自動翻身醫(yī)療床課程設(shè)計.doc

緒論 中國老齡人口數(shù)目日益增多，為提高病人的自理能力、有利于減輕護理人員工作強度，護理床的市場需求日益增強和迫切，作者在對國內(nèi)外護理床調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國際護理床最新技術(shù)的發(fā)展，研制了具有電動輔助左右側(cè)翻身的醫(yī)療床。 殘疾人和癱瘓病人所患疾病經(jīng)常會要求長期臥床, 這樣在重力作用下, 病人后背和臀部將會長期受壓, 產(chǎn)生褥瘡。傳統(tǒng)的解決辦法是需要護士或家人經(jīng)常為病人翻身, 但費時費力, 效果不佳。于是, 這就為自動翻身床的應(yīng)用提供了廣闊市場。 另外隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 產(chǎn)生了新的社會問題, 如人口老齡化等。一些城市出現(xiàn)/ 空巢家庭0, 老年人尤其是老年病人長期得不到照顧。由于老年人所患疾病多以慢性病為主, 需長期進行物理方式護理, 因此配備必要的護理設(shè)備, 尤其是一種能夠由病人自己控制的護理翻身床就顯得十分急需。通過查閱文獻和專利, 發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)醫(yī)療護理床主要有三大類。第一類為半臥起坐立床(支背曲腿型), 主要目的是實現(xiàn)病人上半身的直立坐起, 達到身體舒適位置,以方便進食服藥。這種護理床很普遍, 但未能解決褥瘡這一醫(yī)護難題。第二類為側(cè)翻翻身床, 主要目的是解決褥瘡問題。但是由于機構(gòu)設(shè)計的局限性, 這類床的翻身角度一般只有30 50, 原未達到人體生理翻身的最舒適狀態(tài)90, 病人后背依然壓在床褥上, 根本未有效解決褥瘡的產(chǎn)生。第三類為多功能翻身床, 能夠?qū)崿F(xiàn)多種變形, 完成支背、曲腿、側(cè)翻等動作要求。這類翻身床多為國外進口, 價格昂貴, 而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 機構(gòu)運動空間受到限制, 大部分產(chǎn)品側(cè)翻角不理想。 從醫(yī)院和病人的角度分析，使用普通的醫(yī)療床確實可以節(jié)省費用，減輕醫(yī)療負擔(dān)，能改善醫(yī)院的經(jīng)營條件，減少環(huán)境污染，有利于設(shè)備的更新。但也對病人存在不利的因素，這是不能忽視的。但是， 要看到輔助側(cè)翻身醫(yī)療床的出現(xiàn)和普遍應(yīng)用。相信隨著我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展壯大，使用的側(cè)翻身醫(yī)療床越來越普遍， 質(zhì)量越來越高，要求再生的聲音也會增大，必將出現(xiàn)相關(guān)的法規(guī)進行規(guī)范，到時也會出現(xiàn)像國外一樣的醫(yī)療器械企業(yè)，同時會帶來醫(yī)療費用的改善。 電動控制側(cè)翻身醫(yī)療床的設(shè)計解決了以上三大類醫(yī)療床的不足之處，它能在穩(wěn)定性好，具有動作自然、價格低廉等基礎(chǔ)上不需患者主動轉(zhuǎn)換體位，不受患者的病情限制，避免由于主動轉(zhuǎn)換體位給患者帶來的痛苦和對患者病情變化的影響極大地改善醫(yī)技操作者的工作條件，提高其工作效率和生活質(zhì)量。一、系統(tǒng)控制方案設(shè)計1.1、系統(tǒng)綜述闡述了醫(yī)療床床驅(qū)動系統(tǒng)的特殊要求，簡要介紹了側(cè)翻身醫(yī)療床的優(yōu)點，對比分析了幾種目前常用的普通醫(yī)療床的性能及特點，比較其利弊，得出了采用電動機驅(qū)動蝸桿渦輪傳動以及連桿機構(gòu)可以滿足其驅(qū)動要求的結(jié)論。輔助側(cè)翻身醫(yī)療床包括床架、床板、電機和蝸桿傳動機構(gòu)等。其特殊之處是床板由頭端的前左、前右和腳端的后左、后右4 塊面板構(gòu)成，它們之間分別由鉸鏈相連。利用渦輪蝸桿傳動在普通醫(yī)療床上來實現(xiàn)左右側(cè)翻身。本文針對輔助側(cè)翻身電動醫(yī)療床的驅(qū)動需求, 給出一個由電動機、渦輪蝸桿傳動和連桿機構(gòu)實現(xiàn)點動控制的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有簡單緊湊、響應(yīng)速度快、調(diào)試方便、可靠性高、運行平穩(wěn)、性價比高、具備位置記憶功能等特點, 顯現(xiàn)出廣闊的市場前景。在機械的設(shè)計方面, 使用綠色健康的材料, 并采用不繡鋼的鋼材制作床體, 為了最大限度的減少電機和齒輪傳動產(chǎn)生的噪聲, 采用自動和手動的完美結(jié)合, 實現(xiàn)了二者之間的優(yōu)化。二、系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1、渦輪蝸桿的選型1、滾柱包絡(luò)蝸桿傳動滾柱包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，是近年來相關(guān)學(xué)者基于共軛曲面嚙合原理，創(chuàng)新提出的一種以圓柱滾子為蝸輪輪齒，通過柱面包絡(luò)生成環(huán)面蝸桿的新型傳動機構(gòu)。這種蝸桿的目的是這樣實現(xiàn)的：蝸輪去掉輪齒，外徑按齒根園直徑加工成蝸輪體，垂直于其圓周面均勻加工若干孔，孔的數(shù)量等于所需的蝸輪齒數(shù)，孔內(nèi)裝入可繞其自身心軸靈活轉(zhuǎn)動的剛性滾動體，作為新的蝸輪輪齒。當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)動時，蝸桿螺旋產(chǎn)生的軸向推力，使剛性滾動體繞蝸輪心軸作圓周運動，實現(xiàn)機械傳動。 圖2-12、這種傳動型式有如下優(yōu)點：（1）蝸桿與滾柱的相對速度在整個嚙合過程中是不斷變化的，滾柱以滾動為主，存在少許滑動，因而傳動效率高，而且有利于該類機構(gòu)的潤滑。（2）蝸輪輪齒強度提高，承載能力強。（3）蝸輪齒形改變，不需滾齒加工，制造工藝簡單，加工成本大為減低。（4）維修方便，特別是對于部分輪齒磨損，只需更換相應(yīng)輪齒即可。該蝸桿傳動的蝸輪“輪齒”是若干能繞自身軸轉(zhuǎn)動的圓錐滾子，而蝸桿則是以此錐面為工具母面經(jīng)包絡(luò)形成的環(huán)面蝸桿22。并且滾錐與其軸頸之間可安裝滾針軸承，滾針大端可安裝止推滾動軸承，從而將蝸桿傳動中嚙合齒面間的相對滑動基本上全部轉(zhuǎn)變成相對滾動。 圖2-23、滾錐蝸桿傳動中存在兩大問題：（1）同時參加嚙合的滾錐數(shù)目少，每個蝸輪齒受載大，且齒面實際接觸面積小，機構(gòu)的傳動功率受到較大限制；（2）蝸輪齒數(shù)常常隨傳動比之不同而在較大范圍內(nèi)變動。為此又研制出兩種新的滾錐蝸桿傳動。4、經(jīng)研究分析，滾錐蝸桿傳動的主要性能特點如下：（1）任一瞬時兩齒面接觸點的相對速度均與滾錐的軸線接近垂直，滾錐能夠良好自轉(zhuǎn)，嚙合齒面間呈相對滾動，效率高。（2）由于滾錐的良好自轉(zhuǎn)，故嚙合區(qū)域遍布整個滾錐工作表面。（3）潤滑角可達 85左右，并且各處變化甚微，這對齒面間潤滑油膜的形成是十分有利的。（4）該傳動的一類界限靠近蝸桿軸線。按常規(guī)選擇設(shè)計參數(shù)蝸桿蝸輪均不會發(fā)生根切，齒頂也不會變尖。（5）蝸桿和蝸輪滾錐均可用高強度材料制造，均可淬火磨削，表面硬度、精度和光潔度均可以做得很高，而且蝸輪輪齒損壞可以更換，該傳動具有效率高、承載大、壽命長、造價低、制造維修方便的優(yōu)點。（6）齒面誘導(dǎo)法曲率不夠理想，該傳動的誘導(dǎo)法曲率主要取決于滾錐的大小，因此該傳動更適合于大中心距的場合。2.2、電動機的選型 1、選擇電動機的容量（功率） 選擇電動機容量就是合理的確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三個方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。對于載荷不變或變化不大，且在常溫喜愛長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機，只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可以不用進行發(fā)熱計算。則：1）工作機所需的功率Pw 工作機所需功率Pw 機器工作阻力和運動參數(shù)計算確定。 根據(jù)前面提到的，取F=25N，取半徑為12cm，和轉(zhuǎn)速取1000r/min,則工作機主軸所需功率 =0.314 kW2)電動機的輸出功率 為電動機至工作主軸之間的總效率，即 經(jīng)查表（機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計）表2-4聯(lián)軸器效率取0.99，滾動軸承效率取0.98。則總效率=0.99*0.98 =0.9702 3）確定電動機額定功率 根據(jù)計算的功率可選定電動機的額定功率。應(yīng)使等于或稍大于。2、選擇電動機的轉(zhuǎn)速 同一類型、功率相同的電動機具有多種轉(zhuǎn)速。如選用轉(zhuǎn)速較高的電動機，其尺寸重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速較低的電動機則情況相反。因此，因綜合考慮電機及傳動裝置的尺寸、價格，分析比較，權(quán)衡利弊，選擇合適的電機轉(zhuǎn)速。 確定轉(zhuǎn)速時，可先根據(jù)工作機的主軸轉(zhuǎn)速和傳動系統(tǒng)中的各級傳動比范圍，推算，傳動比近似于1。所以電機的轉(zhuǎn)速范圍也在10001500r/min。3、確定電動機型號 根據(jù)選定的電動機類型、結(jié)構(gòu)型式、功率和轉(zhuǎn)速，由（機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計）表20-1、表20-2查出電動機的型號及額定功率、滿載轉(zhuǎn)速、外形和安裝尺寸（如中心高度、軸伸長度及鍵聯(lián)接尺寸、機座尺寸）及機器所需要的各種規(guī)格，選擇電動機型號。2.3、醫(yī)療床的選型醫(yī)院病房的病床大多都是純機械式的，在需要調(diào)節(jié)病人的舒適姿態(tài)時，醫(yī)生是通過搖動床的腰桿來調(diào)節(jié)床的位置實現(xiàn)的，這種機械式調(diào)節(jié)床的升降或者俯仰來調(diào)整病人姿態(tài)，費時費力，而且由于機械的因素，床的起停升降都很不柔和，出力不均勻，震動大，病人感覺不舒適。因此醫(yī)療床必須從病人和醫(yī)生雙方出發(fā)，同時滿足病人的舒適性和醫(yī)生工作的方便性;其次，由于使用電驅(qū)動設(shè)備，還要考慮到整個系統(tǒng)的安全性;此外，對于不同體重的病人，例如很重的病人，床體能否實現(xiàn)升降俯仰，就要考慮到整個驅(qū)動系統(tǒng)的帶載、過載能力，此外，當(dāng)然還涉及整個系統(tǒng)的成本問題?？紤]到電動床后背的俯仰及整體的升降由兩軸驅(qū)動即可滿足整體要求。因此，驅(qū)動系統(tǒng)采用雙電機控制方式，一個電機支持后背的俯仰，另一個電機支持床體的升降。可見，電機是其中最關(guān)鍵的部件，如論文選題涉及項目簡介當(dāng)中所述，其具有體積小、負荷能力大、平穩(wěn)性好、噪聲低等突出優(yōu)點，正好適合于電動床的要求?？刂品桨覆捎脽o刷直流電機專用控制芯片和單片機相結(jié)合的復(fù)合控制器控制，簡化了控制系統(tǒng)的線路設(shè)計，提高了綜合性能，降低了整體成本，并且對于實現(xiàn)諸如位置記憶等智能化的控制，都給出了可實現(xiàn)的硬件條件，此外，此種驅(qū)動系統(tǒng)還可以擴展到諸如汽車、制造業(yè)流水線機器人、工業(yè)伺服、航空航天等領(lǐng)域，不僅具有很強的研究價值，還具有很強的市場前景。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 運動方案設(shè)計多功能翻身床需有三套運動機構(gòu), 分別實現(xiàn)支背、曲腿和側(cè)翻運動。同時各機構(gòu)間的干涉問題和多功能床板的設(shè)計也是設(shè)計過程中的關(guān)鍵。( 1)干涉問題的解決和機構(gòu)的綜合作用效果干涉問題是國內(nèi)外多功能翻身床設(shè)計的瓶頸所在。首先, 針對三套機構(gòu)的機構(gòu)特點和空間布局的要求, 對床下空間進行劃分, 如圖3-1所示。床下共20000 mm2 的面積被分割成了三個部分。A部分用來安置支背機構(gòu), B部分用來安置側(cè)翻機構(gòu), C 部分用來安置曲腿機構(gòu)。最終希望實現(xiàn)的效果圖見圖3-2。 圖3-1 空間布局示意圖 圖3-2 布局效果然后設(shè)計床板。為實現(xiàn)所要求的三種功能, 床板要先后被三套機構(gòu)作用, 產(chǎn)生三種不同的變形。為滿足這種多變形的要求, 確定采用組合床板的設(shè)計, 如圖3-3所示。 圖3-3 組合床板示意圖這種設(shè)計雖然成功解決了床板多變形的要求, 但卻嚴(yán)重降低了床板的承重性能。為增加承重性, 提出雙層床板的設(shè)計, 在組合床板下安裝一層承托床板如圖3-4所示。 圖3-4 雙層床板效果圖三套機構(gòu)的綜合作用效果由圖3-2和圖3-19至圖3-20所示。( 2)支背機構(gòu)運動方案支背運動實現(xiàn)的運動較為簡單, 但支起角度要達到80,且可以任意角度停留。確定采用絲杠進行傳動, 利用絲杠行程范圍較大且能實現(xiàn)反行程自鎖的特點。前端由電機驅(qū)動,中間以絲杠進行傳動, 電機軸和絲杠間用由萬向節(jié)和含有推力軸承的連接件相連, 后端通過連桿作用支起翻板, 運動機構(gòu)原理圖見圖3-5和圖3-6。 圖3-5支背機構(gòu)原理圖靜止 圖3-6 支背機構(gòu)原理圖運動( 3) 曲腿機構(gòu)運動方案曲腿機構(gòu)與支背相類似, 是一個絲杠和四桿機構(gòu)的組合。前端由電機驅(qū)動, 中間以絲杠進行傳動, 電機軸和絲杠間用由萬向節(jié)和含有推力軸承的連接件相連, 后端通過連桿作用支起大腿翻板, 通過中間連桿帶動小腿翻板, 運動機構(gòu)原理圖見圖3-7和圖3-8。 圖3-7曲腿機構(gòu)原理圖- 靜止?fàn)顟B(tài) 圖3-8曲腿機構(gòu)原理圖- 運動狀態(tài)( 4) 側(cè)翻機構(gòu)運動方案 圖3-9側(cè)翻機構(gòu)原理圖側(cè)翻運動的關(guān)鍵是要達到雙向90, 且結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單,以節(jié)省空間。確定采用變機架的四桿機構(gòu), 用同一個機構(gòu)實現(xiàn)兩個相似的運動。原理圖見圖3-9。機架變換通過分別安裝在D1 和D2 的兩個電磁鐵裝置交替吸合來實現(xiàn)。電機固定在A處, 驅(qū)動主動桿AB。向左翻時, D1 固定, D2 自由,被動桿BC頂起翻板。向右翻時: D2 固定, D1 自由, 被動桿BC頂起翻板。 3.2 運動學(xué)的分析對提出的運動方案進行計算, 分析其運動學(xué)和動力學(xué)特性。由于翻身床運動較緩慢, 可假設(shè)其在運動的每一時刻都處在靜力學(xué)狀態(tài)。 1、支背機構(gòu)對上一章確定的支背機構(gòu)方案進行簡化, 如圖3-10所示。 圖3-10 支背機構(gòu)簡化圖（1） 圖3-11 支背機構(gòu)簡化圖 （2）所加力G1為單點作用力, 方向垂直向下, 作用在床板上。桿S所受作用力:F r = G2EF2cosH/2ld,其中l(wèi)d = ( c+ scosH1 ) /cosH。126 機械設(shè)計與研究 第24卷絲杠中傳遞的軸向力F 為:F = (F r cosHF ys+ Fr sinHFxs) /( ls int3 ),其中:xs = scosH1 t4 = a rctan(m /n ) H1 = t4 + t5 - 50ys = ssinH1 t5 = arccosm2 + n2 + l2 - w22 / m2 + n2 HF = 90 - HH = arctan ssinH1 - dc+ scosH1用MATLAB對上述數(shù)學(xué)模型進行仿真, 得到絲杠軸向力隨時間的變化見圖3-12。 圖3-12 支背絲杠軸向力隨時間的變化2、曲腿機構(gòu)對曲腿機構(gòu)進行簡化, 并進行受力分析如圖3-13。圖中虛線所全部分是一個四桿機構(gòu)。對兩個床板列受力平衡方程: 圖3-13 曲腿機構(gòu)簡圖F 1 ld1 - 015GQ1 cosH- Fx1Q1 sinH- Fy1Q1 cosH= 0Fy3 + F3 sin( 180 - HF2 ) - G2 = 0Fx3 - F3 cos( 180 - HF 2 ) = 0F 2 ld2 = 015G2Q2 cos( 180- HF2 )可得到桿件S1 和S2 受到的載荷F 1 和F2。其中,H1 = 130 - arctanur - arccosl2 + r2 + u2 - w22 / r2 + u2 H=arc tans1 sinH1 - mn+ s1 cosH1HF 1 = 90- a rc tans1 sinH1 - mn+ s1 cosH1HF 2 =90+ a rctanQ1 sinH+ m - s3 s inH3n + l4 + s3 cosH3 - Q1 cosH利用經(jīng)典的四連桿力矩陣分析方法CF r= DF 5 , 進行求解,得到驅(qū)動S1 桿的力矩Mb。此力矩Mb 是為了計算簡便, 由絲杠力F 轉(zhuǎn)化的。Mb 與力F 的關(guān)系為F = Mb / lsin ( t2 ),其中:t2 = 50b+ H1 - arctanlsin( 130b - H1 ) - ur- lcos( 130b- H1 )假設(shè)運動時間為4. 6s, 絲杠勻速伸長, 伸長范圍為675 560mm。運用MATLAB軟件進行仿真: 絲杠中傳遞的軸向力隨時間的變化見圖3-14。絲杠力在1220N至1060N之間。 圖3-14 曲腿絲杠軸向力隨時間的變化3、側(cè)翻機構(gòu)側(cè)翻機構(gòu)實際就是一個四桿機構(gòu)。對四桿和機架進行重新布局, 得到右翻時如圖14, 左翻時如圖3-15。 圖3-15 右翻時 圖3-16 左翻時設(shè)人的重力是G = 1000N (考慮到了床板的重量), 構(gòu)件L3所受反作用力F始終垂直于L3, 右翻時大小為F = Gsin( H3 - 62b) , 左翻時為F = Gsin(H3 - 19b)。采用和曲腿機構(gòu)分析中相同的四連桿矩陣分析法 2, 可得到此機構(gòu)的所有運動學(xué)和動力學(xué)特性, 這里不再贅述。用MATLAB對上述數(shù)學(xué)模型進行仿真, 得到右翻驅(qū)動扭矩隨時間的變化見圖3-17; 左翻時驅(qū)動扭矩隨時間的變化見圖3-18。圖3-17 右翻驅(qū)動扭矩 圖3-18 左翻驅(qū)動扭矩3.3、ADMAS仿真和實物樣機制造 圖3-19靜止時 圖3-20 機構(gòu)綜合布局第5期 劉 宇等:多功能護理翻身床的設(shè)計127將三維實體模型導(dǎo)入仿真軟件ADAMS中, 如圖3-19至圖3-21所示。對曲腿絲杠軸向力、支背絲杠軸向力和左右側(cè)翻時的驅(qū)動力矩進行仿真。通過圖3-22 至圖3-24 ( 實線為之前MATLAB仿真結(jié)果, 虛線為ADAMS仿真結(jié)果)可以看出, 仿真結(jié)果與第2部分中MATLAB對理論模型的分析基本一致,驗證了原理論計算的正確性, 保證了模型樣機能夠完成設(shè)計要求。 圖3-21 支背絲桿軸向力 圖3-22 曲腿絲桿軸向力 圖3-23 右翻驅(qū)動力矩 圖3-24 左翻驅(qū)動力矩根據(jù)設(shè)計方案及技術(shù)要求進行加工制造, 最終得到1: 1實物樣機, 如圖所示。實驗樣機能夠?qū)崿F(xiàn)所有動作要求, 進一步驗證整個設(shè)計方案的可行性和有效性。 圖3-25 實物樣機結(jié) 語 以上設(shè)計出一種能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)翻、曲腿和支背三種動作的自動翻身床, 對其進行了動力學(xué)分析, 并通過ADMAS仿真對分析結(jié)果加以了驗證，表明設(shè)計方案可以較好得完成所有的動作要求。 本文針對輔助側(cè)翻身電動醫(yī)療床的驅(qū)動需求, 給出一個由電動機、渦輪蝸桿傳動和連桿機構(gòu)實現(xiàn)點動控制的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有簡單緊湊、響應(yīng)速度快、調(diào)試方便、可靠性高、運行平穩(wěn)、性價比高、具備位置記憶功能等特點, 顯現(xiàn)出廣闊的市場前景。 在機械的設(shè)計方面, 使用綠色健康的材料, 并采用不繡鋼的鋼材制作床體, 為了最大限度的減少電機和齒輪傳動產(chǎn)生的噪聲, 在本設(shè)計中使用了40W、80W、100W三種容量的無刷電機, 便于電機速度的控制, 可以保證平穩(wěn)的起停; 采用自動和手動的完美結(jié)合, 實現(xiàn)了二者之間的優(yōu)化, 并以語音提示和燈光信號提示, 確保操作的正確性, 同時可以按照病人的需求提醒護理的時間, 與此同時可將病人的多項生理參數(shù)傳輸給醫(yī)生的服務(wù)處理軟件; 可以實現(xiàn)病人躺在護理床上潔便問題的解決, 而且還具有沖洗烘干等眾多人性化的設(shè)計。 當(dāng)然, 本次設(shè)計的側(cè)翻身醫(yī)療床床善有不足之處, 也是以后多功能護理床需要克服和發(fā)展的方向。即如何實現(xiàn)智能型的全自動護理床, 進一步使?jié)嵄愎δ軐崿F(xiàn)的簡便化, 同時需要進一步開發(fā)床椅一體化的多功能產(chǎn)品,結(jié)合機電行業(yè)的快速發(fā)展實現(xiàn)傳動部件的輕柔和低能耗。參考文獻1國家教委高等教育司 高等學(xué)校畢業(yè)論文指導(dǎo)手冊 高等教育出版社2 吳宗澤 機械設(shè)計實用手冊主編第二版 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2003年10月第2版3 機械設(shè)計手冊編委會 機械設(shè)計手冊新版 4 北京 機械出版社4 Tex as Instr ument