多功能护理床的结构设计及优化设计

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1、摘要多功能医用护理床是一种针对危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能 随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控 制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。本文针对上述情况，提出了一 种新型的多功能医用护理床，采用三维数字化设计软件soliderworks对其进行建 模和装配，然后导出到CAD进行修改。利用机械分析软件ADAMS对其进行运动 学及动力学分析，研究了床板在各种运动状况下的角加速度对患者舒适度的影响 及线性推杆在各姿态下的受力状况，并利用ADAMS提供的优化功能对其分别进 行了运动学和动力学优化；以角加速度最大值的最小化作为优化目标函数进行运 动学优

2、化，以线性推杆受力的最大值最小化作为动力学优化目标函数，得到满足 设计要求的机构参数。采用力学理论分别对多功能医用护理床的主要零件进行力 学计算，保证了机构运动的安全性及稳定性。控制系统采用单片机控制，通过单 片机控制，实现各个机构的运动，安装传感器来控制机构所转过的角度。利用单 片机为主的控制系统，达到控制要求。关键词：多功能医用护理床，干涉检验，运动学优化，动力学优化，控制系统ABSTRACTMultifunction Nursing-bed is designed for those critically ill patients and the special needs of par

3、alyzed patients designed bed is able to adjust the angle of the back and feet. Even 讦 we can not take care of themselves, the nursing staff can also be operated bedside controller to reduce the care of sick and disabled patients with the labor intensity. In this paper, the above situation, a new typ

4、e of multi-functional medical care beds, the use of digital three-dimensional design software for modeling and soliderworks its assembly, then export to CAD and correct it. the mechanical analysis software ADAMS kinematics and dynamics of its analysis, research of the bed board in the under a wide v

5、ariety of sports on the angular acceleration of the impact of patient comfort and linear putter in the posture of the force, and provided the use of optimization ADAMS conducted its kinematic and dynamic optimization; to angular acceleration The minimum value of objective function as for kinematic o

6、ptimization, linear putting maximum stress as a dynamic optimization to minimize the objective function. Have to meet the design requirements of the body parameters. Finite calibration methods of mechanics of materials, respectively, of multi-bed medical care for the mechanical parts of the main che

7、ck to ensure the safety of the movement and stability. Control system adopts microcomputer control, through MCU control, to achieve the movement of various agencies, to install sensors to control the body turn angle. Use of microcomputer-based control system to control demand.Key words: Multifunctio

8、n Nursing-bed, interfere check, kinematics optimization, dynamics optimization, control system目录1 绪论 11.1 课题的目的及意义11.2 国内外研究状况及发展趋势11.3 本文主要研究内容错误！未定义书签。1.4 本章小结错误！未定义书签。2 护理床结构的整体方案 错误！未定义书签。2.1 护理要求错误！未定义书签。2.2 护理床的总体方案构思错误！未定义书签。2.3 本章小结错误！未定义书签。3 护理床的结构设计 错误！未定义书签。3.1 引言错误！未定义书签。3.2 侧翻机构错误！未定义书签

9、。3.3 抬背机构错误！未定义书签。3.4 曲腿机构错误！未定义书签。3.5 护理床的三维建模错误！未定义书签。3.6 本章小结错误！未定义书签。4 护理床运动学优化 错误！未定义书签。4.1 引言错误！未定义书签。4.2 侧翻机构的运动学分析错误！未定义书签。4.3 抬背机构的运动学分析错误！未定义书签。4.4 曲腿机构的运动学分析错误！未定义书签。4.5 本章小结错误！未定义书签。5 护理床动力学优化 错误！未定义书签。5.1 引言错误！未定义书签。5.2 侧翻机构动力学分析错误！未定义书签。5.3 抬背机构动力学分析错误！未定义书签。5.4 曲腿机构动力学分析错误！未定义书签。5.5 本

10、章小结错误！未定义书签。6 护理床的力学分析 错误！未定义书签。6.1 引言错误！未定义书签。6.2 力学计算6.3 本章小结7 护理床控制系统设计错误！未定义书签。7.1 引言7.2 直流电机控制原理7.3 控制系统方案7.4 控制系统的硬件设计7.5 控制系统的软件设计7.6 本章小结错误！未定义书签。 错误！未定义书签 错误！未定义书签 错误！未定义书签 错误！未定义书签 错误！未定义书签。8 结论错误！未定义书签。8.1 课题结论错误！未定义书签。8.2 课题展望错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。错误！未定义书签。 错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。1 绪论1.1 课题

11、的目的及意义多功能医用护理床是针对生活不能自理的病人、危重病人和瘫痪病人的特殊 需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员 也可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。课题根据国 家和上海市中长期发展纲要确定的研究方向和企业的具体需要，设计一种用于医 院重症病人用的多功能床，解决病人身体和生理方面的需要（抬背、翻身等）， 也减轻护理人员的劳动强度。针对市场需求开发设计一种结构简单、工作可靠、 使用方便的多功能护理床并进行动态仿真，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，人口寿命不断

12、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 岁及 其以上老年人口已达1.32 亿, 占全国总人口的10%, 并以年均3.32%的速度持续 增长。其中“空巢家庭”占所有老龄家庭总数的25.8%,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1。为此, 国家也大

13、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 前是简易的记理床,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。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

14、 者所接受。护理床的基本分类情况如下1：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

15、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。类型一（按动力分护理床分类L类型二（抜功能分）p手动护理床 电动护理床功能基础型一功能普通型功能高级型1.2.1 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

16、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2。如今多功能医用护理床的各种类型图 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：侧翻抬背和曲腿另一种侧翻1.2.2 测量系统的发展临床上被称为生命体征参数的血压、心率和体温是衡量人体机能状况的重要指标,这些参数的测量是日常护理的重要组成部分。传统的方式是由医护人员以 通用的测量装置对

17、各参数逐一进行测量,这无疑给医护人员增加了很大工作量。 在多功能护理床中,利用单片机系统能很方便地实现对血压、心率和体温等的采 集、处理,并将采集数据传送给医护人员,提高了护理工作的品质和效率。多功能 护理床除了完成基本的肢体动作功能以外,根据临床护理的需要,还对生命体征 参数进行测量。为实现此目的所搭建的系统硬件主要由参数转换传感元件、处理 电路、单片机、液晶显示器、数据传输等部分组成, 为了测得所需的数据,选择 合适的传感器是至关重要的。人体的血压、心率和体温分别由压力传感器、脉搏传感器和温度传感器进行采集并转换为电信号。在多功能护理床中,通过传感器 采集人体血压、心率和体温信号,送入单片

18、机处理,处理结果通过网络传入上位机, 可根据设定值,判断是否超出规定值,发出报警信号,方便医护人员及时作出相应 处理。此测量系统增加了护理床的功能,提高了性能价格比,适合大中型医院、疗 养院以及普通家庭使用。整个系统使用方便,操作简单,扩展功能强,在普通护理 床基础上增加了测量病人血压、心率和体温的功能,为医疗护理行业提供了新的 测量方法。RS232计算机cHTTXD P1.4RXDSTALiSTAkAD574 匚PO AT89C52跟随器P1.SCD4Q51 二| I JlQ4 Q4 D474LS74CTP3.3P1.6放大放大放大压力温度传感器传感器温播传感器P2P1.0P1JP12P1J

19、图 1-3 血压、心率和体温测量系统1.2.3 控制系统的发展可编程控制器(PLC)作为新一代的工业控制装置，由于具有结构简单、组合 灵活、性能优良、通用性强、简单易用等特点, 特别是它的高可靠性和适应性, 深 受广大用户的欢迎，已在工业控制中得到了广泛的应用4现在的PLC可管理高 达5000多点的I/O 口，并有很高的指令执行速度和高可靠性，使它能满足多轴 运动控制系统的控制要求。PLC对护理病床多轴运动控制主要的优势表现为有足 够容量的存储单元和大量高速运算指令，能够进行各种接口、通信、数据逻辑运 算及复杂的逻辑控制。然而PLC的高可靠性、灵活高速的运算指令并不能弥补其 昂贵的造价和有限的

20、扩展性。而MS51系列单片机系统却以其低成本、高集成、速度快、易扩展被广泛地应用于工业生产的方方面面。1.2.4 机器人化智能语音系统 语音作为当前控制方法中最自然的控制命令, 随着计算机和语音处理技术 的发展 ,语音识别系统的实用性不断提高。语音识别控制技术将是今后一段时期 语音技术的发展方向。将语音识别技术引入到护理床控制，将为丧失自理能力的 使用者带来极大的便利。护理床的语音控制系统包含语音识别模块和语音回放模 块，从而使护理床不但能实现语音控制操作，而且通过语音回放模块可以为使用 者提供语音反馈，更有亲和力，更具人性化。语音控制技术是现有各种控制方式 中的一种高级控制方式,它具有控制方

21、式自然、方便,亲和力好,适用范围广的特 点. 将语音控制技术引入到护理床的控制之中,将极大地方便使用者,尤其对于 那些丧失或部分丧失活动、自理能力的患者而言,语音控制可以帮助他们增强自 信心,减轻对他人的依赖,增添生活的勇气和信心13。(1) 语音信号的采集处理过程语音信号是一种典型非平稳信号，但常常可假定为短时平稳的，既在1020ms内其频谱特性可近似看作不变，可采用平稳过程的分析处理方法来处理，即 语音信号的时域处理方法。图 1-5 语音信号处理过程(2) 语音识别方式语音识别分为特定人识别系统和非特定人识别系统，由于使用者的语音以及 地方语言存在很大差异性，我们使用可不依赖于对地方语言识别的特定人识别系 统，即每一位使用者都必须在使用前建立自己专用的参考模式库，然后说话人的 语音数字流与一套公用的参考模式库啮合，进行少量的训练修改，使之能自动适 应用户的语音特性。