多功能护理床的设计说明书

毕业论文毕业设计论文报告(论文)题目：多功能护理床的设计作者所在系部：机电工程学院作者所在专业：机械设计制造及其自动化毕业论文第1章绪论1.1多功能护理床的研究背景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，思想的进步，城市人口正逐步进入老龄体，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人数已经高达40%，如此之高的比列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的照料，于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列更大，解决因身体虚弱卧床不起或因导致生活不能自理的老年人的家庭照料于看护问题是人口的老龄化的国家所面临的共同的问题。为此，国家的大力加强了对护理床机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或者长期使用病床的人提供一个集护理和排泄的等各种功能于一体的多功能护理床，现在家庭需求护理床的潜力日益增加，以前是简易的护理床，后来的加护栏，餐桌，再后来加上大便孔，轮子，现在产生了很多集多功能护理床的一体多功能，电动护理床，极大的提高了患者的康复护理水平，也为了护理人员提供了极大的方便，所以操作简单，功能强大的护理产品越来越受最棒。护理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，国外护理床的研究以德国。日本为代表。各种护理床的功能正在逐步完善，成熟，但因其价格昂贵(一般售价在20万人民币以上)，很难为一般的消费者能接受这很贵的护理床。护理床的基本分类情况给大家介绍一下。护理床类型一：手动护理床和电动护理床；护理床的类型二：)功能基础型、功能普通型、功能高级型。护理床的分类概括：功能基础行护理床的优点：1、结构、生产工艺简单，易于制造。2、价格便宜。存在的问题：1、功能比较简单，不能实现使用者的护理要求。2、手动为主，操作繁琐。3、造型传统，舒适性差。4、应用范围窄。能普通型护理床的优点：1、一般为电动，用户可简单操作控制。2、能完成基本的护理功能。3、增添了铺助功能接口。4、整体造型，色彩改进，具有一定的亲和性。存在的问题：1、市场售价偏高。2、功能启动柔性差，衔接不连贯。3、功能一体化造成功能浪费.4、生产技术含量低，容易被仿制。5、文字，图像识别功能差。功能高级型护理床的优点:1、护理功能完善。2、功能调整定位准确，连惯性好，基本无噪音。3、结构设计合理，安全。4、造型新颖，有较强的亲和力。5、文字，标志容易识别。存在的问题：1、市场的售价昂贵。造成功能浪费严重，造成额外的经济成本。2、调整可拆性差，运输、组装繁琐。3、对患者康复功能的考虑较少。从近年来的发展来看，国内的发展迅速，各种结果。功能等等各异的护理床称层出不穷。发展方向主要向机器人模的自动控制的方向发展。1.2多功能护理床的发展前景我国是世界上的人口大国，同时又是一个人口老龄化的大国，据统计，从2000年到2007年，我国60岁以上的老年人口由1.26亿增长到1.53亿人，占总人口的比例从10.2%提高到11.6%，占全球老年人口的21.4%，相当于欧洲60岁以上老年人口的总和。人口老龄化年均增长率高达3.2%，约为总人口增长速度的5倍。预计2020年老年人口将达到2.4亿人，占总人口的17.17%；到2050年，老年人口总量将超过4亿，老龄化水平推进到30%以上。我国大多数家庭逐渐形成宝塔式结构。（四个老年人，两个青年人，一个孩子）随着社会生活的加快年轻人既要忙于事业又要照顾家庭，老人和孩子，显然力不从心，当老人生活不能自理时就十分需要一种电动护理床协助自己日常生活的必须。现在家庭需求护理床的潜力日益增加,以前是简易的记理床,后来加上护栏,餐桌;再后来加上大便孔,轮子;现在产生了很多集多功能为一体的多功能电动护理床,比如能够升降，能够坐起，能够曲腿等功能。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,所以操作简单,功能强大的护理产品越来越受到追捧。电动护理床根据采用进口电机的数量一般可分五功能电动护理床、四功能电动护理床、三功能电动护理床、二功能电动护理床。护理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，国外护理床的研究以德国和日本较为突出。目前市面上常见的电动护理床有如下优点：1、电动，方便用户操作和控制。2、能完成基本的护理功能。3、整体造型，色彩改进，具有一定的亲和性。4、功能调整定位准确，连惯性好，基本无噪音。5、文字，标志容易识别。但也存在如下问题：1、市场售价偏高。2、功能启动柔性差，衔接不连贯。3、功能一体化造成功能浪费。4、生产技术含量低，容易被仿制。5、文字，图像识别功能差。6、对患者康复功能的考虑较少。第2章多功能护理床的结构设计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安全性原则由于护理床对老年人和病人的身体进行直接的接触与操作，而且相对于健康人来说，这类人群的身体更容易收到损伤，所以护理床在安全性方面的要求很高。无论是护理床的结构还是控制系统的设计，安全性始终是最优先考虑的一个原则。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余量，要考虑到各种极限情况。2.1.2人性化、舒适性原则现今社会，人们不仅追求商品的高质量，高稳定性，而且对商品的人性化、舒适性设计有了更高的要求，因此电动护理床应该根据人体生理学原理，更多地从人的生理结构、心理情况、行为习惯等方面加以考虑。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，不同使用者往往对护理床有着各种各样不同功能的要求，比如能够坐起，整床能够升降，能够曲腿等功能要求。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，这样可以节省材料。尤其是在资源短缺的今天，这点尤为重要，而且还以降低成本。2.2功能要求及设计指标依我一段时间的观察和了解并翻阅一些相关资料，综合各家医疗器材公司生产的护理床功能，根据人的生活习惯和对老人，病人对护理床使用便捷，人的一些必要的体位位姿，要能够实现各体位的自动变换，减少使用者因长期卧床引发的并发症，改善其健康状态，有着积极的意义，同时可以大大减轻护理家庭人员的劳动强度。因此我对多功能护理床设计了以下几种功能：1.平躺；2.整床升降；3抬背；4屈膝。参考《医用电气设备第一部分：安全通用要求》、《医用电气设备第二部分：医用电动床安全专用要求》、《中华人民共和国行业标准—病床》、《中华人民共和国国家标准—中国成年人人体尺寸》等相关标准，同时类比国内外文献中的相关参数，作为设计指标。2.2.1外形尺寸电动护理床主要用于家庭中，因此在使用各个姿态时，其所占的空间范围必须与家庭房间的相关尺寸相适应，选取适当的尺寸能够让被护理人员感到舒服。按照《中华人民共和国行业—标准病床》标准，电动护理床的外形尺寸最终取为：长×宽=2000mm×1000mm高=300-520mm2.2.2承载指标按照《医用电气设备第二部分：医用电动床安全专用要求》规定，床的安全工作载荷必须至少承受2000N的载荷，这2000包括1500N患者重量、200N床垫和300N附件。标准中提供了人体在床的各个板块上的重量分布，护理床的各个模块的设计均可以此值为准。图中，1代表背板，2代表臀部板，3代表大腿板，4代表小腿板。图1-1床板重量分布2.2.3体位调整类指标体位调整类指标包括背升角度、大腿床板抬升角度、小腿床板抬升角度。《医用电气设备第二部分：医用电动床安全专用要求》给出了背板、大腿板、小腿板的调节范围建议值：背板与水平面间夹角（图1-2中A）应能从0～85。（或更大）可调。大腿板与水平面间夹角（图1-2中B）应能从0～50。（或更大）可调。小腿板与水平面间夹角（图1-2中C）应能从0～50。（或更大）可调。大腿板与小腿板间夹角（图1-2中D）应能调至180。（平面）。图1-2床面各板调节范围综合考虑上述提供的数据，参照翻阅的相关结果，并且考虑文献中同类研究的相关参数，确定了体位调整类具体指标（见表1-1）。表1-1体位调节类指标运动指标具体数值背升角度0-70o大腿床板翻转角度0-35o整床升降高度范围300-520mm2.3整体布局及床面设计按照床的整体分布，电动护理床可以分为总体框架、抬腿部件、抬背部件、整床升降，部件智能座便系统五大功能模块。在总体布局时，有以下几方面要求：1、综合考虑两种状态下的尺寸、稳定性和强度要求；2、布局要使各个模块的机构运动相对简单，并解决好干涉问题；3、分配好每个部件的尺寸，最大限度地利用床下有限的空间；4、要尽可能地把传动部件隐藏给人以安全感，避免心理恐慌。从以上设计角度出发，根据前文确定的设计原则，确定护理床采用床面大尺寸，支撑框架略小的结构，有利于空间的节约；移动方式为前面布置两个万向轮，从而使得转弯半径较小；各个功能模块机构初步选用连杆结构，以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，以保证机构传动角和框架强度要求；各零部件近似对称布置于床面之下，使机器和人的重心始终处于机构中间位置，以增强整体稳定性和使用者的心理安全感。电动护理床床面设计的特点在于要实现的运动较多，而且每块床板都必须能够沿相互垂直的方向转动，这就给床板之间的连接提出了很高的要求，结合所需实现的功能，本文提出采用分体式双层床面结构。图1-3床面结构示意图其中，床板1-4为下层板，5-8为上层板：1、5为背板2、6为臀部板，3、7为大腿板，4、8为小腿板。各床板之间通过铰链相互连接，整体床面则通过臀部下层板固定到支撑框架之上。护理床所需的各个动作都能够通过传动部件带动相应的床板组联动实现。表1-2各床板的X向尺寸尺寸项具体数值背板760mm臀部板230mm大腿板400mm小腿板610mm各床板的尺寸基于GB10000-88常用人体测量数据确定。参考市场上的护理床尺寸，根据专家给出的数据进行选择后，最终尺寸见表1-3。表1-3护理床需要实现的动作功能项相关参数备注平躺平躺各床板均水平抬背抬背背板与水平面夹角为0～70o5、6床板组合联动，绕Y1轴翻转曲/伸腿曲/伸腿大腿板与水平面夹角0～35o小腿板与水平面夹角为-20o～07、6、床板组合联动，绕Y2轴翻转；8、7床板组合联动，绕Y3轴翻转2.4抬背方案的设计分析第1种构想图1-1坐起及屈膝原理（变形前）图1-2坐起及屈膝原理（变形后）这部分的设计，采取坐起和曲膝的功能分别驱动的思路。如图分别是床板平置和坐起及曲膝动作完成之后的状态。床板平置时，人躺在床上和普通病床一样，当需要坐起时由图中左边的电动机驱动螺杆9转动，使得螺套7向右运动，再由连杆6带动转臂5旋转，最后由转臂驱动床板1绕J点旋转，从而使人坐起。需要曲膝时，同样右边的电动机工作，通过螺旋传动使得转臂12旋转，将床板3顶起，达到曲膝的目的。坐起和曲膝动作如图“坐起状态”。第2种构想图1-3坐起及曲膝原理（变形前）图1-4坐起及曲膝原理（变形后）这部分的设计，采取坐起和曲膝的功能同时驱动的思路。如图分别是床板平置和坐起及曲膝动作完成之后的状态。床板平置时，人躺在床上和普通病床一样，杆4ˊ、5、6组成的连杆机构处于死点状态，达到足够的刚度和稳定性。当需要坐起时由图中的电动机驱动蜗杆1转动，蜗杆1再驱动蜗轮2转动，从而带动转臂运动，将床板9绕C点顶起，与此同时和蜗轮同步的带轮2′带动小带轮4转动，4带轮的旋转使得曲柄连杆机构中的曲柄4′转动，摆脱死点状态，摇杆6转动，使得床板7在重力的作用下绕D点转动，最后同时满足坐起和曲膝的功能。坐起和曲膝动作如图“坐起状态”。该方案采用蜗轮蜗杆—带轮组合传动，其优点是传动平稳，冲击载荷小传动比大；缺点是效率低磨损较严重，且蜗轮蜗杆加工难度大，制作成本高。带轮负载大时可能造成皮带打滑，并且其曲腿功能和坐起只能同时满足，无法独立动作。第3类构想图1-5三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，摩擦严重。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40度，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。但是在护理床的结构中，支撑框架的Z向尺寸较小，而背板又要翻转70度。，这也就引起一个矛盾：既要求电动推杆的行程要很大，又要求其初始状态尺寸较小，显然这样的要求是达不到的，因而放弃该构型。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。综上所述，构型C为三种之中的最优构型，故抬被机构最终采用该构型。2.5屈膝方案的设计分析曲腿机构的设计与抬背机构的相同。2.6整床升降的设计分析第1种构想图1-6联动的平面四杆机构该机构为四杆机构，有3个活动件，四个转动副，自由度为F=3×3-2×4=1，有一个原动件即可做稳定的运动，其结构紧凑，运动精准，并且稳定，价格低廉。图1-7电动推杆机构第二种方案该机构结构简单，但是其不稳定，采用的是电动推杆作为动力源，故其成本高。综上所述，选择第一方案比较适合。第3章机构设计3.1液压缸的设计在整床升降的过程中，采取液压缸为原动件，以液压缸来驱动连杆，从而带动2个联动的四杆机构向上运动。初选液压缸的工作压力根据此护理床的负载，取液压缸工作压力为4MPa。计算液压缸的结构参数选用单出杆活塞实现差动连接的方式实现进给。设液压缸的有效面积为A1和A2，且A1=2A1，即d=0.707D。由工进工况下液压缸的力平衡方程p1A1=p2A2+F,(4-4)式中p1——进油压力；P2——回油压力。所以：A1=F/(p1-0.5p2)=35512/(4106-0.5×0.6×106)m2=5024×10-6m2=96cm2液压缸的内径D为对取整，取D=40mm。由d=0.707D液压缸有效工作面积由此可得选择YZB356-93的S1型液压缸。3.2拟定液压系统图我设计的是一个简单的电磁换向回路，在整床的升降过程中需要实现平稳、迅速、准确地变换运动方向，采用简单的电磁换向回路即可实现这一功能，当电磁阀未通电时，活塞向右运动，也就是整床的起升；但电磁阀通电时，活塞向左运动，就是整床的下降。利用简单的液压回路系统，以液压缸为原动件，以连杆带动2个联动的平行四杆机构做升降运动。液压系统图如图2-1所示图2-1液压系统图3.3液压元件的选择液压泵的工作压力已知液压缸最大工作压力为4MPa，取油路上压力损失为1MPa，则最小流量泵的工作压力为5MPa，则选择泵的额定压力应为pn=(5+5×25%)MPa=6.27MPa液压泵流量计算当单液压泵供给多个同时工作的执行元件时，有qp≥k(∑qi）max（9-5a）式中K——回油泄漏折算系数，K=1.1~1.3;(∑qi）max——同时工作的执行元件流量之和的最大值。取系统的泄漏系统K=1.2,则泵的最小流量qp为qp=Kq1max=1.2×0.5×10-3m3/s=36L/min确定液压泵的规格对照产品样本可选用ZY-700手摇式液压泵，储油量0.9L,出油量低压13cc，高压2.3cc；最大压力低压2MPa,高压70MPa。即使没有电力，操作也方便。3.4抬背机构的设计抬背机构的设计如图2-2所示图2-2抬背机构此装置以滑块滑块上连接的扳手为原动件，向左推拉扳手，带动滑块向左运动，进而连杆转动，连杆将所连接的床板向上抬起，实现抬背的功能。连杆的长度=263mm。材料为40Cr，经调制处理。连杆强度校核因此.故安全。3.5屈膝机构的设计屈膝机构的设计如图2-3所示图2-3屈膝机构此装置以滑块滑块上连接的扳手为原动件，向右推拉扳手，带动滑块向右运动，进而连杆转动，连杆将所连接的床板向上抬起，而与大腿板相连接的小腿板被向上带起，从而实现屈膝的功能。连杆的长度。材料为40Cr，经调制处理。连杆强度校核因本机构中连杆材料与坐起机构中一样，但长度和受力却较前者小，故无需强度校核。3.6整床升降机构的设计整床升降机构的设计如图2-4所示图2-4整体升降床机构整床升降机构是一个以液压缸为原动件，从而推动连杆向上运动，连杆带动两个联动的平行四杆机构向上运动，液压缸安装在床的中心上，使受力平衡。整床的升降高度为115mm，连杆的长度为320,。连杆之间通过杆端关节轴承链接，减少了摩擦力，提高了承载能力。3.7脚轮的选取万向轮的选取如图2-5所示图2-5脚轮参数特点支架：旋转顶板双钢球轨道及独特的反钢腕圆弧设计、更耐重、旋转灵活，更具有实用性，支架底架采用国际4mm的厚钢板、腿料采用3mm厚钢板冲压焊接成型，表面镀锌。轮子：材质为玻纤加改性尼龙，滑行阻力小，有较强的抗冲击性能，配有优质精密双轴承，耐高温270度，耐磨、耐撞击、抗化学品，酸，水等腐蚀品。产品规格：万向轮M2-4646-53H轮径：125mm3.8杆端关节轴承的选取杆端关节轴承的选取如图2-6所示图2-6杆端关节轴承我设计的升降床装置，两连杆间的连接使用杆端关节轴承，它是一种球面滑动轴承，基本型是由球形滑动接触表面的内、外圈组成。关节轴承是由一个有外球面的内圈和一个内球面的外圈组成，能承受较大的载荷。采用关节轴承能有效的减少连摩擦力，提高承载能力。在液压缸与连杆之间同样采用杆端关节轴承连接，这样可以有利的提高机构的承载力，连接方式如图2-7与图2-8所示。杆端关节轴承的连接如图2-7所示图2-7杆端关节轴承与液压缸结合使用杆端关节轴承的连接如图2-8所示图2-8杆端关节轴承连接两个连杆总结与展望4.1设计总结在设计的过程，就是不断优化的过程。对多功能护理床的设计我首先选择我要使其实现的功能，然后在选择合适的方案。首先我选择了抬背、屈膝、整床升降和吃饭4种功能，然后在网上查看了很多种不同的方案与构思，本说明书前面几章总结了方案的优缺点，分析之后，自己设计了一种多功能护理床，这种护理床是利用曲柄滑块机构来实现抬背和屈膝的，我认为可行性较高。整体升降床的设计我也是利用四杆机构实现的，这必须要考虑到床升降时的平衡问题，不能歪斜。设计时我选用了液压缸为整床升降的原动件，对比电动机来说，我选择的液压泵为手摇式液压泵，不需要通电就可以使用，而且非常的轻便，病人通过摇动手柄就可以升降床的功能。考虑到整床升降时所受负载较大，所以我将连接连杆用的销换成了杆端关节轴承，减小压力及摩擦力。4.2展望现在的多功能护理床已经越来越人性化，我认为为了更加人性化，应该考虑到人机一体化，可以设计帮助人擦身，吃饭的机械手来实现病人的需要，也可以设计制造一种帮助人洗头的装置，使病人无需下地就可以洗头。致谢大学生活马上就要结束了，大学四年的生活使我收获颇丰，在最后的毕业设计中