多功能护理翻身床论文

1、 武汉轻工大学 毕业论文 题目 多功能护理翻身床的结构设计 摘要 随着生活水平的提高，人们对残疾瘫痪病人的呵护也越来越重视，护理翻身床的发展革新也渐显重要。本文主要收录研究了几种国内外护理翻身床的典型设计，并分析对比了几种机构的特性差异，同时也提出了今后护理翻身床研究过程中应解决的技术难题和发展方向。 本文首先基于人机工程学，进行了护理床的总体方案的设计，根基相关标准及调研结果，制定了护理床的设计原则，功能要求及设计指标；完成了护理床本体的总体方案设计。 然后，采用自上而下的方法完成了护理床结构详细设计并给出了全套的设计图。主要包括总体框架、抬腿部件、抬背部件、翻身部件等功能模块。其中，排便部

2、件极大的体现了对老人的关怀。关键词：多功能；翻身床；设计；医疗设备The design of multifunctional care bedAbstract With the improvement of people's life,more and more attention is being paid to those disabled paralyzed patients. Thus,the development of multifunctional care bed becomes important gradually.This article mainly colle

3、cts several typical design of multifunctional bed at home and abroad and compares the differences in characteristic between these mechanisms ,and also proposes technologic problems needed to be solved and development direction of multifunctional care bed afterwards. First of all, based on ergonomics

4、, the nursing bed was overall designed in this paper, According to the relevant standards and design specification; completed the overall design of the overall framework, carried a leg, carried back parts, turn over parts function module .Among them, defecate parts greatly expression of the elderly

5、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:multifunctional; bed; design; care equipment目录1 绪论 11课题的目的和意义 12国内外的

6、发展情况及研究现状 13本文研究的内容 14本章小结2 护理床的设计思路和功能 21护理床的设计思路 22护理床的功能 23能源供给及驱动形式 24传感器控制 25本章小结3 机构的选用 31机构分析内容及目的 32机构的确定 33与机构有关功能 34本章小结4 机构分析 41机构运动计算及分析 42立体建模分析原理 44力学分析 45本章小结5 转接辅具的设计分 51转接辅具的作用的设计思路 52机构的设计及计算 53辅具和床及轮椅的结合 54本章小结6 护理床及其它功能 61防褥疮床垫 62信息检测 63信息交换平台 64功能模块化 65系统集成 66本章小结7 结论和展望 71论文工作结

7、论 72后续工作展望8 参考文献IV1 绪论11课题的目的和意义我国是个人口大国，就目前而言，中国人口结构日趋老龄化的现象越来越严峻，部分城市甚至出现了“空巢家庭”，一些年纪大的尤其是患病的老人因长期得不到照顾，身体情况也是急剧的下滑，有些家庭通过请人照顾的方式来解决这个问题，但这样做既费时又费力，而且病人也不能24小时被人照顾，所以一个能帮助这样群体的工具显得尤为重要。社会中的一部分功能障碍群体老年人、残疾人和伤、病人，也越来越受到社会的关注，这部分病人在治疗和康复过程中，一般需要长期卧床，病人后背和臀部长期局部受压，造成血液循环不畅，容易导致褥疮发生，危害病人健康。同时病人长期得不到锻炼，

8、肌肉易产生废弃性萎缩，关节挛缩和僵硬，可导致多种并发症的产生。这种情况使得社会不得不为这些人群提供新型的护理床，通过改变身体不同部位的皮肤与床的接触，达到改善体内毛细血管的微循环，防止人体肌肉的衰竭。因此进行护理翻身床的调研，以项目的方式加大资金投入，引进先进适用的护理翻身床进行试验和示范，并大力组织与推广它的发展是非常重要的。推广多功能护理翻身床是补足我国对部分功能障碍群体关怀的重要措施。近几年来，我国对国民的身体健康状况越来越重视，现在不仅改善了各种医疗设备，还通过医保的方式来提高和保证了我们的生活水平，但是，一些针对瘫痪伤残病人的专门用具还是处于一般研究水平。多功能护理翻身床就是一项针对

9、性的医疗用具，在通过对新型护理翻身床的研究当中，也是在尽力为那些少数人减少一些疾病带来的麻烦。推广多功能护理翻身床也是提高病患老人生活质量的有效措施。不少人在瘫痪或伤残的时候失去了行动自由，必须有人守在他身边帮他按摩翻身等，这样就花费了太大的人力，通过多功能翻身护理床，也可以帮助他们减少其他并发症的产生，也是有助康复的一种有效途径，相比人来专门照顾，它显得更加的方便，病患也会更加自由的根据自己的意志来完成一些简单的动作，不需要人一直在旁守候。 护理翻身床来源于十一五国家科技支撑计划，专门为残障人生活起居而研制。2005年，根据民政部的调查结果显示，全国的优抚单位和福利单位一共有床位129万张，

10、其中包括复员军人疗养院、复退军人精神病院、荣誉军人康复医院、，社会福利院，儿童福利院，敬老院，老年公寓等。残障人的生活起居床作为个人生活自理以及防护类别中的一种特殊康复器具，可以明显的改善卧床瘫痪病人的生活质量，并且提供健康且舒适的躺卧条件，还能减轻掉陪护人员的负担。生活起居床和一般的康复床不同，它一般应用于家庭和敬老院、光荣院、康复中心等非医疗机构。根据统计，我们国家现有老年人1.32亿，并且每年以32的速度在增加，80岁以上的高龄老人却每年以5的速度在增长，而全国卧床和生活不能自理的病人以及老人有2700万，半身不遂的病人有大约70万人，82万的老年痴呆病人中大概有总计24万的人卧床不起，

11、老龄化的问题已上升到事关国计民生大事。由于我国实行计划生育，人口结构将形成4：2：l趋势发展，每一个家庭的负担也变得越来越重。因此，有一套合适的护理器具来帮助老年人生活自理，并减轻家庭的负担，这也是儿女们的孝心，同样是老人的心愿。进入二十一世纪以后，中国人口的结构同趋老龄化。并且随着社会进步以及人口素质的不断提高，社会中的功能障碍群体老年人、残疾人和伤病人士，也变得越来越受到社会的密切关注，随之而来的是这些功能障碍的群体对多功能和实用价值高的用品用具以及专业指导的渴求。 随着经济社会的快速发展，人民生活水平也在不断的提高，人口寿命也跟着延长，城市的人口正在一步步进入老龄化。根据统计，我国现在有

12、人口大概13亿左右，其中老年人口就已经达到了132亿，并且每年以32的速度在快速的增加。由于年龄偏大，老年人的肌体活性在逐渐减弱，对于疾病的抵抗力同益在减弱，并且老年人的疾病种类是多以慢性病为主，根据调查，中老年人的多发病有呼吸系统疾病、外科、慢性腰腿痛、中风后行动不便、肿瘤科手术后正在恢复期的病人、骨折恢复期、妇科的一些慢性病以及残疾病人等等。对于这些慢性病，因为治疗时间比较长，见效慢，这给广大患者带来生理和心理上的痛苦，并且这还给患者们的家属以及医护人员的身心造成了极大的疲惫。对于慢性病人和瘫痪病人而言，除了要配合药物和针剂的治疗之外，患者必须还要接受必要的物理方式的护理。正确的护理可以大

13、大的增强患者肌体活性，并且提高自身的免疫能力，这样可以大大减少并发症的出现。对长期卧床的病人进行定期的翻身和抬背，可以加强病人的背部和臀部血液流动，尽量减少了褥疮等并发症的发生，减少了病人不必要的痛苦。对于大多慢性病患者而言，在定期的服药，适当的监护，正确的护理下，是可以不必要长期住院的。而且有很多的患者，由于经费和家庭原因，根本不可能长期的住院治疗，但是又渴望拥有医护服务来减轻痛苦。因此，对老年人、瘫痪病人、慢性病人以及残疾人士添加必要的护理设备和用具显得尤为的重要。人的一生有相当大部分的时间是在床上度过的，而老年人、瘫痪病人、慢性病人和残疾人士的卧床时间要比普通人更加长久。因此，运用最新的

14、技术开发一张舒适、护理功能齐全并且性价比高的护理床是极为必要的。本论文提出了多功能护理床的设计概念，完成了多功能护理床的研究和开发。 不仅老年人，残疾人也是一部分更加需要社会关心的群体。中国的残疾人总数已经超过了六千万，占我国总人口约5，其中，肢体残疾有877万人，多重和其他残疾大约782万人。这类人群越来越渴望能够独立生活，以减轻家人的负担。为残疾人生产综合化、亲情化、人性化、细致化、服务化的产品逐渐成为了体现我国社会文明程度的标志，也更加体现我国政府对这一个弱势群体的关怀与重视。 有数量这么庞大的功能障碍群体需要护理的客观要求，人们生活水平的提高和对减轻亲人、护理人员劳动强度的渴望，加上传

15、统的护理床无法满足的要求，因此需要更高技术含量的智能化护理设备来满足功能障碍群体对生活自立迫切的渴求。此外，康复护理设备的科技含量也能反映一个国家的综合国力和发达程度，是科技水平的最直接表现。尤其是在高科技产品生产制造技术这些方面，需要有自主知识产权的产品，才能提高我国在此领域的整体水平，从而让老人、残疾人、伤病人士等功能障碍群体能够尽量享受现代高新技术带来的便利。该课题为残障人、长期卧床的伤残军人研究和开发新型的残障人专用生活起居床。该起居床研究和开发充分考虑了人性化的设计因素，并且形成了产品集交流、健身、自我康复治疗等于一体。 该课题成果的应用，形成了我国具有自主知识产权的残障人生活起居床

16、产品，并且提高了我国在康复设备领域的整体水平，促进了技术规范、产业标准的形成以及行业的发展，从而让老人、残疾人、伤病人士等部分功能障碍群体能够充分的享受现代高新技术带来的便利，实现每个人都可以享有康复的目标，进而促进了社会和谐稳定。因此，成果应用之后必将产生巨大的经济效益以及社会效益。而且，作为交叉领域的研究开发课题，此项目研究工作也是具有重要的学术价值。12国内外相关领域的发展情况及技术国外医疗卫生事业已经较为发达，医疗器械产业已经形成了相当的规模，特别是在高端医疗器械方面具有绝对的优势。医疗器械护理行业高新技术含量越来越高，对新工艺、新材料的要求也越来越高，多功能护理翻身床的趋势可以从材料

17、和产品形式两个方面来分析。从材料这个方面看，目前器械产品材质丰富，除广泛采用含钼不锈钢外，还采用铜、铝、特殊合金和塑料等材料；从产品的形式来看，器械采用了现代新技术后突破传统结构，向高效能、设备性发展，但国外这种复杂的多功能的护理器械造价昂贵，功能操作相对复杂。例如全身CT扫描系统、核磁共振成像系统、功能影像产品、X一光成像系统、医学影像网络系统、心电监护、心电诊断、超声波成像系统、妇女保健、双能X线骨密度仪定量超声骨强度仪等产品。 目前在国际高新技术医疗设备市场主要被美同德等少数国家的少数几个跨国大公司所垄断，包括美国的通用、惠普公司，德国西门子公司，日本的东芝岛津R立公司和荷兰飞利浦公司等

18、。早在60年代计算机技术就进入了美国、英国、日本等国家医院的医院经济、医院管理、急救医疗等领域，并形成了一门新的、生命力很强的学科。进入九十年代，电动康复床开始在医疗护理中暂露头角，这其中当属同本生产的多功能电动遥控护理床，它采用世界领先科技成果，在九十年代中期开发成功的新产品，畅销同本及欧美等发达国家，深受消费者喜爱，被誉为医疗及家庭护理领域的一场革命。使用者通过该产品可以预防脊椎病、褥疮等常见病的发生，摆脱长年卧床的痛苦，享受生活的乐趣。此设备具有使用简单、操作自如、用者自理的特点。此类医用床产品相对CT等高端产品价格较低，多集中在中小型企业内生产。代表性的公司如日本Paramoun公司。

19、大量进入我国市场的是高端医疗器械，电动护理床等低端产品近年来在国内开始出现代理，但由于价格原因未大量使用。我国的医疗器械行业自建国初期至今经历了三个发展阶段：第一阶段为建国后到改革开放之前，这一阶段医疗器械产业从无到有基本形成了一个较为独立的产业分支。第二阶段是改革开放后的十年，这一阶段的主要特征是产业队伍进一步膨胀并开始重新组合。第三个阶段是1987年以后的高速发展时期，目前在中国注册的医疗器械工业企业约5700家，其中专营厂3000家，有一定规模的560家，到2000年底全国医疗器械行业产值已经突破500亿元，年平均增长率约为15。 由于老龄化问题同益成为世界各国，尤其是欧美国家的主要社会

20、问题之一，老年人的矛盾日渐突出，同时各个国家开始注重社会生活质量。由此蕴含的商机巨大，欧美，日本，中国台湾以及中国大陆都相继开发出一系列手动式，电动式的护理床一满足社会需求。121康复床的发展 在美国、英国、日本等国家，20世纪60年代计算机技术就进入了医院的经济、管理、急救医疗等领域，形成了一门新的、生命力很强的学科。进入20世纪90年代，电动护理床开始在医疗护理中暂露头角，同本Murate Machine巧有限公司开发的护理床包含主床体与一个可以变形的电动轮椅，电动轮椅藏在床体内。平时，轮椅伸展开成为一个平面与床体平面融为一体。动作时，轮椅平面收缩形成座姿，病人可以坐在轮椅上离开床体四处活

21、动。该产品被誉为医疗及家庭护理领域的一场革命。 国外翻身床的研究以德国、日本为代表。各种翻身床的功能正在逐步完善、成熟，但因其价格昂贵，一般的消费者难接受这很贵的翻身床。这类翻身床多为国外进口，价格昂贵，而且结构复杂，机构运动空间受到限制，大部分产品侧翻角度最多只能达到左右40°，翻身效果不够理想。 美国公司开发的护理床可实现自动抬背、屈腿等动作，减轻了护理人员的劳动强度，美国公司的护理床更是作了较大的改进，它将整张护理床与轮椅融为一体，床体通过整体变形后即成为一辆轮椅。我国现有的国家标准残疾人辅助器具分类依据功能性划分的原则将康复辅具的品种归分为了11个主类、135个次类、741个

22、支类，国内的企业能够生产开发的还不足300类。护理翻身床在国内的设计和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，目前国内医疗护理床主要有三大类。第一类为半卧起坐立床(支背曲腿型)，主要目的是实现病人上半身的直立坐起，同时曲腿，达到身体舒适位置，以方便进食服药。这种护理床很普遍，但未能解决褥疮这一医护难题。第二类为侧翻翻身床，主要目的是解决褥疮问题。但是由于机构设计的局限性，这类床的翻身角度一般只有30°至5O°，原未达到人体生理翻身的最舒适状态90。，病人后背依然压在床褥上，根本未有效解决褥疮的产生。第三类为多功能翻身床，能够实现多种变形，完成支背、曲腿、

23、侧翻等动作要求。 国内在护理翻身床的研究方面，尤其是在用计算机来控制护理翻身床的研究方面还没有深层次的讨论，很多医院护理病人大多使用普通床，或者采用轮椅。目前，已经有一些厂家发现了护理设备的巨大市场潜力，也引进和发明了一些新型护理翻身床设备，例如广东、江苏等地的企业已能够生产出简单的护理翻身床，但由于这些企业的研发能力有限，只是将国外的产品直接的引进，或者是对国外的产品进行单纯仿制，技术含量并不高，造型简单、功能少、粗糙，控制方式比较单一，无法满足所有使用者对护理床的需求。 当前国内外关于护理翻身床床的研究多局限于医疗康复床领域，尤其是在国内，在家庭中使用生活起居床的理念并还未形成，对于生活起

24、居床的研究以及开发，国内还没有看见报道。122康复床和医疗辅助器具配合使用情况 2002年，人们给出了远程护理机器人系统的基本平台设计，使用通讯体系结构，具有了很高的互操作能力，可以使各个支撑组独立进行计算，以便应用。在智能型护理翻身床基础上搭建起来的平台，护理者以及使用浏览器的其它协助者都可以对它实现远程访问，以此实现对患者的基本远程的护理服务。随着现代科技技术的迅速发展，为护理翻身床的人性化发展提供了相应的技术和实现方法。美国斯坦福大学开发的系统，可以用语言、头部轨迹来跟踪系统控制，该系统主要是为了那些无法活动，但仍然可以与外界沟通，并具有正常感知能力的残疾人独立日常生活而设计的。 现代护

25、理翻身床已经发展到人一机一环境的阶段，即最大限度地使用残疾人残存的感觉以及运动器官的信息，并且使用这些信息帮助残疾人达到生活自理的目标。这种康复技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的高度重视，市场上也出现了多种护理产品。如今，采用嵌入式和网络技术的家庭环境控制系统，可以使家中多种设备连接成网络。人们可以通过声控、遥控器、脑电信号等各种方式来管理设备，设备可以按照预设程序自动的运行。设计出合适的人机接口，使患者躺在护理翻身床上就可以方便的控制所有的外部设备。一般的人机接口控制信号有按键开关、吸气、头动开关、吹气等。123研究和创新的技术问题 护理翻身床的功能很多，机构比较复杂。大量的设计参

26、数以及参数之间的复杂交换影响和许多约束让护理翻身床的设计带来了很大的困难。其中，护理翻身床设计的复杂性体现在要能完成起背、翻身、辅助解便、污物的处理、康复床原位的旋转、护理翻身床与轮椅的转接、护理翻身床的折叠和移动等工序装置繁多，零部件的外形复杂，约束关系也比较复杂，采用机电系统结构难度大；采用计算机辅助工程分析的方法，建立护理翻身床的虚拟模型，对其进行机构运动学的分析，可以方便的修改参数和结构；并通过模拟实验过程，可以明确各装置的相互关系，优化结构参数以及动力分配，检验机构的可靠性，为电系统提供主控参数。并采用模块化设计方法来实现即插即用的功能，使其变得方便快捷。自行研发适用于起居床的低成本

27、系列标准模块，可以根据用户需求进行选配。它的灵活性强，可以实现因人而异的定制护理翻身床，提高技术含量和整体功能。13本文主要研究的内容(1)多功能护理翻身床及转接辅助器具的设计思路：(2)多功能护理翻身床功能的确定；(3)能源的供给及驱动形式的确定；(4)多功能护理翻身床及转接辅助器具机构形式的确定；(5)三维建模，连杆的定义，设定运动副；(6)机构运动位置的分析；(7)立体模型和运动干涉检查；(8)控制系统的形式；(9)绘制工程图；(10)加工材料的选择；14本章小结 本章介绍了论文课题的来源、目的和意义，并且综述了与课题相关领域的国内外的研究状况，包括需要的创新以及技术问题，最后介绍了本文

28、要研究的内容。2 康复床的设计思路及功能21设计思路 护理翻身床的形式按动力源可以分成两大类：一种是以人力为动力。通过手摇等方式完成各种位姿的变换；第二种是用电机代替人工完成各种体位的要求。本设计是在人机工程学的基础上，把各个床板看成机器人的运动杆，结合空间结构的设计思路，设计一种可以满足要求，又能够运用机器技术。解决能源供给、传感、控制以及总体布置等等一系列问题。 分析现有的康复床设计，我们可以不难发现，为了实现床面的某一个特定体位位姿，传统的设计方法就需设计出一套特定的机构与之对应。当位姿数目越来越多时候，所需的机构数目也会随之增多，同时空间的体积也跟着膨胀。而床体的总体积是有一定的限制，

29、即床的长、宽、高尺寸必须按照有关护理床的标准规定限制在某一个范围之内，这样才能够既满足病人对舒适感的要求又满足病房、家庭居室空间限制要求。新技术是源于模仿人体的运动，人体拥有极大的柔性。以人的手为例，当人的手运动时，它能够实现的动作姿态数目在理论上说是无限大的，但是人手的结构是一定的、有限的，即通过人手中的各个关节彼此之间的相互独立，又可以相互合成运动来完成多种运动姿态。因此为了实现不同功能要求需要把床板分成很多块，然后再将他们组合起来。 护理翻身床结构在设计时应满足以下几个方面的要求：(1)可以实现护理所需的各种体位要求。(2)每个活动床面板的摆动角度范围应该参照相关的医疗护理要求以及人体的

30、舒适感。(3)护理翻身床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合医护要求。(4)床体的结构尺寸需要有一定的空间限制。(5)要考虑护理翻身床在房间内移动的简易性以及护理床医护辅助装置在护理床上的可安装性。211工作环境 护理翻身床多数是应用于病房和家庭居室，考虑到上述环境对噪声的限制，因此设计时电机类型的选取应满足工作噪音低于20分贝，并且在床体上也可以附加一些必要的减震降音材料，如橡胶垫片、弹簧挚圈等。212人机结合 在工业设计中与人体有关的问题还有很多。比如：人的感知特性，人体形态特征参数，人的反映特性和人在劳动中的心理特性等。研究的目的是要解决机械设备，工具作业场所以及各种用具以及用品的设计如何

31、与人的生理、心理特点相适应，这样才有可能为使用者创造舒适，健康，安全，高效的工作环境。 本床的设计参考了中国人的人体尺寸特征和生物力学参数，考虑人体在运动过程中的不同姿态，以及对床体机构模块的尺寸、运动方式、安全性等进行设计，实现各板块呈曲线平滑过渡，使床与人体接触部位符合人体工学，避免使用者产生不舒适感，并且在设计中采用计算机辅助工程分析的方法；设计床体机构与辅助模块间的人机界面，设计原则是界面的操作方式、位置、形状及信息传递方式符合老人和残障者使用习惯。22康复床的功能 康复床应该满足有利于被护理人康复、生活自理所需的各种必要的体位位姿，这些体位位姿包括抬背、屈腿、伸腿和抬腿等。为了防止褥

32、等一系列由于长时间卧床造成血流不畅所引起的并发症，康复床应该能够实现床面的左右侧翻身。对于危重、高度瘫痪等生活上不能自理的病人，在设计时应考虑能使病人在床上可以以坐姿或是卧姿排便。为加病人受伤的腿部愈合，康复床应有必要的抬腿体位。同时护理床还应该实现病人的伸腿坐姿体位，以减轻病人由于盘腿坐起时的不舒适感。221针对不同的使用者康复床需要的功能 康复床应该满足有利于被护理人的康复，生活自理所需的各种必要的体位，这些位姿包括：抬背屈腿伸腿抬腿坐起，旋转翻身排便等长期卧床、生活不能自理的残障者疾患类别差异很大，常见的有偏瘫、截瘫、脑瘫和脊椎损伤；下肢截肢残端伤口未愈、烧伤、癌症等术后、旧伤复发、长期

33、卧床引起的废用性肌肉萎缩、压迫性溃疡(褥疮、坐疮)：其他感觉障碍，脑中风、老年痴呆、老年机能减退等。 对于偏瘫、截瘫、脑瘫和脊椎损伤的残障者，由于长期卧床容易引发褥疮，预防褥疮要做到定时翻身，一般情况下每2小时翻一次身，必要时每小时翻一次身，如此大量的护理工作要求康复床具备定时自动翻身功能；此外，这些残障者的排便和污物后处理也是家庭护理中的一项繁重工作，因此，辅助残障者解便及污物后处理也是康复床必备的功能。 针对长期卧床的残障者可能产生的肌肉废用性萎缩、关节挛缩和僵硬，康复床应该能够协助患者进行有节奏的收缩与放松活动，以改善局部血液循环，促进组织修复，所以生活起居床应具备起身和曲腿功能。 为了

34、方便残障者就餐、洗漱和与人交流，康复床应可调高度，也可以折叠从而让残障者坐起来，并原位转动：床的扶手和床头、床尾可以方便地拆卸，以便于残障者移动。 所以针对不同需求，康复床的功能也不相同，本课题要求按照不同患者的需求设计不同功能的康复床。有很强的针对性。222本床针对的人群和实现的功能 康复床的设计主要针对下肢残疾，上肢健康者。利用康复床和配带的移动辅助器具使用者自我实现在床，轮椅之间转接。223康复床性能指标及设计要求 能够实现旋转运动的机构形式众多，设计时，除了应保证所选取的机构能够使各个床面板实现预定的运动轨迹以外，还要考虑以下具体问题：(1)自由度 机构的自由度的数目越多，机构也就越灵

35、活，机构所能实现的动作数目和类型也就越多。但是，由机械原理的知识可知，当机构中的自由度数目与机构中原动件的数目不相等时，如果机构的原动件数目小于机构的自由度数目，那么机构的运动将不确定。因此，床体中各部分的自由度数目在满足护理过程中全部所需的体位位姿的要求下尽可能地取最低的数目，这样，既可以减少原动件数目，又可以降低系统的控制复杂程度。(2)安全与可靠、稳定性 康复床是应用于医疗护理的一种多功能护理器械，因此必须根据国家和国际上有关医疗器械的相关安全标准来设计护理床，从而保证护理床的安全地运行，不会给被护理人造成意外的伤害。对病人的护理康复通常在短期内难以马上见效，它需要长时间不断的坚持，因此

36、护理床在设计时应该确保护理床运行的长期可靠性和稳定性。(3)工作空间 康复床主要放于病房或是家居室内，因此整张护理床的空间以及其在进行体位位姿变形以后的总体空间范围必须参考房屋室内的大小，使得护理床的高度、宽度、长度以及变形后的空间尺寸既要满足病人的舒适感要求，又要尽可能参考普通床铺的占位空间，同时又能方便居家室内的清洁，尤其是床下地面的清扫。(4)系统控制的难易程度 体位变换是各个床面板由一种型组合转换为另一种型组合，虽然护理床所需实现的体位位姿数目众多、形式各异，但是将各个体位位姿按照对应的床面面板加以逐个分解后，各个面板的独立动作的变换要求不太复杂，就目前的计算机控制水平而言，结合多轴控

37、制技术，是完全能够实现对护理床整体的实时控制的。经过以上的设计过程，本康复床在空间上分三层：(底架中架床板)其中床板分为四块(背板坐板大腿板小腿板)。23能源供给及驱动形式 康复床的能源供给通常有两种方式：一是采用外围电源供电；二是采用内部自带电源供给。考虑护理床的工作地点多是医院病房或是居民家中，市电(220V)供给充裕、方便，并且护理床一经工作后可以长时间无需移动工作地点，同时交直流转换技术现在已经非常成熟。而蓄电池的供电时间有限，并且成本高，不利于降低整床的造价。针对上述几点要求，选用市电(220V)作为供给能源方式，将交流电通过交直流转换输出直流电，供给护理床的电路控制系统、驱动电机以

38、及其他相关部分。驱动部分采用直流伺服电机。直流伺服电机的输出功率可以达到60w以上，并且控制方便，可以自由实现正反转向，控制精度满足设计要求，同时工作噪声极低，符合医护环境要求。用蓄电池作为备用电源，防御停电或意外事故。24传感器及控制 为了便于控制系统对康复床进行智能控制，及时了解康复床的当前工作状态，在康复床的床身上需安置必要数目的传感器。通过传感器传输回的数据，控制系统可以实时了解、控制床面板的运动状态，防止不同机构的干涉或是直线电机的过冲对床体以及人员造成不必要的伤害。传感器主要采用位置传感器，包括限位开关以及接近开关。整张护理床包含有若干个在机械结构上彼此之间相互独立的机构，每个机构

39、对应一个以上的自由度，这些机构在总控制系统的统一协调控制下，组成一个多开链系统，通过各个床面板的运动配合，使康复床完成特定的体位位姿。因此，控制系统是整个康复床中相当重要的一环，它与康复床的结构设计、电机的选取都有着密切的联系。在控制系统最终确定之前，必须先完成康复床的结构设计、运动学和动力学的分析。在此，仅对康复床的硬件控制系统提出一个总体设想。在床体体位的控制方式上，除了采用通行的键盘按钮输入方式以外，为了方便体弱病残者，还考虑增加了语音控制输入模式，操作者可以用声音命令操纵护理床的运动。25本章小结 本章首先介绍了康复床应用的环境和用户群。然后阐述了康复床的功能。在人机工程学的设计思路上

40、确立本康复床的功能及针对的使用者。最后在驱动及能源和控制。3 机构的比较和选用31 机构分析的内容及目的(1)研究机构的组成及机构运动简图的画法。首先必须知道机构是怎样组成的。另外，为了对机构进行分析与综合，还必须研究如何用简单的图形把机构的结构状况表示出来，即画出机构运动简图。(2)了解机构具有确定运动的条件。由于机构是用来传递运动及动力的，显然它必须具有确定的运动，因而我们必须知道在舍命条件下它的运动才是确定的。(3)研究机构的组成原理及结构分类。机构的形式是很多的，然而根据运动确定性的要求。各种机构的组成都应满足机构组成的基本原理。研究机构的组成原理。不仅有利于新进够的创造，而且根据组成

41、原理。将各种机构进行结构分类，也有利于对机构进行运动及动力分析。32 机构的确定 构件是组成机构的运动单元体。它可以是一个零件，也可以由几个零件固结而成。在机构中所有构件之间应具有确定的相对运动，为此必须对个构件的运动加以适当的约束，而这些约束是由相邻两构件之间构成的可动连接提供的。而两构件间形成可动连接的两接触表面之综合就称为运动副。构件用运动副连接成的具有相对运动的链系称为运动链。如果运动链具有机架和足够的主动件就成为机构。 机构运动简图是从运动学的角度出发，将实际机器中与运动无关的因素加以抽象和简化后，得到与实际机器有完全相当运动特性的简图。因为机构中各构件间的相对运动仅取决于运动副的类

42、型和位置，与构件的外形，组成构件的零件数目和形状等无关，所以机构运动简图是按比例确定运动副位置后，用代表运动副的符号和代表构件的简单线条绘制成的图形，它时间上反映了机器中各个运动构件在某一瞬间相对机架的位置。 下面用机构简图来直观的比较各机构的驱动元件数目，自由度，运动幅度及空间位置。321上升及倾斜机构的分析和确定 侧翻运动的关键是要达到双向9O。，且结构应简单，以节省空间。确定采用变机架的四杆机构，用同一个机构实现两个相似的运动。原理图见图3-1。 机架变换通过分别安装在D1和D2的两个电磁铁装置交替吸合来实现。电机固定在A处，驱动主动杆AB。向左翻时，D1固定，D2自由，被动杆BC顶起翻

43、板。向右翻时，D2固定，D1自由，被动杆BC顶起翻板。图3-1上升及倾斜机构 优点是：能实现床体的倾斜，结构紧凑，可靠。加工制作简单，电机在床体下部，工作时水平前推占用空间小。留有足够空间放电池等备用设备。操作简单，控制方便。缺点是：总体占用空间大。 在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动起重复约束作用，我们把这类约束称为虚约束。只有在一些特定的条件下，某些约束才会成为虚约束，因而可以从机构的约束总数中将其删去。但若这些条件不能满足，则原认为是虚的约束就将成为实际有效的约束。在机构中，如果用转动副连接的是两构件上运动轨迹相重合的点，则该连接将带入1个虚约束。若两构件上某两点之间的距离始终

44、保持不变，有用双转动副杆将此两点相连，也将带入1个虚约束。同时在机构中，不影响机构运动传递的重复部分带入的约束为虚约。 由于结构简单，加工容易，整体机构受电机行程的影响比较小。并且电机在床的下部可以为其它中上部的机构留有足够的空间，在成本和制作上都有较大优势。322抬背机构的分析采用丝杠进行传动，利用丝杠行程范围较大且能实现反行程自锁的特点。前端由电机驱动，中间以丝杠进行传动，电机轴和丝杠间用由万向节和含有推力轴承的连接件相连后端通过连杆作用支起翻板，运动机构原理图见图3-1和图3-2。图3-1支背机构原理图静止图3-2 支背机构原理图运动 此机构共6个构件，5个转动副，一个移动副，一个高副，

45、构成运动链。机架位于中部，由一个电机做主动件。 此平面机构自由度计算公式为：F=3n-2pL-pH-F其中n=N-l。pL为机构中的低副，pH为机构中的高副，F是机构中的局部自由度。在机构中，有些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动。我们称这种局部运动的自由度为局部自由度。图中构件滚轮绕其自身轴线是否转动，并不影响其他构件的运动，因而是局部自由度。在计算机构自由度时，应该从机构自由度的计算公式中将局部自由度减去。此平面机构自由度计算公式为：F=3n-2pL-pH-F=3×5-2×6-1-1=1 优点是：采用了1个主动件完成抬背功能，结构紧凑，可靠。构件数目不多，抬背

46、角度大。缺点是：床板和滚轮接触摩擦大，结构不够新颖。 由于结构简单，加工容易，整体机构受电机行程的影响比较小，抬背角度大。并且电机在床的中部可以为其它中上部的机构留有足够的空间，在成本和制作上都有较大优势。图3-4 曲腿机构原理图运动 此机构共6个构件，6个转动副，1个移动副，构成运动链。机架位于中部，由1个电机做主动件。 此平面机构自由度计算公式为：F=3n-2pL-pH=3×52×70=l优点是：采用了1个主动件实现曲腿功能，结构紧凑，可靠。构件数目不多。缺点是：靠电机回收实现小腿弯曲功能，不方便安装。 曲小腿功能主要用于坐起以及便于和轮椅转接，由于其它功能和机构已经确

47、定，所以曲小腿功能的机构选择比较少，如图3-3和图3-4此机构加工容易，构件数目少，用一个电机实现曲腿功能。所以选择此机构作为本康复床小腿弯曲机构。33 与机构有关的其它功能 康复床具有人体工学的模块化机构设计技术，具有通过手柄和按钮完成的起身、翻身、轮椅转接等主要功能；可以提供自动翻身、辅助解便、污物后处理、与轮椅的转接、折叠与移动这些功能通过不同机构实现。 生理参数检测功能。传统的医用多参数监护仪要求使用者为受过专门培训的医护人员，但起居床的使用除医护人员外还包括病人家属。因此，残障者生活起居床所要求的生理信息检测不但要能够实时或者定时采集使用者的脉搏、血压、心电、呼吸率等参数，还要检测方

48、法简单，检测结果采用数字和汉字相结合的显示方式，直观易懂，有简单医学常识既可使用。 康复床具有宜人化设计；康复床具有多功能控制驱动模块，采用模块化设计方法实现即插即用的功能，使其方便快捷。自行研发适用于起居床的低成本系列标准模块，根据用户需求进行选配。灵活性强，实现因人而异的定制起居床，提高起居床的技术同时集成控制器、驱动器和人机交互技术，并且能够实现标准化、系列化。34本章小结 本章主要针对多功能康复床各功能的不同机构做了对比和分析，并选出本床所用机构。对与机构有关的其他功能做了介绍。4 机构分析41机构运动轨迹分析 在机械设计的过程中，为了分析机构是否能够满足给定的运动规律和运动空问要求，

49、需要对机构的运动规律进行研究。在机械传动系统中，机构的运动分析是机械系统分析的基础。设计者可根据原动件的运动规律，求出机构上该构件和其它构件上特定点的位移，速度和加速度。用图解法对连杆机构进行运动分析虽然具有形象直观的特点，但它精度低，费时且不便于将机构分析的问题和机构从和的问题联系起来，解析法正好克服上述缺点，这种方法不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘出机构相应的运动线图，同时还可把机构分析和机构综合问题联系起来，以便欲机构的优化设计。采用解析法并借助计算机，不但可获得很高的计算精度及一系列位置分析结果，并能绘出机构相应的运动线图，同时还可以把机构分析和机构综合问题联系起

50、来，以便于机构的优化设计。411支背机构的计算及分析对上一章确定的支背机构方案进行简化，如图4-1支背机构简化图所示。所加力G1为单点作用力，方向垂直向下，作用在床板上。杆S所受作用力： ，其中 图4-1支背机构简图丝杠中传递的轴向力F为：其中 412曲腿机构的计算及分析对曲腿机构进行简化，并进行受力分析如图4-2。图中虚线所全部分是一个四杆机构。对两个床板列受力平衡方程： 图4-2曲腿机构简图可得到杆件S1和S2受到的载荷F1和F2。其中， 利用经典的四连杆力矩阵分析方法CFr=DF，进行求解，得到驱动S1杆的力矩Mb。此力矩Mb是为了计算简便，由丝杠力F转化的。Mb与力F的关系为F=Mb/

51、lsin(t 2)。其中： 413侧翻机构的计算及分析 侧翻机构实际就是一个四杆机构。对四杆和机架进行重新布局，得到右翻时如图4-3，左翻时如图4-4。图4-3右翻机构简图图4-4左翻机构简图 设人的重力是G=1000N(考虑到了床板的重量)，构件L3所受反作用力F始终垂直于L3，右翻时大小为，左翻时为。采用和曲腿机构分析中相同的四连杆矩阵分析法 ，可得到此机构的所有运动学和动力学特性，这里不再赘述。42立体建模分析原理 如今国际上比较流行的有UG，Solidworks等，它们都有很较强的建模能力，UG，还包含有限元分析模块也可进行动力学分析，二者在复杂曲面造型方面也很强。本文要建立多功能康复

52、床虚拟样机模型并对其部分结构进行动力学和运动学分析，而虚拟样机模型对某个具体零件的外形也有很高的要求。经过分析和比较,我们决定采用Solidworks作为建模的软件平剖。 UG是当今世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAIDCADCAECAM高端软件之一。UG运动分析模块(UG Scenario)是一个模拟仿真分析的设计工具它既能对机构进行运动学仿真分析，又能进行动力学分析，分析产品的临界位置、反作用力、速度和加速度等。 用于仿真的立体建模还要对机构构件添加物理属性，包括：所有零件的质量和惯性矩；材料的密度、弹性模量和泊松比等物性；确定各个零件之间的约束关系；护理床的驱动；作用于护理床的

53、各种外力；机构中的各种摩擦力等等。其中，有大量的固定接触副，可把其作为一个整体考虑。其它重要的约束是铰链和接触副，电机轴和接触副。通过物理建模，获得如同真实护理床部件在几何形体和物理性能等各方面都完全相同的虚拟样机。UG中自带有动力学自动ADAMS。其中材料库中己存有常用材料，如果模型中某个零件所使用的材料零件库中己有，则可以直接调用此材料。ADAMS提供了自建新材料功能，本文中没有用到而是直接使用了其中钢的材料及相应的密度、弹性模量和泊松比等。 ADAMS采用了世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉各朗日方程方法，建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标

54、系和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡儿广义坐标，用带乘子的拉各朗日方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡儿广义坐标为变量的运动学方程。ADAMS的计算程序用Gear的刚体积分算法以及稀疏矩阵技术，大大提高了计算效率。43力学分析 机构力分析的任务和目的又要有如下两方面： (1)确定运动副中的反力。运动副反力是运动副两元素接触处彼此作用的正压力(法向力)和摩擦力(切向力)的合力。运动副反里对于整个机械来说是内力，而对于一个构件来说则是外力。这些力的大小和性质，对于计算机构的强度，运动副中的摩擦，磨损，确定机械的效率，以及研究机械的动力性能等一系列问题，都是极为重要的必需资料。 (2)确定机械上的平衡力。所谓平衡力是指机械在已知外力作用下，为了使该机械能按给定的运动规律运动，还必须加于机械上的未知外力。机械平衡力的确定，对于设计新机械或为了充分挖掘现有机械生产潜力，都侍奉必要。对与运动中的机构，在进行力学分析时应考虑动力学和静力学两方面对机构的影响。由41节的分析数据可知，由于康复床床面板运动的平稳性优良，其运动部件的动力学效应可以忽略不计，现只考虑部件的静力