【文章內容簡介】 舒適。按照《中華人民共和國行業(yè)—標準病床》標準，多功能護理床的外形尺寸最終取為：長寬高=2022mm1000mm500mm承載指標按照《醫(yī)用電氣設備 第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》規(guī)定，床的安全工作載荷必須至少承受 1700N 的載荷，這 1700N 包括 1350N 患者重量、200N 床墊和 150N附件。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁標準中提供了人體在床的各個板塊上的重量分布（如圖 所示） ，護理床的各個模塊的設計均可以此值為準。圖中，1 代表背板，2 代表臀部板，3 代表大腿板，4 代表小腿板。圖 床面各板塊人體重量分布體位調整類指標體位調整類指標包括：左/右翻身角度、抬背角度、大腿板翻轉角度、小腿板翻轉角度。 《醫(yī)用電氣設備 第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》給出了背板、大腿板、小腿板的調節(jié)范圍建議值：1) 背板與水平面間夾角（圖 中 A）應能從 0～ 80o（或更大）可調。2) 大腿板與水平面間夾角（圖 中 B）應能從 0～12 o（或更大）可調。3) 小腿板與水平面間夾角（圖 中 C）應能從 0～20 o（或更大）可調。4) 大腿板與小腿板間夾角（圖 中 D）應能調至 180o（平面） 。圖 床面各板的推薦調節(jié)范圍 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，參照調研所得結果，同時考慮文獻中同類研究的相關參數(shù)，確定了體位調整類具體指標（見表 ） 。表 體位調整類指標指標項 具體數(shù)值左翻身角度 0～45 o右翻身角度 0～45 o抬背角度 0～80 o大腿板翻轉角度 0～50 o 注：以上各項動作均可以在設定范圍內的任意角度隨時停止。 護理床本體總體方案 總體布局從整體結構上講，多功能翻身護理床可以分為總體框架、抬腿部件、抬背部件、翻身部件和智能座便系統(tǒng)五大功能模塊。在總體布局時，有以下幾方面要求： 綜合考慮兩種狀態(tài)下的尺寸、穩(wěn)定性和強度要求；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；分配好每個部件的尺寸，最大限度地利用床下有限的空間；要盡可能地把傳動部件隱藏給人以安全感，避免心理恐慌。從以上設計角度除法，根據(jù)前文確定的設計原則，確定護理床采用床面大尺寸，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，以保證機構傳動角和框架強度要求；各零部件近似對稱布置于床面之下，使機器人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。 床面設計多功能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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁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要求，結合所需實現(xiàn)的功能，本文提出采用分體式雙層床面結構（如圖 所示)。圖 床面結構示意圖其中，床板 1～8 為下層板，11～14 為上層板：11 為背板，12 為臀部板，13 為大腿板，14 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 ） 。表 各床板 X 向尺寸 尺寸項 具體數(shù)值背板 740臀部板 260大腿板 400小腿板 600 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁各床板的尺寸基于 GB1000088 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 。表 多功能護理床實現(xiàn)功能所需的床板聯(lián)動功能項 相關參數(shù) 備注各床板均水平半邊床板與水平面夾角為0～45 o 7 床板組合或8 床板組合聯(lián)動，繞 X 軸翻轉背板與水平面夾角為0～80 o 11 床板組合聯(lián)動，繞 Y1 軸翻轉 大腿板與水平面夾角0～35 o 小腿板與水平面夾角為20 o～0 13 床板組合聯(lián)動，繞 Y2 軸翻轉；14 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)。 護理床各功能模塊構型設計 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 所示）平躺左/右翻身抬背曲/伸腿 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁圖 抬背機構的 3 種備選構型構型 a：該抬背機構為螺旋一連桿組合機構，其自由度為 1，有 1 個原動件，具有確定的運動，可采用電動推桿作為驅動部件，構型簡單，制造容易，而且初始狀態(tài)的傳動角遠遠大于 40。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 80。 ，這也就引起一個矛盾：既要求電動推桿的行程要很大，又要求其初始狀態(tài)尺寸較小，顯然這樣的要求是達不到的，因而放棄該構型。構型 b：該機構也是螺旋一連桿組合機構，自由度為 1，有 1 個原動件，具有確定運動，結構較為簡單，抬背角度大，滾輪與背板之間為高副聯(lián)接。該構型為螺旋傳動，優(yōu)點是結構簡單，加工容易，成本低廉，傳動精確；缺點是承受的軸向推力大，效率低，摩擦嚴重。構型 c：該機構為螺旋一連桿組合機構，實際上可以等效為一五桿機構，等效后的機構具有 4 個活動構件，3 個轉動副，2 個移動副，因此自由度 F=42=2，該機構需要 2 個原動件才能有確定運動。采用電動推桿作為連桿和動力源之一，可以獲得很大的翻轉角度,但是該機構成本較高。綜上，構型 B 為三種之中的最優(yōu)構型，故抬被機構最終采用該構型。 翻身機構構型設計多功能護理床要實現(xiàn)左右翻身，各需要一套傳動機構，考慮到二者運動相同，故采用同一種構型，翻身動作中聯(lián)動床板較多，因此構型設計也較復雜。圖 中列出了 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁幾種原理和功能上符合的構型，下文將對各構型進行詳細分析。圖 翻身機構的 3 種備選構型構型 a：文獻提出了一種變機架的四桿機構。所謂變機架，就是在 D1 和 D2 處分別安置一電磁鐵，通過電磁鐵的交替吸合來實現(xiàn)機架轉換。該機構構型新穎，用同一套機構實現(xiàn)了左右翻身兩個相似運動，但是其主要適用于橫向 3 折床面。另外，采用電磁鐵吸合方式來固定床面的一端，其可靠程度仍需要特別考慮。鑒于以上原因，該構型不是翻身機構的最佳方案。構型 b：構型 b 是一種由“正切機構和“雙滑塊機構串聯(lián)而成的單自由度六桿機構。該機構在初始狀態(tài)時的傳動角為 90。 ，力的有效利用程度非常高，而此時也正好是機構受力最大的時候。機構可拆分為由構件 5 組成的 RPRII 級桿組、構件 3 構成的RRPII 級桿組、原動件 1 和機架 O，因此一個 II 級機構。部件詳細設計時，可將構件2 繞機架 0 旋轉 90。 布置，使整個機構成為一個空間機構，這樣就可以滿足整體布 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁局要求，同時，為防止翻身機構與抬背、抬腿機構運動干涉，具體設計時需將構件 4演化為滾輪，通過高副接觸帶動構件 5 的運動(由于人體的重力直接作用于構件 5，因此，雖然運動副做了改變，但是運動效果仍然相同)。主動件 1 的驅動可以采用螺旋傳動方式，此時該機構又演化為螺旋一連桿組合機構。構型 c：文獻提出了一種螺旋一連桿組合機構。該機構實際上是一種對稱結構，單邊可等效為經(jīng)過演化的四連桿機構，其中 C、D 點與滑臺可分離，因此可以分別實現(xiàn)左右翻身動作。該機構也是一種新穎構型，結構簡單，制造和裝配方便，但只能橫向布置，需要空間較大，容易產生干涉，因此這種構型也不是最優(yōu)構型。 抬背、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 ，圖 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動機驅動螺桿 9 轉動，使得螺套 7 向右運動，再由連桿 6 帶動轉臂 5 旋轉，最后由轉臂驅動床板 1 繞 J 點旋轉，從而使人坐起。需要曲膝時，同樣右邊的電動工作，通過螺旋傳動使得轉臂 12 旋轉，將床板 3 頂起，達到曲膝的目的。坐起和曲膝動作如圖“坐起狀態(tài)”。圖 抬背機構簡圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁圖 抬腿機構簡圖 床上吃飯機構的設計吃飯裝置的設計采用了平行四邊形機構，固定在床的兩側，不需要使用時可放至與床面平行，當吃飯或者看書時即可把機構 A 拉起至 90o 固定好即可使用，簡單方便。（如圖 所示）圖 吃飯裝置 本章小結本章完成了多功能護理床總體方案的設計。制定了該護理床設計應該遵循個幾個原則，提出了所要達到的各項功能，明確了應該達到的各項技術指標。對護理床的總體方案進行了設計。首先提出了護理床的總體布局，然后確定了床面結構形式、具體尺寸，最后在分析比較基礎上，確定了各功能模塊的機構構型。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁3 機構設計 基本參數(shù)的設定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 高 =2022mm1000mm600mm左右翻身角度為 0～50 o抬背角度為 0～80 o大腿翻轉角度為 0～50 o 電動機的選擇 坐起電動機1）功率取 t=40s，極限角度 ，轉臂角速度：08??srad/???轉臂速度： smtv /..2??負載 ，則轉臂傳遞的功率：NT102? （忽略轉臂自重）smTP/39。電 動 機 的 許 用 功 率：[P 許 2 ] = （忽略軸的轉動慣量及連桿自重）. 223139。 ????電動機實際功率：[P 許 2 ] =78W2由以上結果知，選用額定功率為 90W 的單相電容式減速電動機。2）轉速 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁 由圖 可知坐起螺桿導程 1 最短約為 300m。那么由上身坐起的時間 t=40s，螺桿螺紋間距 d=5mm，可以得出電動機的最低轉速：n=300247。5247。4060=90r/min 曲腿電動機的選擇1）功率：，極限角度 ，轉臂角速度：st30?o50??srad/???轉臂速度： smtv/..3?負載 T3=1000N，則轉臂所傳遞的功率：[P 許 3]= (忽略軸的轉動慣量及連桿質量）39。 ????電動機實際功率：P3=[P 許 3]=42由以上結果知，選定額定功率為 60W 的單向電容式減速電動機。1）轉速：由圖 可知屈膝螺桿導程 1 最短約為 213mm。那么由屈膝的抬腿時間 ，st30?螺桿導程間距 ，可以得出電動機的最低轉速約：md5?min/640523rn???? 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 18 頁 左右翻身機構簡圖 零件設計 縱軸的設計與校核求軸上的功率 P1，轉速 ，和轉矩 T1。1nP1=P1 電機 η螺桿 η2 軸承 =60=24W(忽略連桿自重）=1min/????NnpT?經(jīng)整體規(guī)劃將軸設計為空心光軸。初步確定軸的直徑 ????mnpAd ??????選用內徑為 27mm，外徑為 45mm 的 45 鋼經(jīng)調質處理。軸的結構設計根據(jù)軸向和周向定位要求，將軸與轉臂套筒用螺栓聯(lián)在一起，具體位置由床整體 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁結構來確定。初步選定滾動軸承因軸承所承受的軸向力可忽略，認為只受徑向力，選用深溝球軸承。軸的強度校核 只校核軸的危險截面，因該軸所受彎矩可忽略，下面只按扭轉強度校核。軸的計算應力： MpaWTca711??其中： )(324)(64431??????dT由前面軸的材料為 45 鋼，調質處理。查得 ，因此 ，故安全。??pa15??ca???1? 橫軸的設計與校核求軸上的功率 PP 3 轉速 nn 2 及轉矩 TT 3。P2?? P2 電機 ?螺桿 ??軸承?? ? 47W （忽略連桿重量）? P3?? P3 電機 ?螺桿 ??軸承?? ? ?min/????i/ NnPT???? 將軸設計為空心光軸。初步確定軸的直徑 ????nPAd ?????? 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁因計算比較保守，先選用外徑 42mm，內徑 32mm 的 45 鋼管，待后面校核。????mnPAd ??????同以上選擇一樣。軸的結構設計根據(jù)軸向和周向定位要求將軸與轉臂套筒用螺栓固定，同時