多功能醫(yī)用護(hù)理床設(shè)計(jì)【說明書+CAD+PROE】,說明書+CAD+PROE,多功能醫(yī)用護(hù)理床設(shè)計(jì)【說明書+CAD+PROE】,多功能,醫(yī)用,護(hù)理,設(shè)計(jì),說明書,仿單,cad,proe 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 護(hù)理床的分類以及實(shí)現(xiàn)的功能 2 1.2.2 測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展 4 1.2.3 控制系統(tǒng)的發(fā)展 4 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容 5 1.4 本章小結(jié) 5 2 護(hù)理床結(jié)構(gòu)的整體方案 6 2.1 設(shè)計(jì)原則 6 2.2 護(hù)理床的功能要求 6 2.2.1功能要求 6 2.2 護(hù)理床的總體方案構(gòu)思 7 2.2.1 構(gòu)思的提出 7 2.2.2 相關(guān)要求與指標(biāo) 8 2.2.3 護(hù)理床的組成 9 2.2.4 護(hù)理床的初步設(shè)計(jì)尺寸 10 2.3 本章小結(jié) 10 3 護(hù)理床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1 護(hù)理床各功能模塊構(gòu)型設(shè)計(jì) 11 3.2 抬背機(jī)構(gòu) 11 3.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 11 3.3.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 3.4 曲腿機(jī)構(gòu) 12 3.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 12 3.4.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 3.5護(hù)理床的三維建模 13 3.6 本章小結(jié) 15 4 基于ADAMS的護(hù)理床運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化 16 4.1 前言 16 4.1.1 ADAMS軟件簡(jiǎn)介 16 4.2翻身機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 16 4.2.1 翻身機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 17 4.2.2 樣機(jī)的參數(shù)化 18 4.3抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 20 4.3.1 抬背機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 20 4.3.2 樣機(jī)的參數(shù)化 21 4.4曲腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 22 4.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 22 4.4.2 樣機(jī)的參數(shù)化 22 4.5本章小結(jié) 24 5 護(hù)理床動(dòng)力學(xué)優(yōu)化 25 5.1引言 25 5.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 25 5.2.1為機(jī)構(gòu)添加外力 25 5.2.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真 26 5.2.3樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 27 5.3抬背機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 27 5.3.1為機(jī)構(gòu)添加力 27 5.3.2抬背機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真 27 5.3.3樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 29 5.4曲腿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 29 5.4.1為機(jī)構(gòu)添加外力 30 5.4.2曲腿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真 30 5.4.3 樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 31 5.5本章小結(jié) 31 6 護(hù)理床的力學(xué)分析 32 6.1 引言 32 6.2 力學(xué)計(jì)算 32 6.2.1護(hù)理床縱軸的設(shè)計(jì)與校核 32 6.2.2 護(hù)理床橫軸的設(shè)計(jì)與校核 33 6.2.3護(hù)理床電動(dòng)螺桿的設(shè)計(jì)與校核 35 6.3 本章小結(jié) 37 7 護(hù)理床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 38 7.1 引言 38 7.2 直流電機(jī)控制原理 38 7.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 39 7.3.1抬背電動(dòng)機(jī) 39 7.3.1屈腿電動(dòng)機(jī) 39 7.4 控制系統(tǒng)方案 40 7.4.1 控制模塊的方案 40 7.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案 41 7.4.3 限位模塊 41 7.4.4 顯示模塊 41 7.4.5 鍵盤模塊 41 7.4.6 電源模塊 41 7.5 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 42 7.5.1 電源電路設(shè)計(jì) 42 7.5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 42 7.5.3 顯示電路設(shè)計(jì) 43 7.5.4 鍵盤電路設(shè)計(jì) 45 7.5.5 限位反饋電路設(shè)計(jì) 45 7.6 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 46 7.6.1 程序流程 46 7.6.2 顯示程序流程 47 7.6.3 控制程序 48 7.7 本章小結(jié) 50 8 結(jié)論 51 8.1 課題結(jié)論 51 8.2課題展望 51 參考文獻(xiàn) 52 致謝 54 摘 要 隨著人口老齡化速度的加快，護(hù)理業(yè)服務(wù)受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，醫(yī)療和社會(huì)保險(xiǎn)系統(tǒng)面臨前所未有的壓力，因此為老年患者服務(wù)的護(hù)理型病床的需求正不斷增加。 針對(duì)這一現(xiàn)象，本文詳細(xì)論述了針對(duì)缺乏自理能力的老年人及行動(dòng)不便的病人設(shè)計(jì)的多功能護(hù)理床的基本結(jié)構(gòu)和功能原理。該病床能夠幫助病人實(shí)現(xiàn)抬背、屈膝以及翻身，解決了護(hù)理病人過程中的諸多不便，進(jìn)而提高了我國(guó)護(hù)理業(yè)服務(wù)，有力地促進(jìn)了我國(guó)的醫(yī)療保健事業(yè)的發(fā)展。 本文首先基于人機(jī)工程學(xué)，進(jìn)行了護(hù)理床總體方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)研結(jié)果，制定了護(hù)理床的設(shè)計(jì)原則，功能要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)；完成了護(hù)理床本體的總體方案設(shè)計(jì)。利用機(jī)械分析軟件ADAMS對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，研究了床板在各種運(yùn)動(dòng)狀況下的角加速度對(duì)患者舒適度的影響及線性推桿在各姿態(tài)下的受力狀況，并利用ADAMS提供的優(yōu)化功能對(duì)其分別進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)優(yōu)化。 然后，采用自上而下的方法完成了護(hù)理床結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)并給出了全套的設(shè)計(jì)圖。主要包括總體框架、抬腿部件、抬背部件、翻身部件等功能模塊。 關(guān)鍵詞：醫(yī)療設(shè)備，護(hù)理床，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract With 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 optimization 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 I 1 緒論 1.1 研究背景 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高和醫(yī)療保健行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的重大社會(huì)問題，據(jù)調(diào)查，目前全球60歲以上的老年人口已經(jīng)達(dá)到了6億的規(guī)模，而且在很長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi)還有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)。由于計(jì)劃生育的原因，我國(guó)人口老齡化的速度比世晃上大多數(shù)國(guó)家的更加快速，已經(jīng)提前進(jìn)入了人口老齡化國(guó)家的行列。據(jù)報(bào)道，中國(guó)不僅是世界上老齡化人口最多的國(guó)家，而且也是老齡化速度最快的國(guó)家之一。2000年的全國(guó)第五次人口普查資料顯示，60歲及以上老年人口己達(dá)1.3億，占全國(guó)總?cè)丝诘?0.3％(65歲以上老年人口為8687萬，占7％)，預(yù)計(jì)到2015年，老年人121將超2億，占全國(guó)人口的14％，2025年，將增加到2.84億，比例將進(jìn)一步攀升為19.3％，這段時(shí)期可稱為人口老齡化的高峰期。更為突出的是，我國(guó)80歲以上老年人口已達(dá)1100萬，并以年均5.4％的驚人速度遞增。人口老齡化的趨勢(shì)在很大程度上增加了老年人群患慢性病的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)資料，約79．1％的老人至少有一種慢性病，而這類人群往往也有較差的功能狀態(tài)、較高的殘疾風(fēng)險(xiǎn)和較高的死亡率，因而將成為健康情況最差的一個(gè)群體。他們中的大部分自我照料能力差甚至無法完成自我照料，需要長(zhǎng)期的照顧服務(wù)，對(duì)家庭、社區(qū)、政府依賴程度較大。據(jù)調(diào)查，在80歲以上男性老人中，能自我照料的只占35.7％。 然而，人口的老齡化程度與我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況明顯不相匹配。世界上人口老齡化程度高的國(guó)家往往都是發(fā)達(dá)國(guó)家，這些國(guó)家有更好的醫(yī)療和社會(huì)保障系統(tǒng)，因此老齡化帶來的社會(huì)問題并不是特別明顯；而我國(guó)是在社會(huì)主義發(fā)展的初級(jí)階段、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相對(duì)落后的情況下就迎來了老齡化社會(huì)，這給醫(yī)療和社會(huì)保障系統(tǒng)帶來了空前的壓力，所面臨的社會(huì)問題也尤為突出。現(xiàn)階段我國(guó)高齡老年人主要由家庭照料，護(hù)理強(qiáng)度大，費(fèi)用高昂，情況亟待改善。目前全國(guó)共有家庭3～4億，其中約1／10的家庭有需要看護(hù)的人員，各類和長(zhǎng)期臥床的老年人和病人大量存在，使得這類人群的護(hù)理已成為一個(gè)重大的社會(huì)問題日益凸顯?？梢姸喙δ茏o(hù)理床的研究已成為醫(yī)學(xué)界的熱點(diǎn)問題。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長(zhǎng)，思想的進(jìn)步，城市人口正逐步進(jìn)入老齡化,人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的社會(huì)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家和日本的老年人獨(dú)居率已高達(dá)40%，如此之高的比例迫使社會(huì)采取措施解決老年人的護(hù)理服務(wù)問題。如果完全依靠家庭人工照料，與西方國(guó)家子女與老年人分居、家庭規(guī)模小型化的觀念有抵觸之處。我國(guó)60 歲及其以上老年人口已達(dá)1.32 億, 占全國(guó)總?cè)丝诘?0%, 并以年均3.32%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。其中“空巢家庭”占所有老齡家庭總數(shù)的25.8%,在一些大城市中該比例更大，解決因身體虛弱臥床不起或因疾患導(dǎo)致生活不能自理的老年人的家庭照料與看護(hù)問題是人口老齡化國(guó)家所面臨的共同問題[1]。為此, 國(guó)家也大力加強(qiáng)了對(duì)護(hù)理機(jī)器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人或長(zhǎng)期使用病床的病人提供一個(gè)集護(hù)理和排泄等各功能于一體的多功能護(hù)理床。現(xiàn)在家庭需求護(hù)理床的潛力日益增加,以前是簡(jiǎn)易的記理床,后來加上護(hù)欄,餐桌;再后來加上大便孔,輪子;現(xiàn)在產(chǎn)生了很多集多功能為一體的多功能,電動(dòng)護(hù)理床,極大的提高了患者的康復(fù)護(hù)理水平,也為護(hù)理人員提供了極大的方便,所以操作簡(jiǎn)單,功能強(qiáng)大的護(hù)理產(chǎn)品越來越受到追捧。 護(hù)理床在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)研究尚處于初級(jí)階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一步的完善。國(guó)外護(hù)理床的研究以德國(guó)、日本為代表，各種護(hù)理功能正在逐步完善，成熟。但因其價(jià)格昂貴（一般售價(jià)在20 萬人民幣以上），很難為一般的消費(fèi)者所接受。隨著護(hù)理行業(yè)的發(fā)展以及人民的需求，也必將導(dǎo)致多功能護(hù)理床向著功能全面發(fā)展，手動(dòng)必將被自動(dòng)所代替。目前市場(chǎng)上生產(chǎn)多功能護(hù)理床的商家主要有北京的佳康時(shí)代醫(yī)療器械公司，江蘇永新醫(yī)用設(shè)備公司，江蘇欣盛醫(yī)療器械有限公司等。各個(gè)公司所開發(fā)的不同型號(hào)的護(hù)理床的價(jià)格也有所不同，手動(dòng)的比較便宜大約千元左右，電動(dòng)的貴一些的則需要兩三千左右。同時(shí)，市場(chǎng)上又出現(xiàn)各種山寨醫(yī)療器械廠生產(chǎn)的護(hù)理床，一場(chǎng)護(hù)理大業(yè)就要到來。 1.2.1 護(hù)理床的分類以及實(shí)現(xiàn)的功能 結(jié)構(gòu)功能單一的護(hù)理床已經(jīng)逐漸隱退。如今護(hù)理床床體本身的構(gòu)件要實(shí)現(xiàn)多種功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左側(cè)翻、右側(cè)翻、、潔便門開關(guān)裝置及沖洗馬桶和沖洗身體的裝置, 另外還有烘干和抽風(fēng)的設(shè)備。各個(gè)部分可以獨(dú)立的運(yùn)行來完成相應(yīng)的動(dòng)作, 同時(shí)將單個(gè)功能組合起實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。護(hù)理床的基本分類如表1-1所示[1]。譬如病人躺在床上排泄問題的解決, 改變靠背板的仰角或者左右的側(cè)翻以取得舒適的姿態(tài), 護(hù)理人員對(duì)潔便池的清洗等[2]。 表1-1護(hù)理床分類概括 名稱 優(yōu)點(diǎn) 存在問題 功能基礎(chǔ)型護(hù)理床 1、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于制造。2、價(jià)格便宜。 1、功能比較簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)使用者的護(hù)理要求。2、手動(dòng)為主，操作繁瑣。3、造型傳統(tǒng)，舒適性差。4、應(yīng)用范圍窄。 功能普通型護(hù)理床 1、一般為電動(dòng)，用戶可簡(jiǎn)單操作控制。2、能完成基本的護(hù)理功能。3、增添了輔助功能接口。4、整體造型，色彩改進(jìn)，具有一定的親和性。 1、市場(chǎng)售價(jià)偏高。2、功能啟動(dòng)柔性差，銜接不連貫。3、功能一體化造成功能浪費(fèi)。4、生產(chǎn)技術(shù)含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識(shí)別功能差 功能高級(jí)型護(hù)理床 1、護(hù)理功能完善。2、功能調(diào)整定位準(zhǔn)確，連貫性好，基本無噪音。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全。4、造型新穎，有較強(qiáng)的親和力。5、文字，標(biāo)志容易識(shí)別。 1、市場(chǎng)售價(jià)昂貴。造成功能浪費(fèi)嚴(yán)重，造成額外的經(jīng)濟(jì)成本。2、整體可拆性差，運(yùn)輸、組裝繁瑣。3、對(duì)患者康復(fù)功能的考慮較少。 從近年來的發(fā)展來看，國(guó)內(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)構(gòu)、功能等等各異的護(hù)理床層出不窮。發(fā)展方向主要向機(jī)器人模塊化的自動(dòng)控制方向發(fā)展。 4 3 1 2 多功能護(hù)理床實(shí)現(xiàn)的各種動(dòng)作： 1.抬背功能；2.抬腿功能；3.抬升功能；4.抬背屈膝功能. 圖1-1 多功能護(hù)理床實(shí)現(xiàn)的各種動(dòng)作 1.2.2 測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展 臨床上被稱為生命體征參數(shù)的血壓、心率和體溫是衡量人體機(jī)能狀況的重要指標(biāo),這些參數(shù)的測(cè)量是日常護(hù)理的重要組成部分。傳統(tǒng)的方式是由醫(yī)護(hù)人員以通用的測(cè)量裝置對(duì)各參數(shù)逐一進(jìn)行測(cè)量,這無疑給醫(yī)護(hù)人員增加了很大工作量。在多功能護(hù)理床中,利用單片機(jī)系統(tǒng)能很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)血壓、心率和體溫等的采集、處理,并將采集數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)護(hù)人員,提高了護(hù)理工作的品質(zhì)和效率。多功能護(hù)理床除了完成基本的肢體動(dòng)作功能以外,根據(jù)臨床護(hù)理的需要,還對(duì)生命體征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)此目的所搭建的系統(tǒng)硬件主要由參數(shù)轉(zhuǎn)換傳感元件、處理電路、單片機(jī)、液晶顯示器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成, 為了測(cè)得所需的數(shù)據(jù),選擇合適的傳感器是至關(guān)重要的。人體的血壓、心率和體溫分別由壓力傳感器、脈搏傳感器和溫度傳感器進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在多功能護(hù)理床中,通過傳感器采集人體血壓、心率和體溫信號(hào),送入單片機(jī)處理,處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳入上位機(jī),可根據(jù)設(shè)定值,判斷是否超出規(guī)定值,發(fā)出報(bào)警信號(hào),方便醫(yī)護(hù)人員及時(shí)作出相應(yīng)處理。此測(cè)量系統(tǒng)增加了護(hù)理床的功能,提高了性能價(jià)格比,適合大中型醫(yī)院、療養(yǎng)院以及普通家庭使用。整個(gè)系統(tǒng)使用方便,操作簡(jiǎn)單,擴(kuò)展功能強(qiáng),在普通護(hù)理床基礎(chǔ)上增加了測(cè)量病人血壓、心率和體溫的功能,為醫(yī)療護(hù)理行業(yè)提供了新的測(cè)量方法。 圖1-2血壓、心率和體溫測(cè)量系統(tǒng) 1.2.3 控制系統(tǒng)的發(fā)展 可編程控制器(PLC) 作為新一代的工業(yè)控制裝置, 由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組合靈活、性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn), 特別是它的高可靠性和適應(yīng)性, 深受廣大用戶的歡迎, 已在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用[4]?，F(xiàn)在的PLC 可管理高達(dá)5000 多點(diǎn)的I/O 口，并有很高的指令執(zhí)行速度和高可靠性，使它能滿足多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求。PLC對(duì)護(hù)理病床多軸運(yùn)動(dòng)控制主要的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為有足夠容量的存儲(chǔ)單元和大量高速運(yùn)算指令，能夠進(jìn)行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算及復(fù)雜的邏輯控制。然而PLC 的高可靠性、靈活高速的運(yùn)算指令并不能彌補(bǔ)其昂貴的造價(jià)和有限的擴(kuò)展性。而MS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)卻以其低成本、高集成、速度快、易擴(kuò)展被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的方方面面。 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容 鑒于人口老齡化的發(fā)展、醫(yī)療和護(hù)理費(fèi)用的不斷增加以及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，本文提出了一種新型的多功能醫(yī)用護(hù)理床，提出幾種新型的護(hù)理床側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)以及曲腿機(jī)構(gòu)，以單片機(jī)為主控制芯片，控制多臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)整臺(tái)護(hù)理床工作。實(shí)現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達(dá)到滿足護(hù)理要求的多功能醫(yī)用護(hù)理床。主要研究?jī)?nèi)容如下： (1) 設(shè)計(jì)各種護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并用圖解法的方法得到初始設(shè)計(jì)尺寸。 (2) 利用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)其建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行干涉檢查，然后導(dǎo)出CAD圖。 (3) 根據(jù)初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在ADAMS中建模，利用優(yōu)化功能對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 (4) 根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)修改三維模型，并同時(shí)檢查模型中是否存在干涉，得到滿足設(shè)計(jì)要求的護(hù)理床。 (5) 對(duì)護(hù)理床的主要零件進(jìn)行受力校核，檢驗(yàn)整臺(tái)護(hù)理床使用的安全性及穩(wěn)定性。 (6) 設(shè)計(jì)護(hù)理床的整體控制方案。設(shè)計(jì)控制流程框圖，用PROTEL軟件完成單片機(jī)接線圖，以及外部接線圖，編寫單片機(jī)主要程序。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題的目的和意義，目前醫(yī)用護(hù)理床在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)和各類護(hù)理床的比較，在多個(gè)方面表明了當(dāng)今多功能醫(yī)用護(hù)理床護(hù)理床各個(gè)模塊的發(fā)展情況，最后根據(jù)研究分析確定了自己所需完成的研究?jī)?nèi)容。 2 護(hù)理床結(jié)構(gòu)的整體方案 2.1 設(shè)計(jì)原則 多功能翻身護(hù)理床的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循一下的幾個(gè)原則： 1、安全性原則 由于護(hù)理床對(duì)老年人和病人的身體進(jìn)行直接的接觸與操作，而且相對(duì)于健康人來說，這類人群的身體更容易收到損傷，所以護(hù)理床在安全性方面的要求很高。無論是護(hù)理床的結(jié)構(gòu)還是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，安全性始終是最優(yōu)先考慮的一個(gè)原則。比如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，不應(yīng)存在任何干涉情況，結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度方面都要留有充足的余量，要考慮到各種極限情況。 2、人性化、舒適性原則 人性化、舒適性設(shè)計(jì)是可用性設(shè)計(jì)的延伸，護(hù)理床應(yīng)該根據(jù)人體生理學(xué)原理，更多地從人的生理結(jié)構(gòu)、心理情況、行為習(xí)慣等方面加以考慮。比如各部分結(jié)構(gòu)要與人體的尺寸匹配；設(shè)計(jì)中力求加速度最小化等等。 3、功能多樣化原則 護(hù)理過程中，不同使用者往往對(duì)護(hù)理床有著各種各樣不同功能的要求，除了基本的體位要求之外，還有諸如吃飯、洗漱、排便等更多的要求。 4、標(biāo)準(zhǔn)化原則 護(hù)理床機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與選擇、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系和尺寸匹配，都有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，不僅能在最大程度上滿足使用要求，而且有利于增強(qiáng)互換性，降低陳本。 5、輕量化原則 從降低能量消耗和減小運(yùn)動(dòng)慣性的角度考慮，護(hù)理床應(yīng)該在保證功能和安全的情況下遵循輕量化原則。這樣不僅節(jié)約了材料、降低了成本而且減小運(yùn)動(dòng)慣性則非常有利于某個(gè)部件的停啟，使護(hù)理床的運(yùn)輸使用成本都有很大的降低。 2.2 護(hù)理床的功能要求 2.2.1功能要求 根據(jù)我在各個(gè)醫(yī)院觀察的結(jié)果，類比市場(chǎng)上的護(hù)理床種類功用，再加上一定創(chuàng)新，確定了多功能護(hù)理床的功能范圍，主要包括體位調(diào)整類功能、吃飯看書功能。 1、體位調(diào)整功能 護(hù)理床首先必須滿足日常護(hù)理中的多種必要的體位位姿，實(shí)現(xiàn)各體位的自動(dòng)變換，對(duì)于提高使用者的自理能力，減少因長(zhǎng)期臥床引發(fā)的并發(fā)癥，改善其健康狀態(tài)，有著積極的意義，同時(shí)可以大大減輕護(hù)理醫(yī)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。具體包括：平躺、左/右翻身、抬背、曲/伸腿.。 2、吃飯看書功能 長(zhǎng)期臥床患者的飲食也是困擾護(hù)理人員的又一難題，本設(shè)計(jì)通過簡(jiǎn)單可行的方法使患者能夠在床上坐起飲食以及看書。 2.2 護(hù)理床的總體方案構(gòu)思 護(hù)理床的總體構(gòu)思包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感、控制運(yùn)動(dòng)以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題。床面各板塊人體重量分布如圖2-1所示。 圖2-1 床面各板塊人體重量分布 2.2.1 構(gòu)思的提出 通過分析現(xiàn)有的護(hù)理床設(shè)計(jì)，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)床面某一個(gè)特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法就會(huì)設(shè)計(jì)一套特定的機(jī)構(gòu)與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時(shí)，所需機(jī)構(gòu)數(shù)目也隨之增加，同時(shí)空間體積也隨之膨脹。而床體的總體積是有一定限制的，即床體的長(zhǎng)、寬、高尺寸必須按照有關(guān)護(hù)理床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制在某一個(gè)空間范圍之內(nèi)，才能夠既滿足病人的舒適感的要求又滿足空間限制要求。多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運(yùn)動(dòng)，人體的運(yùn)動(dòng)具有極大的柔性。受此啟發(fā)將護(hù)理床床面板整體分為四個(gè)部分，這樣有利于實(shí)現(xiàn)抬背和屈腿機(jī)構(gòu)，如圖所示。各個(gè)機(jī)構(gòu)利用電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械功能。將床面板制作成網(wǎng)格形狀，在減輕整體重量的同時(shí)增加了使用者的舒適性。在床兩側(cè)安裝護(hù)欄，用來保護(hù)使用者休息時(shí)的安全問題。床腿安裝萬向輪，適合于使用者不宜自主活動(dòng)的情況下的移動(dòng)。 2.2.2 相關(guān)要求與指標(biāo) 《醫(yī)用電氣設(shè)備 第二部分：醫(yī)用電動(dòng)床安全專用要求》給出了背板、大腿板、小腿板的調(diào)節(jié)范圍建議值： 1) 背板與水平面間夾角（圖2.2中A）應(yīng)能從0～80o（或更大）可調(diào)。 2) 大腿板與水平面間夾角（圖2.2中B）應(yīng)能從0～12o（或更大）可調(diào)。 3) 小腿板與水平面間夾角（圖2.2中C）應(yīng)能從0～20o（或更大）可調(diào)。 4) 大腿板與小腿板間夾角（圖2.2中D）應(yīng)能調(diào)至180o（平面）。 圖2-2 床面各板的推薦調(diào)節(jié)范圍 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，參照調(diào)研所得結(jié)果，同時(shí)考慮文獻(xiàn)中同類研究的相關(guān)參數(shù)，確定了體位調(diào)整類具體指標(biāo)（見表2.1）。 表2.1 體位調(diào)整類指標(biāo) 指標(biāo)項(xiàng) 具體數(shù)值 左翻身角度 0～45o 右翻身角度 0～45o 抬背角度 0～80o 大腿板翻轉(zhuǎn)角度 0～50o 注：以上各項(xiàng)動(dòng)作均可以在設(shè)定范圍內(nèi)的任意角度隨時(shí)停止。 參考實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的多功能護(hù)理床的實(shí)物，并依據(jù)相關(guān)要求規(guī)定，考慮使用者的舒適性，設(shè)計(jì)了滿足要求的多功能護(hù)理床。其面板圖如圖2-3所示。 8 1 1 8 2 7 3 6 4 5 1. 床頭護(hù)欄；2.抬背推桿；3.床底架；4.萬向輪；5.床側(cè)護(hù)欄； 6.床板；7.屈腿推桿；8.抬升推桿 圖2-3 多功能醫(yī)用護(hù)理床面板圖 2.2.3 護(hù)理床的組成 多功能醫(yī)用護(hù)理床從結(jié)構(gòu)和功能上分為：床框架、平面連桿機(jī)構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。 圖2-2 多功能醫(yī)用護(hù)理床系統(tǒng)框圖 床框架除了固定的機(jī)械機(jī)構(gòu)以外，還包括各個(gè)電機(jī)安裝模塊。平面連桿機(jī)構(gòu)包括：側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)、曲腿機(jī)構(gòu)。床板由床板框架和床板面板組成，整臺(tái)多功能醫(yī)用護(hù)理床中共有四臺(tái)直流電機(jī)，分別完成頭部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻等動(dòng)作。本課題工作重點(diǎn)在平面連桿機(jī)構(gòu)部分，包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，整個(gè)多功能醫(yī)用護(hù)理床三維虛擬樣機(jī)的建立，虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，整床的裝配及調(diào)試；控制方案確定，電路板設(shè)計(jì)、控制線路布置、連接，各種傳感器設(shè)計(jì)安裝，編程以及調(diào)試。 2.2.4 護(hù)理床的初步設(shè)計(jì)尺寸 采用上述方案確定的護(hù)理床裝配前視圖如下所示，其基本尺寸是：（單位：mm).詳細(xì)尺寸參考各零件圖CAD圖紙。 床墊鋼絲網(wǎng)尺寸：采用四段鋼絲床墊，每段尺寸分別是：A：417×850；B/C：370×850；D：483×850。采用Q235焊接而成。 床架尺寸：床架整體采用型鋼及冷軋板焊接而成，其主要尺寸：長(zhǎng)×寬×高：2050×950×450，根據(jù)鋼絲床墊需要亦采用四段。 側(cè)欄護(hù)架尺寸：整體采用不銹鋼管焊接，才套用橡膠增加質(zhì)感。主要尺寸：鋼管直徑：φ20，三根鋼管長(zhǎng)度390。 床頭和床位護(hù)欄亦采用φ20的不銹鋼管焊接，其基本尺寸：長(zhǎng)×高：900×386。 圖2-3 護(hù)理床裝配前視圖 2.3 本章小結(jié) 本章圍繞護(hù)理床的總體構(gòu)思而展開，通過論述護(hù)理床所處的工作環(huán)境及位姿要求，指出了護(hù)理床設(shè)計(jì)時(shí)所需的各項(xiàng)要求，以這些要求為契機(jī)，提出了護(hù)理床的總體方案的構(gòu)思，包括整體設(shè)計(jì)的構(gòu)思思路，護(hù)理床結(jié)構(gòu)形式的初步探討，護(hù)理床的各個(gè)組成部分。對(duì)于控制系統(tǒng)采用單片機(jī)為主控制芯片，控制多臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，完成護(hù)理床的各項(xiàng)功能。 3 護(hù)理床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 護(hù)理床各功能模塊構(gòu)型設(shè)計(jì) 多功能醫(yī)用護(hù)理床為了實(shí)現(xiàn)側(cè)翻、抬背和曲腿等動(dòng)作主要有以下幾個(gè)機(jī)構(gòu)組成：抬背機(jī)構(gòu)，抬升機(jī)構(gòu)和曲腿機(jī)構(gòu)。依據(jù)機(jī)械原理所學(xué)知識(shí) 3.2 抬背機(jī)構(gòu) 抬背機(jī)構(gòu)是多功能醫(yī)用護(hù)理床上的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能實(shí)現(xiàn)患者在護(hù)理床上的抬背及端坐功能。 3.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能醫(yī)用護(hù)理床的臺(tái)北機(jī)構(gòu)類似于側(cè)翻機(jī)構(gòu)，由線性推桿、抬背連桿、抬背滾子、背板以及部分床架組成。線性推桿一端鉸接于床架上，另一端鉸接于抬背構(gòu)件上，抬背構(gòu)件的一端鉸接于床架上，另一端通過滾子與背板連接，中部床板焊接固定于床架上，使之充當(dāng)機(jī)架作用，線性推桿的推動(dòng)使得抬背構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾子的作用，使得背板繞著它與中部床板的鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。簡(jiǎn)圖如圖3-3所示。 圖3-3 抬背機(jī)構(gòu) 3.3.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 多功能醫(yī)用護(hù)理床的抬背機(jī)構(gòu)采用一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，用單個(gè)線性推桿驅(qū)動(dòng)。床板平置時(shí)，人躺在床上和普通病床一樣，當(dāng)需要坐起時(shí)由圖中左邊的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿9 轉(zhuǎn)動(dòng)，使得螺套7 向右運(yùn)動(dòng)，再由連桿6 帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂5 旋轉(zhuǎn)，最后由轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)床板1 繞J 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起。需要曲膝時(shí)，同樣右邊的電動(dòng)工作，通過螺旋傳動(dòng)使得轉(zhuǎn)臂12 旋轉(zhuǎn)，將床板3 頂起，達(dá)到抬背的目的。其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3-4所示。 查閱手冊(cè)得人體的坐高大約為800mm左右，所以本機(jī)構(gòu)中背板的長(zhǎng)度為860mm，滾子的直徑為20mm，與側(cè)翻機(jī)構(gòu)相似，圖解法設(shè)計(jì)，設(shè)臀部床板的長(zhǎng)度為400mm，線性推桿的行程范圍得出水平距離為608mm，由此得出線性推桿的初始安裝長(zhǎng)度，這樣得到了初始狀態(tài)下的抬背機(jī)構(gòu)的尺寸，但由于機(jī)構(gòu)需要滿足運(yùn)動(dòng)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將背板向上翻轉(zhuǎn)75°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿的所在位置，得出線性推桿的終了安裝位置，這樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為190mm，此行程正好滿足了線性推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。 圖3-4 抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 3.4 曲腿機(jī)構(gòu) 曲腿機(jī)構(gòu)是醫(yī)用護(hù)理床上的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)腿部床板的向下彎曲。在向下彎曲的時(shí)候，腳板必須處于水平位置。 3.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)是一個(gè)五桿機(jī)構(gòu)，由單線性推桿驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曲腿的動(dòng)作。簡(jiǎn)圖如圖3-5所示。 圖3-5 曲腿機(jī)構(gòu) 多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)包括：線性推桿、曲腿連桿Ⅰ、曲腿連桿Ⅱ、腿部床板和部分床架。線性推桿一端鉸接于床架上，另一端鉸接于曲腿連桿Ⅰ上，曲腿連桿Ⅰ又和曲腿連桿Ⅱ相鉸接，曲腿連桿Ⅱ再和腿部床板鉸接；曲腿連桿Ⅰ和腿部床板通過不同的鉸接分別固定于床架上，線性推桿的推動(dòng)使得曲腿構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過曲腿連桿Ⅱ與腿部床板相鉸接，使得腿部床板繞著它與中部床板的鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.4.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)采用一個(gè)五桿機(jī)構(gòu)，設(shè)大腿板的長(zhǎng)度為445mm，線性推桿的行程范圍得出水平距離為380mm，由此得出線性推桿的初始安裝長(zhǎng)度，這樣得到了初始狀態(tài)下的曲腿機(jī)構(gòu)的尺寸，但由于機(jī)構(gòu)需要滿足運(yùn)動(dòng)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)做拉動(dòng)，將腿板向下翻轉(zhuǎn)45°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動(dòng)連桿的所在位置，得出線性推桿的終了安裝位置，這樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為101mm，此行程正好滿足了線性推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。其抬腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3-6所示，各點(diǎn)安裝位置也如圖所示。 圖3-6 曲腿機(jī)構(gòu)初始設(shè)計(jì)尺寸圖 在大腿板和腳板的連接處添加兩處支撐滾子，在曲腿沒有或初進(jìn)行時(shí)，滾子起支撐腳板的作用。在床架下框架再添加兩處支撐滾子。當(dāng)曲腿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)，腳板碰到床下框架的滾子，使得小腿板彎曲變?yōu)榻咏轿恢?，起到支撐腳的作用。而腿板與腳板連接處的滾子由于曲腿動(dòng)作失去支撐作用。 3.5護(hù)理床的三維建模 通過圖解法的方法得到了護(hù)理床的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，這些是對(duì)護(hù)理床進(jìn)行建模的基礎(chǔ)，根據(jù)上述初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過Pro/E軟件對(duì)其進(jìn)行建模，Pro/E軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。Pro/E功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是Pro/E的三大特點(diǎn)，使得Pro/E 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Pro/E 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。Pro/E不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。得到的模型如圖3-7所示。 圖3-7床架三維模型 圖3-8 抬背連桿三維模型 圖3-9抬升連桿三維模型 圖3-10曲腿連桿三維模型 圖3-11護(hù)理床三維圖模型 3.6 本章小結(jié) 本章通過對(duì)多功能醫(yī)用護(hù)理床的各個(gè)機(jī)構(gòu)經(jīng)過論證討論，初步確定了各個(gè)機(jī)構(gòu)的方案，并用圖解法的方法，得到了各個(gè)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)參數(shù)，為下一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。 4 基于ADAMS的護(hù)理床運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化 4.1 前言 多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，主要是為了進(jìn)一步確定各機(jī)構(gòu)的桿件尺寸，在滿足各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的前提下，保證在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候各機(jī)構(gòu)之間不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，同時(shí)多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析也時(shí)為了在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的條件下，使機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中達(dá)到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)，得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及桿件尺寸數(shù)據(jù)。 多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基于ADAMS機(jī)械分析軟件。ADAMS是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用ADAMS在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。 4.1.1 ADAMS軟件簡(jiǎn)介 ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件是美國(guó)MDI公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。目前，ADAMS軟件已被廣泛用于機(jī)構(gòu)的分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)中。本文應(yīng)用該軟件對(duì)多功能護(hù)理床進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化 。 4.2翻身機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 多功能醫(yī)用護(hù)理床的側(cè)翻機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，是以側(cè)翻背板的角加速度的最大值最小化為目標(biāo)函數(shù)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，基于ADAMS機(jī)械分析軟件，得到滿足機(jī)構(gòu)要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。 翻身機(jī)構(gòu)的左右兩部分相同，只研究右半部分的翻身機(jī)構(gòu)。 圖4-1 翻身機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡(jiǎn)圖 過O點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以水平方向?yàn)閄方向，以豎直方向?yàn)閅方向。 表4-1 坐標(biāo)系中各點(diǎn)位置 坐標(biāo)點(diǎn) X坐標(biāo)/mm Y坐標(biāo)/mm O 0 0 A X1 Y1 B X2 Y2 C X3 Y3 D X4 Y4 把所有零部件視為剛體，OA為線性推桿，其長(zhǎng)度可以變化，最短長(zhǎng)度為348mm。側(cè)翻所轉(zhuǎn)過的角度與各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)。 4.2.1 翻身機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 數(shù)學(xué)模型是多功能護(hù)理床機(jī)構(gòu)利用ADAMS軟件優(yōu)化的基本方程。在機(jī)構(gòu)的初始位置沒有要求的情況下，應(yīng)該選擇一個(gè)方便于建模的位置，在進(jìn)行ADAMS分析時(shí)，此位置就是機(jī)構(gòu)的初始位 置。由于醫(yī)療床側(cè)翻機(jī)構(gòu)的模型比較簡(jiǎn)單，利用ADAMS自身提供的建模工具，就可以建立側(cè)翻機(jī)構(gòu)的模型。 使用ADAMS view提供的參數(shù)化的方法可以方便的建立參數(shù)化的樣機(jī)模型。利用該樣機(jī)模型可以進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過其自身提供的后處理功能，可以將所得的數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線圖，并可以對(duì)曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)操作。ADAMS還以可通過自身所具有的模塊對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到理想的機(jī)構(gòu)模型。 由于機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用為線性推桿，其具有一定的安裝尺寸要求。醫(yī)療床的床面高度，以及側(cè)翻機(jī)構(gòu)的側(cè)翻角度也有一定的要求，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候由一定的尺寸要求，設(shè)計(jì)成形后要求線性推桿的初始長(zhǎng)度為348mm，機(jī)架的最大高度340mm左右。這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的取值范圍，定義好后的設(shè)計(jì)變量如表4-2所示： 表4-2 初始設(shè)計(jì)變量 變量名 說明 Standard value/mm DV_L1 A點(diǎn)X方向坐標(biāo) 250 DV_L2 A點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 245 DV_L3 B點(diǎn)X方向坐標(biāo) 200 DV_L4 B點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 330 DV_L5 C點(diǎn)X方向坐標(biāo) 150 DV_L6 C點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 390 DV_L7 D點(diǎn)X方向坐標(biāo) 400 DV_L8 D點(diǎn)Y方向坐標(biāo) 370 圖4-2 關(guān)鍵點(diǎn)的建立 （4）建模后的仿真結(jié)果 圖4-4 仿真結(jié)果 4.2.2 樣機(jī)的參數(shù)化 通過ADAMS提供的設(shè)計(jì)研究，對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究得到報(bào)表如下所示。 通過上述的設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)DV_L4、DV_L7和DV_L8的敏感度最大，所以在實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)候著重對(duì)這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行研究，改變?nèi)齻€(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍DV_L4的變化范圍是0～20﹪，DV_L7的變化范圍是-20﹪～0，DV_L8的變化范圍是-20﹪～0； 表4-3 設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)表 Trial O1 DV Sensitivity I 1 7.4181 307.00 -0.30897 2 3.8649 318.50 -0.21992 3 2.3599 330.00 -0.12867 4 0.90560 341.50 -0.087636 5 0.34428 353.00 -0.048811 II 1 3.9090 127.50 -0.071394 2 2.3599 150.00 -0.054516 3 1.8792 1.8792 -0.039681 4 3.1058 138.75 -0.068848 5 1.4671 172.50 -0.036631 III 1 2.7446 360.50 -0.013992 2 2.5382 375.25 -0.013041 3 2.3599 390.00 -0.0096869 4 2.2525 404.75 -0.0072597 5 2.1458 419.50 -0.0072352 圖4-5 各數(shù)據(jù)下的角加速度曲線 （3）優(yōu)化分析 在實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)候著重對(duì)這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行研究，改變?nèi)齻€(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍DVI的變化范圍是0～7﹪，DVII的變化范圍是-7﹪～0，DVIII的變化范圍是-6﹪～0； 圖4-6 優(yōu)化前后角加速度對(duì)比 通過對(duì)比，我們很容易發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后角加速度明顯減小，圖4-9中實(shí)線為初始角加速度曲線，虛線為優(yōu)化后曲線。 經(jīng)過優(yōu)化，可以確定三個(gè)變量的值分別為DVI為346.10、DVII為240.28、DVIII為236.30，此時(shí)可以滿足設(shè)計(jì)要求，即背板翻轉(zhuǎn)角度為75°，角加速度減小到機(jī)構(gòu)滿足的范圍之內(nèi)。優(yōu)化之后主要變動(dòng)的為B點(diǎn)的安裝尺寸及BD桿的長(zhǎng)度，具體變化詳見表4-3。 表4-3 桿件尺寸變化 B點(diǎn)距A點(diǎn)豎直距離/mm BD/mm 初始尺寸 65 98.4 優(yōu)化后尺寸 48.9 115.1 4.3抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖4-7 抬背機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡(jiǎn)圖 4.3.1 抬背機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 建立設(shè)計(jì)變量 表4-4 關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)變量及初始值 關(guān)鍵點(diǎn) 坐標(biāo)方向 變量名 初始值/mm A Point_A_X DV_1 495 Point_A_Y DV_2 390 B Point_B_X DV_3 222 Point_B_Y DV_4 370 C Point_C_X DV_5 458 Point_C_Y DV_6 330 D Point_D_X DV_7 608 Point_D_Y DV_8 275 E Point_E_X 0 Point_E_Y 0 4.3.2 樣機(jī)的參數(shù)化 （1）設(shè)計(jì)研究 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)研究報(bào)表如下所示。 表4-5 設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)表 Trial O1 DV Sensitivity I 1 3.4637 448.000 0.00050460 2 3.4662 453.000 0.00052487 3 3.4689 458.00 0.00055844 4 3.4718 463.00 0.00057980 5 3.4747 468.00 0.00058786 II 1 3.4864 314.000 0.0012730 2 3.4783 321.000 0.0013766 3 3.4689 330.000 0.0016050 4 3.4579 333.000 0.0018802 5 3.4450 340.000 0.0020307 III 1 3.4683 601.000 -6.4020e-005 2 3.4685 604.000 -8.3627e-005 3 3.4689 608.000 -0.00011856 4 3.4695 612.000 -0.00014581 5 3.4701 616.000 -0.00015773 通過上述報(bào)表，對(duì)比發(fā)現(xiàn)DVII的敏感度最大，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候選取上述四個(gè)設(shè)計(jì)變量作為優(yōu)化的變量值。 （2） 優(yōu)化設(shè)計(jì) 以背板角加速度的最大值最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，期望在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)條件的情況下，得到最優(yōu)的機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)。 圖4-9 抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化前后背板角加速度曲線 表4-5 優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)桿件尺寸表 A、C點(diǎn)間豎直距離/mm BC /mm CD /mm DE /mm 初始值 60 236 256 667 優(yōu)化值 76.2 237 242 682 4.4曲腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖4-10 曲腿機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡(jiǎn)圖 4.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模 （1） 建立設(shè)計(jì)變量 表4-6 關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)變量及初始值 關(guān)鍵點(diǎn) 坐標(biāo)方向 變量名 初始值/mm A Point_A_X 0 Point_A_Y 0 B Point_B_X DV_1 294.5 Point_B_Y DV_2 240 C Point_C_X DV_3 414.5 Point_C_Y DV_4 320 D Point_D_X DV_3 414.5 Point_D_Y DV_5 405 E Point_E_X DV_6 204.5 Point_E_Y DV_7 447.5 F Point_F_X DV_8 162 Point_F_Y DV_9 370 4.4.2 樣機(jī)的參數(shù)化 經(jīng)過設(shè)計(jì)研究之后，各個(gè)設(shè)計(jì)變量的敏感度如下所示： 表4-6 設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)表 Trial O1 DV Sensitivity I 1 1.6488 290.00 -0.020929 2 2.2766 320.00 -0.023794 3 3.0764 350.00 -0.026658 4 2.4718 363.00 -0.057980 5 2.4747 368.00 -0.0-58786 II 1 2.8166 397.00 0.069229 2 2.2766 405.00 0.060197 3 2.4689 330.000 0.0066050 4 2.4579 433.000 0.0068802 5 2.4450 440.000 0.0060307 III 1 2.2724 197.50 -6.4222e-005 2 3.4685 204.000 -8.3627e-005 3 2.2766 204.50 -5.9733e-005 4 2.4695 212.000 -4.5812e-005 5 2.4701 216.000 -4.4633e-005 分別選擇DVI、DVII、DVIII三個(gè)設(shè)計(jì)變量作為優(yōu)化時(shí)的設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為小腿板轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度最大值的最小化，優(yōu)化后設(shè)計(jì)如表4-7。 表4-7 優(yōu)化前后曲腿機(jī)構(gòu)桿件尺寸變化表 AB/mm BC/mm CD/mm DE/mm BE/mm 初始值 380 144.6 85 207.5 185.6 優(yōu)化值 382 145.5 86.3 207.2 184.8 圖4-12 曲腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化前后腿板角加速度曲線 觀察圖4-12，可以知道曲腿機(jī)構(gòu)經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化之后，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能得到了顯著的改善，其角加速度的最大值由原來的1.0deg/s2減小為優(yōu)化后的0.46 deg/s2由此可知，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化之后，機(jī)構(gòu)的整體的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性得到了改善。 4.5本章小結(jié) 根據(jù)圖解法得到的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，建立了虛擬樣機(jī)模型，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化之后，得到了滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的參數(shù)及尺寸。但這樣的虛擬樣機(jī)優(yōu)化與實(shí)際樣機(jī)還存在著一定的距離，所以，本文作者通過運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)，作為動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)，再對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，真正滿足機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的安全性及可靠性。本章是動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的基礎(chǔ)。 5 護(hù)理床動(dòng)力學(xué)優(yōu)化 5.1引言 動(dòng)力學(xué)是理論力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它主要研究作用于物體的力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體。動(dòng)力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是許多工程學(xué)科的基礎(chǔ)。 動(dòng)力學(xué)以牛頓第二定律為核心，這個(gè)定律指出了力、加速度、質(zhì)量三者間的關(guān)系。牛頓首先引入了質(zhì)量的概念，而把它和物體的重力區(qū)分開來，說明物體的重力只是地球?qū)ξ矬w的引力。 多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是基于ADAMS建立于在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)之上的，根據(jù)先前的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果作為動(dòng)力學(xué)分析的初始值，綜合考慮線性推桿的推、拉力的限制以及機(jī)架各支點(diǎn)的受力狀況，主要對(duì)線性推桿的受力狀況及各床架支點(diǎn)的受力狀況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。 5.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 5.2.1為機(jī)構(gòu)添加外力 側(cè)翻機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中，會(huì)有以下幾個(gè)方面對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。它們是機(jī)構(gòu)自身質(zhì)量，患者體重以及各個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦力。由于摩擦力很小，在此忽略不計(jì)，只考慮機(jī)構(gòu)的重量及患者的體重。 通過solidworks軟件對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，測(cè)得背板質(zhì)量為20kg，通過設(shè)計(jì)手冊(cè)查得我國(guó)身高1.85m的成年人平均體重為83kg左右。為了真實(shí)的模擬虛擬樣機(jī)的性能，本文采用背板質(zhì)量為20kg，人體背部重量為50kg。對(duì)機(jī)構(gòu)添加力之后，運(yùn)行一次動(dòng)力學(xué)仿真。測(cè)量各個(gè)點(diǎn)的受力以及電機(jī)的受力。仿真時(shí)間為25s，步數(shù)為500步。 添加力測(cè)量，測(cè)得的各點(diǎn)受力曲線如圖5-1所示。 圖5-1 各點(diǎn)受力曲線 5.2.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真 從圖5-1中，得知MAKER_5點(diǎn)的受力最大，機(jī)構(gòu)的受力優(yōu)化就從MARKER_5著入。首先，測(cè)試各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)MARKER_5的受力變化的敏感度。運(yùn)行一次動(dòng)力學(xué)仿真，時(shí)間為25s，步數(shù)為500步，線性推桿移動(dòng)速度為5.5mm/s，背板質(zhì)心處加力500N，背板自重20kg。運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的目標(biāo)為將MARLKER_5點(diǎn)的受力的最大值進(jìn)行最小化，仿真后優(yōu)化數(shù)據(jù)如下： Model Name : model_1 Date Run : 2009-04-14 17:13:51 Objectives O1) Maximum of MARKER_5_MEA_1 Units : newto