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開題報告 開 題 報 告 1 課題介紹 1.1課題名稱： 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 1.2課題背景 1.1 課題的目的及意義 多功能醫(yī)用護理床是針對生活不能自理的病人、危重病人和癱瘓病人的特殊需要而設計的，能隨意調節(jié)床的背部和腳部的角度。即使不能自理者，護理人員也可通過床邊的控制器進行操作，減少照顧病、殘患者的勞動強度。課題根據(jù)國家和上海市中長期發(fā)展綱要確定的研究方向和企業(yè)的具體需要，設計一種用于醫(yī)院重癥病人用的多功能床，解決病人身體和生理方面的需要（抬背、翻身等），也減輕護理人員的勞動強度。針對市場需求開發(fā)設計一種結構簡單、工作可靠、使用方便的多功能護理床并進行動態(tài)仿真，對于產品的產業(yè)化具有重要的意義。 1.2 國內外研究狀況及發(fā)展趨勢 隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長，思想的進步，城市人口正逐步進入老齡化,人口老齡化已成為世界范圍內的社會問題。據(jù)統(tǒng)計，歐洲發(fā)達國家和日本的老年人獨居率已高達40%，如此之高的比例迫使社會采取措施解決老年人的護理服務問題。如果完全依靠家庭人工照料，與西方國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60 歲及其以上老年人口已達1.32 億, 占全國總人口的10%, 并以年均3.32%的速度持續(xù)增長。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致生活不能自理的老年人的家庭照料與看護問題是人口老齡化國家所面臨的共同問題[1]。為此, 國家也大力加強了對護理機器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人或長期使用病床的病人提供一個集護理和排泄等各功能于一體的多功能護理床。現(xiàn)在家庭需求護理床的潛力日益增加,以前是簡易的記理床,后來加上護欄,餐桌;再后來加上大便孔,輪子;現(xiàn)在產生了很多集多功能為一體的多功能,電動護理床,極大的提高了患者的康復護理水平,也為護理人員提供了極大的方便,所以操作簡單,功能強大的護理產品越來越受到追捧。 護理床在國內的設計研究尚處于初級階段，產品的功能、結構、造型有待進一步的完善。國外護理床的研究以德國、日本為代表，各種護理功能正在逐步完善，成熟。但因其價格昂貴（一般售價在20 萬人民幣以上），很難為一般的消費者所接受。護理床的基本分類情況如下[1]： 1.3 工作內容和要求 可編程控制器(PLC) 作為新一代的工業(yè)控制裝置, 由于具有結構簡單、組合靈活、性能優(yōu)良、通用性強、簡單易用等特點, 特別是它的高可靠性和適應性, 深受廣大用戶的歡迎, 已在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用[4]。現(xiàn)在的PLC 可管理高達5000 多點的I/O 口，并有很高的指令執(zhí)行速度和高可靠性，使它能滿足多軸運動控制系統(tǒng)的控制要求。PLC對護理病床多軸運動控制主要的優(yōu)勢表現(xiàn)為有足夠容量的存儲單元和大量高速運算指令，能夠進行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運算及復雜的邏輯控制。然而PLC 的高可靠性、靈活高速的運算指令并不能彌補其昂貴的造價和有限的擴展性。而MS51 系列單片機系統(tǒng)卻以其低成本、高集成、速度快、易擴展被廣泛地應用于工業(yè)生產的方方面面。 圖1-4 一種嵌入式控制器控制框圖 1.2.4 機器人化智能語音系統(tǒng) 語音作為當前控制方法中最自然的控制命令, 隨著計算機和語音處理技術的發(fā)展 ,語音識別系統(tǒng)的實用性不斷提高。語音識別控制技術將是今后一段時期語音技術的發(fā)展方向。將語音識別技術引入到護理床控制，將為喪失自理能力的使用者帶來極大的便利。護理床的語音控制系統(tǒng)包含語音識別模塊和語音回放模塊，從而使護理床不但能實現(xiàn)語音控制操作，而且通過語音回放模塊可以為使用者提供語音反饋，更有親和力，更具人性化。語音控制技術是現(xiàn)有各種控制方式中的一種高級控制方式,它具有控制方式自然、方便,親和力好,適用范圍廣的特點. 將語音控制技術引入到護理床的控制之中,將極大地方便使用者,尤其對于那些喪失或部分喪失活動、自理能力的患者而言,語音控制可以幫助他們增強自信心,減輕對他人的依賴,增添生活的勇氣和信心[13]。 (1) 語音信號的采集處理過程 語音信號是一種典型非平穩(wěn)信號，但常?？杉俣槎虝r平穩(wěn)的，既在10－20ms內其頻譜特性可近似看作不變，可采用平穩(wěn)過程的分析處理方法來處理，即語音信號的時域處理方法。 圖1-5 語音信號處理過程 (2) 語音識別方式 語音識別分為特定人識別系統(tǒng)和非特定人識別系統(tǒng)，由于使用者的語音以及地方語言存在很大差異性，我們使用可不依賴于對地方語言識別的特定人識別系統(tǒng)，即每一位使用者都必須在使用前建立自己專用的參考模式庫，然后說話人的語音數(shù)字流與一套公用的參考模式庫嚙合，進行少量的訓練修改，使之能自動適應用戶的語音特性。 (3) 語音回放方式 在現(xiàn)有語音識別技術的基礎上再增加與識別技術相對應的語音回放技術，將為使用者提供更友善的提示語句和更便利的操作性能。該語音回放模塊采用了高音質單晶片語言錄放IC，芯片內部集成語音信號放大、濾波、采樣、Ａ/Ｄ轉換等模塊，可選擇2、4、8等長分段或自動或手動錄音。電路所需外圍零部件少，線路簡單可靠，更改錄放內容簡便、靈活、易操作、成本低[6]。 鑒于人口老齡化的發(fā)展、醫(yī)療和護理費用的不斷增加以及國內外市場需求的不斷擴大，本文提出了一種新型的多功能醫(yī)用護理床，提出幾種新型的護理床側翻機構、抬背機構以及曲腿機構，以單片機為主控制芯片，控制多臺直流電機驅動整臺護理床工作。實現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達到滿足護理要求的多功能醫(yī)用護理床。主要研究內容如下： (1) 設計各種護理床的運動機構，并用圖解法的方法得到初始設計尺寸。 (2) 利用三維設計軟件，根據(jù)初始設計數(shù)據(jù)對其建模，進行結構設計，并對其進行干涉檢查，然后導出CAD圖。 (3) 根據(jù)初始設計數(shù)據(jù)在ADAMS中建模，利用優(yōu)化功能對其進行運動學和動力學優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的設計數(shù)據(jù)。 (4) 根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)修改三維模型，并同時檢查模型中是否存在干涉，得到滿足設計要求的護理床。 (5) 對護理床的主要零件進行受力校核，檢驗整臺護理床使用的安全性及穩(wěn)定性。 (6) 設計護理床的整體控制方案。設計控制流程框圖，用PROTEL軟件完成單片機接線圖，以及外部接線圖，編寫單片機主要程序。 參考文獻 [1] 徐曉云，楊曉勇等，護理床的模塊化研究設計[J]，藝術與設計，2006 [2] 江豪 王威 劉永平等,多功能護理床的研究與開發(fā)[J],微計算機信息,2006.07, 9(3)：117-119 [3] 陳佩江,韓虎等,多功能護理床測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J],電氣技術與自動化，2007.06 [4] 汪吉鵬　穆效江等.PLC在多功能護理床控制系統(tǒng)中的應用[J],電子與自動化，1999 [5] 姚銀花，王金海等. 基于SoC單片機的醫(yī)療護理床系統(tǒng)設計[J],天津工業(yè)大學學報,2006.8, 19(25):44-47. [6] 張 東 謝存禧 吳 劍等. 機器人化多功能護理床的研究與開發(fā)[J],機器人技術與應用,2003,18(6): 21-25. [7] 王福安 紀慶聚等. DQC-1 型多功能全自動床的研制[J]，醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2001 [8] 汪 燁等，多功能電動護理床控制系統(tǒng)研制[J]，制造業(yè)自動化，2009.06 [9] 劉宇,趙京,李謙等. 多功能護理翻身床的設計[J]，機械設計與研究[J].2008.10 [10] 張春梅,張燦灼等. 多功能醫(yī)療護理床的研制與應用[J]，醫(yī)療設備信息,2006.8, 16(8):15-16. [11] 周慧強, 謝存禧等. 機器人化多功能護理床實用雙機系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J]，機床與液壓,2006.6, 19(6):33-36. [12] 卜薇薇, 酈鳴陽等. 具有防墜床功能的智能護理床的研制[J]，中國組織工程研究與臨床康復.2007.12 [13] 張鐵，謝存禧等. 一種機器人化的多功能護理床及其控制系統(tǒng)[J]，華南理工大學學報，2006.2 [14] 陳波，王德玉等. 醫(yī)用翻身床設計[J]，設計與研究，2007.9 [15] 尹志強等著. 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書[M],北京：機械工業(yè)出版,2007 [16] 張歡歡，辛少杰. 基于ADAMS的多功能床的結構參數(shù)優(yōu)化[J]，上海：上海電機學院學報，2008.9, 11（3）：197—200. [12]王季秋，陸景華，著.電機實用技術[M]，上?？茖W技術出版社，1997,85-153. [15]鄭廣琴，武春香，宮艷鳳，著.實用護理床的研制及臨床應用[J]，黑龍江護理雜志，1999，5(1)：18-21 [16]吳秀忠，王友彩，著.便攜式多功能醫(yī)療護理床的研制及臨床應用[J]，醫(yī)療設備信息，2001，9(1)：54-56 [17] 電子產品世界網(wǎng)站 [18] 百思論壇ADAMS專區(qū) [19] Todd E .Rook，Shyam Kumar.DYNAMIC AIRCRAFTL ANDING GEAR SIMULATIONUSING FLEXIBLE MULTIBODY METHODS INADAMS.TO GUIDE COMPONENT DESIGN AND TESTING[C] .ADAMS User Conference.June 2001 [20]Mickey White, Tony Adamo,Sylvain Ligonde. Correlation between Experimental Approach and CAEA DAMS Rigid Body Modeling[C].North American ADAMS User's Conference. 2001 [21]Ge Wang, Darrell SocieRic, Mousseau. Flexible Body Dynamic Simulation of an ATV Frameand Suspension System[C].ADAMS User Conference.June 2001