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大學 畢業(yè)論文（設計）任務書 學 院：? 機械工程學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 職 稱： 講 師 2016年 12月 24 日 畢業(yè)設計（論文）題目： 多功能電動護理床設計—輔助解便系統(tǒng)設計 一、畢業(yè)設計（論文）內容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、達到的指標和應做的實驗等） 1 提供條件： 多功能電動護理床和微型廁所相關資料。 2 設計內容與要求: （1） 調研收集分析有關資料，掌握電動護理床的相關知識； （2）分析電動護理床的運作原理，完成護理床輔助解便系統(tǒng)設計，主要內容與要求如下： 1) 輔助解便系統(tǒng)。合理布局，使床身與微型廁所合理結合，在使用者不離開床的情況下就可完成解便的過程。實現(xiàn)系統(tǒng)的接便模塊、臀部清洗模塊、烘干模塊、除臭模塊功能。 2) 完成輔助解便系統(tǒng)機構的材料選擇、各驅動部件選型。 3) 完成機構全套零件圖紙以及三維裝配圖。 二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等） 1. 畢業(yè)設計論文一份（不少于1.5萬字）； 2. 外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）； 3. 機構設計圖紙方案一套，圖面要求正確、完整、整潔； 三、完成日期及進度 自2017年2 月20日 起至 2017年6月4日，共15周 進度安排： 1) 2.20-3.02，查閱資料、調研，完成開題報告； 2) 3.03-3.10， 掌握相關技術，完成英文翻譯； 3) 3.11-3.12， 開題答辯 4) 3.13-4.20 輔助解便系統(tǒng)機構設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的接便模塊、臀部清洗模塊設計與材料選擇、驅動部件選型； 5) 4.21-5.15輔助解便系統(tǒng)機構設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的烘干模塊、除臭模塊設計與材料選擇、驅動部件選型； 6) 5.16-6.02 撰寫畢業(yè)設計論文，準備答辯 7) 6.03-6.04， 畢業(yè)答辯 四、同組設計者（若無則留空）： 五、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）: 1. 聞邦椿主編,機械設計手冊:單行本.機構、機架與箱體.5版. 機械工業(yè)出版社 2015.02 2. 聞邦椿主編, 機械設計手冊:單行本.創(chuàng)新設計與綠色設計.5版. 機械工業(yè)出版社 2015.01 3. 孫志禮著，機構運動可靠性設計與分析技術. 國防工業(yè)出版社 2015.08 4. 華大年，華志宏編著 ,連桿機構設計與應用創(chuàng)新. 機械工業(yè)出版社 2008.1 5. 曲繼方,安子軍,曲志剛著，機構創(chuàng)新原理. 科學出版社 2001.10 6. (美) Neil Sclater, (美) Nicholas P. Chironis編,機械設計實用機構與裝置圖冊. 機械工業(yè)出版社 2007.4 7. 明振業(yè)主編, SolidWorks 2015快速入門及應用技巧.機械工業(yè)出版社 2015.7 8. 蔡明京, 謝龍漢等編著, 經(jīng)典實例學設計:SolidWorks 2014 從入門到精通. 機械工業(yè)出版社 2014 9. (美) DS SolidWorks公司著, SolidWorks Simulation基礎教程:2014版.第3版. 機械工業(yè)出版社 2014 10. (美) DS SolidWorks公司著, SolidWorks Motion運動仿真教程:2014版.第2版. 機械工業(yè)出版社 2014 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學院主管領導： （簽章） 年 月 日 注：1、如頁面不夠可加附頁 2、以上一～四項由指導教師填寫 應用力學和材料卷488-489（2014）PP 1177-1180 （2014）?技術刊物，瑞士 關鍵詞：10.4028/www.scientific.net/amm.488-489.1177 多功能醫(yī)用床的設計 關鍵詞：醫(yī)用床。螺旋機構。運動分析。設計 摘要：多功能醫(yī)用床的設計，使患者不能為自己提供生命，危重病人和癱瘓病人的特殊需要。本文通過市場調研，根據(jù)現(xiàn)有的醫(yī)療床的結構，設計了一個手動醫(yī)療床，對床板背部和腿，解除機制，排便裝置醫(yī)療床裝置進行了討論；對運動機制的可行性進行了分析和產品基本設計參數(shù)均已確定；在此基礎上，對醫(yī)療床的主要結構進行了設計和計算。結果表明，醫(yī)用床的功能可靠，結構合理，符合人體工程學的要求。特別是對這些機構進行了一些優(yōu)化和更換，使用起來更加方便快捷。 介紹：醫(yī)用床又稱護理床，包括電動護理床和手動護理床。主要用于醫(yī)療床行動不方便的患者。隨著人均壽命的不斷延長，城市人口逐漸進入老齡化，人口老齡化已成為世界各國的一個社會問題，我國已進入老齡化國家行列的。據(jù)悉，中國不僅是人口老齡化在世界上的絕對人口最多的國家，也是世界上老齡化速度最快的國家。60歲以上的老年人口已達1億3200萬，且繼續(xù)以年均3.32%的速度增長。更為突出的是，80歲以上的老年人口已達1100萬，還在以年均約5.4%的速度驚人增長。據(jù)統(tǒng)計，約79.1%的老人至少有一種或多種慢性疾病，其中一個突出的現(xiàn)象是老人的照顧能力減弱，他們更依賴家庭、社區(qū)和政府?！翱粘布彝ァ币惨殉蔀樯鐣l(fā)展的趨勢，家庭養(yǎng)老對老年人的不便，客觀上增加了老年人照料的難度。[ 1 ] 因此，本文根據(jù)護理床的總體結構、部分的結構進行了改進和優(yōu)化，不僅使它能來回彎曲你的膝蓋，腿升降機，排便及餐飲等功能更加完善，并使其操作更加方便和易于控制。同時采用螺桿連桿機構，使成本低，能得到公眾的認可和青睞。 醫(yī)用床設計方案 1.1床板設計方案 系統(tǒng)的組成如圖1所示。在論文中，基于設計的床板如圖1所示。床板分為四塊，鉸鏈鉸鏈。當攜帶回來，床板1可以提高在shafty1；彎曲你的膝蓋，床板可以提高沿軸Y2。當腿部的床板需要被解除時，床板4可以提高在shafty3，鋪床板掛在床尾梁。病人的位置在床板上方，節(jié)省材料，操作簡便。醫(yī)用床不操作時，床板與普通床相同。 采用的床板結構使得制作簡單，制造成本低，人性化設計非常好，容易克服各功能之間的干擾，滿足各坐標系各自動作的功能要求。 1.2解除和彎曲膝蓋的機制。 圖1床板設計方案 圖2狀態(tài)解除后 圖3彎曲膝蓋狀態(tài) 在該方案中，主要采用螺桿傳動。優(yōu)點是結構簡單，加工容易，成本低，傳動準確，缺點是軸向推力大，摩擦力大。 1.3排便機制 為了方便患者和護士，醫(yī)療床不僅要滿足上述功能，還要幫助患者解決排便問題，使患者和護理人員能夠得到更方便。 本文設計的醫(yī)用床便器機構是抽屜原理。該方案具有結構簡單、易于加工、成本低、效率高、操作簡單等特點。 1.4進食裝置 本文設計的醫(yī)用床上裝置是將餐盤移動。當病人需要吃飯或看書時，我們可以在柵欄上用餐板扣。特點是實用，方便，非常美觀。 醫(yī)用床運動分析及基本參數(shù)的確定 2.1可行性分析[ 2 ] （1）床板運動的可行性分析 如圖4所示，醫(yī)用床的床板可分為四塊，分別標有1、2、3、4。分別是床板1，2，3，4，處于一級狀態(tài)。1 '是完全背起狀態(tài)擁有1位置。根據(jù)醫(yī)院床位和標準，上漲角度為75°。3，' 4 '的狀態(tài)膝蓋彎曲的位置就是3，4床板。彎曲腿時，4“是主要的狀態(tài)4。通過對軌跡圖來表示，我們知道每個函數(shù)之間的床板托架運動不干涉，板塊運動是可行的。 圖4床板運動圖 （2）膝關節(jié)后屈和屈膝的可行性分析 1）對回流機制和彎曲膝蓋螺母升降機構回到床上1030mm頭近距離的支撐梁升降連桿的可行性分析（L = 1030mm）； 從機構彎曲膝蓋床頭支撐梁的距離為950mm（L1 = 950mm）。 對于L > L1。因此，我們將帶螺母的機構提升到能避免干涉的彎曲膝蓋支撐梁的右側，但為了避免干涉，螺母連桿機構的最遠高度必須高于橫梁的高度。 2）機構起重連桿機構與支撐梁連接桿的可行性分析 從螺母機構彎曲膝蓋床頭最近的距離為540mm（L1 = 540mm）。 從升降機構回床頭支撐梁的距離為700 mm（L = 700mm）； 對于L > L1'，這樣，就可以避免機械式起重機構支撐梁左端的機構彎曲螺母螺母的干擾。螺母機構彎曲螺母連桿的最近高度必須高于橫梁，避免干涉 （3）排便機制的可行性分析 由于排便門力小，摩擦力小，該機構設計出了抽油式。由于排便抽屜高度為64 mm，起重和彎曲膝關節(jié)之間的間隙分別為56 mm和mm。因此，他們沒有互相干涉。因此，機構運動是可行的。 2.2基本參數(shù)的確定 根據(jù)醫(yī)療床標準[ 3 ]和人機工程學[ 4 ]，在設計中，醫(yī)療床尺寸如下： 長度和寬度的床板分別為1900 mm和900 mm；床的高度是758毫米；提升回來，床板的運動范圍是0°~ 75°；彎曲膝蓋，床板的運動范圍是0°~ 50°；的方便門尺寸為200×390mm。 醫(yī)用床結構設計 3.支架的設計與計算 （1）支架的力學模型 現(xiàn)在，我們假定病人坐在床的末端的懸垂端，它需要計算是否坐在床的末端的地方導致床體傾斜。 力學模型建立如下： 假設床60公斤重； 床體應力： q = 600N ≈ 0.32N / mm ; (1) 1900mm 假設荷載：F = 2000N ; 根據(jù)力矩平衡關系[ 5 ]，前腿應力: ∑ M r 1 = 0 ，to: F × (L ? a ? b) ? q×[(L ? a ? b) / 2]2 ? (L ? b / 2) = 0 (2) r2 = 2518N ； 2 Fr = F + qL ? Fr = 2000 + 0.32 × 1900 ? 2518 = 72N (3) （2）結果分析 計算由以上可知，F(xiàn)R1、FR2陽性，和方向支撐起來。它 與假設的方向一致。因此，床體不能傾斜，滿足穩(wěn)定性條件的要求。 3.2螺桿的設計計算 由于螺桿頂升應力最大，應先設計螺桿。根據(jù)螺桿傳動設計計算公式[ 6，7 ]： T = Q × tan(? + ? v ) × d2 + Q × f × dm (4) 2 2 式中，q為軸向載荷，N；?是線程哈德，；?V當量摩擦角，； 螺紋節(jié)徑，毫米；DM是軸承表面的平均直徑，毫米；f是摩擦系數(shù) 根據(jù)床體的實際情況，假設螺桿軸向載荷：Q = 1000n。 根據(jù)多功能床及相關設計參數(shù)， 螺紋角?= 5；當量摩擦角?V = 5 螺紋節(jié)徑D2 = 20mm；軸承表面平均直徑DM = 20mm； 摩擦系數(shù)f＝0.1 以上數(shù)據(jù)生成公式： T = Q × tan(? + ?v ) × d2 + Q × f × dm = 28N m 2 2 當線程的最小轉矩28n M 1000 N負荷可設置。由于螺桿扭矩：T = 38n m＞28n M 因此，符合要求。 結論 本文通過市場調研，根據(jù)現(xiàn)有的醫(yī)療床的結構，設計了一個手動醫(yī)療床；和床板背部和腿，解除機制，排便裝置，進食系統(tǒng)醫(yī)療床裝置進行了討論；對運動機制的可行性進行了分析和產品基本設計參數(shù)均已確定；在此基礎上，對醫(yī)療床的主要結構進行了設計和計算。結果表明，醫(yī)用床的功能可靠，結構合理，符合人體工程學的要求。特別是，這些機制進行了優(yōu)化和更換。簡化了醫(yī)用床的排便機構，方便操作，節(jié)省空間和材料；搖桿機構的設計采用螺旋連桿機構。與目前的市場產品相比，結構更為合適和方便。 畢業(yè)設計（論文）開題報告概述表 學生姓名 班級學號 指導教師 畢業(yè)設計(論文)題目 多功能電動護理床設計—輔助解便系統(tǒng)設計? 選 題 的 目 的 和 意 義 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的提高，人口壽命不斷延長，人口老齡化問題已成為世界范圍內的社會問題。我國60歲極其以上的老年人口已達1.32億，占全國人口的10%，并以年均3.32%的速度持續(xù)增長。其中 “空巢家庭”占所有老齡家庭總數(shù)的25.8%，解決因身體虛弱臥床不起或因疾患導致生活不能自理的老年人的家庭照料與看護問題是人口老齡化國家所面臨的共同問題。同時全世界有約700萬因各種原因導致的癱瘓病人，而病人長期臥床，如何讓病人在不離開床就能干凈方便地完成解便的過程就是課題所研究的方向。 而國內目前解決這一問題的辦法大多是需要有家人或看護人員的幫助陪同照料，對于護理人員來說，每天為病人翻身、上藥、更換床上用品等工作相當繁重，而手動翻身費力費時，要求護理人員有充足的體力,相當困難，而且在解便過程中會讓病人感覺到尷尬，一些身體不便的病人在挪動身體時還會感受到痛苦。一些簡陋的多功能床上配有的解便系統(tǒng)也是很不方便，而且解便完成后的臟污處理、除臭等一系列過程無法得到解決。 針對這一現(xiàn)狀，本著“以人為本”的設計理念，設計一套操作方便、功能齊全、成本低的輔助解便系統(tǒng)具有十分重要的意義。 參考文獻： 【1】許萬里 微機控制病理床的研制與開發(fā)．哈爾濱理工大學學 報，2001．(6)． 【2】喻恒鋒 介紹一種新型“醫(yī)用升降翻身車”．解放軍醫(yī)學情 報，2004．(6) 【3】明子成 家庭護理機器人的設計[J]. 機器人技術與應用，2010 國 內 外 研 究 現(xiàn) 狀 及 存 在 的 問 題 通過查閱文獻和專利發(fā)現(xiàn)國內外護理床的解便系統(tǒng)主要有三類：第一類是最簡單的外接夜壺式，它只是簡單的在病人需要解便時在看護人員的幫助下完成，這種簡陋的方式不僅不方便，還容易造成病人解便時的尷尬情緒，也會給給看護人員帶來諸多麻煩；二類是帶孔式護理床，它只是在原有的護理床基礎上多加一個便孔，在床下放置一個收集裝置，這類設計可以較為方便的讓病人進行解便，但是解便過后的清理過程較為簡陋；第三類也是一種外接的裝置，但是它有專門的收集處理裝置，也可以附帶有烘干除臭等功能，但造價較為昂貴，使用起來也較為麻煩 這一切使得醫(yī)用護理床解便系統(tǒng)的研究更加深入，而各國的研究也有了一定的成果。 日本的發(fā)展：EVER?CARE公司研發(fā)出一款全自動排泄處理系統(tǒng)，智能大小便護理器，全自動大小便護理床，臥床病人通過專用包褲包裹后，集便器中的傳感器就可以自動感知尿液或者糞便，并立刻啟動負壓裝置，將小便直接吸凈，大便通過水流水壓粉碎并吸凈，排泄物通過連接軟管輸送并儲存在機箱中的污物箱內。然后清潔水通過集便器壁上的噴水孔自動噴水，沖洗患者隱私部位以及集便器內部，沖洗結束后，通過噴水孔開始送暖風干燥，整個處理過程安全、可靠、易操作。?? 國內的發(fā)展：江蘇怡龍醫(yī)療科技有限公司曾有過一項專利，它是一種能自動收集并處理大小便的護理床，所述護理床包括：床板、控制器、大小便收集容器、大小便處理機構；所述床板設有一缺口，床板還包括與該缺口對應的缺口填補板；所述缺口填補板連接一填補板連接機構，填補板連接機構連接第二驅動機構，第二驅動機構用以驅動缺口填補板在垂直方向上移動、水平方向上移動，留出缺口供病人方便；同時第二驅動機構還用以驅動缺口填補板歸位；所述第二驅動機構與所述控制器連接；所述大小便收集容器設置于柔性床板缺口的下方，大小便處理機構用以在缺口填補板歸位后通過氣化處理大小便。本發(fā)明提出的能自動收集并處理大小便的護理床，可方便地收集病人的大小便，并能自動氣化處理?？傮w來說國內的護理床解便系統(tǒng)還處于起步階段，一些功能還有待開放與實現(xiàn) 參考文獻： 【1】 廖翼 智能護理床的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 【2】 方進博，陳紅．人口老齡化對護理工作的挑戰(zhàn)．中華國際護理志．2004-003(2)：147—149 主 要 研 究 內 容 （1） 完成對多功能電動護理床設計—輔助解便系統(tǒng)的設計 （2） 合理布局，使床身與微型廁所合理結合，在使用者不離開床的情況下就可完成解便的過程。這一過程要求盡量方便可行，切實的見到病人在解便過程中可能會出現(xiàn)的病痛等情況，避免解便時會造成的尷尬情緒。 （3） 實現(xiàn)系統(tǒng)的接便模塊、臀部清洗模塊、烘干模塊、除臭模塊功能。 （4） 在整個設計過程中，都要本這“以人為本”的設計理念，設計出方便實惠，操作簡單的解便系統(tǒng) 研 究 方 法 、 步 驟 和 措 施 等 一、方法與措施： （1） 調研收集分析有關資料，掌握電動護理床的相關知識； （2）分析電動護理床的運作原理，完成護理床輔助解便系統(tǒng)設計，主要內容與要求如下： 輔助解便系統(tǒng)。合理布局，使床身與微型廁所合理結合，在使用者不離開床的情況下就可完成解便的過程。 a. 床身大小、材料、結構的確定，收集裝置的形狀、大小、材料的確定，通過查閱資料來確定。 b. 床身遮蓋收集裝置的蓋板的移動方式，收集裝置的升降驅動的確定，收集裝置內部設計的確定 c. 完成解便后進行臀部清洗的水流量的確定，烘干時溫度的確定，除臭方式的確定 d. 完成解便后的收集過程以及清理的方式的確定 （3）實現(xiàn)系統(tǒng)的接便模塊、臀部清洗模塊、烘干模塊、除臭模塊功能。 （4）完成輔助解便系統(tǒng)機構的材料選擇、各驅動部件選型。 （5）完成機構全套零件圖紙以及三維裝配圖。 二、步驟： 自2017年2 月20日 起至 2017年6月4日，共15周 進度安排： 1) 2.20-3.02，查閱資料、調研，完成開題報告； 2) 3.03-3.10， 掌握相關技術，完成英文翻譯； 3) 3.11-3.12， 開題答辯 4) 3.13-4.20 輔助解便系統(tǒng)機構設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的接便模塊、臀部清洗模塊設計與材料選擇、驅動部件選型； 5) 4.21-5.15輔助解便系統(tǒng)機構設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的烘干模塊、除臭模塊設計與材料選擇、驅動部件選型； 6) 5.16-6.02 撰寫畢業(yè)設計論文，準備答辯 7) 6.03-6.04， 畢業(yè)答辯 指 導 教 師 意 見 指導教師簽字： 年 月 日 1 1 目錄 摘要 -1 1 緒論 -3 1.1 研究背 景及意義 -3 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 -5 2 總體 設計 -8 2.1 設計任務分析 -8 2.2 擬定總體設計方案 -9 3 多功能護理床的詳細設計 -13 3.1 抬背構型設計 -13 3.2 升降機構的設計 -14 3.3 抬腿機構的設計 -15 3.4 電機的選擇 -16 3.5 增加 泵的選擇 -20 3.6 橫軸的設計與校核 -25 3.7 螺桿的設計與校核 -26 3.8 連桿的設計與校核 -28 總結 -31 參考文獻 -33 2 2 摘要 在人口老齡化快速增長的今天，對護理行業(yè)有了越來越嚴格的需求，不僅需求護 理床的質量可靠，還需求具有多功能化。電動護理床就是一款為此需求而設計的醫(yī)療 器械。 多功能護理床是基于常用家庭護理床進一步發(fā)展的結果。社會的發(fā)展導致人們的 生活水平不斷提高，因此在平時的生活中，健康、舒適以及智能化的生活方式成為越 來越多人的追求。多功能護理床相對于常用家用護理床增加了更多的功能，手動調節(jié) 座圈溫度，洗凈、烘干功能，除臭功能，除了這些常用功能，還增加了多功能護理床 紅外傳感器、壓力傳感器啟動護理床開始執(zhí)行各項功能以及夜燈工作模式，除此之外 多功能護理床能有效殺死各種傳染性疾病的病毒、細菌、真菌或寄生蟲，預防細菌感 染、痔瘡、便秘等問題上有很大的優(yōu)勢。其在常用家庭護理床的基礎之上，添加了便 捷、舒適、健康、環(huán)保、智能化的元素。 這款護理床是針對不能生活自理及行動不便的的人來設計的，該病床能夠幫助病 人坐起、屈膝、調高整體的高度。解決了在護理過程中的諸多不便，并解決了國內護 理行業(yè)的困難，提高了護理醫(yī)療器械的發(fā)展。 本文首先基于人體工程學，進行了護理床總體方案的設計，根據(jù)相關標準及調研 結果，制定了護理床的設計原則，功能需求及設計指標；完成了護理床本體的總體方 案設計。 然后，使用自上而下的方式完成了護理床結構詳細設計并給出了全套的設計圖。 主要包括總體框架、抬腿部件、抬背部件、整體升降等功能模塊。本章將著重介紹輔 助解便系統(tǒng)的研究背景及對人們生活水平提高意義，并對輔助解便系統(tǒng)技術的發(fā)展現(xiàn) 狀以及國內外的發(fā)展趨勢做出介紹。最后給出作者所完成的工作，以及對本文各個章 節(jié)的主要內容做出概括性的介紹。 關鍵詞：醫(yī)療器械，電動護理床，機構設計 3 3 1 緒論 1.1 研究背景及意義 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長，思想的 進步，城市人口正逐漸進入老齡體，人口老齡化已成為世界范圍內的社會問題。據(jù)統(tǒng) 計，歐洲發(fā)達國家和日本的老年人獨居人數(shù)已經(jīng)高達 40%，如此之高的比列迫使社會采 取措施解決老年人的護理服務問題。如果完全依靠家庭人工的照料，于西方國家子女 與老年人分居，家庭規(guī)模小型化的觀念有抵觸之處。國內 60 歲及其以上老年人口已達 1.32 億。占全國總人口的 10%，并以年均 3.32%的速度持續(xù)增長，其中“空巢家庭”占 所有老齡家庭總數(shù)的 25.8%，在一些大城市中該比列更大，解決因身體虛弱臥床不起或 因導致生活不能自理的老年人的家庭照料于看護問題是人口的老齡化的國家所面臨的 共同的問題。為此，國家的大力加強了對護理床機器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人 或者長期使用病床的人提供一個集護理和排泄的等各種功能于一體的多功能護理床， 現(xiàn)在家庭需求護理床的潛力日益增加，以前是簡易的護理床，后來的加護欄，餐桌， 再后來加上大便孔，輪子，現(xiàn)在產生了很多集多功能護理床的一體多功能，電動護理 床，極大的提高了患者的康復護理水平，也為了護理人員提供了極大的方便，所以操 作簡單，功能強大的護理產品越來越受最棒。 護理床在國內的設計和研究尚處于初級階段，產品的功能、結構、造型有待進一 步的完善，國外護理床的研究以德國。日本為代表。各種護理床的功能正在逐漸完善， 成熟，但因其價格昂貴(一般價格在 20w 人民幣以上)，很難為一般的消費者能接受這 很貴的護理床。護理床的基本分類情況給大家介紹一下。 護理床類型一(按動了分)手動護理床和電動護理床;護理床的類型二(按功能分)功 能基礎型、功能普通型、功能型。 功能基礎行護理床的優(yōu)點：1、結構、生產工藝簡單，易于制造。2、價格便宜。 存在的問題：功能比較簡單，不能實現(xiàn)使用者的護理需求。2、手動為主，操作繁瑣。 3、造型傳統(tǒng)，舒適性差。4、應用范圍窄。 能普通型護理床的優(yōu)點：1、一般為電動，使用者可簡單操作控制。2、能完成基 4 4 本的護理功能。3、增添了鋪助功能接口。4、整體造型，色彩改進，具有一定的親和 性。存在的問題：1、市場價格偏高。2、功能啟動柔性差，銜接不連貫。3、功能一體 化造成功能浪費.4、生產技術含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識別功能差。 功能型護理床的優(yōu)點:1、護理功能完善。2、功能調整定位準確，連慣性好，基本 無噪音。3、結構設計合理，安全。4、造型新穎，有較強的親和力。5、文字，標志容 易識別。存在的問題：1、市場的價格昂貴。造成功能浪費嚴重，造成額外的經(jīng)濟成本。 2、調整可拆性差，運輸、組裝繁瑣。3、對患者康復功能的考慮較少。 從近年來的發(fā)展來看，國內的發(fā)展迅速，各種結果。功能等等各異的護理床稱層 出不窮。發(fā)展方向主要向機器人模的自動控制的方向發(fā)展。 輔助解便系統(tǒng)的出現(xiàn)給人們的生活帶來了巨大的方便，特別是在經(jīng)濟高度發(fā)達， 生活節(jié)奏日益加快的今天。 “輔助解便系統(tǒng)在國外非常普及，在國內雖未形成主流，但 佛山企業(yè)在這方面走得還算比較早，產品已經(jīng)呈現(xiàn)一定的規(guī)模。 ”中國陶瓷工業(yè)協(xié)會佛 山辦事處主任藍衛(wèi)兵表示。據(jù)了解，佛山如今主要生產和銷售輔助解便系統(tǒng)的有益高、 法恩莎、箭牌、英皇、浪鯨、鷹衛(wèi)浴、恒潔、安華、金牌、澳斯曼、瑝瑪、東鵬、冠 珠、新泰和、尚高、衛(wèi)歐等 20 家左右的衛(wèi)浴企業(yè)。記者從以上品牌企業(yè)的營銷中心以 及官方網(wǎng)站了解到，輔助解便系統(tǒng)占所有產品的比例是比較低的，大部分企業(yè)只是推 出一個系列，或者是幾個型號的產品。而我們在專賣店上也可以留意到，輔助解便系 統(tǒng)也許擺放在最顯眼的位置，但款式不多。 “法恩莎從 2001 年開始生產和銷售輔助解 便系統(tǒng)產品，如今銷售情況還算比較滿意，但輔助解便系統(tǒng)的銷售額占所有產品銷量 的 3%左右。 ”法恩莎產品部經(jīng)理袁水波表示。而新明珠陶瓷市場部有關負責人告訴記者， 新明珠旗下的冠珠衛(wèi)浴在 2008 年便推出了輔助解便系統(tǒng)，之后銷售量每年都有相應的 增長，但銷售量相對其他產品來說仍然較小。據(jù)了解，如今佛山輔助解便系統(tǒng)中的輔 助芯片主要來自于韓國、日本、德國等國家，也有些是來自國內臺州、上海等地區(qū)。 “韓國、日本、德國、美國等國家的輔助解便系統(tǒng)普及率是非常高的，而他們輔助解 便系統(tǒng)的研發(fā)和生產系統(tǒng)比較完善，國內很多企業(yè)的輔助芯片和控制技術是直接運用 國外的。 ”據(jù)業(yè)內資深人士透露。此外，很多佛山企業(yè)的輔助解便系統(tǒng)是在潮州或臺州 的某些企業(yè)貼牌生產的，當然也有部分企業(yè)是自主生產?？偟膩碚f，佛山企業(yè)輔助解 5 5 便系統(tǒng)雖然有一定的生產規(guī)模，但銷售情況卻沒有預期中理想。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 國內是世界上的人口大國，同時又是一個人口老齡化的大國，據(jù)統(tǒng)計，從 2000 年 到 2007 年，國內 60 歲以上的老年人口由 1.26 億增長到 1.53 億人，占總人口的比例 從 10.2%提高到 11.6%，占全球老年人口的 21.4%，相當于歐洲 60 歲以上老年人口的總 和。人口老齡化年均增長率高達 3.2%，約為總人口增長速度的 5 倍。預計 2020 年老年 人口將達到 2.4 億人，占總人口的 17.17%；到 2050 年，老年人口總量將超過 4 億，老 齡化水平推進到 30%以上。國內大多數(shù)家庭逐漸形成寶塔式結構。 （四個老年人，兩個 青年人，一個孩子）隨著社會生活的加快年輕人既要忙于事業(yè)又要照顧家庭，老人和 孩子，顯然力不從心，當老人生活不能自理時就十分需要一種電動護理床協(xié)助自己日 常生活的必須?，F(xiàn)在家庭需求護理床的潛力日益增加,以前是簡易的記理床,后來加上 護欄,餐桌;再后來加上大便孔,輪子;現(xiàn)在產生了很多集多功能為一體的多功能電動護 理床,比如能夠升降，能夠坐起，能夠曲腿等功能。極大的提高了患者的康復護理水平,也 為護理人員提供了極大的方便,所以操作簡單,功能強大的護理產品越來越受到追捧。 電動護理床根據(jù)使用進口電機的數(shù)量一般可分五功能電動護理床、四功能電動護 理床、三功能電動護理床、二功能電動護理床。護理床在國內的設計和研究尚處于初 級階段，產品的功能、結構、造型有待進一步的完善，國外護理床的研究以德國和日 本較為突出。 如今市面上常見的電動護理床有如下優(yōu)點： 1、電動，方便使用者操作和控制。 2、能完成基本的護理功能。 3、整體造型，色彩改進，具有一定的親和性。 4、功能調整定位準確，連慣性好，基本無噪音。 5、文字，標志容易識別。 但也存在如下問題： 1、市場價格偏高。 2、功能啟動柔性差，銜接不連貫。 6 6 3、功能一體化造成功能浪費。 4、生產技術含量低，容易被仿制。 5、文字，圖像識別功能差。 6、對患者康復功能的考慮較少。 輔助解便系統(tǒng)可以說是衛(wèi)浴職業(yè)對比熱的論題。水洗代替了清潔紙，引發(fā)了一場 衛(wèi)浴革新，科技、便利、清潔，這是往后衛(wèi)浴開展的趨勢。而對廣闊的消費者來說通 常的新商品都有一個從認知到承受再到追捧的進程。2011 年衛(wèi)浴職業(yè)的電子商務風十 分強烈。51 陳述在線研討員在衛(wèi)浴產區(qū)查詢時發(fā)現(xiàn)，職業(yè)上約有 90%的衛(wèi)浴公司已不 一樣程度地試水電子商務，而剩余 5%左右的公司都在為施行電子商務而預備著。2011 年中國修建清潔陶瓷工業(yè)總產值 3861 億美元。但市場占有率超越 10%的巨型陶瓷衛(wèi)浴 公司身在何處，仍是一個極大的懸念。那些注意品牌建造，注意商品自創(chuàng)與特征化的 公司，注意進步出產技能、技能配備、辦理技能的公司，注意結構調整、減少成本的 陶瓷衛(wèi)浴公司，或許會變成職業(yè)的領軍者，更會變成出口轉型的領頭羊。輔助解便系 統(tǒng)外型時尚、環(huán)保健康，遭到消費者的熱心追捧。2011 年因為職業(yè)競賽加重，輔助解 便系統(tǒng)價格比前幾年下降了許多。在市場上，輔助解便系統(tǒng)歸于新商品，相對于傳統(tǒng) 的陶瓷潔具來說，輔助解便系統(tǒng)是歸于一項與民眾休戚相關的環(huán)保技能領域的創(chuàng)造， 是一項完全打破傳統(tǒng)沖水式坐便器及簡便式便槽不清潔、不環(huán)保的舊形式環(huán)保型 技能。特別是在國內市場的認可度和占有率都還有十分大的進步空間。中國輔助解便 系統(tǒng)工業(yè)最為會集的主要是浙江區(qū)域，已具有必定的工業(yè)集群優(yōu)勢。 輔助解便系統(tǒng)歸于更新?lián)Q代的革新性商品，迎合了將來人性化的衛(wèi)浴開展趨勢， 輔助解便系統(tǒng)是以微電腦數(shù)字處理系統(tǒng)、納米資料、激光或熱合等老練的高科技含 量為技能手段，到達和完成傳統(tǒng)的沖水式坐使器、簡便式便槽底子無法處理的污染 與環(huán)保相對立的疑問。然后不只從技能上和方式上甚至村料上都是新打破與變革。 2012-2016 年時間，跟著衛(wèi)浴節(jié)能減排國家標準深化履行，中國輔助解便系統(tǒng)商品 將遭到越來越多消費者認可，尤其是 80 后一代，他們尋求質量日子，進一步影響輔助 解便系統(tǒng)市場需求。陳述在線研討猜測，2012-2016 年輔助解便系統(tǒng)市場規(guī)模將到達 1500 億元，而因為出產成本上升，出口受阻，將進一步緊縮解便系統(tǒng)出產廠家贏利空 7 7 間，其價格會堅持平穩(wěn)態(tài)勢。因而，輔助解便系統(tǒng)公司在 2012-2016 年時間，應活躍 進步公司職業(yè)諾言，逐漸進步公司經(jīng)營功率，開辟推廣途徑新形式，立異驅動效勞形 式開展。 1.3 本文研究內容 鑒于人口老齡化的發(fā)展、醫(yī)療和護理費用的不斷增加以及國內外市場需求的不斷 擴大，本文提出了一種新型的多功能護理床及輔助解便系統(tǒng)，提出幾種新型的護理床 側翻機構、抬背機構、曲腿機構以及解便系統(tǒng)，以單片機為主控制芯片，控制多臺直 流電機驅動整臺護理床工作。實現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達到滿足護理要求的多功 能護理床及輔助解便系統(tǒng)。主要研究內容如下： 1) 設計各種護理床的運動機構，并用圖解法的方法得到初始設計尺寸。 2) 利用三維設計軟件，根據(jù)初始設計數(shù)據(jù)對其建模，進行結構設計，并對其進行 干涉檢查，然后導出CAD圖。 3) 根據(jù)初始設計數(shù)據(jù)在SOLIDWORKS中建模，利用優(yōu)化功能對其結構進行分析和 仿真。 4) 根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)修改三維模型，并同時檢查模型中是否存在干涉，得到滿足設計 要求的護理床。 5) 對多功能護理床及輔助解便系統(tǒng)的主要零件進行受力校核，檢驗整臺多功能護 理床及輔助解便系統(tǒng)使用的安全性及穩(wěn)定性。 8 8 2 總體設計 2.1 設計任務分析 電動護理床的設計應該滿足以下幾個原則： 1、安全性原則 由于護理床對老年人和病人的身體進行直接的接觸與操作，而且相對于健康人來 說，這類人群的身體更容易收到損傷，所以護理床在安全性方面的需求很高。無論是 護理床的結構還是控制系統(tǒng)的設計，安全性始終是最優(yōu)先考慮的一個原則。比如，在 結構設計方面，不應存在任何干涉情況，結構的剛度和強度方面都要留有充足的余量， 要考慮到各種極限情況。 2、人性化、舒適性原則 現(xiàn)今社會，人們不僅追求商品的高質量，高穩(wěn)定性，而且對商品的人性化、舒適 性設計有了更高的需求，因此電動護理床應該根據(jù)人體生理學原理，更多地從人的生 理結構、心理情況、行為習慣等方面加以考慮。比如各部分結構要與人體的尺寸匹配； 設計中力求加速度最小化等等。 3、功能多樣化原則 在電動護理床的使用過程中，不同使用者往往對護理床有著各種各樣不同功能的 需求，比如能夠坐起，整體能夠升降，能夠曲腿等功能需求。 4、標準化原則 護理床機械零件的設計與選擇、控制系統(tǒng)的設計、零部件之間的相對位置關系和 尺寸匹配，都有相關的行業(yè)標準。參照標準設計，不僅能在最大程度上滿足使用需求， 而且有利于增強互換性，減少成本。 5、輕量化原則 由于電動護理床是在家里使用，搬移的概率非常大，在設計時一定要考慮到床重 量，方便搬移，在確保護理床使用安全的同時要從輕設計，這樣可以節(jié)省材料。尤其 是在資源短缺的今天，這點尤為重要，而且還以減少成本。 根據(jù)本次畢業(yè)設計的要求，本次對多功能電動護理床輔助解便系統(tǒng)的設計需要完 9 9 成以下幾個功能： 1、需要節(jié)水，環(huán)保。 2、需要具有除臭和墊圈加熱功能。 3、需要具有自動沖洗屁股及烘干屁股的功能。 分析本次課題任務要求，初步擬定多功能電動護理床輔助解便系統(tǒng)的操作面板應 具有 6 個按鍵：即啟動、停止、除臭、墊圈加熱、臀部沖洗、臀部烘干，各按鍵的具 體功能分析如下： 1、按下臀部沖洗按鍵，臀部沖洗噴嘴將噴射一分鐘后自動停止噴射。再按一次臀 部沖洗按鍵，將再次重復此功能。 2、按下操作面板上墊圈加熱按鍵可調節(jié)座圈溫度。座圈溫度可設定為適宜的溫度， 加熱管運行加熱到設定溫度值如 40 攝氏度時自動停止。 3、按下操作面板上臂部烘干按鍵，內置吹風機啟動，將暖風送出，并持續(xù)烘干約 1 分鐘后自動停止。暖風溫度通過 PLC 程序預先設定為約 65 攝氏度。 4、當人體入座 3 秒后，傳感器將檢測信號送入 PLC，PLC 立即啟動除臭功能，開 始除臭工作人體離座后 30 秒除臭停止。 5、當按下停止按鍵即停止多功能電動護理床輔助解便系統(tǒng)的所有功能。 同時，根據(jù)課題要求，多功能電動護理床輔助解便系統(tǒng)還應具有智能節(jié)電功能， 并能有一定記憶能力，可根據(jù)使用者的日常生活習慣，自動預先對水溫和便座加熱， 且用后自動停止加熱，達到節(jié)能效果。在沒有感應到人坐上之前，沖洗開關都不會啟 動，不必擔心錯按開關造成的尷尬，非常人性化。此外，對于直接接觸肌膚的便座部 分采用抗菌材料。 2.2 擬定總體設計方案 根據(jù)床的整體布置，電動護理床可以分為總體框架、抬腿部件、抬背部件、整體 升降，部件輔助座便系統(tǒng)五大功能模塊。在總體布局時，有以下幾方面需求： 1、綜合考慮兩種狀態(tài)下的尺寸、穩(wěn)定性和強度需求； 2、布局要使各個模塊的機構運動相對簡單，并解決好干涉問題； 3、分配好每個部件的尺寸，最大限度地利用床下有限的空間； 4、要盡可能地把傳動部件隱藏給人以安全感，避免心理恐慌。 從以上設計角度出發(fā)，根據(jù)前文確定的設計原則，確定護理床使用床面大尺寸， 10 10 支撐框架略小的結構，有利于空間的節(jié)約；移動方式為前面布置兩個萬向輪，從而使 得轉彎半徑較?。桓鱾€功能模塊機構初步選用連桿結構，以方便實現(xiàn)各床面板的運動 規(guī)律，其驅動元件均布置于支撐框架下層，以確保機構傳動角和框架強度需求；各零 部件近似對稱布置于床面之下，使機器和人的重心始終處于機構中間位置，以增強整 體穩(wěn)定性和使用者的心理安全感。 電動護理床床面設計的特點在于要實現(xiàn)的運動較多，而且每塊床板都必須能夠沿 相互垂直的方向轉動，這就給床板之間的連接提出了很高的需求，結合所需實現(xiàn)的功 能，本文提出使用分體式雙層床面結構（如圖 3.3 所示)。 圖 3.3 床面結構示意圖 其中，床板 14 為下層板，58 為上層板：1、5 為背板 2、6 為臀部板，3、7 為 大腿板，4、8 為小腿板。各床板之間通過鉸鏈相互連接，整體床面則通過臀部下層板 固定到支撐框架之上。護理床所需的各個動作都能夠通過傳動部件帶動相應的床板組 聯(lián)動實現(xiàn)（參見表 2.2） 。 表 2.2 各床板 X 向尺寸 尺寸項 具體數(shù)值 背板 760mm 臀部板 230mm 大腿板 400mm 小腿板 610mm 11 11 各床板的尺寸基于 GB10000-88 常用人體測量數(shù)據(jù)確定9。參考市場上的護理床 尺寸，根據(jù)專家給出的數(shù)據(jù)進行選擇后，最終尺寸見表 2.3。 表 2.3 電動護理床實現(xiàn)功能所需的床板聯(lián)動 功能項 相關參數(shù) 備注 各床板均水平 背板與水平面夾 角為 070 o 5、6 床板組合聯(lián)動， 繞 Y1 軸翻轉 大腿板與水平面 夾角 035 o 小 腿板與水平面夾 角為-20 o0 7、6、床板組合聯(lián) 動，繞 Y2 軸翻轉； 8、7 床板組合聯(lián)動， 繞 Y3 軸翻轉 注:上述表述中“水平以護理床處于水平地面上為參考狀態(tài)。 輔助解便系統(tǒng)的設計包括人體紅外線信號采集電路，這種人體紅外線感應電路由 SM9576 搭接成，SM9576 是一個紅外線傳感控制器,內部包含紅外線發(fā)射驅動和紅外線 接收、檢測電路,當發(fā)射出去的紅外線信號被物體反射回來,由接收管接收、放大、檢 測,再由輸出電路去控制執(zhí)行機構。它可以廣泛應用于賓館和現(xiàn)代居室洗手間里的水龍 頭閥門、皂液供給機、手干燥器、香水噴霧器等方面的自動化裝置上,還可開發(fā)應用在 博物館防近語音報警、防盜報警及紅外檢測器中。具有非常廣泛的應用。 座圈壓力傳感器由 P3000-401G 壓力傳感器組成與數(shù)模轉換芯片 5G14433 以及譯碼 芯片 5G4511，5G1413，數(shù)碼顯示管共同組成了人體秤部分，這就是說，輔助解便系統(tǒng) 不僅可以實現(xiàn)馬桶的作用還可以用來稱體重，同時壓力傳感器的內部信號也可以被提 取，供外圍電路使用。也可以作為沖水的信號使用。 直流電機，主要用來調節(jié)洗凈噴頭的位置，當需要洗凈的時候，直流電機正轉， 平躺 抬背 曲/伸腿 12 12 使噴頭瞄準在固定的位置，然后輸入信號將電磁閥打開，水從噴頭噴出，當一段時間 后，電磁閥關閉，噴頭不再噴出水，然后輸入信號使噴頭回歸原位，使用直流電機的 原因是直流電機通常轉速較快，只給一個短時間的電平就可達到目標位置，而步進電 機雖然精確，但是邏輯變成卻很復雜。 烘干電路主要由 300w 電熱絲和直流電機組成，當洗凈完畢，電熱絲迅速加熱電機 轉動，將熱風吹出，達到烘干的目的這一過程可通過 FPGA 編程控制吹風機工作的時間。 但是需要電磁繼電器的配合。烘干電路有兩種模式。冷風烘干和熱風烘干。 水箱加熱電路是由 FPGA 控制的可編程加熱電路作用是將水箱里的水加熱，用作洗 凈功能。 臭氧和負離子發(fā)生的量、作用時間可根據(jù)需要進行控制。有遙控和定時功能。可 廣泛用于醫(yī)療衛(wèi)生、公共娛樂、家庭、辦公室等場所的空氣殺菌消毒和凈化。同時， 它能夠克服常用的過氧乙酸、過氧化氫、次氯酸納等消毒劑對環(huán)境、物體、人體等具 有一定的污染、腐蝕和損害等負面作用，且存在著殺毒時間短、消毒時人必須離去、 留有消毒劑殘留物等弊端。特別是克服了其中含氯消毒劑還存在產生三氯甲烷、四氯 化碳等“三致” （致畸變、致突變和致癌）的潛在危害，是一種現(xiàn)代、科學、理想的消 毒方式。 臭氧發(fā)生器的電路由三極管 VT1、VT2 與電感線圈 L1 一 13、脈沖變壓器 T、限流 電阻器 R1、充電電容器 C3,雙向觸發(fā)二極管叨 5 等組成推挽振蕩電路；濾波電感線圈 L0,整流二極管 VD1 與濾波電容器 C1、C2 等組成半波整流濾波電路。接通電源，交流 220V 電壓經(jīng) LO 濾波，VD1 整流后，在 C1 兩端產生十 280V 左右的電壓，供給推挽振蕩 電路。在開機瞬間，VT1 導通。由于 C3 的充電作用，雙向觸發(fā)二極管 VD5 截止。當 C3 兩端的充電電壓升至 32V 時，VD5 被觸發(fā)而導通，使 VT2 導通。在 VT2 導通期間，C3 逐漸放電，又使 VT2 截止。VTl 導通后，在脈沖變壓器 T 的作用下，L1、L2 上產生正 反饋電壓，此電壓分別加至 VTl 和 VT2 的基極，使 VTl 和 VT2 交替導通與截止（即 VTl 導通時，VT2 截止；VT2 導通時，VTl 截止） ，推挽振蕩電路振蕩工作。推挽振蕩電路工 作后，在脈沖變壓器 T 的二次側繞組 L6 上產生脈沖高壓，使臭氧發(fā)生片 VG 工作，產 生臭氧。 13 13 座圈加熱電路是由電熱絲和 220V 交流電源構成，有三個檔位，按遙控器上“座溫 調節(jié)”按鍵可調節(jié)座圈溫度。座圈溫度可設置為座圈不加熱、約 34 攝氏度、約 38 攝 氏度、約 42 攝氏度。當座溫指示信號條為一格時對應座圈溫度為不加熱，當座溫指示 信號條為兩格時對應座圈溫度約為 34 攝氏度，當座溫指示信號條為三格時對應座圈溫 度約為 38 攝氏度，當座溫指示信號條為四格時對應座圈溫度約為 42 攝氏度。 電磁閥驅動電路的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每 個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體 就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是 常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞 又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運 動。 14 14 3 多功能護理床的詳細設計 3.1 抬背構型設計 抬背機構運動的實現(xiàn)較為簡單，有以下幾種構型可供選擇。 （如圖 3.4 所示） 圖 3.4 抬背機構的 3 種備選構型 構型 a：該機構是螺旋連桿組合機構，其有四個活動件，五個轉動副，一個高副， 故其自由度為 F=4*3-2*5-1=1，該機構有 1 個原動件，具有確定運動，該機構的優(yōu)點是 抬背角度大，而滾輪與背板之間為高副聯(lián)接，所以穩(wěn)定性不高，該構型為螺旋傳動， 缺點是結構較為復雜，不易裝配而且承受的軸向推力大，效率低，摩擦嚴重。 構型 b：該抬背機構為螺旋一連桿組合機構，其有三個活動件，四個轉動副，故其 自由度為 F=3*3-2*4=1，具有 1 個原動件，有確定的運動，該機構的驅動方式可使用電 動推桿作為驅動部件，該機構構型簡單，制造容易，而且初始狀態(tài)的傳動角遠遠大于 40 度，力的有效利用程度很高，如果沒有其他限制條件，應該首選該構型。但是在護 理床的結構中，支撐框架的 Z 向尺寸較小，而背板又要翻轉 70 度。 ，這也就引起一個 矛盾：既需求電動推桿的行程要很大，又需求其初始狀態(tài)尺寸較小，顯然這樣的需求 是達不到的，因而放棄該構型。 構型 c：該機構為螺旋一連桿組合機構，實際上可以等效為一四桿機構，等效后的 機構具有 3 個活動構件，3 個轉動副，1 個移動副，因此自由度 F=3*3-2*4=1，該機構 15 15 需要 1 個原動件來確定運動。使用電機作為動力源，可以獲得很大的翻轉角度,但是該 機構成本較高。 綜上所述，構型 C 為三種之中的最優(yōu)構型，故抬被機構最終使用該構型。曲腿機 構的設計與抬背機構的相同。 在第二章的設計指標中已經(jīng)給出了基本參數(shù)，由于本章著眼于計算，方便我們可 以直觀地獲得數(shù)據(jù)，我們再一次給出護理床的基本參數(shù)值。 床的基本尺寸為長寬=2000mm1000mm,高=300520mm 抬背角度為 070o 大腿翻轉角度為 035o 3.2 升降機構的設計 整體機構的設計有以下兩種方案選擇 第一種方案是使用聯(lián)動的兩個平面四桿機構，簡圖如下： 第二種方案使用四個相同的電動推桿分別支撐床的四邊，簡圖如下： 16 16 第一種方案該機構為四桿機構，有 3 個活動件，四個轉動副，自由度為 F=3*3- 2*4=1，有一個原動件即可做穩(wěn)定的運動，其結構緊湊，運動精準，并且穩(wěn)定，價格低 廉。 第二種方案該機構結構簡單，但是其不穩(wěn)定，使用的是電動推桿作為動力源，故 其成本高。 綜上所述，選擇第一方案比較適合。 3.3 抬腿機構的設計 抬腿機構的構型相對來講和抬背機構是相同的，抬背機構和抬腿機構總體的簡圖 如圖 3.6，圖 3.7 所示。 床板平置時，人躺在床上和普通病床一樣，當需要坐起時由圖中左邊的電機驅動 螺桿 7 轉動，使得螺帽 6 向右運動，再由連桿 5 驅動床板 1 旋轉，從而使人坐起。需 要曲膝時，同樣右邊的電機工作，通過螺桿 10 轉動，使螺帽 9 向左運動，再由連桿 8 驅動床板 3 旋轉。坐起和曲膝動作如圖“坐起狀態(tài)” 。 17 17 圖 3.6 運動之前機構簡圖 圖 3.7 運動之后機構簡圖 3.4 電機的選擇 3.2.1 整體升降電機的選擇 1）功率： 時間 t=35s，上升高度 h=220mm，極限夾角 ，轉臂角速度為90srads049.3521 轉臂速度： smsh09.2.11 18 18 負載 ,轉臂所傳遞的功率為 （忽略轉NT301 WTP309.3011 臂自重） 電機的許用功率： P 許 忽略軸的轉動慣量及連桿自重）1 WP789.04.3221 軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電機實際功率： WP9.78實 由以上結果知，選定額定功率為 100W 的單向電容式減速電機。其相關參數(shù)如下 2)電機轉速 19 19 由圖 3.2 可知螺桿導程 1 最短約為 220mm。那么由屈膝的抬腿時間 ，螺桿導st35 程間距 ，可以得出電機的最低轉速約：md2in896035rn 3.2.2 坐起電機 1）功率 取 t=30s，極限角度 =70 o，轉臂角速度：srads047.38702 轉臂速度： sml 10.2.2 負載 ，則轉臂傳遞的功率：NT10 （忽略轉臂自重）wP4.2 電機的許用功率： P 許 2= （忽略軸的轉動慣量及連桿自重）WP309.804.122軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電機實際功率： P 許 21.2=36W2 由以上結果知，選用額定功率為 40W 的單相電容式減速電機。相關參數(shù)如下 20 20 2）轉速 由圖 3.1 可知坐起螺桿行程最短約為 365m。那么由上身坐起的時間 t=30s，螺桿 螺紋間距 d=2mm，可以得出電機的最低轉速： n=36523060r/min=365r/min 圖 3.1 坐起螺桿的導程示意圖 3.2.3 曲腿電機的選擇 1）功率： ，極限角度 ，轉臂角速度：st35o35srad0174.8 轉臂速度： sml 35.2.3 負載 T3=1000N，則轉臂所傳遞的功率： （忽略轉臂自重）WTP5.33 21 21 P 許 3= (忽略軸的轉動慣量及連桿量）WP1.9.084.53223 軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電機實際功率：P 3=P 許 31.2=10.9W 由以上結果知，選定額定功率為 25W 的單相電容式減速電機。相關參數(shù)如下 2）轉速： 由圖 3.2 可知屈膝螺桿行程最短約為 121mm。那么由屈膝的抬腿時間 ，螺桿st35 導程間距 ，可以得出電機的最低轉速約：mdin10463521rn 圖 3.2 屈膝時螺桿的行程示意圖 3.5 增加泵的選擇 輔助解便系統(tǒng)中選擇水泵的時候滿足下列原則： 22 22 在輔助解便系統(tǒng)中，在滿足揚程和流量需求的條件下，應選擇功率較小的泵； 在強迫循環(huán)系統(tǒng)中，水溫50時宜選用熱水泵； 泵與傳熱工質應有很好的相容性； 水泵選擇時，還要注意管徑及電源選擇（220V 或 380V） 。 水泵的流量、揚程應根據(jù)給水系統(tǒng)所需的流量、壓力確定。由流量、揚程查水泵 性能表（工作曲線）即可確定其型號。根據(jù)水泵在系統(tǒng)中的作用，可分為集熱循環(huán)泵， 水箱間循環(huán)泵、補水泵、給水泵（或增壓泵） ，管道循環(huán)泵。因此水泵在系統(tǒng)中的作用 主要有補水、循環(huán)、增壓。 水泵工作曲線 一、集熱循環(huán)水泵： 1、水泵流量的確定 單位集熱面積流量（小時流量）集熱面積；西藏、青海地區(qū) 7080l/;其它地 區(qū)一般為 50l/。內蒙、輻照較好地區(qū)可選 60l/。 2、水泵揚程的確定 HbH1+H2+H3 H1-水箱最低點到集熱器最高點的高差。 （若為負值，則為 0） H2-管道沿程損失，一般區(qū)域若不超過 6 臺，可計為經(jīng)過一臺集熱器循環(huán)一周的管 道+集熱器管線總長度的 3%。 23 23 H3流出水頭，一般為 23 米 輔助解便系統(tǒng)流量確定之后針對具體的管路可以計算出該支路的沿程阻力損失和 局部阻力損失，即管路壓降。在聯(lián)集管系統(tǒng)中，若串聯(lián)臺數(shù)是 6 臺單層集熱器（輻照 量一般的地區(qū)，流量為 50l/） ，管道管徑根據(jù)標準配置，則熱水系統(tǒng)的管道流阻可選 擇 0.03 米水柱/米管。 若串聯(lián)臺數(shù)變化，可根據(jù)下式進行測算： 管網(wǎng)的沿程水頭損失 式中： -系統(tǒng)沿程損失合計，mfh 、 、 -各計算管段單位長度沿程水頭損失，1i2ni /kpam 、 、 -各計算管段的管道長度，ll 單位長度水頭損失 1.854.871.85105jgiCdq 式中： -各計算管段單位長度沿程水頭損失，i /kpam -海澄-維廉系數(shù)C 各種塑料管、內襯（涂）塑管 =140， 銅管、不銹鋼管 =130， 襯水泥、樹脂的鑄鐵管 =130，C 普通鋼管、鑄鐵管 =100， -設計秒流量，gq3/ms -管道計算內徑，jd 局部水頭損失 210.5mHVg 式中： -局部水頭損失， -局部阻力系數(shù)， 123f nililil 24 24 -管道中流速， （輔助解便系統(tǒng)中一般選擇為 1 米/秒）v/ms -重力加速度，g2 由于在輔助解便系統(tǒng)中，彎頭、三通、球閥等配件數(shù)量甚多，對局部水頭損失不 逐個計算，而是根據(jù)系統(tǒng)沿程損失的 30%近似計算。30%mfHh 水箱和集熱器的位置一般有三種情況： 集熱器和水箱放在同一平面上， ； 水箱比集熱器高，水泵提供的揚程能克服管道流阻即可，不需要太大的揚程， 以免集熱器受壓太大漏水，聯(lián)集管集熱器所承受的壓力最大不得超過 10 米水柱，即水 箱最高水位與集熱器最低點高差和水泵的揚程之和不得大于 10 米；此時兩者間的取值 為負。 （水箱最高水位低于集熱器陣列末端上循 1.05(.3)fHhH 環(huán)出口高度） 式中： -水泵的揚程， m -系統(tǒng)沿程損失合計，fh -水箱最高水位與集熱器陣列末端上循環(huán)出口落差，H m 集熱器比水箱高，此時取值為正； 二、水箱間循環(huán)水泵： 水箱間循環(huán)泵的流量、揚程均不宜過大，防止溢水；若兩水箱不在同一平面上， 揚程可根據(jù)兩水箱位置調整；水泵選擇為耐熱水泵。兩個水箱在同一平面上時，一般 不能使用比 PH-123E 的水泵。 三、室內管道循環(huán)水泵： 1、循環(huán)流量的確定 （1）24h 循環(huán)流量： 式中：qs-循環(huán)流量，L/h； rSstQq163. 25 25 QS-配水管道系統(tǒng)的熱損失，W，可按設計小時的耗熱量的 3%5%使用； -配水管道的熱水溫度差，；一般可使用 510； r-熱水密度，Kg/L。 （2）定時系統(tǒng)，按管網(wǎng)中的熱水容量每小時循環(huán) 24 次計算。 （3）循環(huán)水泵的流量，可使用設計小時流量的 25%估算。 2、揚程：主要為管道沿程損失；每米管道可計算 3左右?；蚋鶕?jù)集熱管道沿程 損失的計算方式進行計算。 四、供水增壓泵 輔助解便系統(tǒng)中用到的增壓泵按控制方式分為：定時控制、水流開關式、壓力開 關式（氣壓給水）和變頻控制等 4 種控制方式。 定時控制的增壓水泵 適用于短時間定時集中供水；水箱與用水點的相對高度位置不受限制。使用滿足 增壓需求的熱水泵，使用時控開關或手動定時啟動、關閉，以達到增壓的需求。 水流開關增壓水泵 水箱必須高于用水點，水流開關控制。一般水箱的水位要高于水流開關 1 米以上。 壓力開關控制增壓水泵（氣壓給水） 使用壓力開關和壓力罐，水泵最好為 220V，水泵揚程至少 10 米以上；壓力罐的容 積一般為小時用水量的 510。壓力罐應為隔膜式壓力罐。 氣壓給水的水箱與用水點的相對高度位置不受限制；但在水泵啟停時會由于壓力 的波動而出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn)象，特別是壓力罐選擇容積偏小時，易出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn) 象。 氣壓給水設備氣壓水罐的總容積和氣壓水罐水的調節(jié)容積，應按下列公式計算： V2Vx/(1-b) VxCqb/4nmax 式中 V2-氣壓水管的總容積（m3） ； Vx-罐內水的調節(jié)容積； b-氣壓水罐最小工作壓力與最大工作壓力比（以絕對壓力計） ，宜使用 0.650.85；在有特殊需求時，也可在 0.50.90 范圍內選用； 26 26 -容積附加系數(shù)，補氣式臥式水罐宜使用 1.25；補氣式立式水罐宜使用 1.10；隔膜式氣壓水罐宜使用 1.05； qb-水泵出水量（m3/h） ，當罐內為平均壓力時，水泵出水量不應小于管網(wǎng)最大 小時流量的 1.2 倍； nmax-水泵一小時內最多啟動次數(shù)，宜使用 68 次； C-安全系數(shù)，宜使用 1.01.5。 壓力罐的容積一般可為小時供水量的 105，即若小時供水量 10 噸，壓力罐 的容積應為 5001000 升。 （2）設計小時用水量 A、全日制供應熱水的可按下式計算： TmqKQrh Qh-最大小時熱水用水量（L/h） ； qr-熱水用水量定額（L/h） ； m-用水計算單位數(shù)（人或床） ； T-熱水供應時間（h） ； Kh-小時變化系數(shù)，全日制供應熱水時（L/h） ； 3.6 橫軸的設計與校核 1、求軸上的功率 P2、P3 轉速 n1、n2 及轉矩 T2、T3。 P2P2 電機 螺桿 軸承 （忽略連桿重量） W239.0472 P3P3 電機 螺桿 軸承 1.5min389.026rni1.3 mNnPT56389.025.922 71.33 將軸設計為實心光軸。 27 27 初步確定軸的直徑 mnPAd389.02733202 因計算比較保守，先選用直徑為 25mm 的 40Cr 待后面校核。nd3816.07330 同以上選擇一樣。 軸的結構設計 根據(jù)軸向和周向定位需求將軸與轉臂套筒用螺栓固定，同時考慮到傳動角的范圍 將連桿在軸上的固定孔偏離轉臂套筒固定孔 40o。 初步選定滾動軸承 因軸承所受軸向力可忽略，認為只受徑向力，選用深溝球軸承即可。 軸的強度校核 因這軸所受彎矩很小，可忽略，認為只受扭轉作用，故只考慮扭轉強度校核。 軸的計算應力 MpaMpaWT1825.063324.733 其中 是抗扭截面系數(shù)， =3 3 316d 由以上計算確定軸的材料為 40Cr，經(jīng)調質處理。 查機械設計手冊得 。因此 。故，軸安全Mpa2751132ca 3.7 螺桿的設計與校核 螺桿的確定 自鎖性；由于在升降過程中需求能在任意一個角度停止，故對其自鎖性能有很高 的需求，于是選用小導程角的單頭螺紋，螺紋形式為梯形螺紋，在本機構中對自鎖性 有很大需求，故對其進行校核： 其中 ,梯形螺紋 92.1)tan(dpcr9.5costanfr1.0f 28 28 ，螺距 p=2mm，d2 為螺紋中徑，查找相關資料取 d2=19mm。由于 ， 152 故其自鎖性很好。 （2）螺桿的轉矩；因三根螺桿中使病人坐起的機構中螺桿受力最大，故先設計該 機構中的螺桿。負載 T2=1000N，螺桿軸向力最大為 1000N。 其中螺桿所受轉矩： 。mNdFT 34.1029)6tan(102)tan( 由此得出螺紋最小轉矩為 1.2Nm 時即可將 1000N 負載支起。而電機提供給螺桿 的轉矩為 ，故符合需求。 mN34.57.36.9 螺紋長度的確定 由前面電機選擇過程中求電機轉速時算出的數(shù)據(jù)： 整體升降螺桿行程為 220mm，螺桿螺紋長度選 250mm，據(jù)床的整體機構確定螺桿總 長度 360mm，梯形螺紋，螺距為 2，公稱直徑為 20mm，材料選用 40Cr 鋼。 坐起螺桿行程為 365mm，螺桿螺紋長度選 400mm，據(jù)床的整體機構確定螺桿總長度 520mm，梯形螺紋，螺距為 2，公稱直徑為 20mm，材料選用 40Cr 鋼。 屈膝螺桿行程為 121mm，螺桿螺紋長度選 150mm，據(jù)床的整體機構確定螺桿總長度 270mm，梯形螺紋，螺距為 2，公稱直徑為 20mm 材料選用 40Cr 鋼。 螺桿強度校核：在升降過程中，螺桿受軸向壓力 F 和轉矩 T 的作用，應根據(jù)第四 強度理論對其強度進行校核，強度校核公式參閱教材： 2312164dTFca 式中 為螺桿材料的許用應力（MPa） ， 。53s 電機提供給螺桿的轉矩： 。 mNT57.1360.9, 其中 F 為軸向壓力： 。 dtgv62, d1 為螺紋小徑。 經(jīng)計算得 。查機械手冊得 ，因此 ，故安全。Mpaca7.6Mpa6911ca 29 29 抗彎曲強度校核：每圈螺紋承受的平均作用力 F/z 作用在中徑 的圓周上，則螺2d 紋牙根部危險剖面的變曲強度為： 2.189.0321zbdFl 其中 b=0.634p(梯形螺紋，p 為螺距)，F(xiàn) 為軸向力，l 為螺紋工作高度，取 z=8 為 組合圈數(shù)（無量綱） 。 螺桿穩(wěn)定性校核：細長的螺桿工作時受到較大的軸向壓力可能導致失穩(wěn)，為此應 根據(jù)螺桿的穩(wěn)定性條件來驗算螺桿的穩(wěn)定性。 坐起螺桿 查教材，u 取 0.5（兩端固定） 螺桿的柔度： ils 得：4 1d)(405需 要 校 核s 根據(jù)歐拉公式計算： NutEIFcr 8.105745.06.12)(242 N17636.17/8.SCrsc 穩(wěn)定性安全系數(shù)取 （傳力螺旋） ， ，故認為螺桿穩(wěn)定。05sSscS 整體升降螺桿 （不需要校核） 403iuls 3.曲腿螺桿 。 （不需要校核） 21ils 3.8 連桿的設計與校核 連桿的設計 初步確定連桿材料和長度 30 30 假設坐起機構升降到 70 度時螺帽的行程的最終位置與背部床板旋轉點的水平距離 為 mm,連桿與背部床板連接點到其旋轉點的距離為 =280mm,螺帽運動軸線到2401LL2 旋轉點的垂直距離為 e=30mm,其圖如下，故可以算出連桿 的長度，由三角函數(shù)：39.10)7tan(e 9.31)70sin(eb mal.9501mbl.322 )7cos(22213 l 得 6 故連桿 為 326mm，寬和高都為 40mm,材料為 40Cr 調質處理。L3 B.連桿強度校核 mNFM/35470sin32615sin3 連桿所受的軸向力可忽略。 因 .故安全。 .6/403MpaWcaMpac1 3.3.4 曲腿機構中零件設計與校核 連桿的設計 31 31 A.連桿的設計 根據(jù)坐起機構的算法可以得出 =164mm，選擇連桿的長度為 1604mm,寬和高都為L3 40mm。材料為 40Cr 經(jīng)調質處理。 B.連桿強度校核 因本機構中連桿材料與坐起機構中一樣，但長度和受力卻較前者小，故無需強度 校核。 3.3.5 整體升降中的零件設計與校核 A.連桿的設計 由于整體上升的距離為 220mm,故其連桿 L1 設計為 220mm。L2 為 80mm,寬和高分別 為 20mm,30mm。材料為 40Cr 經(jīng)調質處理。 B.連桿強度校核 因其所受的平均力較小，故不用校核。 32 32 總結 本次設計的題目是多功能電動護理床及輔助解便系統(tǒng)設計。目前市面上有此類產 品，但關于內部結構，技術路線及設計思路、方法，還有各類參數(shù)的信息量為零。不 斷地查閱資料后，關于設計思路還是沒有一點點的頭緒。然后決定先從理解各項指標 入手，深刻理解要完成要求指標需要進行哪些工作，完成這項工作以后就覺得有點豁 然開朗了。緊接著對各項工作進行了梳理,先從確定輸入輸出接口入手，對各個指標的 要求進行一個電路的實現(xiàn),然后編制了一套切實可行的 PLC 梯形圖程序。經(jīng)過不斷的編 寫，調用，編譯、仿真，一遍一遍嘗試，多功能電動護理床及輔助解便系統(tǒng)的設計結 果終于一點點呈現(xiàn)在眼前，回過頭有核算了一遍各項指標，將不盡人意的地方一一完 善和提升。再回過頭去看自己剛開始的躊躇和不知所措時覺得那些都是不存在的。 本次畢業(yè)設計帶給了我很多的體驗、經(jīng)驗、知識及道理。以前的自己總會拿書本 上的東西照抄照搬，很多東西只要求自己懂個大概，還有很多東西是知其然不知其所 以然的。這次畢業(yè)設計復習到了很多以前學過的知識，我也學到了很多課堂上沒有的 新知識，更了解到與他人分擔和分享的樂趣。 在本次畢業(yè)設計中，把我在這幾年中學習的知識進行了一次融會貫通，特別是對 液壓傳動、機械設計、AutoCAD、機械制圖、工程材料、工程力學、互換性與測量技術 等專業(yè)知識又進行了一次系統(tǒng)的理解和掌握，讓我充分的了解了它們之間的聯(lián)系。有 機的掌握了完成一次設計所需要的各個方面的知識。但由于本人的知識有限，因此在 設計中不可避免的會出現(xiàn)一些這樣或那樣的問題，同時我覺得我在以后的設計中會把 我的知識進行擴展，不斷提高設計效率。 總的來說這次畢業(yè)設計是比較成功的設計，它使我學到了很多有用的東西，拓寬 了知識面。但是在設計的過程中也體現(xiàn)出我好多專業(yè)知識學的很不踏實，很多東西都 是查了書才知道，連最基本的制圖常識都不太懂，動手實踐能力好差，學的理論知識 不會恰當?shù)倪\用到實踐當中，在今后的生活、學習當中我會注意這方面能力的鍛煉。 33 33 參考文獻 1孫桓，陳作模.機械原理（第六版）.高等教育出版社.2001.5. 2李剛，李巧真，孫宏軍51 單片機節(jié)電模式的應用J制造業(yè)自動化，2000(11)： 57-60 3尚笠，葛元慶，周潤德，等80c51 微處理器嵌入式內核的設計研究J微電子學， 2000，1(30)：28-30 4金文高性能單片機 AT89C1051ZT89C2051 的原理及應用J國外電子元器件， 1997(9)：27-30 5張仁儉基于 89C2051 單片機的紅外遙控裝置及應用航天制造技術，2005(3)： 21-23 6趙俊奇,祖靜.基于脈寬調制步進電機細分控制的拖動研究J.華北工學院學報, 2002,23(5):369-372. 7鄒麗新,黨蘭芬.步進電機運行細分設計J.蘇州大學學報,2001,17(4):44-48. 8劉鴻文.材料力學.高等教育出版社.2002.9 9范欽珊，殷雅俊.材料力學.北京，清華大學出版社.2004 10濮良貴，紀名剛.機械設計.高等教育出版社.2001.4 第 7 版 11李杞儀，趙韓主編.機械原理.武漢：武漢理工大學出版社，2009.8 12王亞曉基于電話網(wǎng)的電器遠程控制系統(tǒng)的設計J現(xiàn)代電子技術， 2007，30(21)：124-126 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