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湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書 題 目： 家用電動護理床 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2010962933 姓 名： 王炳根 指導教師： 聶松輝老師 完成日期： 2014.06.29 湘 潭 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 家用電動護理床設計 學號： 2010962933 學生姓名： 王炳根 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 聶松輝 系主任： 劉柏希 一、主要內(nèi)容及基本要求 1、該護理床主要用于家庭病人的護理； 2、護理床具有背板升降、腿板升降以及整床升降功能； 3、背板升降角度70，腿板升降角度35，整床升降范圍 300520； 4、總體設計方案的比較論證及擬定，包括升降機構(gòu)，自鎖機構(gòu)等； 6、裝配圖 A0#1 張、零件圖總量 A0#1 張； 7、編寫設計計算說明書一份。 8、翻譯外文資料，應有 3000 單詞以上。 二、重點研究的問題 1、升降機構(gòu)； 2、自鎖與調(diào)整機構(gòu)。 三、進度安排 各階段完成的內(nèi)容 起止時間 1 熟悉課題與基礎資料 第 1 周 2 調(diào)研、收集資料 第 2 周 3 護理床總體方案設計與論證 第 34 周 4 護理床總體布局設計 第 56 周 5 護理床總裝圖設計 第 79 周 6 護理床工程圖設計 第 10 周 7 撰寫設計說明書 第 11 周 8 英文文獻翻譯 第 12 周 9 答辯 第 12 周 四、應收集的資料及主要參考文獻 1 孫桓，陳作模.機械原理（第六版）.高等教育出版社.2001.5. 2 劉鴻文.材料力學.高等教育出版社. 2002.9 3 范欽珊，殷雅俊. 材料力學.北京，清華大學出版社.2004 4 濮良貴，紀名剛.機械設計. 高等教育出版社.2001.4 第 7版 5 李杞儀，趙韓主編. 機械原理. 武漢：武漢理工大學出版社，2009.8 6 吳宗澤.機械零件設計手冊.機械工業(yè)出版社.2004.1 7 王昆等.機械設計課程設計.高等教育出版社.1995.12 8 王文斌等.機械設計手冊. 第 3版.北京，機械工業(yè)出版社.2004.8 9 朱冬梅，胥北瀾.畫法幾何及機械制圖.第 5版.高等教育出版社.2000.12 10 白建軍，張華，劉繼忠輪椅床智能座便器的設計【J】 機械設計與研究， 2010，26(1)：121-124 11 吳劍機器人化多功能護理床的研究與開發(fā)【D】 華南理工大學，2003 目 錄 摘要 .1 第一章 緒論 .3 1.1 家用電動護理床的研究背景.3 1.2 家用電動床的發(fā)展前景.4 1.3 選擇課題的目的及其意義.5 第二章 家用電動護理床結(jié)構(gòu)的整體方案 .6 2.1 設計原則.6 2.2 功能要求及設計指標.7 2.3 家用電動護理床總體方案設計.9 2.4 護理床各功能模塊構(gòu)型設計.11 2.5 本章小結(jié) .15 第三章 家用電動護理床的運動機構(gòu)設機及相關計算 .15 3.1 基本參數(shù)的設定 .15 3.2 電動機的選擇 .15 3.3 零件的設計與校核 .20 3.4 本章小結(jié) .26 第四章 三個機構(gòu)的運動分析及三維模型圖 .27 結(jié)論 .30 參考文獻 .31 致謝 .32 附錄 1 外文翻譯 附錄 2 中文翻譯 0 0 家用電動護理床設計 摘要 在人口老齡化快速增長的今天，對護理行業(yè)有了越來越嚴格的要求，不僅要求護理床的質(zhì)量可 靠，還要求具有多功能化。家用電動護理床就是一款為此 需求而設計的醫(yī)療器械。 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(diào)高整床的高度。解決了在護理過程中的諸多不便，并解決了我國護理行業(yè)的困難，促進了護理醫(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(diào)研結(jié)果，制定 了護理床的設計原則，功能要求及設計指標；完成了護理床本體的總體方案設計。 然后，采用自上而下的方法完成了護理床結(jié)構(gòu)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、整床升降等功能模塊。 關鍵詞：醫(yī)療器械，家用電動護理床，機構(gòu)設計 1 1 Household electric nursing bed design Abstract In the rapidly growing aging population today, the nursing industry has increasingly stringent requirements, not only requires reliable quality care beds, but also requires a multifunctional. Household electric care bed is a demand for this purpose designed medical devices. This care bed can not take care of themselves and for mobility of people to design, the bed can help patients sit, knees, raise the whole bed height. Solved in the nursing process a lot of inconvenience, and solve the problems of the nursing profession, and promote the development of nursing medical devices. Firstly, based on ergonomics, conducted a nursing bed overall program design, according to the relevant standards and research results, developed a nursing bed design principles, functional requirements and design specifications; complete body care bed overall design. Then, using the top-down approach to complete the detailed design of the nursing bed structure and gives a full set of design drawings. Includes general framework leg parts, lift the back piece, the whole bed lifting and other functional modules. Keywords: medical equipment, home electric nursing bed, mechanism design. 2 2 第一章 緒論 1.1 家用電動護理床的研究背景 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，城市人口正逐步進入老齡體，人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)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。我國60歲及其以上老年人口已達1.32 億。占全國總?cè)丝诘?0%，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?qū)е?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(chǎn)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(chǎn)品越來越受最棒。 護理床在國內(nèi)的設計和研究尚處于初級階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、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步完善， 成熟，但因其價格昂貴(一般售價在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、功能高級型。 護理床的分類概括 功能基礎行護理床的優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)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)使用者的護理要求。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，用戶可簡單操作控制。2、能完成基本 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、市場售價偏高。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(chǎn)技術含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識別功能差。 功能高級型護理床的優(yōu)點:1、護理功能完善。2、功能調(diào)整定位準確，連慣性好， 基本無噪音。3、結(jié)構(gòu)設計合理，安全。4、造型新穎，有較強的親和力。5、文字，標 3 3 志容易識別。存在的問題：1、市場的售價昂貴。造成功能浪費嚴重，造成額外的經(jīng)濟 成本。2、調(diào)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(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)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。 1.2 家用電動床的發(fā)展前景 我國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，我國 60歲以上的老年人口由 1.26億增長到 1.53億人，占總?cè)丝诘谋壤?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?cè)丝谠鲩L速度的 5倍。預計 2020年老年 人口將達到 2.4億人，占總?cè)丝诘?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。我國大多數(shù)家庭逐漸形成寶塔式結(jié)構(gòu)。 （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家用電動護理床協(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(chǎn)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(chǎn)品越來越受到 追捧。 家用電動護理床根據(jù)采用進口電機的數(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(nèi)的設計和研究尚處 于初級階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、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。 目前市面上常見的家用電動護理床有如下優(yōu)點： 1、電動，方便用戶操作和控制。 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(diào)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： 4 4 1、市場售價偏高。 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(chǎn)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。 1.3 選擇課題的目的及其意義 本文主要研究目的是為了解決老年人，不能自理的病人、殘疾人、癱瘓病人、產(chǎn) 婦等這一類人的痛苦。讓他（她）在沒有他人一直照顧時能夠自理。 改革開放的發(fā)展使中國的經(jīng)濟穩(wěn)步增長，人們的生活水平日益提高，城市人的生 活節(jié)奏也越來越快，但是中國的老齡化卻在一步步加劇，再加上計劃生育的實施，越 來越多的家庭變成“4+2+1”的模式，年輕人要生活，要工作，根本沒有足夠的時間照 顧老人，家用電動護理床的設計，可以在很大程度上減輕年輕人的負擔，方便老人的 飲食起居，讓老人在床上可以自由的翻身、坐起、屈膝、排便、洗漱，通過調(diào)整合適 的坐姿或臥姿，順利地完成吃飯、移動、看書、寫字、娛樂等日?；顒?。 綜合現(xiàn)在的市場需求，家用電動護理床是遵循人體護理需求和人體工程學原理而 設計，實現(xiàn)了生活不能自理的患者所需要的幾大功能。 1.整床升降功能，根據(jù)使用者的需要能夠把整床的高度進行調(diào)整，讓使用者感到 舒服。 2.坐起功能，根據(jù)使用者的需要可以把背部的床板調(diào)整到 之間的任意位置。70 能夠?qū)崿F(xiàn)使用者睡累的情況下坐起，這有利益患者的康復，能夠促進患者血液循環(huán)， 對患者的身體健康有著良好的影響。 3.曲腿功能，能夠讓使用者在坐起時腿感覺到舒服，防止腿一直處于一種狀態(tài)而 導致麻木。 為實現(xiàn)上述功能，設計護理床的主要任務： 1、家用電動護理床運動結(jié)構(gòu)的設計 2、家用電動護理床的機構(gòu)的設計 3、家用電動護理床的零件的設計 5 5 4、家用電動護理床的運動分析及其三維建模 第二章 家用電動護理床結(jié)構(gòu)的整體方案 2.1 設計原則 家用電動護理床的設計應該遵循以下幾個原則： 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要求很高。無論是 護理床的結(jié)構(gòu)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(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。 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(zhì)量，高穩(wěn)定性，而且對商品的人性化、舒適 性設計有了更高的要求，因此家用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(jié)構(gòu)、心理情況、行為習慣等方面加以考慮。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。 3、功能多樣化原則 在家用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 能的要求，比如能夠坐起，整床能夠升降，能夠曲腿等功能要求。 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要求， 而且有利于增強互換性，降低成本。 5、輕量化原則 由于家用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，在保證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，而且還以降低成本。 6 6 2.2 功能要求及設計指標 2.2.1 功能要求 依我一段時間的觀察和了解并翻閱一些相關資料，綜合各家醫(yī)療器材公司生產(chǎn)的護理 床功能，根據(jù)人的生活習慣和對老人，病人對護理床使用便捷，人的一些必要的體位 位姿，要能夠?qū)崿F(xiàn)各體位的自動變換，減少使用者因長期臥床引發(fā)的并發(fā)癥，改善其 健康狀態(tài)，有著積極的意義，同時可以大大減輕護理家庭人員的勞動強度。因此我對 家用電動護理床設計了以下幾種功能：1.平躺;2.整床升降 ;3 抬背;4 曲/ 伸腿.。 2.2.2 設計指標 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標準，同時類比國內(nèi)外文獻中的相關參數(shù)， 作為設計指標。 1、外形尺寸 家用電動護理床主要用于家庭中，因此在使用各個姿態(tài)時，其所占的空間范圍必 須與家庭房間的相關尺寸相適應，選取適當?shù)某叽缒軌蜃尡蛔o理人員感到舒服。 按照中華人民共和國行業(yè)標準病床標準，家用電動護理床的外形尺寸最終 取為： 長寬=2000mm1000mm 高=300520mm 2、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 2000N 的載荷，這 2000 包括 1500N 患者重量、200N 床墊和 300N 附件。 標準中提供了人體在床的各個板塊上的重量分布（如圖 2.1 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。 7 7 圖 2.1 床面各板塊人體重量分布 3、體位調(diào)整類指標 體位調(diào)整類指標包括背升角度、大腿床板抬升角度、小腿床板抬升角度。 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(diào)節(jié)范 圍建議值： 1) 背板與水平面間夾角（圖 2.2 中 A）應能從 0 85o（或更大）可調(diào)。 2) 大腿板與水平面間夾角（圖 2.2 中 B）應能從 050 o（或更大）可調(diào)。 3) 小腿板與水平面間夾角（圖 2.2 中 C）應能從 050 o（或更大）可調(diào)。 4) 大腿板與小腿板間夾角（圖 2.2 中 D）應能調(diào)至 180o（平面） 。 圖 2.2 床面各板的推薦調(diào)節(jié)范圍 8 8 綜合考慮上述提供的數(shù)據(jù)，參照翻閱的相關結(jié)果，并且考慮文獻中同類研究的相 關參數(shù)，確定了體位調(diào)整類具體指標（見表 2.1） 。 表 2.1 體位調(diào)整類指標 運動指標 具體數(shù)值 背升角度 070 o 大腿床板 翻轉(zhuǎn)角度 035 o 整床升降 高度范圍 300520mm 注：以上各項動作均可以在設定范圍內(nèi)的任意角度隨時停止。 2.3 家用電動護理床總體方案設計 2.3.1 整體布局 按照床的整體分布，家用電動護理床可以分為總體框架、抬腿部件、抬背部件、 整床升降，部件智能座便系統(tǒng)五大功能模塊。在總體布局時，有以下幾方面要求： 1、 綜合考慮兩種狀態(tài)下的尺寸、穩(wěn)定性和強度要求； 2、布局要使各個模塊的機構(gòu)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??；各個功能模塊機構(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，使機器和人的重心始終處于機構(gòu)中間位置，以增強整 體穩(wěn)定性和使用者的心理安全感。 2.3.2 床面設計 9 9 家用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(zhuǎn)動，這就給床板之間的連接提出了很高的要求，結(jié)合所需實現(xiàn) 的功能，本文提出采用分體式雙層床面結(jié)構(gòu)（如圖 2.3 所示)。 圖 2.3 床面結(jié)構(gòu)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 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。 尺寸項 具體數(shù)值 背板 760mm 臀部板 230mm 大腿板 400mm 小腿板 610mm 10 10 表 2.3 家用電動護理床實現(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(zhuǎn) 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(zhuǎn)； 8、7 床板組合聯(lián)動， 繞 Y3 軸翻轉(zhuǎn) 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)。 2.4 護理床各功能模塊構(gòu)型設計 2.4.1 抬背構(gòu)型設計 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。 （如圖 2.4 所示） 平躺 抬背 曲/伸腿 11 11 圖 2.4 抬背機構(gòu)的 3 種備選構(gòu)型 構(gòu)型 a：該機構(gòu)是螺旋連桿組合機構(gòu)，其有四個活動件，五個轉(zhuǎn)動副，一個高副， 故其自由度為 F=4*3-2*5-1=1，該機構(gòu)有 1 個原動件，具有確定運動，該機構(gòu)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(gòu)型為螺旋傳動， 缺點是結(jié)構(gòu)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(gòu)型 b：該抬背機構(gòu)為螺旋一連桿組合機構(gòu)，其有三個活動件，四個轉(zhuǎn)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(gòu)的驅(qū)動方式可采用電 動推桿作為驅(qū)動部件，該機構(gòu)構(gòu)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(gòu)型。但是在護 理床的結(jié)構(gòu)中，支撐框架的 Z 向尺寸較小，而背板又要翻轉(zhuǎn) 70 度。 ，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。 構(gòu)型 c：該機構(gòu)為螺旋一連桿組合機構(gòu)，實際上可以等效為一四桿機構(gòu)，等效后的 機構(gòu)具有 3 個活動構(gòu)件，3 個轉(zhuǎn)動副，1 個移動副，因此自由度 F=3*3-2*4=1，該機構(gòu) 需要 1 個原動件來確定運動。采用電動機作為動力源，可以獲得很大的翻轉(zhuǎn)角度,但是 該機構(gòu)成本較高。 綜上所述，構(gòu)型 C 為三種之中的最優(yōu)構(gòu)型，故抬被機構(gòu)最終采用該構(gòu)型。 2.4.2 曲腿機構(gòu)的設計 曲腿機構(gòu)的設計與抬背機構(gòu)的相同。 2.4.3 整床升降機構(gòu)的設計 12 12 整床機構(gòu)的設計有以下兩種方案選擇 第一種方案是采用聯(lián)動的兩個平面四桿機構(gòu)，簡圖如下： 第二種方案采用四個相同的電動推桿分別支撐床的四邊，簡圖如下： 第一種方案 該機構(gòu)為四桿機構(gòu)，有 3個活動件，四個轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)緊湊，運動精準，并且穩(wěn)定， 價格低廉。 第二種方案 該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但是其不穩(wěn)定，采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。 13 13 2.4.4 抬背、腿機構(gòu)的設計 抬腿機構(gòu)的構(gòu)型相對來講和抬背機構(gòu)是相同的，抬背機構(gòu)和抬腿機構(gòu)總體的簡圖 如圖 2.6，圖 2.7 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動機驅(qū) 動螺桿 7 轉(zhuǎn)動，使得螺帽 6 向右運動，再由連桿 5 驅(qū)動床板 1 旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起。 需要曲膝時，同樣右邊的電動機工作，通過螺桿 10 轉(zhuǎn)動，使螺帽 9 向左運動，再由連 桿 8 驅(qū)動床板 3 旋轉(zhuǎn)。坐起和曲膝動作如圖“坐起狀態(tài)” 。 圖 2.6 運動之前機構(gòu)簡圖 圖 2.7 運動之后機構(gòu)簡圖 14 14 2.5 本章小結(jié) 本章完成了多功能護理床總體方案的設計。 1、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。 2、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(jié)構(gòu)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(gòu)構(gòu)型。 第三章 家用電動護理床的運動機構(gòu)設機及相關計算 3.1 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=2000mm1000mm,高=300520mm 抬背角度為 070 o 大腿翻轉(zhuǎn)角度為 035 o 3.2 電動機的選擇 3.2.1 整床升降電動機的選擇 1）功率： 15 15 時間 t=35s ， 上升高度 h=220mm ，極限夾角 ，轉(zhuǎn)臂角速度為90 srads049.3521 轉(zhuǎn)臂速度： smsh09.2.11 負載 ,轉(zhuǎn)臂所傳遞的功率為 （忽略轉(zhuǎn)臂自重）NT30 WTP309.311 電 動 機 的 許 用 功 率： P 許 忽略軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿自重）1P789.04.3221 軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電動機實際功率： W.178實 由以上結(jié)果知，選定額定功率為 100W 的單向電容式減速電動機。其相關參數(shù)如下 16 16 2)電機轉(zhuǎn)速 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st35 導程間距 ，可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約：md2 min18960352rn 3.2.2 坐起電動機 1）功率 取 t=30s，極限角度 =70o，轉(zhuǎn)臂角速度： 17 17 srads047.318702 轉(zhuǎn)臂速度： sml 1.28.2 負載 ，則轉(zhuǎn)臂傳遞的功率：NT102 （忽略轉(zhuǎn)臂自重）wTP4.12 電 動 機 的 許 用 功 率： P 許 2 = （忽略軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿自重）W309.804.22軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電動機實際功率： P 許 2 1.2=36W2 由以上結(jié)果知，選用額定功率為 40W 的單相電容式減速電動機。相關參數(shù)如下 2）轉(zhuǎn)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，可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速： n=36523060r/min=365r/min 18 18 圖 3.1 坐起螺桿的導程示意圖 3.2.3 曲腿電動機的選擇 1）功率： ，極限角度 ，轉(zhuǎn)臂角速度：st35o35srads0174.358 轉(zhuǎn)臂速度： sml 35.2.3 負載 T3=1000N，則轉(zhuǎn)臂所傳遞的功率： （忽略轉(zhuǎn)臂自重）WTP. P 許 3= (忽略軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿量）P1.9.084.522軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電動機實際功率：P 3=P 許 31.2=10.9W 由以上結(jié)果知，選定額定功率為 25W 的單相電容式減速電動機。相關參數(shù)如下 19 19 2）轉(zhuǎn)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st35 桿導程間距 ，可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約：md2min10463521rn 圖 3.2 屈膝時螺桿的行程示意圖 3.3 零件的設計與校核 3.3.1 橫軸的設計與校核 1、求軸上的功率 P2、P 3轉(zhuǎn)速 n1、n 2及轉(zhuǎn)矩 T2、T 3。 P2 P2 電機 螺桿 軸承 （忽略連桿重量）W9.047 P3 P3 電機 螺桿 軸承 109.452 20 20 min389.026rn13 NnPT5689.05.922 m71.33 將軸設計為實心光軸。 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。 1、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。 2、 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。 3、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。 軸的計算應力 MpaMpaWT1825.06332 4.733 其中 是抗扭截面系數(shù)， =3316d 由以上計算確定軸的材料為 40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。 21 21 查機械設計手冊得 。因此 。故，軸安全Mpa2751132ca 3.3.2 螺桿的設計與校核 1、螺桿的確定 （1）自鎖性；由于在升降過程中要求能在任意一個角度停止，故對其自鎖性能有很高 的要求，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(gòu)中對自鎖性 有很大要求，故對其進行校核： 其中 ,梯形螺紋92.1)tan(dpcr 9.5costanfr 1.0f ，螺距 p=2mm，d 2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） 螺桿的扭矩 ；因三根螺桿中使病人坐起的機構(gòu)中螺桿受力最大，故先設 計該機構(gòu)中的螺桿。負載 T2=1000N，螺桿軸向力最大為 1000N。 其中螺桿所受扭矩： 。mNdF 34.1029)6tan(10)tan(2 由此得出螺紋最小扭矩為 1.2Nm 時即可將 1000N 負載支起。而電動機提供給螺 桿的轉(zhuǎn)矩為 ，故符合要求。mNT34.57.1360.9 2、螺紋長度的確定 由前面電動機選擇過程中求電動機轉(zhuǎn)速時算出的數(shù)據(jù)： 整床升降螺桿行程為 220mm，螺桿螺紋長度選 250mm，據(jù)床的整體機構(gòu)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(gòu)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(gòu)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。 3、螺桿強度校核：在升降過程中，螺桿受軸向壓力 F 和轉(zhuǎn)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： 22 22 2312164dTFca 式中 為螺桿材料的許用應力（MPa） ， 。5s 電動機提供給螺桿的扭矩： 。mNT7.13650.9, 其中 F 為軸向壓力： 。dtgFv62, d1為螺紋小徑。 經(jīng)計算得 。查機械手冊得 ，因此 ，故安全。Mpaca7.6Mpa911ca 4、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，則螺紋2d 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） 。 5、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)，為此應按 照螺桿的穩(wěn)定性條件來驗算螺桿的穩(wěn)定性。 1.坐起螺桿 查教材，u 取 0.5（兩端固定） 螺桿的柔度： ils 得：41d)(405需 要 校 核s 根據(jù)歐拉公式計算： NutEIFcr 8.105745.06 .12)(242 23 23 NF17636./8.05SCrsc 穩(wěn)定性安全系數(shù)取 （傳力螺旋） ， ，故認為螺桿穩(wěn)定。.53s scS 2.整床升降螺桿 （不需要校核）40iuls 3.曲腿螺桿 。 （不需要校核）21ils 3.3.3 坐起機構(gòu)中零件的設計與校核 1、連桿的設計 A.初步確定連桿材料和長度 假設坐起機構(gòu)升降到 70 度時螺帽的行程的最終位置與背部床板旋轉(zhuǎn)點的水平距離為 mm,連桿與背部床板連接點到其旋轉(zhuǎn)點的距離為 =280mm,螺帽運動軸線到2401LL2 旋轉(zhuǎn)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)：3 9.1)7tan(e 9.1)70sin(eb mal.925011 mbl.322 )70cos(22213 llL 得 L63 24 24 故連桿 為 326mm，寬和高都為 40mm,材料為 40Cr 調(diào)質(zhì)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。.6/4053paWcaMpaca1 3.3.4 曲腿機構(gòu)中零件設計與校核 1、連桿的設計 A.連桿的設計 25 25 按照坐起機構(gòu)的算法可以得出 =164mm，選擇連桿的長度為 1604mm,寬和高都L3 為 40mm。材料為 40Cr 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。 B.連桿強度校核 因本機構(gòu)中連桿材料與坐起機構(gòu)中一樣，但長度和受力卻較前者小，故無需強度 校核。 3.3.5 整床升降中的零件設計與校核 A.連桿的設計 由于整床上升的距離為 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(diào)質(zhì)處理。 B.連桿強度校核 因其所受的平均力較小，故不用校核。 3.4 本章小結(jié) 本章承接上文的總體設計方案，以科學的方法和數(shù)據(jù)，完成了家用電動護理床的 詳細設計。 1、完成了基本參數(shù)的設計。 2、完成了三個運動機構(gòu)的設計。 3、完成了零件的設計。 26 26 第四章 三個機構(gòu)的運動分析及三維模型圖 4.1 設計仿真應用軟件概述 UG 是 Unigraphics 的縮寫，這是一個交互式 CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機 輔助制造) 系統(tǒng)，它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構(gòu)。它在誕生之 初主要基于工作站，但隨著 PC 硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在 PC 上的應用取 得了迅猛的增長，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。 UG 的開發(fā)始于1969年，它是基于 C 語言開發(fā)實現(xiàn)的。UG NX 是一個在二和三維 空間無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的 軟件工具。其設計思想足夠靈活地支持多種離散方案。因此軟件可對許多不同的應用 再利用。 一個給定過程的有效模擬需要來自于應用領域(自然科學或工程)、數(shù)學(分析和數(shù)值 數(shù)學)及計算機科學的知識。然而，所有這些技術在復雜應用中的使用并不是太容易。 這是因為組合所有這些方法需要巨大的復雜性及交叉學科的知識。最終軟件的實現(xiàn)變 得越來越復雜，以致于超出了一個人能夠管理的范圍。一些非常成功的解偏微分方程 的技術，特別是自適應網(wǎng)格加密（adaptivemeshrefinement ）和多重網(wǎng)格方法在過去 的十年中已被數(shù)學家研究，同時隨著計算機技術的巨大進展，特別是大型并行計算機 的開發(fā)帶來了許多新的可能。UG 的目標是用最新的數(shù)學技術，即自適應局部網(wǎng)格加密、 多重網(wǎng)格和并行計算，為復雜應用問題的求解提供一個靈活的可再使用的軟件基礎。 來自 SiemensPLM 的 NX使企業(yè)能夠通過新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)向產(chǎn)品全 生命周期管理轉(zhuǎn)型的目標。 NX 包含了企業(yè)中應用最廣泛的集成應用套件，用于產(chǎn)品 設計、工程和制造全范圍的開發(fā)過程。如今制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)是，通過產(chǎn)品開發(fā)的 技術創(chuàng)新，在持續(xù)的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了 真正地支持革新，必須評審更多的可選設計方案，而且在開發(fā)過程中必須根據(jù)以往經(jīng) 驗中所獲得的知識更早地做出關鍵性的決策。NX 是 UGS PLM 新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā) 系統(tǒng)，它可以通過過程變更來驅(qū)動產(chǎn)品革新。 NX 獨特之處是其知識管理基礎，它使 27 27 得工程專業(yè)人員能夠推動革新以創(chuàng)造出更大的利潤。 NX 可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知 識，根據(jù)已知準則來確認每一設計決策。NX 建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的 成功經(jīng)驗基礎之上，這些解決方案可以全面地改善設計過程的效率，削減成本，并縮 短進入市場的時間。通過再一次將注意力集中于跨越整個產(chǎn)品生命周期的技術創(chuàng)新， NX 的成功已經(jīng)得到了充分的證實。這些目標使得 NX 通過無可匹敵的全范圍產(chǎn)品檢驗 應用和過程自動化工具，把產(chǎn)品制造早期的從概念到生產(chǎn)的過程都集成到一個實現(xiàn)數(shù) 字化管理和協(xié)同的框架中。 4.2 三維模型 1.整床模型 28 28 2 整床升降機構(gòu) 29 29 結(jié)論 根據(jù)市場對高級家用電動護理床的需求，本文設計了家用電動護理床。通過這段 時間的努力，對家用電動護理床的結(jié)構(gòu)進行了全面的分析、計算。此護理床主要實現(xiàn) 三大功能，由四大模塊組成 ，該論文在閱讀大量的相關專業(yè)文獻的基礎上，對家用電 動護理床進行了認真和深入的研究，主要完成了如下工作: 一、家用電動護理床的總體方案設計： 該家用電動護理床主要實現(xiàn)坐起，曲腿、整床升降、自鎖等功能，并根據(jù)中華人民 共和國醫(yī)用電器相關條例設計出家用電動護理床的各個單元模塊外形尺寸、承載能力， 各模塊所能完成的功能特性設計以及護理床的整體布局。 二、家用電動護理床各個運動機構(gòu)的設計和相關計算 主要計算了坐起機構(gòu)，曲腿，整床升降所使用的連桿，螺桿，進行了詳細的分 析和計算，并且選擇了所需的電動機。 三、對幾個運動機構(gòu)進行了運動分析 對幾個機構(gòu)的不同的幾個運動狀態(tài)進行了速度，位移和加速度的分析 四、家用電動護理床的二維制圖和三維建模 通過繪圖軟件 pro/E、AutoCAD 繪制了家用電動護理床的二維圖和三維建模。 隨著社會的發(fā)展，科技的不斷創(chuàng)新，以及人們對高質(zhì)量，人性化，智能化的產(chǎn)品 需求，家用電動護理床將是一個前景非常寬廣的醫(yī)療器械。未來的電動護理床將會往 智能化，多功能化發(fā)展。 30 30 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 劉鴻文.材料力學.高等教育出版社. 2002.9 3 范欽珊，殷雅俊. 材料力學.北京，清華大學出版社.2004 4 濮良貴，紀名剛.機械設計. 高等教育出版社.2001.4 第 7版 5 李杞儀，趙韓主編. 機械原理. 武漢：武漢理工大學出版社，2009.8 6 吳宗澤.機械零件設計手冊.機械工業(yè)出版社.2004.1 7 王昆等.機械設計課程設計.高等教育出版社.1995.12 8 王文斌等.機械設計手冊. 第 3版.北京，機械工業(yè)出版社.2004.8 9 朱冬梅，胥北瀾.畫法幾何及機械制圖.第 5版.高等教育出版社.2000.12 10 白建軍，張華，劉繼忠輪椅床智能座便器的設計【J】 機械設計與研究， 2010，26(1)：121-124 11 吳劍機器人化多功能護理床的研究與開發(fā)【D】 華南理工大學，2003 31 31 致謝 感謝聶松輝老師對我畢業(yè)設計的悉心指導，我的畢業(yè)設計從選題到數(shù)據(jù)的選取到最后 圖稿的完成，以及設計說明書的書寫，過程中出現(xiàn)過很多問題，多虧聶老師不厭其煩 的細心指正，使我能夠順利完成畢業(yè)設計，心中的感激之情無以言表，同時也表示慚 愧，很多地方都沒有做到最好，讓老師煩心了。 同時，也感謝我的父母支持我的學業(yè)，為了我辛勤的勞動，付出了很多，我將繼續(xù)努 力奮斗，爭取為社會貢獻一份力量，不辜負父母和老師的期望。