《护理病床设计》9500字（论文）

护理病床设计摘要随着社会的发展与进步，经济的不断发展促使了各行各业的不断发展，无论是人们的生活条件还是生活水平都有了明显的改善和提高，整个社会逐渐进入了一个高节奏的社会，经济的发展无疑是社会进步的原动力。各种行业的不断发展进步也就要求医疗事业不可以停滞不前。事实上随着社会的进步与发展，医疗事业也在不断的进步，不论医疗技术还是医疗设备都有了质的跨越。就目前国内外发展的形势而言，现代的医疗器械设备的设计研究都朝着更加人性化的方向发展，其中医疗护理病床最能体现这一点。随着我国医疗学事业的不断发展，为了加强对病人从医院到家中这期间的护理工作，设计一个更加合理的家庭用护理病床是十分重要的。本课题正是根据这一需求，从方便家属陪护和减少家属劳动量等方面考虑，利用AutoCAD对家庭用护理病床进行设计。关键词：家庭护理病床；人体工程学；力学分析；AutoCAD；机械设计原理目录第一章概述 第一章概述1.1设计目的及意义随着我国生活水平、医疗水平的不断提高，人们越来越重视对行动不便亲属的科学护理工作。如何提高这些行动不便亲属的生活质量，提高他们的自理能力，减轻护理人员、家属的劳动强度，是当前需要解决的问题之一。该选题正是根据这一需求，运用机械传动原理和机械设计原理等相关理论，结合居家护理的要求对医用床进行更加人性化的设计，通过此设计使学生进一步加深对所学各专业知识的理解，增强各专业知识之间的联系，使所学知识得到一次综合运用，同时有助于提高学生理论联系实际的能力。1.2设计的基本任务本次设计要求尽可能的满足对行动不便的患者在家中进行护理的需求，从方便患者自理到减少患者家属劳动强度等方面考虑，根据家庭使用的实际要求，运用机械原理，利用AutoCAD对病床的结构进行创新设计，使器械尽量轻便，耐用，容易操作。床体装备要求左右侧均可放置输液挂架，不使用时可以存放在床体下方；为安全起见，两侧装有起落侧护板；头部应备有氧气搁架，可装备500L氧气瓶；床体运动要求实现背部0-70度升降；实现膝部0-45度弯曲；便于运动、灵活、省力、易于控制。1.3课题分析1.3.1目前国内外发展状况目前，医院内外主要的病床，是半卧起坐立床。其主要目标是保持病人上半身的直立坐姿，同时弯曲双腿，以达到一个舒适的姿势，以促进饮食和服药。这种病床仍然很受欢迎，但这种病床不能为患者提供额外的康复治疗，基本上不能减轻医疗负担，也无法解决患者舒适性问题。中国是一个人口众多的国家。对中国来说，护理床的需求很大。当一个家庭成员生病并需要卧床休息时，护理床就体现了这一点的重要性。最简单的平铺床逐渐开发和改进，逐渐增加把手、餐桌、抬起头及下肢等等功能；然后，增加了排便机构和滑轮支脚等等；逐渐发展成一个具有更完美功能的多功能护理床。一张护理床的改善和发展大大提高了医务人员的护理技能，同时显著减少了护士的压力和工作量。考虑到目前的国内生产和设计水平，大多数具有高级功能的护理床是进口的，所以成本相对较高。在价格和技术的框架下，国产护理床的能力受到了考验。传统护理床的操作结构是机械结构，主要依靠护士的帮助，其功能是最简单的基本功能。然而，传统的护理床并没有考虑到人体的差异，也没有考虑到患者的体验。因此需要改进功能、结构、外观、交互和其他方面。护理床是基于所有患者群体的体验，这些体验可以满足不同患者群体的迫切需要，其功能比以往产品设计更完美。1.3.2人体工程学在病床设计中的应用1.人体工程学的产生人体工程学(或称人体功效学、人机工程学等)是关于正确使用人的智力和体力的学问，是研究“人-机-环境”系统中人机环境三大要素之间的关系，为解决该系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的学科。人机工程学的基本理念产生于十九世纪末。最初，是欧美一些学者和研究机构为解决工业化生产环境中的人机矛盾所从事的一些研究活动的统称。第二次世界大战后，逐渐形成了一门独立的学科。这门理论与实践相结合的学科主要是研究与人的各种特点和需求相适应、与人的生理心理结构相适应、与人的生理运动和心理运动的内在逻辑相适应，从而在人机环境系统中取得动态平衡和协调一致,，而且使人获得生理上的舒服感和心理上的愉悦感，以最少、最小、最低的代价赢得最多、最大、最高的工作效率和经济效益。2.人体工程学在病人床板中的设计我想我们每个人都有过生病的经历，那个时候由于疾病的困扰，心理总是不舒服，那么如何使病人的心情更好呢?这就要求改变病人的生活环境。以往当我们走进医院时，所见到的只是冰冷的病床，看到它们我们的心情都不好，何况病人呢?下面我来简要介绍一下人体工程学在床板设计中的应用。首先，病床的整体设计采用可移动式。病人在生病时要做大量的检查，有些可以在病房内完成，而有些要到检查中心才能完成。部分病人只有在其他人的搀扶下才能到达检查中心，在这个过程中病人要忍受大量的痛苦。病床的整体可移动后，就可以推着病人到检查中心，完成必要的检查，减少了病人的痛苦，改善了移动病人的条件。其次，病床的整体造型上也作了大量的改进，使病床的整体更接近于家庭的睡床，去除了冰冷感，增加了温暖感，给病人一种家的感觉，使病人忘记了这是病床，甚至忘记了病痛，有利于疾病的治愈。第三，在床板的设计上也大量应用了人机工程学。床板在长度方向上分为四段，即:人体的躯干段、人体的臀部段、人体的大腿段、人体的小腿段。这几部分的尺寸均按照标准人体尺寸设计，通过摇杆以及其他机构可以实现这四部分的动作。人体的躯干段的动作可以使躺久的病人坐起，缓解疲劳；人体的小腿段的动作可以使病人跷脚；人体的大腿段也可协助动作，使病人的下肢得到放松。以上动作均可以由病人家属根据需要控制来实现。当然在其他部分的设计中也应用了人机工程学，这里不一一介绍。这样设计的病床成本增加的并不多，但舒适感却成倍增加。通过这个设计不难看出在产品设计中应用人机工程学的重要性。1.3.3家庭用护理病床设计的研究思路家庭用护理病床由病床机械结构和机械传动装置两部分组成。此种病床机械结构可靠，操作方便，市场推广性强。本设计采用纯机械方式实现病床背板的升降，背部的可升降范围为0-70度。这一范围使病人既不会觉得有竖直坐起来的不适，又不会让病人有久卧病床无法动弹感觉。本设计的腿板部分分成两段，第一段是大腿段部分，第二段是小腿段部分，这样更有利于膝盖的蜷曲运动。久卧病床的病人肯定会感觉腿部不适，这样的设计可以由家属或陪护人员操作，使腿板成0-45度蜷曲运动。这样的设计更有助于病人的康复治疗。第二章实现方案设计及方案论证分析2.1设计方案的选取首先，按照要求家庭用护理病床是为了满足对行动不便的患者在家中进行护理的需求，从方便患者自理到减少患者家属劳动强度等方面考虑，根据家庭使用的实际要求，运用机械原理，利用AutoCAD对病床的结构进行创新设计。我多次提及这一点就是因为这与设计方案息息相关。设计方案一：红外遥控式可升降病床设计红外遥控式可升降病床设计是利用红外线发射射线，之后操动电机使电机带动丝杠运动。首先，此种病床要先设计电机，红外遥控式医疗病床的遥控结构由红外遥控器和电机控制器两部分组成，通信方式选用串口通信方式。其中，+5V电源电路采用7805,用来将9V电池电压降到5V，向中央处理电路供电；病床上升、下降和停止按键用于向中央处理电路发出信号，中央处理电路采用AT89C2051单片机作为中央处理芯片，用于处理按键电路的输入信息，选用串口发送端TXD输出控制信息，同时选用I/O口作为用于加载控制信息的38kHz红外线发生口，红外发射电路用于调制控制信息到38kz信号上，并且发出调制后的红外线。其中，电源电路采用7815将24V直流电源电压变换到15V,再由7805将15V直流电压变换到5V,最后向中央处理电路供电，这样避免了采用体积较人的散热器，便于控制电路的集成化，红外接收电路采用红外接收头TSOP1738为核心器件，用于接收加载有控制信号的38kz红外信号，并且过滤掉38kz红外信号，输出控制信号，中央处理电路也采用AT89C2051单片机作为中央处理芯片，用于处理接收到的信号，并且对接收到的信号做相应输出，以控制H桥不同的桥臂导通，同时接收并处理行程开关反馈电路输入的信号，直流电机停转、正转和反转控制电路根据中央处理电路输出的不同信号导通不同的桥臂，从而控制电机的正转、反转和停转，进而控制病床背板的上升、下降和停止。行程开关反馈电路用于判断病床背板是否下降到最低位，其输出应为单片机的外部中断信号加以处理，使病床背板下降到最低位后能及时停止，并且在此后如果病人或陪护人员不慎按下下降键，也能使电机不运行，防止电机堵转，达到保护电机的目的。其软件设计采用单片机控制，其余机械结构同普通病床。设计方案二：机械式可升降护理病床此种病床设计方案即采用纯机械式，不应用电，其结构是运用摇杆和丝杠的串联，摇杆的转动可以带动丝杠的转动，丝杠的转动可以使其套筒前后移动，这样支撑架就会有角度的转动，支撑架的转动便可以带动背板或者腿板有角度的升降或者弯曲。其整个的床体床腿部位加装了滚轮，使得整个床体可以方便的移动。床体的左右上下各安装了左右护板和床头床腿挡板使病人可以安全的躺在床上，不至于由于睡觉翻身而掉下床。2.2设计方案的论证对于设计方案一，这种病床优点是使用方便，缺点是价格昂贵，普通家庭一般购买不起此种病床。而且红外加上电机等其它电学光学零件，此种病床相对比较容易产生故障。对于设计方案二，这种病床的优点是价格便宜，使用方面也很方便，容易运输，不怕碰撞，可以拆卸。缺点是，需要陪护人员操动病床。结合以上所述，我选择方案二纯机械式病床来作为家庭用护理病床设计，因为作为家庭用护理病床，价格方面是必须要考虑的。如果价格昂贵就算病床再好，再实用，也不能进入消费者手中，这样就达不到家用这一目的了。再有，综合考虑两种病床，起到的作用相同，一般国内的情况是家中有病人，家中肯定就要留陪护人员。所以说纯机械式的病床也可以很实用。病人家属在购买病床后首先要考虑的就是病床的组装，电动式病床肯定不如纯机械式病床容易安装。电动式需要专业的安装人员进行安装，而纯机械式可以根据安装说明书的缩略图安装，从企业方面也可以节省人员使用，从病人家属方面尽快地安装好病床投入使用比等待安装人员上门服务更适合他们。第三章家庭用护理病床的结构分析3.1家庭用护理病床的设计原理机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内完全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。要设计出完美的机械就要考虑到机械零件的失效可能性。零件的失效可能由于：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的震动；连接的松弛；摩擦传动的打滑等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。例如：当强度为主要问题时，按强度条件判定，即应力≤许用应力；当刚度为主要问题时，按刚度条件判定，即变形量≤许用变形量；等等。这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准则。通常零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称为整体强度。若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。如齿轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展（若有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展），终于使表面金属呈小片状剥落下来而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。疲劳点蚀常是齿轮，滚动轴承等零件的主要失效形式。运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。零件抗磨损的能力称为耐磨性。除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接接触，否则磨损总是难以避免的。但是只要磨损速度稳定缓慢，零件就能保持一定寿命。所以，在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。所以本家用病床使用过程中应该确保丝杠处润滑，其它连接点润滑。否则长时间使用必然会有磨损，以至于报废。3.2家庭用护理病床的设计过程机械设计是根据使用要求对机械系统的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将之转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。设计是创造性劳动，设计的目的是在保证机械系统的功能前提下，建立性能好、成本低、价值最优的机械系统，以满足人类社会不断增长的物质和文化需要。家庭用护理病床的设计按下列步骤进行：1、查找资料、书籍和文献，翻译英文资料；2、撰写开题报告；3、方案论证,进行初步设计,绘制草图；4、对结构进行分析和强度校核；5、绘制床体装配图绘制床屉装配图；6、绘制零件图；7、撰写设计说明书；8、修改说明书。其零件设计遵循以下步骤：1、拟订零件的计算简图；2、确定作用在零件上的载荷；3、选择合适的材料；4、根据零件可能出现的失效形式选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。3.3家庭用护理病床机械结构的总体设计家庭用护理病床为了满足对行动不便的患者在家中进行护理的需求，从方便患者自理到减少患者家属劳动强度等方面考虑，根据家庭使用的实际要求，运用机械原理，利用AutoCAD对病床的结构进行创新设计。课题的设计要求为床体的设备要求和运动要求。家庭用护理病床的机械结构由可调床面、支撑床架和机械传动装置组成。其中，可调床面由脚板、坐板和背板三部分组成，背板可以升降，方使病人的起床和下卧；脚板可以0-45度弯曲，方便病人活动小腿，减少不适感。机械传动结构由摇杆、丝杆和升降支撑架三部分组成，摇杆直接驱动丝杆旋转，再由丝杆推动升降支撑架运动，最终完成对背板或腿板的升降和弯曲驱动。病床支撑架主要用于支撑可调床面，固定机械传动结构。对于床面和床体的运动要求采用的是丝杆传动来完成；之所以采用丝杆传动是由于丝杆传动可以使床体的整体结构简单，在丝杆传动的驱动下实现的运动是十分的平稳，并且操作方便简单和效率高。最主要的是采用丝杠传动噪声很小，适合应用于家用病床并且此点尤为重要。1.曲柄滑块机构本设计利用机械设计原理中曲柄滑块机构机构的基本原理，如图3-1所示。图3-1固定滑块机构我们可认为A为丝杆，B为床板，C为支撑架，D为固定筒。由此看来，在D固定的情况下，A丝杆的前进和后退能够带动C支撑架有角度的运动。而C有角度的运动则可以带动B床板抬起或降下一定的角度。不难看出，这种曲柄滑块机构能够按要求完成设计任务中的实现背部0-70度升降，实现膝部0-45度弯曲。这也就是我们所学过的固定滑块机构或称定块机构。首先按照运动要求，背部0-70度升降，膝部0-45度弯曲。我们使用固定滑块机构，膝部的示意图如下图3-2所示。图3-2膝部结构示意图我们可以看到，床腿部位可以看成一个杆，床腿支架为一个杆，丝杆为一个杆，固定丝杆的套筒为滑块。由此可以看出，固定滑块机构完全可以满足其运动要求。背部与其相类似就不一一介绍了。2.丝杆传动机构在此我不仅应用了固定滑块机构，而且还用丝杆和固定滑块机构串联，查[2]我们可以看出机构的创新方法中串联方式机构组合是很实用的。我们再来看一下丝杆的结构，如图所示3-3所示。图3-3丝杠结构图丝杆是由套管，丝杠轮，弹簧销，丝杠簧，丝杠，丝杠套等部件组成的。外部与支撑架相连，内部丝杆与摇杆相连。这样当摇杆转动的过程中，丝杆便会转动，它的转动使得外部前后移动，从而使得支撑架能够有角度的转动，之后支撑架带动背板或腿部板升降，以达到运动要求。把摇杆的空间旋转运动转变成为前后的伸缩运动，噪音小，结构简单是它的最大优点。另外，床头挡板、床底挡板、左右起落侧护板在我的设计中都是可以自行拆下的。如果此类零件与床固定上或焊上，考虑其一不易于运输，其二不易于空间利用。本设计为家庭用护理病床，力争做到容易安装，方便维修，节省空间的功效。如果不固定以上零件，那么所有的零件可以打包成床板大小宽度运输，也方便用户购买，但是如果固定上，那么就要多出挡板的立体空间，不易运输。而且现今有的家庭住房并不宽裕，有的希望不要挡板，家属可以直接坐在床两侧或床尾部照顾病人。由于考虑到病床的移动问题，所以我在床腿部位加装了滚轮，加装滚轮后病床可以很轻松的便可以移动。这种设计造价不高，但是很人性化。在病人躺在病床上的时候，家属便可以移动病床，甚至在病人熟睡时也不至于把病人吵醒。综上可以看出，病床满足运动要求，其结构可以达到预期效果。病床完全满足任务书要求，适合于家用。第四章传动零件的设计计算4.1传动部件的受力分析1.脚板丝杆的力学分析现在进行脚板丝杆的力学分析，先分析其支撑架如图4-1所示：图4-1脚板丝杆支撑架受力图按照要求，床体最大承载150kg重量，如果按照极限，臀部位置不受力，而把力平分到脚板丝杆和背板丝杆，那么如果在这种极限情况下，丝杠满足力学要求，就一定在普通状态下也满足要求。G=mg=150×9.8=1470N平均分到脚板杆和背板杆后F2=735N经过受力分析，F1=F3=520N丝杆受力情况如图4-2所示：图4-2丝杆受力图F1为支撑架作用的效果，分解后F5=F4=368N2.背板丝杆再来看背板丝杆支撑架的受力如图4-3所示：图4-3背板丝杆支撑架受力图这里F6=F1=735N经计算F8=690.7NF7=251.4N背板丝杆的受力如图4-4所示：图4-4背板丝杆受力图因为F8为支撑杆作用于丝杆的力，所以经计算F9=649.1NF10=236.2N。4.2传动部件的受力计算校核4.2.1脚板丝杆相关杆件的校核计算1.脚板丝杆支撑架的设计与计算表4-1脚板丝杠支撑架的设计与计算脚板丝杆支撑架选用45＃钢尺寸为长l=375（mm）宽b=30（mm）厚h=10（mm）查《机械设计手册》，查得45＃调质处理[]=360MPa脚板丝杆支撑架受力F1=520N截面积A1=300mm2应力11=1.73MPa验算结果1≤[]，满足要求2.脚板丝杆的设计与计算脚板丝杆螺纹剖视图如图4-5所示：图4-5脚板丝杆螺纹剖视图表4-2脚板丝杆的设计与计算弯矩M1M1=F×LM1=236.2Nm弯曲应力σbσb=M/0.1d3σb=25.9MPa查《机械设计手册》[σb]≤460验算结果σb≤[σb]满足要求查《机械设计手册》[b]≤40扭切应力bb=T/WTb=12.96MPa验算结果b≤[b]满足要求表4-3脚板丝杆的自锁条件外螺纹大径dd=20mm螺距PP=4mm外螺纹中径d2d2=d-2Z=d-2*0.5Pd2=18mm内螺纹大径D4D4=d+2acD4=20.5外螺纹小径d3d3=d-2h3=d-2(0.5P+ac)d3=15.5mm查《螺纹标准与检验手册》式ac＝0.25mm内螺纹小径D1D1=d-2PD1=12mm基本牙型高度H1H1＝0.5PH1＝2mm梯形螺纹中等精度Tr20*4-7H/7eGB/T5796.3-1986螺母高度HH=*d2H=31mm螺纹圈数nn=H/Pn=7.75圈螺纹的自锁性验算选用螺纹为单线螺纹导程S=P=4mm螺纹升角＝arctan＝4°2ˊ46〞查《机械设计手册》,钢对青铜摩擦因数=0.08～0.10=0.09当量摩擦角ˊˊ＝arctanˊ＝5°19ˊ23〞由《机械设计》和《机械原理》得知要实现螺纹的自锁条件为螺纹升角要小于当量摩擦角ˊ验算结果≤ˊ螺纹自锁可靠以上查《机械设计手册》单行本第四篇第一章选取。4.2.2背板丝杆相关杆件的校核计算1.背板丝杆支撑架的设计与计算表4-4背板丝杆支撑架的设计与计算脚板丝杠支撑架选用45＃钢尺寸为长l=175（mm）宽b=30（mm）厚h=10（mm）查《机械设计手册》,查得45＃调质处理[]=360MPa背板丝杆支撑架受力F1=251.4N截面积A1=300mm2应力11=0.84MPa验算结果1≤[],满足要求2.背板丝杆的设计与计算背板丝杆螺纹剖视图如图4-6所示:图4-6背板丝杠螺纹剖视图表4-5背板丝杆的设计与计算弯矩M1M1=F×LM1=372Nm弯曲应力σbσb=M/0.1d3σb=40.8MPa查《机械设计手册》[σb]≤460验算结果σb≤[σb]满足要求扭切应力bb=T/WTb=6.23MPa查《机械设计手册》[b]≤40验算结果b≤[b]满足要求表4-6背板丝杆的自锁条件外螺纹大径dd=20mm螺距PP=4mm外螺纹中径d2d2=d-2Z=d-2*0.5Pd2=18mm内螺纹大径D4D4=d+2acD4=20.5外螺纹小径d3d3=d-2h3d3=15.5mm查《螺纹标准与检验手册》ac＝0.25mm内螺纹小径D1D1=d-2PD1=12mm基本牙型高度H1H1＝0.5PH1＝2mm梯形螺纹中等精度Tr20*4-7H/7eGB/T5796.3-1986螺母高度HH=*d2H=31mm螺纹圈数nn=H/Pn=7.75圈螺纹的自锁性验算选用螺纹为单线螺纹导程S=P=4mm螺纹升角＝arctan＝4°2ˊ46〞查《机械设计手册》,钢对青铜摩擦因数=0.08-0.10=0.09当量摩擦角ˊˊ＝arctanˊ＝5°19ˊ23〞由《机械设计》和《机械原理》得知要实现螺纹的自锁条件为螺纹升角要小于当量摩擦角ˊ验算结果≤ˊ螺纹自锁可靠以上查《机械设计手册》单行本第四篇第一章选取。第五章床体床屉及部分零件的分析与研究5.1床体床屉的分析研究由结构图5-1可以看出床体分四部分，即背板段，臀部段，大腿段和小腿段。这样划分床段是由于人体工程