【正文】 39。 另外，還可以考慮對現(xiàn)有機構(gòu)進行優(yōu)化改進或者采用新模型設計形式，減少材料的使用，降低成本。 隨著科技的發(fā)展，各種新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，多功能護理床 的研究將會有廣闊的前景。 ： 根據(jù)各個單元模塊所能實現(xiàn)的功能分別對組成零件進行計算，其中包括了電機的選擇，橫軸的強度計算與校核，連桿的強度計算與校核。通過對護理床各個單元模塊的分析、計算與建模，初步完成了對護理床的全面設計。 圖 護理床床面連接單元建模圖 護理床各單元尺寸圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 29 頁 圖 護理床各單元尺寸圖 護理床整體三維建模圖。 圖 護理床床面三維仿真尺寸圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 28 頁 護理床的床面的三維建模。 該模塊主要用來設計鐵舾裝件 (基座 )、支架、扶梯等，所建立的模型存在于獨立的模型庫中，可以被其他專業(yè)作為參考模型使用?；啬芴崛∮嘘P(guān)屬性數(shù)據(jù)。國提 供了門、窗、家具、設備、壁板、天花板、甲板敷料等的布置功能?；乜梢暂敵鋈我鈪^(qū)域的局部視圖，如 衛(wèi)生單元 的視圖等。 艙室布置系統(tǒng)主要是以計算機為工具，輔助專業(yè)人員進行艙室布置設計，實現(xiàn)計算機出圖和輸出清單，其主要功能如下。電纜放樣是在 3 維圖形環(huán)境中進行的。 電纜設計系統(tǒng)可分為電纜原理圖設計和電纜放樣 2 大模塊。由于 TRIBON 采用單一 數(shù)據(jù)庫管理 ，在管系原理圖設計時，管材、規(guī)格、 法蘭 、設備、閥門等符號均會與附件信息建立聯(lián)系，同時又可以與管系 3 維模型信息建立聯(lián)系。建庫準備是船舶設計的基礎(chǔ)， TRIBON 系統(tǒng)正是因為有了這些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，各子系統(tǒng)的信息才能高度的共享和統(tǒng)一。隨著附件信息的逐步擴充，工作量會越來越小，為后續(xù)的設計工作節(jié)約了時間。 附件的信息以記錄的形式存人部件數(shù)據(jù)庫中，并且用戶可以追加記錄，以擴充附件數(shù)量。棲裝系統(tǒng)的各子系統(tǒng)如 管路 模塊、電纜模塊等均以附件庫為設計基礎(chǔ)。 舾裝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括部件庫 (ponent)、符號庫 (symbol)、設備庫 (equipment)。 船體設計主要包括包括線形光順、船體平面模、船體曲面模、性能計算、零件分離、數(shù)控套料、生成切割指令等模塊。 迄今為止，全球已有 200 多家廠商采用該系統(tǒng)進行船舶產(chǎn)品的設計和制造，例如在 歐洲 有 挪威 、 德國 、法國 、 丹麥 、 芬蘭 、 英國 等國家，在亞洲包括 中國 、 日本 、 韓國 、 新加坡 等國家的多個廠家安裝了該系統(tǒng)。進行三維仿真設計應用的軟件是我個人所在實習公司所用造船軟件 TRIBON。 完成了零件的設計。 完成了基本參數(shù)的設計。 因本機構(gòu)中轉(zhuǎn)臂所受彎矩較坐起機構(gòu)中小得多，故也無需進行強度校核。 因本機構(gòu)中連桿材料及尺寸與翻身機構(gòu)中一樣，但受力卻較前者小，故無需強度校核。 A/mm=50,B/mm=25,壁 t/mm=. 桿所受最大彎矩： mmNlTM /3 0 0 0 0 060c o sm a x ??? M p aWM zca a x ??? 材料的許用應 力 ? ? Mpa75?? ，因為 ? ?1????ca ，故安全。 . 486 3 MpaWMca ????? 因 ? ? M paca 701 ?? ??? .故安全。 圖 坐起螺桿導程示意圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 24 頁 連桿的設計 連桿一： 330mm，連桿二： 150mm，直徑： 28mm， 45 鋼調(diào)質(zhì)處理。 56?? iuts? 。查表得 ? ? Mpa551 ??? ，因此 ? ?1????ca ，故安全。m。 螺桿強度校核： 22 3???????????????? Tca WTAF? 其中 F 為軸向壓力： ? ? NdtgTF v 21602 2 ??????? ???? ?? 。 坐起螺桿導程為 300mm，螺紋選 350mm，據(jù)床的整體機構(gòu)確定螺桿總長度 450mm，材料選用 45 鋼。 ，故符合要求。m 時即可將 1000N 負載支起。m。 F 為摩擦系數(shù)，取 f=。 d2為螺紋中徑，查找相關(guān)資料取 d2=20mm。負載橫軸 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 22 頁 T2=1000N，螺桿軸向力最大為 1000N。故，軸安全。 查得 ? ? Mpa1551 ??? 。 軸的強度校核 因這軸所受彎矩很小，可忽略，認為只受扭轉(zhuǎn)作用，故只考慮扭轉(zhuǎn)強度校核。 軸的結(jié)構(gòu)設計 根據(jù)軸向和周向定位要求將軸與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臂套筒固定孔 40o。 初步確定軸的直徑 ? ? ? ? mmn PAd 3 43 42 202 ????? ? 因計算比較保守，先選用外徑 42mm，內(nèi)徑 32mm的 45 鋼管，待后面校核。 橫軸的設計與校核 求軸上的功率 P P3轉(zhuǎn)速 n n2及轉(zhuǎn)矩 T T3。 軸的計算應力： M p aM p aWTTca 71111 ??? 其中： )(32 42)1(16 434311 ????? ??? dW T 由前面軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 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。 初步確定軸的直徑 ? ? ? ? mmn pAd 44101 ????? ? 選用內(nèi)徑為 27mm，外徑為 45mm的 45 鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。那么由屈膝的抬腿時間 st 30? ，螺桿導程間距 mmd 5? ，可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約： m in/6460405213 rn ????? 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁 圖 左右翻身機構(gòu)簡圖 零件設計 縱軸的設計與校核 求軸上的功率 P1，轉(zhuǎn)速 1n ，和轉(zhuǎn)矩 T1。3 ?????? ????(忽略軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿質(zhì)量） 電動機實際功率： P3=[P 許 3]=42W 由以上結(jié)果知，選定額定功率為 60W 的單向電容式減速電動機。5247。 2）轉(zhuǎn)速 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 18 頁 由圖 可知坐起螺桿導程 1 最短約為 300m。2 ?? （忽略轉(zhuǎn)臂自重） 電 動 機 的 許 用 功 率： [P 許 2 ] = WP 65 2244232139。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁 3 機構(gòu)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。 對護理床的總體方案進行了設計。（ 如圖 所示 ） 圖 吃飯裝置 本章 小結(jié) 本章完成了多功能護理床總體方案的設計。坐起和曲膝動作如圖 “坐起狀態(tài) ”。 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(qū)動螺桿 9 轉(zhuǎn)動，使得螺套 7 向右運 動，再由連桿 6 帶動轉(zhuǎn)臂 5 旋轉(zhuǎn)，最后由轉(zhuǎn)臂驅(qū)動床板 1 繞 J 點旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起。該機構(gòu)也是一種新穎構(gòu)型，結(jié)構(gòu)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(chǎn)生干涉，因此這種構(gòu)型也不是最優(yōu)構(gòu)型。 構(gòu)型 c：文獻提出了一種螺旋一連桿組合機構(gòu)。 布置，使整個機構(gòu)成為一個空間機構(gòu)，這樣就可以滿足整體布局要求，同時，為防止翻身機構(gòu)與抬背、抬腿機構(gòu)運動干涉，具體設計時需將構(gòu)件 4 演化為 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 滾輪，通過高副接觸帶動構(gòu)件 5 的運動 (由于人體的重力直接作用于構(gòu)件 5，因此，雖然運動副做了改變，但是運動效果仍然相同 )。機構(gòu)可拆分為由構(gòu)件 5 組成的 RPRII 級桿組、構(gòu)件 3 構(gòu)成的RRPII 級桿組、原動件 1 和機架 O，因此一個 II 級機構(gòu)。該機構(gòu)在初始狀態(tài)時的傳動角為 90。鑒于以上原因，該構(gòu)型不是翻身機構(gòu)的最佳方案。該機構(gòu)構(gòu)型新穎，用同一套機構(gòu)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。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁 圖 翻身機構(gòu)的 3 種備選構(gòu)型 構(gòu)型 a：文獻提出了一種變機架的四桿機構(gòu)。 多功能護理床要實現(xiàn)左右翻身，各需要一套傳動機構(gòu)，考慮到二者運動相同，故采用同一種構(gòu)型，翻身動作中聯(lián)動床板較多，因此構(gòu)型設計也較復雜。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(zhuǎn)角度 ,但是該機構(gòu)成本較高。該構(gòu)型為螺旋傳動，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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。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(gòu)型。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(gòu)型。 抬背機構(gòu)運動的實現(xiàn)較為簡單，有以下幾種構(gòu)型可供選擇。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 。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 ）。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 圖 床面結(jié)構(gòu)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。 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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)彎半徑較?。桓鱾€功能模塊機構(gòu)初步選用連桿結(jié)構(gòu)，以方便實現(xiàn)各床面板的運動規(guī)律，其驅(qū)動元件均布置于支撐框架下層，以保證機構(gòu)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(gòu)中間位置，以增強整體穩(wěn)定性和使用者的心理安全感。 從整體結(jié)構(gòu)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。 圖 床面各板的推薦調(diào)節(jié)范圍 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，參照調(diào)研所得結(jié)果，同時考慮文獻中同類研究的相關(guān)參數(shù)，確定了體位調(diào)整類具體指標（見表 ）。 3) 小腿板與水平面間夾角（圖 中 C）應能從 0～ 20o（或更大）可調(diào)?！夺t(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(diào)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(diào)。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。 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 =2021mm1000mm500mm 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。 參考《醫(yī)用電氣設備 第一部分：安全通用要求》 、《醫(yī)用電氣設備 第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》 、《中華人民共和國行業(yè)標準 —病床》 、《中華人民共和國國家標準 —中國成年人人體尺寸》等相關(guān)標準，同時 類比國內(nèi)外文獻中的相關(guān)參數(shù)，作為設計指標。具體包括：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 8 頁 根據(jù)我在各個醫(yī)院觀察的結(jié)果，類比市場上的護理床種類功用，再加上一定創(chuàng)新，確定了多功能護理床的功能范圍，主要包括體位調(diào)整類功能、吃飯看書功能。 輕量化原則 從降低能量消耗和減小運動慣性的角度考慮，護理床應該在保證功能和安全的情況下遵循輕量化原則。 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(guān)系和尺寸匹配，都有相關(guān)的行業(yè)標準。比如各部分結(jié)構(gòu)要與人體的尺寸匹配；設計中力求加速度最小化等等。比如，在結(jié)構(gòu)設計方面，不應存在任何干涉情況，結(jié)構(gòu)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。 為