自动翻身医疗床课程设计.docx

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自动翻身医疗床课程设计

绪论

中国老龄人口数目日益增多，为提高病人的自理能力、有利于减轻护理人员工作强度，护理床的市场需求日益增强和迫切，作者在对国内外护理床调研分析的基础上，结合国际护理床最新技术的发展，研制了具有电动辅助左右侧翻身的医疗床。

残疾人和瘫痪病人所患疾病经常会要求长期卧床,这样在重力作用下,病人后背和臀部将会长期受压,产生褥疮。

传统的解决办法是需要护士或家人经常为病人翻身,但费时费力,效果不佳。

于是,这就为自动翻身床的应用提供了广阔市场。

另外随着经济的发展,产生了新的社会问题,如人口老龄化等。

一些城市出现/空巢家庭0,老年人尤其是老年病人长期得不到照顾。

由于老年人所患疾病多以慢性病为主,需长期进行物理方式护理,因此配备必要的护理设备,尤其是一种能够由病人自己控制的护理翻身床就显得十分急需。

通过查阅文献和专利,发现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,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°—50°,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、侧翻等动作要求。

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,大部分产品侧翻角不理想。

从医院和病人的角度分析，使用普通的医疗床确实可以节省费用，减轻医疗负担，能改善医院的经营条件，减少环境污染，有利于设备的更新。

但也对病人存在不利的因素，这是不能忽视的。

但是，要看到辅助侧翻身医疗床的出现和普遍应用。

相信随着我国医疗事业的发展壮大，使用的侧翻身医疗床越来越普遍，质量越来越高，要求再生的声音也会增大，必将出现相关的法规进行规范，到时也会出现像国外一样的医疗器械企业，同时会带来医疗费用的改善。

电动控制侧翻身医疗床的设计解决了以上三大类医疗床的不足之处，它能在稳定性好，具有动作自然、价格低廉等基础上不需患者主动转换体位，不受患者的病情限制，避免由于主动转换体位给患者带来的痛苦和对患者病情变化的影响极大地改善医技操作者的工作条件，提高其工作效率和生活质量。

一、系统控制方案设计

1.1、系统综述

阐述了医疗床床驱动系统的特殊要求，简要介绍了侧翻身医疗床的优点，对比分析了几种目前常用的普通医疗床的性能及特点，比较其利弊，得出了采用电动机驱动蜗杆涡轮传动以及连杆机构可以满足其驱动要求的结论。

辅助侧翻身医疗床包括床架、床板、电机和蜗杆传动机构等。

其特殊之处是床板由头端的前左、前右和脚端的后左、后右4块面板构成，它们之间分别由铰链相连。

利用涡轮蜗杆传动在普通医疗床上来实现左右侧翻身。

本文针对辅助侧翻身电动医疗床的驱动需求,给出一个由电动机、涡轮蜗杆传动和连杆机构实现点动控制的控制系统。

该系统具有简单紧凑、响应速度快、调试方便、可靠性高、运行平稳、性价比高、具备位置记忆功能等特点,显现出广阔的市场前景。

在机械的设计方面,使用绿色健康的材料,并采用不绣钢的钢材制作床体,为了最大限度的减少电机和齿轮传动产生的噪声,采用自动和手动的完美结合,实现了二者之间的优化。

二、系统硬件设计

2.1、涡轮蜗杆的选型

1、滚柱包络蜗杆传动滚柱包络环面蜗杆传动，是近年来相关学者基于共轭曲面啮合原理，创新提出的一种以圆柱滚子为蜗轮轮齿，通过柱面包络生成环面蜗杆的新型传动机构。

这种蜗杆的目的是这样实现的：

蜗轮去掉轮齿，外径按齿根园直径加工成蜗轮体，垂直于其圆周面均匀加工若干孔，孔的数量等于所需的蜗轮齿数，孔内装入可绕其自身心轴灵活转动的刚性滚动体，作为新的蜗轮轮齿。

当蜗杆转动时，蜗杆螺旋产生的轴向推力，使刚性滚动体绕蜗轮心轴作圆周运动，实现机械传动。

图2-1

2、这种传动型式有如下优点：

（1）蜗杆与滚柱的相对速度在整个啮合过程中是不断变化的，滚柱以滚动为主，存在少许滑动，因而传动效率高，而且有利于该类机构的润滑。

（2）蜗轮轮齿强度提高，承载能力强。

（3）蜗轮齿形改变，不需滚齿加工，制造工艺简单，加工成本大为减低。

（4）维修方便，特别是对于部分轮齿磨损，只需更换相应轮齿即可。

该蜗杆传动的蜗轮“轮齿”是若干能绕自身轴转动的圆锥滚子，而蜗杆则是以此锥面为工具母面经包络形成的环面蜗杆[22]。

并且滚锥与其轴颈之间可安装滚针轴承，滚针大端可安装止推滚动轴承，从而将蜗杆传动中啮合齿面间的相对滑动基本上全部转变成相对滚动。

图2-2

3、滚锥蜗杆传动中存在两大问题：

（1）同时参加啮合的滚锥数目少，每个蜗轮齿受载大，且齿面实际接触面积小，机构的传动功率受到较大限制；

（2）蜗轮齿数常常随传动比之不同而在较大范围内变动。

为此又研制出两种新的滚锥蜗杆传动。

4、经研究分析，滚锥蜗杆传动的主要性能特点如下：

（1）任一瞬时两齿面接触点的相对速度均与滚锥的轴线接近垂直，滚锥能够良好自转，啮合齿面间呈相对滚动，效率高。

（2）由于滚锥的良好自转，故啮合区域遍布整个滚锥工作表面。

（3）润滑角可达85°左右，并且各处变化甚微，这对齿面间润滑油膜的形成是十分有利的。

（4）该传动的一类界限靠近蜗杆轴线。

按常规选择设计参数蜗杆蜗轮均不会发生根切，齿顶也不会变尖。

（5）蜗杆和蜗轮滚锥均可用高强度材料制造，均可淬火磨削，表面硬度、精度和光洁度均可以做得很高，而且蜗轮轮齿损坏可以更换，该传动具有效率高、承载大、寿命长、造价低、制造维修方便的优点。

（6）齿面诱导法曲率不够理想，该传动的诱导法曲率主要取决于滚锥的大小，因此该传动更适合于大中心距的场合。

2.2、电动机的选型

1、选择电动机的容量（功率）

选择电动机容量就是合理的确定电动机的额定功率。

决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三个方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。

电动机发热与其工作情况有关。

对于载荷不变或变化不大，且在常温喜爱长期连续运转的电动机，只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可以不用进行发热计算。

则：

1）工作机所需的功率Pw工作机所需功率Pw机器工作阻力和运动参数计算确定。

根据前面提到的，取F=25N，取半径为12cm，和转速取1000r/min,则工作机主轴所需功率

=0.314kW

2）电动机的输出功率

为电动机至工作主轴之间的总效率，即

经查表（机械设计基础课程设计）表2-4联轴器效率取0.99，滚动轴承效率取0.98。

则总效率

=0.99*0.98

=0.9702

3）确定电动机额定功率

根据计算的功率

可选定电动机的额定功率

。

应使

等于或稍大于

。

2、选择电动机的转速

同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。

如选用转速较高的电动机，其尺寸重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。

选用转速较低的电动机则情况相反。

因此，因综合考虑电机及传动装置的尺寸、价格，分析比较，权衡利弊，选择合适的电机转速。

确定转速时，可先根据工作机的主轴转速

和传动系统中的各级传动比范围，推算，

，传动比近似于1。

所以电机的转速范围也在1000~1500r/min。

3、确定电动机型号

根据选定的电动机类型、结构型式、功率和转速，由（机械设计基础课程设计）表20-1、表20-2查出电动机的型号及额定功率、满载转速、外形和安装尺寸（如中心高度、轴伸长度及键联接尺寸、机座尺寸）及机器所需要的各种规格，选择电动机型号。

2.3、医疗床的选型

医院病房的病床大多都是纯机械式的，在需要调节病人的舒适姿态时，医生是通过摇动床的腰杆来调节床的位置实现的，这种机械式调节床的升降或者俯仰来调整病人姿态，费时费力，而且由于机械的因素，床的起停升降都很不柔和，出力不均匀，震动大，病人感觉不舒适。

因此医疗床必须从病人和医生双方出发，同时满足病人的舒适性和医生工作的方便性;其次，由于使用电驱动设备，还要考虑到整个系统的安全性;此外，对于不同体重的病人，例如很重的病人，床体能否实现升降俯仰，就要考虑到整个驱动系统的带载、过载能力，此外，当然还涉及整个系统的成本问题。

考虑到电动床后背的俯仰及整体的升降由两轴驱动即可满足整体要求。

因此，驱动系统采用双电机控制方式，一个电机支持后背的俯仰，另一个电机支持床体的升降。

可见，电机是其中最关键的部件，如论文选题涉及项目简介当中所述，其具有体积小、负荷能力大、平稳性好、噪声低等突出优点，正好适合于电动床的要求。

控制方案采用无刷直流电机专用控制芯片和单片机相结合的复合控制器控制，简化了控制系统的线路设计，提高了综合性能，降低了整体成本，并且对于实现诸如位置记忆等智能化的控制，都给出了可实现的硬件条件，此外，此种驱动系统还可以扩展到诸如汽车、制造业流水线机器人、工业伺服、航空航天等领域，不仅具有很强的研究价值，还具有很强的市场前景。

三、系统软件设计

3.1运动方案设计

多功能翻身床需有三套运动机构,分别实现支背、曲腿和侧翻运动。

同时各机构间的干涉问题和多功能床板的设计也是设计过程中的关键。

（1）干涉问题的解决和机构的综合作用效果

干涉问题是国内外多功能翻身床设计的瓶颈所在。

首先,针对三套机构的机构特点和空间布局的要求,对床下空间进行划分,如图3-1所示。

床下共20000mm2的面积被分割成了三个部分。

A部分用来安置支背机构,B部分用来安置侧翻机构,C部分用来安置曲腿机构。

最终希望实现的效果图见图3-2。

图3-1空间布局示意图图3-2布局效果

然后设计床板。

为实现所要求的三种功能,床板要先后被三套机构作用,产生三种不同的变形。

为满足这种多变形的要求,确定采用组合床板的设计,如图3-3所示。

图3-3组合床板示意图

这种设计虽然成功解决了床板多变形的要求,但却严重降低了床板的承重性能。

为增加承重性,提出双层床板的设计,在组合床板下安装一层承托床板如图3-4所示。

图3-4双层床板效果图

三套机构的综合作用效果由图3-2和图3-19至图3-20所示。

（2）支背机构运动方案

支背运动实现的运动较为简单,但支起角度要达到80°,且可以任意角度停留。

确定采用丝杠进行传动,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3-5和图3-6。

图3-5支背机构原理图——静止

图3-6支背机构原理图——运动

（3）曲腿机构运动方案

曲腿机构与支背相类似,是一个丝杠和四杆机构的组合。

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大腿翻板,通过中间连杆带动小腿翻板,运动机构

原理图见图3-7和图3-8。

图3-7曲腿机构原理图-静止状态

图3-8曲腿机构原理图-运动状态

（4）侧翻机构运动方案

图3-9侧翻机构原理图

侧翻运动的关键是要达到双向90°,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3-9。

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顶起翻板。

向右翻时:

D2固定,D1自由,被动杆BC顶起翻板。

3.2运动学的分析

对提出的运动方案进行计算,分析其运动学和动力学特性。

由于翻身床运动较缓慢,可假设其在运动的每一时刻都处在静力学状态。

1、支背机构

对上一章确定的支背机构方案进行简化,如图3-10所示。

图3-10支背机构简化图

（1）

图3-11支背机构简化图

（2）

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:

Fr=G2EF2cosH/2ld,

其中

ld=（c+scosH1）/cosH。

126机械设计与研究第24卷丝杠中传递的轴向力F为:

F=（FrcosHFys+FrsinHFxs）/（lsint3）,

其中:

xs=scosH1

ys=ssinH1t5=arccosm2+n2+l2-w22/m2+n2

HF=90°-H

H=arctanssinH1-dc+scosH1

用MATLAB对上述数学模型进行仿真,得到丝杠轴向力随时间的变化见图3-12。

图3-12支背丝杠轴向力随时间的变化

2、曲腿机构

对曲腿机构进行简化,并进行受力分析如图3-13。

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3-13曲腿机构简图

F1ld1-015GQ1cosH-Fx1Q1sinH-Fy1Q1cosH=0

Fy3+F3sin（180°-HF2）-G2=0

Fx3-F3cos（180°-HF2）=0

F2ld2=015G2Q2cos（180°-HF2）

可得到杆件S1和S2受到的载荷F1和F2。

其中,

H1=130°-arctanur-arccosl2+r2+u2-w22/r2+u2H

=arctans1sinH1-mn+s1cosH1HF1

=90°-arctans1sinH1-mn+s1cosH1HF2

=90°+arctanQ1sinH+m-s3sinH3n+l4+s3cosH3-Q1cosH

利用经典的四连杆力矩阵分析方法CFr=DF[5],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/lsin（t2）,

其中:

t2=50b+H1-arctanlsin（130b-H1）-ur-lcos（130b-H1）

假设运动时间为4.6s,丝杠匀速伸长,伸长范围为675~560mm。

运用MATLAB软件进行仿真:

丝杠中传递的轴向力随时间的变化见图3-14。

丝杠力在1220N至1060N之间。

图3-14曲腿丝杠轴向力随时间的变化

3、侧翻机构

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14,左翻时如图3-15。

图3-15右翻时图3-16左翻时

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F=Gsin（H3-62b）,左翻时为F=Gsin（H3-19b）。

采用和曲腿机构

分析中相同的四连杆矩阵分析法[2],可得到此机构的所有运动学和动力学特性,这里不再赘述。

用MATLAB对上述数学模型进行仿真,得到右翻驱动扭矩随时间的变化见图3-17;左翻时驱动扭矩随时间的变化见图3-18。

图3-17右翻驱动扭矩图3-18左翻驱动扭矩

3.3、ADMAS仿真和实物样机制造

图3-19静止时图3-20机构综合布局

第5期刘宇等:

多功能护理翻身床的设计127

将三维实体模型导入仿真软件ADAMS中,如图3-19至图3-21所示。

对曲腿丝杠轴向力、支背丝杠轴向力和左右侧翻时的驱动力矩进行仿真。

通过图3-22至图3-24（实线为之前MATLAB仿真结果,虚线为ADAMS仿真结果）可以看出,仿真结果与第2部分中MATLAB对理论模型的分析基本一致,验证了原理论计算的正确性,保证了模型样机能够完成设计要求。

图3-21支背丝杆轴向力图3-22曲腿丝杆轴向力

图3-23右翻驱动力矩图3-24左翻驱动力矩

根据设计方案及技术要求进行加工制造,最终得到1:

1实物样机,如图所示。

实验样机能够实现所有动作要求,进一步验证整个设计方案的可行性和有效性。

图3-25实物样机

结语

以上设计出一种能够实现侧翻、曲腿和支背三种动作的自动翻身床,对其进行了动力学分析,并通过ADMAS仿真对分析结果加以了验证，表明设计方案可以较好得完成所有的动作要求。

本文针对辅助侧翻身电动医疗床的驱动需求,给出一个由电动机、涡轮蜗杆传动和连杆机构实现点动控制的控制系统。

该系统具有简单紧凑、响应速度快、调试方便、可靠性高、运行平稳、性价比高、具备位置记忆功能等特点,显现出广阔的市场前景。

在机械的设计方面,使用绿色健康的材料,并采用不绣钢的钢材制作床体,为了最大限度的减少电机和齿轮传动产生的噪声,在本设计中使用了40W、80W、100W三种容量的无刷电机,便于电机速度的控制,可以保证平稳的起停;采用自动和手动的完美结合,实现了二者之间的优化,并以语音提示和灯光信号提示,确保操作的正确性,同时可以按照病人的需求提醒护理的时间,与此同时可将病人的多项生理参数传输给医生的服务处理软件;可以实现病人躺在护理床上洁便问题的解决,而且还具有冲洗烘干等众多人性化的设计。

当然,本次设计的侧翻身医疗床床善有不足之处,也是以后多功能护理床需要克服和发展的方向。

即如何实现智能型的全自动护理床,进一步使洁便功能实现的简便化,同时需要进一步开发床椅一体化的多功能产品,结合机电行业的快速发展实现传动部件的轻柔和低能耗。

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致谢

这次的毕业设计，通过大量的调查研究，现在设计工作已经结束。

这次的设计过程中，我受到了很多老师和同学的帮助。

这次的设计过程，对我来说是一个学习新知识的过程，又是一个让我温习大学四年学习知识的过程，将四年所学的知识综合应用于本次设计中，由于各方面条件的限制，只能用大量的理论知识来设计，本设计的许多方面还有进一步研究的必要性和创新性。

在具体的设计过程中，困难时不可避免的。

在确定方案后，我遇到了各种各样的问题，在我的指导老师张选民副教授的指导下以及其他专业老师和同学的帮助下，一个个地得以攻破。

再次对我的指导老师——张选民致以深深的谢意!