毕业设计(论文)-多功能可调角度床的设计-护理病床(全套图纸)[管理资料].docx

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摘要

随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人民对生活质量的要求越来越高，其中对于床的舒适度和多功用要求也越来越高。

多功能可调角度床是一种针对普通人群的自动化舒适性生活需要而设计的，能随意调节床的背部和腿部的角度。

它既可以通过控制器来实现家庭生活的自动化，又可以使人民的生活更加舒适更加方便，从而提高家居生活的质量。

全套图纸加153893706

课题设计一种用于普通家庭使用的多功能床，解决人身体和生理方面的需要（抬背、曲退等）。

该设计对多功能床的各项功能进行了方案的选择、原理分析、零件尺寸计算及强度校核，使其能够实现预设功能的正常运动。

并采用三维数字化设计软件ProENGINEER对其进行建模和装配，最后对其整体方案进行运动仿真。

关键词：

多功能床原理分析零件尺寸计算强度校核ProENGINEER运动仿真

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,peoplelivingstandardrisesceaselessly,peopleonthequalityoflifeoftheincreasinglyhighdemand,thebedcomfortandfunctionrequirementsarealsogettinghigherandhigher.

Themulti-functionadjustableanglebedisaneedforautomationcomfortablelifeofthegeneralpopulationanddesign,isabletoadjusttheangleofthebackandlegsofthebed.Itcanbeachievedthroughthecontrollerautomationoffamilylifecanmakepeople'slivesmorecomfortableandmoreconvenient,therebyimprovingthequalityofhomelife.

Thetasktodesignamulti-functionalbedforordinaryhouseuse,tosolvethehumanbodyandphysiologicalneeds（liftback,bendkneesandetc）.Thedesignonthevariousfunctionsofthemulti-functionalbedwithachoiceofprograms,principlesofanalysis,sparepartssizecalculationandstrengthcheck,andenableittoachievethenormalmovementofthedefaultfunction.Andusingofdigitalthree-dimensionaldesignsoftwareProENGINEERformodelinganditsassembly，finallytheoverallprogramformotionsimulation.

Keywords:

themulti-functionalbedprinciplesofanalysissparepartssizecalculationstrengthcheckmotionsimulationbyProENGINEER

目录

摘要 I

ABSTRACT II

前言 1

第1章绪论 3

1.1课题的目的和意义 3

1.2国内外研究状况及发展趋势 3

1.2.1多功能床的分类 4

1.2.2多功能床结构的发展 6

1.3本文的主要研究内容 7

1.4本章小结 8

第2章多功能床结构的整体方案 9

2.1多功能床的工作要求 9

2.1.1多功能床的工作环境 9

2.1.2多功能床的位姿和控制要求 9

2.2多功能床总体方案构思 9

2.2.1构思的提出 9

2.2.2相关要求与标准 10

2.2.3多功能床的组成 11

本章小结 12

第3章多功能床的方案选择和比较 13

3.1多功能床方案一 13

3.1.1床板结构示意图 13

3.1.2坐起及曲腿方案 14

3.2多功能床方案二 15

3.2.1床板结构示意图 15

3.2.2坐起及曲腿的方案 16

3.3方案的对比和选择 17

3.4本章小结 18

第4章多功能床机构设计 19

4.1基本参数的设计 19

4.2抬背机构 19

4.2.1抬背机构的结构和工作原理 19

4.2.2抬背机构的设计（图解法） 20

4.2.3抬背机构电动机的选择 22

4.3曲腿机构 23

4.3.1曲腿机构的结构和工作原理 23

4.3.2曲腿机构的设计（图解法） 25

4.3.3曲腿机构电动机的选择 28

4.4本章小结 29

第5章零件的设计和校核 30

5.1丝杠的设计与校核 30

5.1.1抬背丝杠尺寸的设计 30

5.1.2抬背丝杠的强度校核 30

5.1.3曲腿丝杠的尺寸设计 31

5.2插杆轴的设计和校核 32

5.3抬背机构中的零件的设计和校核 33

5.4曲腿机构中零件设计与校核 35

5.5本章小结 37

第6章多功能床的PROENGINEER建模与仿真 38

6.1Pro/ENGINEER建模 38

6.2Pro/ENGINEER仿真 42

6.3本章小结 43

第7章设计总结 44

7.1方案的评价与成本的估算 44

7.2多功能床的主要优点 44

7.3设计中存在的问题和改进建议 45

致谢 46

参考文献 47

附录：

48

外文资料与中文翻译 48

前言

随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人民对生活质量的要求也越来越高，其中对于床的舒适度和多功用要求也越来越高。

所以对于多功能床的研究设计越来越多得到人们的关注和支持。

多功能床的使用现阶段多用于医疗护理方面，并且在医疗护理方面有了一定的发展。

多功能护理床一般根据其完成动作的多少和完成的效果可分为以下几类：

功能基本型护理床、功能普通型护理床和功能高级型护理床。

多功能护理床在国内的设计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所接受。

然而专门针对于普通家庭用户设计使用的多功能床并不是很多，本文所设计的多功能床则是面对普通家庭，普通人群，所以在设计时应该注重多功能床的实用性，舒适性，方便性和可靠性，同时应该注意控制成本。

本文所设计的多功能床通过简单的连杆机构来完成对人体的坐起，曲腿等动作。

它既可以通过控制装置来实现家庭生活的自动化，又可以使人民的生活更加舒适更加方便，从而提高了家居生活的质量。

本课题所设计的是一种适用于普通家庭使用的多功能可调角度床，用于解决人身体和生理方面的需要（抬背、曲退等）。

该设计对多功能床的各项功能进行了方案的选择、原理分析、零件尺寸计算及强度校核，使其能够实现预设功能的正常运动。

并使用三维数字化设计软件ProENGINEER对其进行零件的建模和整体装配，并完成对整体多功能床方案进行运动仿真。

第1章绪论

1.1课题的目的和意义

多功能床是针对普通家庭成员满足其对生活质量和舒适度需要而设计的，能通过控制电机的运转来随意调节床的背部和腿部的角度。

即使是生活不能自理的人，护理人员也可以通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。

课题根据实际情况和现有的研究要求，设计一种用于普通家庭使用的多功能床，解决人民的身体和生理方面的需要（抬背、曲腿等），也提高了人民的生活质量。

针对市场需求开发一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能床并进行动态仿真，对于产品的产业化具有重要的意义。

1.2国内外研究状况及发展趋势

随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人民对生活质量的要求也越来越高，其中对于床的舒适度和多功用要求也越来越高。

所以对于多功能床的研究设计越来越多得到人们的关注和支持。

多功能床的使用现阶段多用于医疗护理方面，并且在医疗护理方面有了一定的发展。

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化,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率已高达40%，如此之高的比例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照料，与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60亿,占全国总人口的10%,%的速度持续增长。

其中“空巢家庭”%,在一些大城市中该比例更大，解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护问题是人口老龄化国家所面临的共同问题。

为此,国家也大力加强了对护理机器人的研发扶持力度。

为偏瘫病人或长期使用病床的病人提供一个集护理和排泄等各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,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。

1.2.1多功能床的分类

多功能床床在国内的设计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所接受。

护理床的基本分类情况如下：

图1-1护理床分类状况

表1-1护理床分类概括

名称

优点

存在问题

功能基础型护理床

1、结构、生产工艺简单，易于制造。

2、价格便宜。

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。

功能普通型护理床

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、增添了辅助功能接口。

4、整体造型，色彩改进，具有一定的亲和性。

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

1、护理功能完善。

2、功能调整定位准确，连贯性好，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。

1、市场售价昂贵。

造成功能浪费严重，造成额外的经济成本。

2、整体可拆性差，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，各种结构、功能等等各异的护理床层出不穷。

发展方向主要向机器人模块化的自动控制方向发展。

1.2.2多功能床结构的发展

结构功能单一的护理床已经逐渐隐退。

如今护理床床体本身的构件要实现多种功能,包括平躺、仰起、曲腿、左侧翻、右侧翻、、洁便门开关装置及冲洗马桶和冲洗身体的装置,另外还有烘干和抽风的设备。

各个部分可以独立的运行来完成相应的动作,同时将单个功能组合起实现复杂的功能。

譬如病人躺在床上排泄问题的解决,改变靠背板的仰角或者左右的侧翻以取得舒适的姿态,护理人员对洁便池的清洗等。

如今多功能床的各种类型：

图1-2多功能医用护理床的各种类型

多功能护理床实现的各种动作：

图1-3侧背

图1-4抬背和曲腿

1.3本文的主要研究内容

鉴于普通人群对生活质量的要求、本身的生理条件以及国内外市场的需求的不断扩大，本文提出一种适用于普通家庭且身体状况正常人群的多功能可调角度床，提出几种多功能床的抬背机构以及曲腿机构，通过控制多台直流电动机驱动整台多功能床工作。

实现床面的多种姿势的切换，达到满足各种功能要求的床。

主要研究内容如下：

（1）设计各种多功能床的运动机构，并用图解法的方法得到初始设计尺寸。

（2）利用三维设计软件ProENGINEER，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计，并对其进行装配设计。

（3）利用ProENGINEER对整体机构进行运动仿真，用于检查模型中是否存在干涉，机构是否能够完成预先设定的运动。

（4）对多功能床的主要零件进行受力校核，检验整台多功能床使用的安全性及稳定性。

（5）绘制整台多功能床的装配图，主要的零件图和机构的运动简图。

1.4本章小结

本章主要介绍了课题的目的和意义，目多功能床在国内外的发展趋势和各类多功能床的比较，在多个方面表明了当今多功能床各个模块的发展情况，最后根据研究分析确定了自己所需完成的设计内容。

第2章多功能床结构的整体方案

2.1多功能床的工作要求

2.1.1多功能床的工作环境

多功能可调角度床的设计应用于家庭居室，室内温度变化不大无需特别考虑，但是需要考虑到环境对噪声的限制，故设计时电机类型及型号的选取应满足工作噪音低于20分贝，床体材料也需要得到考虑，并且在床体上附加一些必要的减震降音材料，如橡胶垫片、弹簧垫圈等。

2.1.2多功能床的位姿和控制要求

多功能床应该满足人们所需的各种必要的体位位姿，这些体位位姿包括抬背、屈腿。

为了方便人们看书、学习和工作等的要求，在设计时考虑能使人在床上可以实现坐姿。

同时多功能床还应该实现人的抬腿坐姿体位，以减轻人由于盘腿坐起时的不舒适感。

对多功能床的控制方式，可以采用键盘按钮操纵，方便自己或他人对其进行控制。

2.2多功能床总体方案构思

多功能床的总体构思包括机械结构设计、电机驱动以及总体位姿协调等问题。

2.2.1构思的提出

通过分析现有的多功能床设计，我们很容易发现，为了实现床面某一个特定的体位姿态，传统的设计方法就会设计一套特定的机构与之对应。

当位姿数目越来越多时，所需机构数目也随之增加，同时空间体积也随之膨胀。

而床体的总体积是有一定限制的，即床体的长、宽、高尺寸必须按照有关多功能床标准规定限制在某一个空间范围之内，才能够既满足人民的舒适感的要求又满足空间限制要求。

多机构协调的技术是源于模仿人体的运动，人体的运动具有极大的柔性。

受此启发将多功能床的床面进一步加以细分，成为彼此之间相互独立的4个面板。

如图2-1所示。

图2-1中，床板1对应于人体的背部，床板2对应于人体的臀部，床板3人体的腿部，床板4对应人体的脚部。

通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现多功能床所需的各种体位位姿。

图2-1多功能床床板图

2.2.2相关要求与标准

为了满足人们在使用多功能床时的舒适程度以及有效提高床的自动化。

多功能床结构在设计时应满足以下几个方面的要求:

（1）能够实现多功能床所需的各种体位位姿要求。

（2）各个活动床面板的摆动角度范围应参照有关要求以及人体的舒适感，各床面板摆动角度及标准如下：

背部床板摆动角度：

0°～70°

臀部床板摆动角度：

0°～8°

腿部床板相对水平面摆动角度：

0°～60°

（3）多功能床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合相关要求。

（4）床体的结构尺寸有一定的空间范围限制。

2.2.3多功能床的组成

多功能床从结构和功能上分为：

床框架、平面连杆机构、床板、控制系统组成。

图2-2多功能床系统框图

床框架除了固定的机械机构以外，还包括各个电机安装模块。

平面连杆机构包括：

抬背机构、抬臀机构、曲腿机构。

床板由床板框架和床板面板组成，整台多功能床中共有两台直流电机，分别完成头部升降、腿部屈伸动作。

本课题工作重点在平面连杆机构部分，包括机构结构的设计，运动方案的设计，整个多功能床三维模型建立，整床的装配及运动仿真。

2.3本章小结

本章围绕多功能床的总体构思而展开，通过论述多功能床所处的工作环境及位姿要求，指出了多功能床设计时所需的各项要求，以这些要求为契机，提出了多功能床的总体方案的构思，包括整体设计的构思思路，多功能床结构形式的初步探讨，多功能床的各个组成部分。

第3章多功能床的方案选择和比较

3.1多功能床方案二

3.1.1床板结构示意图

图3-1方案一：

床板结构示意图

床板分为4块，相互间用合叶铰接，如图3-1所示。

工作时，坐起时1板绕Y1轴向上翻转；抬臀时2板绕Y2轴向上翻转，同时带动3板Y3翻转；曲腿时3板绕Y3向下翻转，同时带动4板绕Y3翻转；垫脚板4通过各机构的联动配合作用使其放平用于垫脚。

未工作时床板水平置于床架上，和普通床一样。

采用这种结构的床板，制造简易，且很轻松的克服了各功能件的相互干扰，满足了各个功能协调动作的要求。

3.1.2坐起及曲腿方案

图3-2方案一：

坐起及曲腿原理图（平躺状态）

图3-3方案一：

坐起及曲腿原理图（坐起及曲腿状态）

这部分的设计，采取坐起和曲腿的功能分别驱动的思想。

如图分别是床板平置和坐起及曲腿动作完成之后的状态。

床板平置是，人躺在床上和普通床一样。

当需要坐起时，由图中左边的电动机驱动丝杠转动，使得螺母副7向右运动，使得连杆6带动转臂5旋转，最后转臂驱动床板1绕G点旋转，从而使人坐起；当需要曲腿时。

同样左边的电动机驱动丝杠转动，使得螺母副8向左运动，使得连杆9带动转臂10转动，转臂驱动床板2绕G点向上转动，同时转臂10通过连杆11带动转臂12旋转，转臂驱动床板3绕H点向下旋转；床板3的带动床板4向下运动，当运动到脚步支撑时开始绕I点旋转，最后使得床板4处于水平状态。

其中电动机有两台，床的前后各一台，分别用于驱动坐起和曲腿两个运动

此方案主要为丝杠螺母副机构和简单的连杆机构，优点是结构简单，加工容易，成本低廉，传动精确；缺点是承受的轴向推力大，效率低，摩擦严重。

3.2多功能床方案二

3.2.1床板结构示意图

图3-4方案二：

床板结构示意图

床板分为3块，，相互间用合叶铰接（如图），坐起时床板1绕Y1轴向上翻转；同时床板3绕Y2轴向下翻转，达到曲腿的目的。

未工作时，床板置于床架上，和普通床一样。

3.2.2坐起及曲腿的方案

图3-5方案二：

坐起及曲腿（平躺状态）

图3-6方案二：

坐起及曲腿（坐起状态）

这部分的设计，采用坐起和曲腿的功能同时驱动的思路。

如图分别是床板平置和坐起及曲腿动作完成后的状态。

床板平置时，人平躺在床上和普通床一样，杆4’、杆5和杆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曲柄4’转动。

摆脱死点状态，摇杆6旋动，使得床板7在重力的作用下绕D点旋转，最后同时满足坐起和曲腿的功能。

坐起和曲腿动作如图3-6所示。

该方案采用蜗轮蜗杆——带轮传动，其优点是传动平稳，冲击载荷小，传动比大；缺点是效率低，磨损较为严重，且蜗轮蜗杆加工难度大，制作成本高。

带轮负载大时可以造成皮带打滑，并且其曲腿和坐起只能同时满足，无法独立动作。

3.3方案的对比和选择

表3-1多功能床方案的对比

实现的功能

采用的机构

实际情况

加工工艺及成本

方案一

坐起

丝杠螺母和连杆机构

结构简单，传动平稳，效率低

加工容易，成本低

曲腿

丝杠螺母和连杆机构

结构简单，传动平稳，效率低

加工容易，成本低

方案二

坐起

蜗轮蜗杆-带轮组合传动

传动平稳，传动比大，效率低

加工困难，成本高

曲腿

蜗轮蜗杆-带轮组合传动

传动平稳，传动比大，效率低

加工困难，成本高

综合考虑各个功能的实现情况，制造的工艺以及加工成本，最终确定采用方案一。

3.4本章小结

本章制定了多功能床的不同方案，用于实现多功能床的不同功能，并对实现各个功能的不同结构和状态进行分析和研究，对各个方案的优缺点进行比较，最终确定最优方案。

第4章多功能床机构设计

基本参数的设计

根据实际情况确定多功能床的基本参数：

床的长度：

2090mm（背部床板860mm，臀部床板400mm，腿床板445mm，脚部床板295mm及床板间间距30mm）；

床的宽度：

860mm；

床的高度：

650mm；

背部床板摆动角度：

0°～70°；

臀部床板摆动角度：

0°～8°；

腿板摆动角度：

0°～60°。

4.2抬背机构

抬背机构是多功能床的一个关键机构，其主要的功能是实现人体的抬背及坐起功能。

4.2.1抬背机构的结构和工作原理

多功能床的抬背机构由丝杠螺母机构、抬背连杆、抬背支杆、抬背滚子、背板以及部分床架组成。

丝杠螺母机构位于床架底部，螺母滑块机构可以在丝杠上左右运动，与其铰接的是抬背连杆的一端，另一端铰接于抬背支杆上，抬背支杆的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与背板连接，背部床板一端固定于床架上，使之充当机架作用。

电动机的转动通过联轴器带动丝杠旋转，从而使位于丝杠上的螺母滑块机构左右运动，螺母滑块机构通过抬背连杆使得抬背支杆绕着与床架铰接点发生转动，通过滚子的作用，使得背板绕着它与床架的铰接点为转轴发生转动。

简图如图4-1所示。

图4-1抬背机构

4.2.2抬背机构的设计（图解法）

多功能床的抬背机构采用的是曲柄滑块机构的变形机构，丝杠螺母机构为原动件对整体机构进行驱动。

其中，背部床板的长度为860mm，翻转角度为70°。

图解法设计抬背机构，滚子的直径设定为50mm，丝杠螺母的位置位于床板下400mm处，背部支杆与床架的交接点在床板下200mm，并且距离背部床板右侧为200mm处。

根据设计要求背板翻转角度为70°，在AutoCAD中用旋转命令确定床板运动后的位置，。

初步设计完成后的尺寸及各安装点位置图如图4-2所示。

（1）抬背机构的自由度计算：

式中：

n=5，p1=6，ph=1，F'=1（F为自由度，n为构件数，p1为低副数，ph为高副数，F'为虚约束数）。

该机构的原动件数为1（螺母滑块在丝杆上的的滑动），与自由度数相同，所以该机构可以满足确定的运动。

图4-2抬背机构设计尺寸及安装点位置图

（2）抬背过程中各机构的运行数据

通过AutoCAD软件的旋转功能确定背部床板翻转过程中的每个位置、各构件的转动角度以及螺母的行程。

表4-1抬背时各构件的运行数据

背部连杆旋转角度

背部床板翻转角度

螺母运动行程

5°

3°

10°

3°

15°

3°

20°

4°

25°

4°

30°

4°

35°

4°

40°

4°

45°

4°

50°

4°

55°

5°

60°

5°

65°

5°

70°

6°

4.2.3抬背机构电动机的选择

（1）电动机的功率计算

取抬背所用总时间t1=40s，背部床板的极限旋转角度θ=70°，抬背支杆的旋转角度为80°，所以抬背支杆的角速度：

抬背支杆的速度：

取负载T=1000N