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多工能护理床创新结构设计

发布时间:2022-01-08 11:26:06 人气:

  人口老龄化已经不止是中国这个人口大国所要面临的巨大问题了,而是成为了全世界亟待解决的问题。据患者需求分析得知,每个人生活当中离不开吃、喝、拉、撒、睡,而生活不能自理的老人、病人、残疾人,对于这些简单的问题却无法自己做到,需要别人的帮助和照顾。长久下来,不仅对家属、护理人员带来巨大压力,更会对患者本人产生不可磨灭的心理负担,以至于对生活失去信心。多功能护理床旨在解决行动不便的老人和残障人士的生活自理问题,通过电动推杆推动床板让患者实现抬背、侧翻等行动。同时,也可以为护理人员提供轻松、愉悦、舒适的照护环境。这样一来,不仅提高了医院护理人员对于患者的护理质量,也体现了社会对患者、对患者家属、对医院护理人员的关心和爱护。

多工能护理床创新结构设计(图1)

  1.1研究目的与意义


  多功能医用护理床的研制是为了生活不能自理、危重和瘫痪等病人而设计的。医用护理床能通过调节床板的角度,使卧床病人自身调整一个舒适的体位,比如坐起和翻身。在生活当中,我们难免发现许多因各种原因只能卧床不起的病人,如残疾、重病、瘫痪、截瘫、脑瘫等人群。这类患者需要长时间躺在床上,又由于生活无法自理,不仅仅自身受累,更连累了医院护士和家中父母。但如果有了多功能医用护理床,即使不能做一些琐事,可一些力所能及的事还是能自我行动的,比如调整自己的位置,自己起身翻身,自己曲腿等有利于自身恢复的动作。针对市场需求设计开发一一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能护理床是广大患者急需解决的问题。由此可见多功能护理床对于医疗事业具有重要的意义。


  1.2研究国内外现状


  国内研究现状:护理床在国内的设计研究尚处于初级阶段,产品的功能、结构、造型有待进一步的完善,结构功能单一的护理床已经逐渐隐退。辛绍杰等基于人体工学原理和现代机械设计理论,采用机器人化的多自由度结构、多轴协调控制设计多功能电动护理床。通过按键控制完成平躺、拾背、坐起、屈或伸腿等基本动作。姚银花等研究员考虑到现有护理床控制功能方面的不完善,基于soc单片机C8051F020,对护理床控制部分和遥控部分的硬件电路、软件程序及系统抗干扰的设计,研发了一个智能控制系统,实现了病人使用遥控器对医疗护理床各个部分的智能控制,体现了医疗护理的自动化、智能化。从上述介绍可以了解到,虽然目前多功能护理床的功能逐渐趋于完善,但护理床关于人性化的方面仍需然不足。目前市面上常见的电动护理床有如下优点:1、文字标志容易识别。2、电动功能,方便患者和用户操作与控制。3、能完成基本的护理功能。4、功能调整定位准确,连贯性好,基本无噪音。但也存在如下问题:1、功能一体化造成功能浪费。2、文字和图像识别功能差。3、对患者康复功能的考虑较少。4、生产技术含量低,容易被仿制。5、市场售价偏高


  国外研究现状:随着社会经济的迅速发展,人民生活水平不断提高,人口寿命不断延长,城市人口正逐步进入老龄化,人口老龄化已成为世界范围内的社会问题。据统计,欧洲发达国家和日本的老年人独居率已高达40%,如此之高的比例迫使社会采取措施解决老年人的护理服务问题。如果完全依靠家庭人工照料,则与西方国家子女与老年人分居、家庭规模小型化的观念有抵触之处。我国60岁及其以上老年人口已达1.32亿,占全国总人口的10%,并以年均3.32%的速度持续增长,其中“空巢家庭”占所有老龄家庭总数的25.8%,在一些大城市中该比例更大,解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护问题是人口老龄化国家所面临的共同问题。为此,国家也大力加强了对护理方面医疗器械的研发扶持力度,为偏瘫病人或长期使用病床的病人提供一个集护理和排泄等各功能于一体的多功能护理床。极大的提高了患者的康复护理水平,也为护理人员提供了极大的方便。


  1.3研究内容


  因人口老龄化和卧床患者的需求,本文设计的多功能护理床主要应用于对其使用者进行侧翻身与升降背。主要研究内容如下:


  1.设计护理床的运动连杆机构,得到初始设计尺寸。


  2.利用UG设计软件,根据初始设计尺寸对床框架和连杆机构等各个零配件进行建模,并进行结构设计


  3.根据初始设计数据,对护理床的轴进行强度校核,检验整台护理床使用的安全性和稳定性,并进行动力仿真。


  4.绘出总装图和零件图。


  5.整理完成论文初稿。


  2护理床的结构设计


  2.1设计原则


  电动护理床的设计应该遵循以下几个原则:


  2.1.1安全性原则


  由于老年人和行动不便需要一直躺在床上的患者,身体是与护理床有直接的接触,而且相对于健康人来说,这类人群的身体更容易受到损伤,所以护理床在安全性方面的要求很高。无论是控制系统的设计还是护理床的结构,首先设计者一定要把安全性放在首位。比如,在结构设计方面,不应存在任何干涉情况,结构的刚度和强度方面都要留有充足的保证,要考虑到各种极限情况。


  2.1.2人性化、舒适性原则


  如今社会,人们不仅要求商品的高稳定性和高质量,还对商品的舒适性和人性化有了更高的要求,因此电动护理床的研制与实际更应该根据人体生理学原理,更多地从人的心理情况、行为习惯、生理结构等方面加以考虑。比如各部分结构要与人体的尺寸匹配;设计中力求加速度最小化,使患者产生舒适感和愉悦性等等。


  2.1.3功能多样化原则


  在电动护理床的使用过程中,不同患者往往对护理床有着各种各样不同功能的要求,比如腰部损伤的患者无法自主抬背或翻身、腿受伤的患者想需要曲腿、行动不便的患者无法下床解决生理需求等。


  2.1.4标准化原则


  护理床机械零件的设计与选择、控制系统的设计、零部件之间的相对位置关系和尺寸匹配,都有相关的行业标准。参照标准设计,不仅能在最大程度上满足使用要求,而且有利于增强互换性,降低成本。


  2.1.5轻量化原则


  由于电动护理床是在家里使用,搬移的概率非常大,在设计时一定要考虑到床重量,方便搬移,在保证护理床使用安全的同时要从轻设计,这样可以在节省材料的同时也能降低成本使售价降低,为患者家属购买护理床提供帮助。


  2.2整体结构设计


  2.2.1整体布局


  按照护理床的整体分布,我们可以将床分为总体框架、侧翻部件、抬背部件、驱动电机四大功能模块。因为护理床是为行动不便和生活无法自理的患者使用,所以我们在总体布局时,以下几点要求一定要达到:


  1、护理床的尺寸标准、床的稳定性和强度要求。


  2、所分的布局模块要使之间的机构运动相对简单并解决好干涉等不良因素。


  3、空间利用最大化,分配好每个模块的尺寸大小。


  4、运动机构的使用年限,尽量保证时间长、效果好。


  5、传动部件不裸露,运动时无杂音,给患者身心带来舒适安全感。


  从使用者对护理床的功能需求出发,本文决定护理床采用床面尺寸大,支撑框架略小的结构,有利于空间的利用率最大化;床框架底部前轮布置两个万向轮,这样会使得转弯半径较小;每一个功能模块机构初步选用连杆结构,如此一来方便实现各床面板的运动规律,其驱动元件均布置于支撑框架下层,可以保证机构传动角和框架达到预计的强度要求;各零部件近乎对称般布置在床面以下,使人和机器的重心始终处于机构中间位置,以增强护理床的整体稳定性、使用者的心理安全感以及舒适愉悦度。


  2.2.2床面布局模块设计


  多功能护理床因为要通过实现较多的运动来达到照顾好患者和完成患者预期目的的原因,所以每块床板都要求其必须能够沿相互垂直的方向转动。例如本文的多功能护理床的床面,床面为活动式,其中将整块板面均分为四等份;横向分为背部板和腿部板中间用两个铰链相连,纵向分为左部分和右部分,也用铰链相连。各个活动床面板的摆动角度范围应参照有关医疗护理要求和人体的舒适感要求,各床面板摆动角度及标准如下。①背板摆动角度:~;②左/右翻身板摆动角度:~。


  分布图如下图1所示。


  图1床面布局


  2.2.3护理床床框架的选择


  一般护理床都是针对行动不便,需要长期卧床的病人。所以,护理床床框架的安全稳固性是我们选择的重要指标之一。护理床按驱动方式可分为电动护理床和手动护理床。电动护理床的标准规格为:2200×900×500/700mm;手动普通护理床的常用规格为:2020×900×500 mm。


  2.3传动方案设计


  1、动力装置


  此多功能护理床采用电机驱动,电动驱动方式传动平稳,容易控制,响应速度快,并且工作状态不会受到环境的影响。考虑到家庭用电以及床下的空间,采用交流电机和直线电动推杆。它们的机械特性以及过载能力较强,低速平稳性好,控制方便,还可以实现正反转,自动化程度高,所以采用。


  2、能量传递系统


  常用的有气压系统、机械系统、液压系统,这里采用机械系统,例如四杆或六杆机构,推杆的直线运动等。


  3、原动件


  原动件采用电动直线推杆。


  4、执行机构


  从动件与原动件组成执行机构,例如剪式伸缩机构,齿条齿轮机构,六杆机构,四杆机构。需要根据不同的方案选择不同的机构。


  5、调节机构


  对于电动机的转速调节可以使用伺服电机。


  7、采用形态学矩阵来确定总共能方案


  表1总共能方案表


  功能元


  功能元解1 2


  系统可行方案


  动力源


  电动


  手动


  传动系统


  推杆传动


  丝杆传动


  执行系统


  机械系统


  气压系统


  控制系统


  单片机


  系统可设计机构


  侧向翻身功能四杆机构六杆机构


  抬背功能四杆机构六杆机构


  由表格所示:整个系统可行的方案有N=2*2*2*1=8种


  系统可设计的机构有N=2*2=4种


  3主要零部件的设计


  3.1侧翻机构


  侧翻运动实现的重点是双向任意角度的翻身,并且能在使用者感到舒服的任意位置随时停止。机构原理如图2所示。


  图2侧翻机构原理图


  当患者需要翻身时,床下面的电动推杆伸长或缩短使翻身架伸出床面,通过电动推杆的伸缩的运动,使患者完成翻身动作,翻身的角度可通过电动推杆伸缩的长短控制。


  电动护理床侧翻机构包括两边活动侧翻板及电动护理床电动侧翻机构电动执行电机,而电动护理床电动侧翻机构电动执行电机是电动护理床电动侧翻机构的重要组成部分;整个床板均分为四个模块,标号为1、2、3、4,两活动侧翻板中,1和3、2和4之间用铰链相连,如此可实现左右侧翻功能。电动护理床电动侧翻机构还包括电动控制器。使用者只要控制按钮,便可自行完成侧翻的功能,方便自如,安全实用。可帮助患者侧翻起坐、伸屈下肢适用于各类久病卧床患者的自我护理的康复,可减轻医护人员的护理强度。


  左右侧翻功能:可使病人能够在~任意角度左右侧翻身,翻身后,护理人员可协助病人调整侧睡姿势,使病人侧翻后能够更舒适的休息。病人经常左右翻身可避免褥疮病的发生。对已有褥疮病的患者,经常使其左右侧翻,用温水擦洗。可治停止褥疮并的恶化并有治疗作用。左右翻身功能是长期卧床病人康复保健所需的护理床的理想功能。


  3.1.2侧翻机构的结构和工作原理


  多功能医用护理床的侧翻机构如上图所示,有两个电动推杆驱动。通过电动推杆的伸缩控制两侧床板的翻转角度,实现护理床的左右侧翻功能。多功能医用护理床的侧翻机构由线性推杆、侧翻连杆、两侧床板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接与床架上,另一端铰接于侧翻构件上,侧翻构件的一端铰接于床架上,另一端通过铰链与床侧板连接,床侧板通过铰链铰接,床板固定于床架上,使之充当机架作用线性推杆的推动使得侧翻构建绕着床架发生转动,从而使背部侧板调整角度达到患者所希望的舒适的角度。


  侧翻机构是多功能护理床的一个关键机构,其主要的功能是实现患者在护理床上的左右翻身,避免因患者背部长期接触被褥而产生褥疮,同时减轻护理人员的护理强度。


  3.1.3侧翻机构的设计


  侧翻机构由左右两个四杆机构组成,两个机构承对称。因此设计其中之一


  即可。通过查阅资料和手册知道人体的肩宽大约为~,又因护理床的的标准尺寸为2200×900×500/700mm,为使患者能实现翻身这一动作设计两侧板设为;床板的厚度设为;支承滚子的直径设为,床的高度根据标准医疗床的高度做调整,过高不方便患者上下床,过低影响安装空间。利用AUTOCAD的旋转功能,将一侧床板翻转,利用偏移指令,找到侧翻构件翻转后的位置,再次旋转得到电机前端的安装点,这样就可以得到了侧翻机构在水平状态时的机构的各点的参数,根据设计要求侧棚的翻转最大度为,所以将背板旋转之后,又得到了一个新的机构的位置,通过观察发现,机构在终了位置时,杆件并没有发生碰撞干涉,符合机构的运动要求,测量线性推杆在终了位置时的伸长长度,推杆在许用选用范围之内,满足了推杆的选用行程,至此侧翻机构的图解法设计结束。


  3.2抬背机构


  抬背功能为多功能护理床的主要动作之一,直接关系到患者长时间躺在护理床上的舒适感。人体的大部分重量都集中在了上半身,所以抬背处主要受力的杆的强度的可靠性非常重要。电动护理床具备抬背的功能,根据调查可知最大抬背角度为75°它由一电动推杆来实现该动作示,由于原动件为电动推杆,可靠度非常高,这里不考虑原动件的可靠度,在抬背角度不变的情况下,将抬背机构简化的悬臂梁结构,并且考虑到处于水平位置时抬背杆受到的应力。随着抬背角度的变大,受力会逐渐变小,水平位置时的可靠度即为该机构的可靠度(下文可以验证)。抬背功能:起背角度为~。实现背部缓慢升起,摇动轻缓无阻力。起背功能和侧翻功能是长期卧床病人康复保健所需的护理床的必备功能。


  3.2.1抬背机构的结构和工作原理


  图3三种抬背机构原理


  构型a:该机构是螺旋连杆组合机构,其有四个活动件,五个转动副,一个高副,故其自由度为F=4×3-2×5-1=1,该机构有1个原动件,具有确定运动,该机构的优点是抬背角度大,而滚轮与背板之间为高副联接,所以稳定性不高,该构型为螺旋传动,缺点是结构较为复杂,不易装配而且承受的轴向推力大,效率低,摩擦力高。


  构型b:该抬背机构为螺旋一连杆组合机构,其有三个活动件,四个转动副,故其自由度为F=3×3-2×4=1,具有1个原动件,有确定的运动,该机构的驱动方式可采用电动推杆作为驱动部件,该机构构型简单,制造容易,而且初始状态的传动角远远大于,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。


  构型c:该机构为螺旋一连杆组合机构,实际上可以等效为一四杆机构,等效后的机构具有3个活动构件,3个转动副,1个移动副,因此自由度F=3×3-2×4=1,该机构需要1个原动件来确定运动。采用电动机作为动力源,可以获得很大的翻转角度,但是该机构成本较高。


  另有方案一二可供选择。


  方案一:机构简图


  1——背部支板2——连杆3——电动推杆4——机架


  方案分析:机构依靠电动推杆3的相对运动使长度发生变化,由于长度的变化使得构建2发生转动,从而使被背部支板1绕铰链点转动实现支背运动。该机构原动件为1,自由度为1,具有确定的运动。


  方案二:机构简图


  1——背部支板2——电动推杆3——机架


  方案分析:电动推杆2的长度变化直接带动背部支板1绕铰链转动,该机构原动件为1,自由度为1,具有确定的运动,并且结构简单,占用空间小。


  综上所述,方案二为这几种之中的最优构型,故抬被机构最终采用该构型。


  3.2.2抬背机构的设计


  1.抬背机构的设计分析


  护理床的抬背机构简图如图所示,该机构由多连杆和一个电动推杆驱动,为八杆单自由度平面机构。选取滑块作为原动构件,即可确定机构运动的仿真。


  该抬背机构可以弥补传统抬背方式的背压感。抬背时病人背部会有一定程度地上升,背板逆时针转动的同时也会向上抬起,即背板有一个左上方运动趋势,这样抵消了背部相对抬背板向下的滑移,减轻了病人背部相对于背板的摩擦力,使病人的背部更加舒适,不再具有压迫感,更符合人体工程学。


  2.运动模型的建立


  支背运动实现较为简单,但支起角度最大要达到75°且可以任意角度停留。确定驱动部件采用直线电动推杆,直线电动推杆具有自锁功能,在运动过程中可随时停止,使用者可在较舒适的位置使其停止运动。


  图4支背机构简图


  图5角加速度图


  通过MATLAB仿真的图形可知,当推杆以匀速运动时,背板的角加速度化率较小,从图5可知,背部支板角速度、角加速度,在曲线末段均出现7s前,角加速度为负值并且随时间逐渐增大,基于人体工程学考虑,7s前会出现骤然上升的现象,之后趋于平缓,且t=20s时,各运动曲线符合运动学基本规律,符合护理床设计要求,证明了运动学模型白正确性。


  3.2.3运动学分析


  对提出的运动方案进行运动学和动力学特性计算和分析。由于翻身床运动较为缓慢,可假设其在运动的每一时刻都处在静力学状态。


  由前文确定的支背方案,建立数学模型。整个床板均分为四个模块,标号为1、2、3、4,两活动翻板中,1和2、3和4之间用铰链相连,如此可实现上下支背功能。假设背部支撑板均匀受压,G方向垂直向下,作用在背部支撑板上几何中间位置。由于人体背部的重量约占人体总重量的45%,体重量以及床板床垫总重为1800N,因此计算值取G=900N。


  图6为支背机构简化图


  OAB组成闭合位移矢量方程。


  闭环矢量方程的分解:


  进一步可得支背升角


  推杆轴向力


  式中:为电动推杆与床板铰接点与床板旋转轴之间的距离;为电动推杆与底座铰接点到床板旋转轴的距离;为电动推杆的长度。


  利用MATLAB对上述数学模型进行分析,得到支背升角与电动推杆轴向力随时间的变化,如图7所示。


  图7支背推杆轴向力和升角随时间变化曲线图


  3.3电动机的选择


  多功能护理床通过操作控制器,可控制电动推杆伸缩使床板能托住人体完成坐起、躺下、左右侧躺等动作。整体由床架、活动床板、控制器、电动推杆等部件组成。电动执行机构电动推杆是多功能护理床的重要组成部分,通过电动推杆可以调节多功能护理床姿态,满足不同患者的不同功能需要!


  多功能护理床电动机选型设计可以选择电动推杆电机!电动推杆电机是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用,以实现远距离控制、集中控制或自动控制。电动推杆电动机经齿轮减速后,带动一对丝杆螺母,把电机的旋转运动变成直线运动,利用电动机正反转完成推杆伸长和缩短动作。


  技术分析:


  (1)人体总质量以及床板床垫质量总和本文取1800N。


  (2)床框架床板尺寸大小按照标准规格为:2200×900×500/700mm


  (3)电动推杆电压:24VDC/12VDC


  (4)电动推杆行程:经过调查显示(根据实际情况)


  行程300mm以上安装距离L=148mm+S


  行程300mm以下安装距离L=100mm+S


  其中L(最短安装距离)和S(有效行程)可以定制


  本文选择的电动推杆行程为:S=400mm


  由图7可知当床板水平的时候,推杆轴向力最大,之后随着角度的增加,轴向力逐渐减小,则电动推杆的最小负载即推力为900N。


  经查阅资料,本文决定使用型号为ANT-35的静音电动推杆。由图知当最小负载为900N时,参考ANT-35的产品技术参数,选择负载为1200N的电动推杆,因本文电动推杆的行程选择S=500mm,则需要定制。经过本人电话咨询,得知行程为500mm的电动推杆喷塑钢重量(kg)为1.8,铝重量(kg)为1.6,不锈钢重量(kg)为2.0。对于最短安装距(mm)来说,根据标准,因负载>800N,所以最短安装距离为188+S。电动推杆型号规格参数如下


  表2电动推杆产品技术参数


  4基于UG的建模


  4.1 UG简介


  NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX具有高性能的机械设计和制图功能,为制造设计提供了高性能和灵活性,以满足客户设计任何复杂产品的需要。NX优于通用的设计工具,具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架,它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境,用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改。UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序,该模块适用于世界上主流CNC机床和加工中心。


  NX产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具,可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。NX与UGS PLM的其他解决方案的完整套件无缝结合。NX产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具,可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。NX与UGS PLM的其他解决方案的完整套件无缝结合。这些对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。



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