1为曲腿连杆，和小腿板直接连接，2为曲腿支架，左端铰接在床架上，右端和曲腿连杆连接，3为电动推杆，底部固定在床架上，伸缩杆3和曲腿支架2铰接。该方案机构的原动件为1，自由度与原动件数相同，有确定相对的运动。躺姿时，伸缩杆3伸长支撑小腿板保持水平。工作时，电动推杆伸缩杆从伸长状态回拉，带动曲腿支架绕O’转动，曲腿连杆与曲腿支架联动同时向下转动，带动小腿板绕O”转动，完成曲腿动作。该机构转动简单，安装空间较小，在床架中可以实现机构运动。故此方案合理，采用此方案。由于脚板在曲腿后需要水平放置，所以可以在床架尾部杆架上增加一个放置支架，当曲腿运动完成后起到支撑脚板的作用。当曲腿运动未开始时，在小腿板和脚板的连接处设置一个小支撑架，支撑脚板保持水平。2.3.4侧翻机构设计方案侧翻机构也是助老功能床的一项基本功能，侧翻机构可以辅助翻身调整老年人的睡姿，促进身体内血液循环，设计的侧翻机构需要翻转至45°，本文提出了以下三种方案并加以分析。图2-8侧翻机构方案一方案一：该方案中的机构采用螺旋连杆，1为侧翻板，和床架铰接于点O，2为滚轮，和滚轮连接的问螺旋连杆，下端铰接在床架上。该机构原动件为1，自由度和原动件数相等，有相对确定的运动。运动开始时，电动推杆伸缩杆伸长带动滚子在侧翻板上滑动，从而推起侧翻板完成运动。该运动机构结构简单，零件少，成本低。但随着侧翻板转动，角度增大，电动推杆伸长尺寸过长，则需要较大的安装尺寸，而床架内空间较小无法完成运动。故不采用此方案。图2-9侧翻机构方案二方案二：该方案中的机构采用螺旋连杆，1为固定在侧翻板下的光杆，侧翻板在O点与床架连接，2为连杆，通过连接件与光杆上的滑块连接，3和4为电动推杆，固定在床架上并与连杆2连接。该机构的原动件为1.自由度为1，满足确定的运动。工作时，伸缩杆伸长带动连杆向上运动，同时滑块可以沿着光杆向0点运动从而推起侧翻板。在床背板下设置侧翻板，可以使抬背机构和侧翻机构互不干涉，该机构的传动简单且电动推杆相比方案一不需要较大行程。故采用此方案。2.3.5按摩机构设计方案市面上的护理床中不常见按摩机构，本文设计新增的按摩机构可以安装在背板内部，从人体的腰部到颈部直线运动进行按摩。图2-11按摩机构方案该方案的整体结构如图所示，按摩部分中4为按摩架，抬背板中的轴穿过其底部两孔将其固定，1为转动柄，中部与直线电机5的转动轴连接，前端与摇杆2连接，3为按摩块，下方的凸起部分与摇杆连接。按摩架移动部分中，步进电机6放置在按摩架上，转动轴与齿轮7连接，齿轮7和齿条8相互啮合。在按摩机构工作时，直线电机转动带动转动柄转动，而摇杆尾端与按摩架铰接，摇柄转动时摇杆绕铰接点转动某一角度，使得按模块可以上下移动。直线行进机构工作时，步进电机带动齿轮转动，齿轮在齿条上可以往复运动从而带动按摩架向前向后移动。该机构总体传动较为简单，且所占空间较小，故采用该方案。2.4助老功能床的总体方案设计通过上述对助老功能床的抬背机构、左右侧翻机构、曲腿机构和按摩机构的分布方案设计，本次设计的助老功能床的整体方案便已成型。本次助老功能床的总体设计方案如图2-12、2-13、2-14和2-15所示，其基本的工作过程为：抬背过程中步进电机带动丝杆转动，使滑块移动带动转臂转动使滑块在光杆移动推起背板。曲腿过程中电动推杆伸缩杆缩回将连杆机构拉下，带动小腿板下降完成躺姿变坐姿。侧翻过程中电动推杆伸长，带动侧翻连杆升高使滑块延光杆滑动推起侧翻板可辅助翻背。而在躺姿和坐姿时，背部的按摩机构都可以工作，按摩架在齿轮转动下沿齿条往复运动，并同时可以在摇杆机构下震动按模块。这就是助老功能床的总体机构运动。图2-12助老功能床正视图图2-13助老功能床俯视图图2-14助老功能床左视图图2-15助老功能床总体三维图

3.助老功能床关键零件设计3.1总体基本参数根据助老功能床的实际功能和安装空间大小确定床外观的基本参数。床面各板长度：背板800mm，座板480mm，小腿板380mm，脚板260mm，各床板间距40mm，床面总长2040mm。床面各板宽度：左右背板305mm,中部背板210mm，左右座板305mm，中部座板210mm，小腿板和脚板900mm，各床板间距40mm，床面总宽900mm。助老功能床总高：620mm。3.2抬背机构设计计算3.2.1基本参数本设计中助老功能床抬背机构采用的是丝杆螺母机构，背板匀速抬起至70°。图3-1抬背机构侧视图根据各个零件的安装范围，可初步设计各零件的参数：转臂6（零件1）长度为515mm，转臂6（零件2）长度为90mm，连杆5长度为125mm，螺纹长度取128mm，螺杆总长取320mm。公式中：F为自由度，构件数n为5，低副数p1为6，高副数pn为1，虚约束数F’为1[9]。由上式可得该机构的自由度为1，而丝杆螺母机构中螺母在丝杆上滑动为原动件，则原动件与自由度相等，故该机构有确定相对的运动。3.2.2电动机的选择设定抬背动作完成的时间为t0=40s，背板旋转的角度为，转臂6转动角为，则转臂角速度为：转臂的速度为：根据一般人体的重量，取工作台的负载为750N，则转臂传递的功率为：电动机的许用功率：查传动效率表得，联轴器的传动效率为0.98，丝杆的传动效率为0.3，深沟球轴承的传动效率为0.98，滑块的传动效率为0.99，将上述数据带入上式，可得：则电动机的实际功率：取丝杆的轴径DB=15mm，丝杆导程PB=10mm，则电机必要分辨率：式中——要求分辨率。运行方向负载：预负载：负载转矩：式中——预压螺母的内部摩擦系数——丝杆的效率丝杆的转动惯量：工作台与工作物的转动惯量：负载转动惯量：取安全系数=2，则必要转矩：查表选取抬背机构电机为86BYG250H型号的两相式步进电机[10]。3.3曲腿机构设计计算3.3.1基本参数图3-2曲腿原位图图3-3曲腿工作图本设计采用连杆机构，小腿板匀速放下45°。公式中：F为自由度，构件数n为3，低副数p1为4，高副数pn为0。由上式可得该机构的自由度为1，而连杆机构中伸缩杆为原动件，二者相等，故该机构有确定相对的运动。3.3.2电动机的选择设定抬背动作完成的时间为t1=30s，曲腿机构负载500N，设计电动推杆与水平面夹角：曲腿机构负载大小为电动推杆推力在竖直方向的分力，则：而曲腿机构共使用两个电动推杆，故所需电动推杆推力为：故选用推力为500N的Bors电动推杆，行程为280mm。3.4侧翻机构设计计算3.4.1基本参数图3-2侧翻工作图侧翻机构采用了连杆机构，侧翻板匀速推起45°，电动推杆和连杆固接。设计连杆长度为220mm，和伸缩杆的固接角度为90°，在侧翻板下固定有光杆，通过直线轴承和连接件与连杆连接。3.4.2电动机的选择设定侧翻动作完成时间为t2=30s，翻背机构负载为600N，设计电动推杆和水平面夹角为45°。则侧翻机构负载大小为电动推杆推力在竖直方向的分力，则可得电动推杆推力为故选用推力为900N的Bors电动推杆，行程为200mm。3.5按摩机构设计计算3.5.1基本参数按摩机构采用了齿轮齿条机构和摇杆机构，需选用两个电动机。（1）齿轮齿条机构计算根据使用环境和转动速度，选取齿轮精度为7级，选用45钢（调质），硬度为250HBS,齿条材料为45钢（调质），硬度为230HBS。选取齿轮齿数为Z1=20，分度圆直径d=30mm。齿轮的模数取齿轮的模数为1.5。可算得齿顶圆直径可算得齿根圆直径可算得齿高查表取得齿宽系数则可算得齿宽根据齿轮齿条啮合原理可以求得齿条的模数m=1.5,齿形角=20°，根据齿轮在中部背板的运行长度，取齿条长度为600mm[11]。摇杆机构计算取摇柄的旋转半径为30mm，按摩架负载为15N，可算得摇柄的转矩为3.5.2电动机的选择直线行进电动机电动机的启动扭矩电机的转动惯量取电机的安全系数为S=2，则电机的工作扭矩为综上所述，选取42步进电机为直线行进电机。按摩震动电动机取安全系数S=2，则电机工作扭矩为按摩震动时对速度变化要求较高，根据转动特性选用20W直流减速电机，输出转数为144r/min。

4.助老功能床关键零件校核4.1丝杠的校核因为在使人体坐起的过程中床架底部丝杠受力最大，故需对丝杠进行校核。4.1.1抬背丝杠基本参数和材料抬背机构负载较大，所以对丝杆的强度要求较高，查机械设计手册得，确定丝杠直径为，螺距的螺纹；由于其运动时受到较大的轴向力，所以选择深沟球轴承。为使抬背板转动70°完成抬背运动，螺母套在丝杠上的运动行程取80.7mm。根据设计的尺寸及相对位置，设计丝杠的长度，螺纹部分长度选则128mm，材料选用45钢。4.1.2抬背丝杠的强度校核（1）丝杠的传动校核取助老功能床背部的总受力为T=750N，丝杠负载为750N，通过公式式中，F——轴向载荷750N；螺纹伸角，当量摩擦角；——螺纹中径，查表得=15mm；——支撑面平均直径，==15mm；——摩擦系数，取=0.1由上式得出螺纹最小扭矩为1.69N·m，这时可以承载上文设定的背部载荷。步进电机可保持的转矩为故符合要求。（2）丝杠强度校核式中，F1为轴向压力；A为螺纹段的危险截面，（d1为螺纹小径）；WT为丝杠螺纹抗扭截面系数，；T为丝杠所受扭矩，T=1.55N·m。经计算得，材料选用为45号钢，经查表等，因此，故安全。4.2抬背机构校核4.2.1抬背连杆材料选用及校核根据相互位置关系要求，设计取抬背连杆总长为。查表并根据实际载荷大小设计抬背连杆的宽为25mm厚为20mm且材料为45号钢。选择抬背连杆受力最大时计算，则为抬背机构刚开始运动时计算抬背连杆强度：式中抬背连杆所受弯矩最大为材料的许用应力，因为，故安全。4.2.3抬背转臂材料选用及校核根据空间结构和安装范围，确定抬背转臂的尺寸。机构材料选用为45钢，宽度为30mm，厚度为10mm。从抬背转臂受力最大时计算，即抬背运动刚开始时。抬背连杆的强度计算：式中抬背连杆所受弯矩最大为材料的需用应力。因为，故安全。4.3床架材料选择及校核4.3.1床架基本参数和材料助老功能床架材料选用45号钢。助老功能床内的机构较多，则质量过大。而床架底盘位于整个装置最下方，承载床体和人的全部重量，所以床架底杆负载最大，上述尺寸设计中，床架底杆的长度为1900mm。4.3.2床架的强度校核床架底杆上有两处支撑，根据实际情况估算床体重量250kg，人体的重量为150kg，总重量350kg。受力分析如下图所示：图4-1床底架受力示意图根据重量分布计算各处受力，所以根据力矩平衡公式：得：得F4=1392.7N根据上述计算大小，计算床架底杆在各处所受的剪力及弯矩：以A为原点，在AB端内：剪力F=F1=2107.3N，方向向下弯矩得：M=0~368.7775N·m，方向为逆时针方向在BC段内：剪力，方向向上弯矩得：M=0~1678.72N·m，方向为顺时针方向在CD段内：剪力F=F4=1392.7N，方向向上弯矩得：M=0~786.875N·m，方向为逆时针方向通过上述计算结果显示，B点处的弯矩最大，所以危险截面即为B点所在的截面。计算分析绘制剪力图和弯矩图如下。图4-2床底架剪力及弯矩图根据上图所示，床架底杆在整体上的受力较为均匀，未发生突变，所以根据数据分析，床架杆件承载能力很好，受力均匀安全性良好，符合助老功能床的设计需要。

总结本次设计完成的主要工作如下：（1）查阅大量的中文和外文文献资料，了解了助老功能床的发展背景以及助老功能床在国内外的研究现状。明确了助老功能床的发展方向与要求。（2）进行助老功能床的结构方案设计。分析比较助老功能床抬背机构，曲腿机构，侧翻机构等关键结构的不同方案，比较各方案的优缺点，最终选出合适的结构设计方案，对各结构进行合理的创新组合，完成助老功能床设计的总体方案。并且分析所设计方案的工作原理。（3）对助老功能床各部分结构进行理论计算。对丝杆、齿轮、步进电机以及直