分离式机器床椅设计【含CAD图纸、三维模型、毕业论文、答辩稿】
分离式机器床椅,PROFESSIONAL GENERATION GRADUATION REPORT POWERPOINT TEMPLATE,选题背景,重病患者行动不便,换乘,将病人从病床转移到轮椅的过程会对病人造成极大的身体负担,也会对医护人员造成很大的劳动负担,常常需要2-3人才能完成。,分离式机器床椅总体图,轮椅部分,床体部分,控制系统的选择,根据受力分析可选最大载荷为2000N的电动推杆,空载电压12V电流4A。满载时电压12V电流20A。选用推杆控制器如下图,带有有线遥控器。,蓄电池的选用 蓄电池选用额定电压12V 容量100Ah规格,分离式机器床椅的控制流程,1.病床变形为轮椅,开启电源后按下升背按钮,电动推杆1的电机反转,推杆1缩短,拉动背板支架使背板抬高,当病患觉得舒适时松开按钮,停止升高背板。然后按下降腿按钮,电动推杆2的电机反转,推杆2缩短,拉动腿板支架使腿板下降,当被护理人员觉得舒适时松开按钮,停止下降腿板,关闭电源。完成病床到轮椅的转换。,分离式机器床椅的控制流程,2.轮椅复位变回病床,开启电源后按下降背按钮,电动推杆1的电机正转,推杆伸长,推动背板支架使背板降低,当背板复位后松开按钮,停止运动。然后按下升腿按钮,电动推杆2的电机正转,推杆2伸长,推动腿板支架使腿板上升,当腿板与足板都复位后松开按钮,停止下降腿板,关闭电源。完成轮椅到病床的转换。,欢迎各位老师指导,THANK YOU,摘 要为了减轻重症患者从床上转移到轮椅所带来的身体负担和医护人员的体力劳动,设计一个可分离变形为轮椅的床,实现无需患者移动的床椅换乘。分离式的机器床椅的优点在于:(1) 对空间的有效利用;(2) 安全实用,避免由于老人、残疾人从普通床上转移到轮椅时,医护人员的转移动作导致的骨折、摔伤等身体二次伤害;(3) 方便移动,分离式机器床椅的分离部分通常配备电机等驱动设备,能够使老年人、残疾人以及行动不便人士方便进行移动,能够按照自己的身体、心理需求完成移动;(4) 减轻老年人、残疾人及行动不便人士的心理负担,老年人、残疾人由于长期卧床,生活普遍需要有医护人员的照料,心理负担有相当大的压力,同时,行动不便人士通常在恢复期需要亲人的照料,他们不希望给家人带来很多的麻烦,所以通常有很大的心理负担,分离式机器床椅能够给这些有心理负担的人士进行心理缓解;对分离式机器床椅的具体结构尺寸进行分析,并选用铝材,进行背板和足板的重量的计算。对轮椅进行受力分析,分析出电动推杆的最大驱动力及行程,并进行电动推杆的选型。关键词:分离式机器床椅;方案;结构;设计 AbstractIn order to reduce the physical burden of severe patients moving from the bed to the wheelchair and the physical work of the medical staff, a bed that can be separated and deformed into a wheelchair is designed to allow bed and chair transfers without the need for patient movement.The advantages of a separate machine bed chair are:(1) Effective use of space;(2) It is safe and practical to avoid secondary injuries such as fractures and falling injuries caused by the transfer action of medical staff when the elderly and disabled people are transferred from the ordinary bed to the wheelchair;(3) Convenient to move, the separated part of the separated machine bed chair is usually equipped with a motor and other driving equipment, which can enable the elderly, disabled and people with reduced mobility to move conveniently, and can complete the movement according to their physical and psychological needs;(4) Relieving the psychological burden of the elderly, the disabled and people with reduced mobility. The elderly and the disabled generally need to be cared for by the medical staff as they stay in bed for a long time. There is considerable pressure on the psychological burden. At the same time, people with reduced mobility are usually Recovery period requires the care of relatives, they do not want to bring much trouble to the family, so usually have a great psychological burden, the separation of the machine bed and chair can give these psychological burden to those who have psychological relief;The specific structural dimensions of the separated machine bed chair are analyzed, and the weight of the back plate and the foot plate is calculated by using aluminum.Analyze the force of the chair, analyze the maximum driving force and stroke of the electric push rod, and carry out the selection of electric putter.Key words: Separate machine bed chair; Plan; Structure; design目 录引 言 1第一章 绪论 21.1 设计目的 .21.2 国内外发展现状 .21.3 分离式机器床椅的优点 .8第二章 分离式机器床椅的整体方案设计 102.1 设计方案 .102.2 床体和轮椅的主体部分 .112.2.1 床体部分的主体结构尺寸 .112.2.2 轮椅部分的主体结构尺寸 .112.3 分离式机器床椅的工作原理 .122.4 分离式机器床椅的各零部件的设计 .142.4.1 滑槽部分 .142.4.2 滑轨部分 .142.4.3 足部支架部分 .152.4.4 支撑座部分 .162.4.5 背部支架部分 .172.4.6 卡紧结构 .182.5 本章小结 .19第三章 控制系统的选择 203.1 推杆的选择 .203.1.1 材料的选择与重量计算 .203.1.2 受力分析 .203.1.3 电动推杆的选型 .223.2 蓄电池的选型 .223.3 控制器的选型 .233.4 驱动器(功率放大器)的选型 .243.5 控制流程图 .253.5.1 床转化为轮椅 .253.5.2 轮椅转化为床 .263.6 本章小结 .27结 论 28参考文献 29谢 辞 31延边大学本科毕业设计说明书1引 言中国在解放初期,有着“人多力量大”的观念,基本上每家都有很多的人口,当时确实享受到了人口所带来的人口红利,但是直接导致了如今的人口老龄化愈发严重。中国是发展中国家,有许多的基础设施及服务还没有完全建设到位,比如老年人的福利问题,老年人、残疾人的照料问题,行动不便人士的照料问题。老年人通常是由于人体机能的各方面的老化,所带来的各种行动不便、生活不便。老年人的四肢的协调性下降,承重能力急剧降低,腰部、腿部通常都有一定的问题,由于身体疾病所导致的身体肌肉萎缩,个人生活能力急剧降低。残疾人士的生活起居问题,一般会请专门的保姆或者护工进行家庭照料,这样的开支一般都是很大的,如果残疾人士的经济基础并不是很好,一般都是很难支付的如此高额的费用的。同时,残疾人士的照料问题,有些并不需要完全请一个护工或者保姆进行 24 小时的全天候式的照料。某些行动不便人士,一般指由于偶发因素导致的暂时性的生活不便或者暂时性的生活不能自理的人士。这些人士大部分都不需要护工或者保姆进行照顾,但是自己进行正常的生活也十分的不便。由人口老龄化所带来的老年人的照料问题、残疾人士的照料问题以及某些行动不便人士的照顾问题,逐渐展现并成为我们社会中的一个急需解决的关键性问题。为了解决以上人士的生活照料,以及减轻医护人员的体能消耗,市场上有许多机械床椅能够实现减轻医护人员的工作压力。多功能机器护理床成为新一代医疗用具并迅速发展。目前,市场上的产品普遍认为主要能够实现老年人、残疾人及身体行动不便人士的功能有:身体翻动,背部的抬升,腿部的伸曲等生活基本动作。延边大学本科毕业设计说明书2第一章 绪论1.1 设计目的本次课题设计了一种可以实现床体拆卸一部分并变形成为轮椅的分离式机器床椅。与传统的各类机器病床相比,分离式机器床椅可以实现患者从病床到轮椅无需移动地换乘。对某些重症患者而言,从病床换乘到轮椅上可能会造成很大的身体负担,加重病情,而分离式机器床椅只需病人躺在床上,稍加扶正病人的位置后,分离出轮椅部分,通过电动推杆对背板和腿板的作用实现轮椅的变形,病人只需要一直躺在床上就可以,极大的减轻了病人的身体负担和护理人员的体力劳动。该课题主要内容是对分离式机器床椅的分离变形方式及具体结构尺寸进行分析,并选用铝材框架,进行背板和足板的重量的计算。对轮椅进行受力分析,分析出电动推杆的最大驱动力及行程,并进行电动推杆的选型。并根据电动推杆的功率选用合适的蓄电池,控制器以及驱动器。1.2 国内外发展现状多功能机械护理用床是根据病人长年卧床不起所受的痛苦和各大医院教授提出的意见而自行研制出来,专为不能自理的病人、残疾人、瘫痪病人、产妇的特殊需要而设计的护理床。相对对于国内,国外的机械床椅的设计的产品研发较早,通常认为是德国、日本等发达国家的机械床椅技术较为发达。八乐梦公司(日本)和弗尔克公司(德国)作为机械床椅的设计生产制造商,有效地推动了机械床椅在医护行业的发展。CA-29B 电动机械床椅作为八乐梦公司的经典产品之一,如图 1-1 所示,通过对保护手柄的改进,采用新型、过摇式的方式,方便快捷的实现了机械床椅的基础功能,如膝关节的伸曲升降、髋关节处的升降与弯曲、躯干的升降及各联动功能,对老年人、残疾人及行动不便人士的生理活动有着极大的帮助,能够使长时间的躺卧所带来的褥疮等疾病减少,使由于病人的位移所带来的伤害减小,分体式的护栏能够使护理人员的日常工作量降低。延边大学本科毕业设计说明书3图 1-1 1CA-29B 机械床椅弗尔克公司对机械床椅的承重进行测试,通过有效的科学计算方法,设计并生产多功能性机械床椅,从可靠性角度出发,以安全作为评判标准,为使用人士的生命安全作出保证。作为电动床,其具有较为便捷的驱动系统,较为先进的零部件。作为老年人、残疾人及生活不便人士的日常生活使用频率最高的设备之一,其还拥有较为舒服的设计理念,如具备餐桌功能,选用纯天然无污染的原生木材,不但提高了机械床椅的功能需求,还实现了其使用舒适性的提高。图 1-2 Model-S-382-Vis-vis 机械床椅相比国外的机械床椅行业,我国的起步晚,发展速度较慢,但随着改革开放以来,技术的全球化不断加剧,中国与国外的技术交流愈发频繁,国内的机械床椅行业的设计、生产商如雨后春笋一般愈发的增多。在沿海等较为发达地区的机械床椅行业的生产设计商通常先对国内其他制造商有着稍高的技术水平及制造水平,但是大多都是对国外成熟的机械床椅产品的模仿制造。河北省衡水的德百、恒泽康两家公司的机械床椅在产品外观设计和功能设计上较为相似。德百公司的 DB-A02-1 机械床椅(图 1-3) ,其主要使用者是老弱病残人士,主要解决以上人群的侧身、起坐等不同身体姿态难以自己完成的问题,如图 1-5 所示。机延边大学本科毕业设计说明书4械床椅的头、尾均采用 ABS 的组合设计,运动承接滚动轮采用通用的万向轮,选用 4个静音万向轮,使产品有较高的通用性,且能保证较低的移动噪音。同时也能有电动功能,实现机械床椅的电动能力。图 1-3 DB-A02-1 机械床椅恒泽康公司的 MD-E09 电动机械床椅,如图 1-4 所示,能够实现的功能如下:(1) 膝关节处即躯干的升降,使用人员能够较为便捷的上下床。有效的减轻护理负担。(2) 能够向左边和向右边进行身体的翻转,这样使得使用人员能够使褥疮、组织压伤等由于某个姿势的长时间保持所带来的疾病减少,同时能够使医护人员能够便捷的对老弱病残人士进行身体的清洗护理工作。(3) 能够实现膝、髋关节、踝关节等腿部关节处的升降,使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够得到适度的运动,使得人体尤其是身体下肢部位的血液得到相应的有效、合理的循环,防止四肢的血液不通畅带来的下肢麻木,以及更为严重的血液不通畅问题,如静脉曲张等问题,能够使医护人员方便的对腿部进行清洗护理工作。(4) 身体部分的升降,使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够独立的完成由平躺姿态转换为坐立姿态,基本完成生活所需耗能较大的动作,能够较为独立的完成日常生活动作。(5) 两侧防护栏的设置,能够使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够处于安全的生活活动环境中,即使有不平坦的地方,使得老年人、残疾人以及行动不便人士仍然能够凭借两侧的防护栏保证自己的人身安全。(6) 餐桌的设计,使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够方便的在机器床椅中完成吃饭、喝汤、阅览、读书、看报、书写、处理工作等生活、工作、延边大学本科毕业设计说明书5娱乐等日常生活所需活动。图 1-4 MD-E09 机械床椅江苏无锡的达尔梦达公司在电动机械床椅行业也有着较为重要的地位,其主要设计、生产制造的机械床椅分为两类:医用和家用。该公司通过对改革开放以来全球化所带来的技术的爆炸性发展和技术交流,对国外引进产品的不断研究与改进,生产出适合我国国内的一系列的电动的机械床椅产品。通过对相关专利的引进与研究,该公司也发明了许多自身的专利,对产品设计理念的深入,该公司对国内的市场需求也有着较高的清晰度。其设计的产品在国内有着较高的生产销量和市场需求,其系列产品中有某款型号的 DB-3A 机器机械床椅,能够实现多功能性的电动的机械床椅。图 1-5 DB-3A 机械床椅DB-3A 机械床椅(图 1-5)的控制设备是无线遥控设备,一般是无线遥控器,使用延边大学本科毕业设计说明书6者通过遥控器上的按键对机械床椅的各部分进行控制。如果使用人士没有基础的文化知识,则需要对机械床椅的遥控设备进行简单的学习控制,如果使用人士有基础文化知识,则一般不需要对机械遥控设备进行学习,只需要稍微进行观察演示就能上手使用。其基本控制动作有:身体躯干部位的升降,膝关节、踝关节、髋关节等下肢部位的升降,以及整体的升降。这些基本动作能够使老年人、残疾人以及行动不便人士能够通过自身完成基本的床上护理工作,通过机械床椅的协助,医护人员能够减轻护理工作量,提高工作效率。国内也有许多人对护理床的发展做出了许多贡献:张建国等 1通过对护理床的研究,采用人机交互的设计理念,对机器床椅进行结构设计,通过 UG 三维建模软件进行模型建立,通过机械结构的运动仿真将机器床椅的有效机构工作范围进行分析,得出机器床椅的运动学变化规律,其设计对机器床椅的设计研发有一定的参考价值。陈磊等 2采用人机工学原理,通过对比分析法,提出三种背部的抬升机构,通过对三种机械结构的对比分析,选择较为完善的机构,使用 Solidworks 三维建模软件,对其选择的机构进行三维建模,并对其控制电路进行设计,并通过数学分析计算,MATLAB 软件的仿真分析,确定机构的正常活动范围,基本达到设计需求,为电动推杆的设计奠定基础。张华等 3在分析分离式的机器床椅的功能需求的基础上,选择合理且必要的抬背机构方案,使用 Solidworks 三维建模软件,进行三维建模,运用机械原理对机构的运动计算并选用合适驱动。使用 MATLAB 进行运动仿真,其设计基本达到设计需求。李洁等 4通过对现阶段的健康恢复设备辅助工具的标准进行研究,针对现阶段的健康恢复设备辅助工具广泛性和个体差异性的判别,提出针对不同的个人的由于各体差异引起的不同的设计思路。采用国外西门子名下的针对人机交互工程的软件 JACK,对机器床椅与老年人、残疾人以及行动不便人士之间的交互进行研究,其中通过控制变量法,对身高不同、体重不同的老年人、残疾人以及行动不便人士在三种不同状态:老年人、残疾人以及行动不便人士的平躺状态,老年人、残疾人以及行动不便人士的躯干的水平、竖直状态的转换,老年人、残疾人以及行动不便人士的下肢的伸直与弯曲,与机器床椅的人机交互匹配程度的研究。通过对不同结果的分析,得出在普遍大众性的机器床椅的基础上在局部可以实现针对由于个体的差异性引起的不同的机器床椅的需求,一般指局部的结构尺寸的需求、新颖实用的机器床椅的两侧的护理床护栏的设计以及整体机器床椅的其他方面的需求,通过对由于各体的差异性引起的个体性延边大学本科毕业设计说明书7需求,为机器床椅的设计提供有效的在通用的基础上的个体性差异需求设计提供参考。陈琛等 5, 6通过对老年人、残疾人以及行动不便人士的医护问题的关注,通过用户群体的个人体验原则为基础,为机器床椅的各种多功能性和创新性提出了其独特的设计方案。对国内外的机器床椅现状进行分析和对比,针对我国的医疗机械床椅中存在的问题提出了分析,并由此引出了研究内容和研究方法。对医用机械床椅现状进行分析,主要分析了其结构尺寸、其发展过程以及用户对他的各种需求。根据不同用户的不同体验需求为设计原则,结合机械结构的设计流程,提出了其设计方案并验证方案的可行性。冯亚文等对机器床椅的功能结构进行研究,设计了较为新颖的多功能机器,床椅,可以实现在床上的如厕功能等,可以通过 PLC 控制技术来实现电动推杆的有效控制,从而满足老年人、残疾人以及行动不便人士对机器床椅的不同的动作需求。刘方圆等 7, 8通过对机器床椅的设计流程的分析,采用模块化的分析思路,将机器床椅的个机械结构,进行模块划分以及功能分析。尤其对下肢的运动模块进行了详细阐述,主要分析下肢结构的三种被动运动姿态,并且为机器床椅的下肢机构提出了设计方案,使用 MATLAB 对建立的三种数学模型进行分析,并且联合 ADAMS 仿真软件进行联合仿真。联合仿真结果验证了下肢机构的设计的合理性并且能够证明老年人、残疾人以及行动不便人士在日常生活与锻炼中能够使用到所设计的机械结构。周志勇 9-11等通过对机器床椅的感性认识,使用系统量化的方法,分析并归纳出一般的规律,从而将用户的外观感性的需求转化为机械设计师的量化的设计要素。主要从感觉、外观、性能三个方面进行逐一的量化,从而建立起有 6 个意向词和 35 个样本的基础空间。通过对不同个体的问卷调查,根据分析的数据形成机器床椅的产品设计趋势,从而根据客户需求而提出新的设计思路。张建国等 12, 13提出人性化设计是逐步成为现代化产品的设计中的一个重要的设计理念,他不单在强调产品在生态学、人体工学、美学等其他角度的设计需求,并且体现了以人为本等科技设计思想。提出并设计了符合以上设计思想的机器,床椅,使用了 Pro/E 三维建模软件进行模型的建立以及仿真分析,对后续的机器,床椅的设计有一定的指导意义。但是以上所述的许多机器床无法实现床椅分离变形的功能,针对移动身体会带来很大身体负担的患者,此次设计了这种安全实用,避免由于老人、残疾人从普通床上转移到轮椅时,医护人员的转移动作导致的骨折、摔伤等身体二次伤害的分离式机器延边大学本科毕业设计说明书8床椅。1.3 分离式机器床椅的优点 分离式的自动化机器床椅的优点在于:(1)对空间的有效利用;(2)安全实用,避免由于老人、残疾人从普通床上转移到轮椅时,医护人员的转移动作导致的骨折、摔伤等身体二次伤害;(3)方便移动,分离式机器床椅的分离部分通常配备电机等驱动设备,能够使老年人、残疾人以及行动不便人士方便进行移动,能够按照自己的身体、心理需求完成移动;(4)实现机械床椅的所有功能,分离式机器床椅的床体部分能够实现诸如背部的抬升,腿部的伸曲等生活基本动作;(5)减轻老年人、残疾人及行动不便人士的心理负担,老年人、残疾人由于长期卧床,生活普遍需要有医护人员的照料,心理负担有相当大的压力,同时,行动不便人士通常在恢复期需要亲人的照料,他们不希望给家人带来很多的麻烦,所以通常有很大的心理负担,分离式机器床椅能够给这些有心理负担的人士进行心理缓解;(6)轻便、空间利用率大,某些著名医院的床位通常很紧张,医院科室内的走廊内的加床现象已经成为普遍现象。其原因有一点是室内不仅要放置普通的床位,而且需要放置亲人等移动床椅,空间占用大。分离式机器床椅能够有效地提高个人生活能力,减少医护、亲人的数量,相应的减少空间使用,从而提高空间利用率。分离式机械床椅的设计开发与投产入市是需要通过机械设计的研发周期的。机械产品在开发前需要考虑到产品开发的价值与意义,比如:随着社会的发展与进步,消费者对产品的各个方面不断提出新的需求,过硬的质量要求、丰富的产品功能、或简约或华丽的产品设计外观、经济实惠的产品价格等,这些都激励着企业等产品设计开发商不断进行产品研发;国内市场的开放,让国外市场的进入对我国企业是个极大的挑战,同时也是个机遇,企业把握好产品设计、客户需求,在新的产品研发上不停脚步,便在全球经济一体化的现代商业贸易战中获得一席之地;现代化技术的逐渐应用,产品的更新速度不断加快,很多产品都不能靠老技术站在现代个性化产品中,需要不断且愈加重视机械产品等产品的设计开发。延边大学本科毕业设计说明书9分离式机械床椅作为市场上较为新颖的医护产品,其目标人群是老年人、残疾人、行动不便人士、医院等,作为机械产品研发同样遵循上述的产品寿命周期。分离式机械床椅的研发不仅需要有新颖的技术水平,同时需要快速的步入市场才能很好的在医护产品市场中占领地位。在分离式机器床椅的技术革新方面,松下集团拥有非常完善的、成熟的技术,所生产的分离式机器床椅受广大群众喜爱。延边大学本科毕业设计说明书10第二章 分离式机器床椅的整体方案设计2.1 设计方案本次设计分离式机器床椅时的设计思路为:通过对人机交互的人机匹配度的分析,按照目标人群的需求,设计分离式机器床椅的整体设计方案。尽量通过模块化、需求定量化的设计思路,进行分离式机器床椅的整体设计。分离式机器床椅主要有 11 部分组成:分离式机器床椅的床部分的床头柜,分离式机器床椅的床部分的床两侧扶手,分离式机器床椅的轮椅部分的轮椅的推手,分离式机器床椅的轮椅部分的扶手,分离式机器床椅的轮椅部分的座位,分离式机器床椅的床部分的开关式床门,分离式机器床椅的轮椅部分的背板支架、足板支架,分离式机器床椅的轮椅部分的背板连杆,分离式机器床椅的床部分的 4 个万向轮轮架,分离式机器床椅的床部分的 4 个万向轮。图 2-1 分离式机器床椅 catia 图延边大学本科毕业设计说明书112.2 床体和轮椅的主体部分2.2.1 床体部分的主体结构尺寸图 2-1 床体部分分离式机器床椅的床体部分的主体可以将其分为床头、床平板、两侧扶手、支架、等部分。具体尺寸如下所示:(1) 床头:688673mm 2,厚度 40mm(2) 床平板:1790000mm 2,厚度 22mm(3) 两侧扶手:长度 1305mm,截面积 1100 mm2(4) 支架:两侧长度 1710mm,前后长度 1220mm,截面积 270 mm22.2.2 轮椅部分的主体结构尺寸分离式机器床椅的轮椅部分的主体是分段的平板,分为:背板,坐板,小腿板以及足部板。延边大学本科毕业设计说明书12图 2-3 轮椅部分各部分的具体尺寸如下:(1) 背板:长度 700mm,宽 500mm,厚 22mm(2) 坐板:长度 500mm,宽 500mm,厚 22mm(3) 腿板:长度 255mm,宽 500mm,厚 22mm(4) 足板:长度 300mm,宽 500mm,厚 22mm2.3 分离式机器床椅的工作原理通过图 2-2、2-3 可以看出,分离式机器床椅可以分为床体部分和轮椅部分。床头柜在分离式机器床椅的前端,主要目的是保护老年人、残疾人及生活不便人士的安全问题,避免老年人、残疾人及生活不便人士由于意外的向上移动,导致从前端坠落。床的扶手在分离式机器床椅的两端,主要目的是保护老年人、残疾人及生活不便人士的安全问题,避免老年人、残疾人及生活不便人士由于向两侧翻身导致的向两侧移动,导致从两侧坠落。轮椅的扶手 1 在分离式机器床椅轮椅部分的背部后侧,主要目的是便于医护人员进行医疗护理,便于将在分离式机器床椅的轮椅部分从在分离式机器床延边大学本科毕业设计说明书13椅的床体部分分离出来,而且可以在电动机电力不足时,采用人工驱动的方式移动。轮椅的扶手 2 是在在分离式机器床椅的轮椅部分的两侧,采用可拆卸的扶手设计,参照行李箱的拉杆固定结构,将扶手插入轮椅扶手槽中并固定,将扶手上的按钮的垂直运动变成锁扣的水平运动。扶手主要作用是保护老年人、残疾人及生活不便人士的安全问题,避免老年人、残疾人及生活不便人士由于颠簸等突发状况,身体向两侧位移导致的向两侧坠落。轮椅座是在分离式机器床椅的轮椅部分的主体,主要目的是使老年人、残疾人及生活不便人士能够保持坐立姿态,完成分离式机器床椅的主要目的,使老年人、残疾人及生活不便人士能够自由的由躺卧姿态转换为坐立姿态,并且可以通过护理人员推动的方式进行移动。分离式机器床椅的支架部分分为背板支架和足板支架,背板支架部分主要目的是完成分离式机器床椅的轮椅部分的背部平板的俯仰运动,使得老年人、残疾人及生活不便人士能够通过背板支架部分的工作完成躺卧和坐立姿态的转换。足板支架部分的主要目的是完成分离式机器床椅的轮椅部分的足部平板的俯仰运动,分离式机器床椅的轮椅部分离开分离式机器床椅的床体部分时,膝关节处的支撑板会由于没有支撑自然落下,但是足部的支撑板同样会自然落下,为了使老年人、残疾人及生活不便人士能够有更高的舒适度,需要通过足板支架将足部的支撑板抬起,从而使得老年人、残疾人及生活不便人士的足部有所支撑。分离式机械床椅的床体床门由图 2-2 所示,此时是分离式机器床椅的床体床门的打开状态,分离式机器床椅的床体部分是由 4 个万向轮作为支撑,使得分离式机器床椅能够在空间平面内完成移动。分离式机器床椅的轮椅部分同样有 4 个万向轮,这个4 个万向轮是通过人工进行控制作为驱动来完成分离式机器床椅的轮椅部分的移动的。通过上图可知,分离式机器床椅的轮椅部分是嵌入在分离式机器床椅的床体部分的,通过滑槽完成出入的方向,并由外力进行驱动。当分离式机器床椅的轮椅部分离开或进入分离式机器床椅的床体部分时,分离式机器床椅的床门都需要打开,使得分离式机器床椅的轮椅部分能够顺利的离开或进入。床门采用 2 段折叠式打开的方式,可以节省空间。延边大学本科毕业设计说明书142.4 分离式机器床椅的各零部件的设计2.4.1 滑槽部分图 2-4 滑槽部分图 2-5 滑槽滑槽部分的具体结构尺寸如上图所示,其截面图为凹形槽,凹槽为长方形,长55mm,宽 40mm,凹形槽深度为 10mm,凹形槽宽度为 25mm,整个凹形槽的长度为1760mm。2.4.2 滑轨部分图 2-6 滑轨部分延边大学本科毕业设计说明书15图 2-7 滑轨部分滑轨部分的形状为凸槽体,如上图所示。其边长为 25mm,凸槽体下端长度 15mm,整个长度为 1020mm。2.4.3 足部支架部分图 2-8 足部支架部分延边大学本科毕业设计说明书16图 2-9 足部支架足部支架部分的结构为大 V 型板,如上图所示。中心距长 198mm,另一个中心距长 125mm,连接孔的直径为 12mm,共 3 个。大 V 型板的板子厚度为 10mm。2.4.4 支撑座部分延边大学本科毕业设计说明书17图 2-10 支撑座部分图 2-11 支撑座支撑座部分结构尺寸如上图所示,总长度为 420mm,厚度为 30mm,上端长度为50mm,各部分的长度为 60mm,10mm,240mm,10mm,两上端间距 10mm,上端连接部分的圆孔直接为 12mm,共 4 个。用于支撑背部支架。2.4.5 背部支架部分图 2-12 背部支架部分延边大学本科毕业设计说明书18图 2-13 背部支架背部支架部分的结构尺寸如上图所示,结构为 V 形板,两圆孔中心距长度为313mm、55mm,总长 396mm,两个内圆直径为 12mm,外圆直径为 30mm。2.4.6 卡紧结构图 2-14 卡扣结构 图 2-15 微型推拉式牵引电磁铁卡紧结构固定在床体上,由卡扣、微型推拉式牵引电磁铁组成。利用微型电磁铁工作将弹簧吸下,卡扣下降从而释放轮椅,实现轮椅能从床体分离。轮椅复位时,无延边大学本科毕业设计说明书19须电磁铁工作,轮椅的水平运动压缩弹簧,复位后弹簧复原实现卡紧。微型推拉式牵引电磁铁选用 12V,1.5A,行程 10mm,力度 1.5N。图 2-15 微型推拉式电磁铁结构2.5 本章小结本章设计了分离式机器床椅的总体结构以及各零件的设计,确定了床体以及轮椅部分的尺寸和结构,包括背板与足板支架的设计、背板支撑架的设计、卡紧机构的设计、滑轨滑槽的设计等。延边大学本科毕业设计说明书20第三章 控制系统的选择3.1 推杆的选择3.1.1 材料的选择与重量计算为了减轻轮椅的重量,我们选用铝材作为轮椅的支撑框架材料,铝材的密度为2.7103kg/m3。铝板框架的厚度为 2mm,床垫重量忽略不计,结合背板的体积就可以得到背板等关键支撑板的重量。* MERGEFORMAT (4-1)mV* MERGEFORMAT (4-2)abl通过计算可以获得: 43=0.75.2=710V背 板 3m足 板 43189kgm背 板 =02701足 板3.1.2 受力分析轮椅在不同位置时的电动推杆的驱动力是随时间变化的,我们需要对电动推杆进行选型时仅需要分析最大电动推杆的驱动力即可。因此,对轮椅进行受力分析,得到当背板处于水平状态时,背板的电动推杆的驱动力最大。因此,对此时的电动推杆、背架的支架及背架进行受力分析。取人体上半身重量约 40kg。延边大学本科毕业设计说明书21图 3- 1 受力分析图图 3-2 几何尺寸分析图将各部分进行简化,对其受力分析,如上图所示。其中:* MERGEFORMAT =+m1.89+4018.9NFg人背 架 背 架( ) ( )(5-1)* MERGEFORMAT (5-2)220.37.5.3mOHl* MERGEFORMAT (5-3)arcsin4.CD* MERGEFORMAT (5-4)ri6.1AO* MERGEFORMAT (5-5)28.ACH* MERGEFORMAT (5-6)104BAC* MERGEFORMAT (5-7)sin35mJO* MERGEFORMAT 2cos(OB).C(5-8)根据三角形面积不变原理:* MERGEFORMAT (5-9)0.50.5CJBE* MERGEFORMAT (5-10)73mOE根据杠杆原理可知:延边大学本科毕业设计说明书22* MERGEFORMAT (5-11)OHOEFll电 动 推 杆背 架* MERGEFORMAT (5-12)=1864.9N电 动 推 杆3.1.3 电动推杆的选型由此可知,背板处于水平状态是时,有最大的电动推杆力,此时为 1864.96N。足板处的分析思路和背板处的分析思路类似,很明显可以看出,足板的电动推杆的最大驱动力应小于背板处的,因此,以背板处为参考即可。此时,按照电动推杆的各种规格进行选型,电动推杆的型号如下图 3-3 所示。图 3-3 电动推杆的型号表经过计算,我们所得的电动推杆的最大推力为 1864.96N,因此选择最大载荷为2000N 推力的电动推杆即可。其行程为 880mm。3.2 蓄电池的选型蓄电池选用 12V,100Ah 规格。延边大学本科毕业设计说明书23图 3-4 12V 蓄电池电池规格如下图 3-5图 3-5 蓄电池参数规格3.3 控制器的选型 利用控制器连接电动推杆,控制器内部有 wifi 模块,可手动直接操作控制器,或通过有线遥控器来操作。第一排按键为背板的上升和下降。第二排按键为腿板的上升和下降,第 3 排按键是复位按钮。延边大学本科毕业设计说明书24图 3-6 推杆控制器与有线遥控器3.4 驱动器(功率放大器)的选型蓄电池为 12v,推杆电机为直流电机,选用电压范围为 9-36V 的驱动器,规格如图 3-7背板上升背板下降腿板上升腿板下降背板复位腿板复位延边大学本科毕业设计说明书25图 3-7 驱动器型号延边大学本科毕业设计说明书263.5 控制流程图3.5.1 床转化为轮椅图 3-8 病床转化为轮椅流程图分离式机器床椅,PROFESSIONAL GENERATION GRADUATION REPORT POWERPOINT TEMPLATE,选题背景,重病患者行动不便,换乘,将病人从病床转移到轮椅的过程会对病人造成极大的身体负担,也会对医护人员造成很大的劳动负担,常常需要2-3人才能完成。,分离式机器床椅总体图,轮椅部分,床体部分,控制系统的选择,根据受力分析可选最大载荷为2000N的电动推杆,空载电压12V电流4A。满载时电压12V电流20A。选用推杆控制器如下图,带有有线遥控器。,蓄电池的选用 蓄电池选用额定电压12V 容量100Ah规格,分离式机器床椅的控制流程,1.病床变形为轮椅,开启电源后按下升背按钮,电动推杆1的电机反转,推杆1缩短,拉动背板支架使背板抬高,当病患觉得舒适时松开按钮,停止升高背板。然后按下降腿按钮,电动推杆2的电机反转,推杆2缩短,拉动腿板支架使腿板下降,当被护理人员觉得舒适时松开按钮,停止下降腿板,关闭电源。完成病床到轮椅的转换。,分离式机器床椅的控制流程,2.轮椅复位变回病床,开启电源后按下降背按钮,电动推杆1的电机正转,推杆伸长,推动背板支架使背板降低,当背板复位后松开按钮,停止运动。然后按下升腿按钮,电动推杆2的电机正转,推杆2伸长,推动腿板支架使腿板上升,当腿板与足板都复位后松开按钮,停止下降腿板,关闭电源。完成轮椅到病床的转换。,欢迎各位老师指导,THANK YOU,摘 要为了减轻重症患者从床上转移到轮椅所带来的身体负担和医护人员的体力劳动,设计一个可分离变形为轮椅的床,实现无需患者移动的床椅换乘。分离式的机器床椅的优点在于:(1) 对空间的有效利用;(2) 安全实用,避免由于老人、残疾人从普通床上转移到轮椅时,医护人员的转移动作导致的骨折、摔伤等身体二次伤害;(3) 方便移动,分离式机器床椅的分离部分通常配备电机等驱动设备,能够使老年人、残疾人以及行动不便人士方便进行移动,能够按照自己的身体、心理需求完成移动;(4) 减轻老年人、残疾人及行动不便人士的心理负担,老年人、残疾人由于长期卧床,生活普遍需要有医护人员的照料,心理负担有相当大的压力,同时,行动不便人士通常在恢复期需要亲人的照料,他们不希望给家人带来很多的麻烦,所以通常有很大的心理负担,分离式机器床椅能够给这些有心理负担的人士进行心理缓解;对分离式机器床椅的具体结构尺寸进行分析,并选用铝材,进行背板和足板的重量的计算。对轮椅进行受力分析,分析出电动推杆的最大驱动力及行程,并进行电动推杆的选型。关键词:分离式机器床椅;方案;结构;设计 AbstractIn order to reduce the physical burden of severe patients moving from the bed to the wheelchair and the physical work of the medical staff, a bed that can be separated and deformed into a wheelchair is designed to allow bed and chair transfers without the need for patient movement.The advantages of a separate machine bed chair are:(1) Effective use of space;(2) It is safe and practical to avoid secondary injuries such as fractures and falling injuries caused by the transfer action of medical staff when the elderly and disabled people are transferred from the ordinary bed to the wheelchair;(3) Convenient to move, the separated part of the separated machine bed chair is usually equipped with a motor and other driving equipment, which can enable the elderly, disabled and people with reduced mobility to move conveniently, and can complete the movement according to their physical and psychological needs;(4) Relieving the psychological burden of the elderly, the disabled and people with reduced mobility. The elderly and the disabled generally need to be cared for by the medical staff as they stay in bed for a long time. There is considerable pressure on the psychological burden. At the same time, people with reduced mobility are usually Recovery period requires the care of relatives, they do not want to bring much trouble to the family, so usually have a great psychological burden, the separation of the machine bed and chair can give these psychological burden to those who have psychological relief;The specific structural dimensions of the separated machine bed chair are analyzed, and the weight of the back plate and the foot plate is calculated by using aluminum.Analyze the force of the chair, analyze the maximum driving force and stroke of the electric push rod, and carry out the selection of electric putter.Key words: Separate machine bed chair; Plan; Structure; design目 录引 言 1第一章 绪论 21.1 设计目的 .21.2 国内外发展现状 .21.3 分离式机器床椅的优点 .8第二章 分离式机器床椅的整体方案设计 102.1 设计方案 .102.2 床体和轮椅的主体部分 .112.2.1 床体部分的主体结构尺寸 .112.2.2 轮椅部分的主体结构尺寸 .112.3 分离式机器床椅的工作原理 .122.4 分离式机器床椅的各零部件的设计 .142.4.1 滑槽部分 .142.4.2 滑轨部分 .142.4.3 足部支架部分 .152.4.4 支撑座部分 .162.4.5 背部支架部分 .172.4.6 卡紧结构 .182.5 本章小结 .19第三章 控制系统的选择 203.1 推杆的选择 .203.1.1 材料的选择与重量计算 .203.1.2 受力分析 .203.1.3 电动推杆的选型 .223.2 蓄电池的选型 .223.3 控制器的选型 .233.4 驱动器(功率放大器)的选型 .243.5 控制流程图 .253.5.1 床转化为轮椅 .253.5.2 轮椅转化为床 .263.6 本章小结 .27结 论 28参考文献 29谢 辞 31延边大学本科毕业设计说明书1引 言中国在解放初期,有着“人多力量大”的观念,基本上每家都有很多的人口,当时确实享受到了人口所带来的人口红利,但是直接导致了如今的人口老龄化愈发严重。中国是发展中国家,有许多的基础设施及服务还没有完全建设到位,比如老年人的福利问题,老年人、残疾人的照料问题,行动不便人士的照料问题。老年人通常是由于人体机能的各方面的老化,所带来的各种行动不便、生活不便。老年人的四肢的协调性下降,承重能力急剧降低,腰部、腿部通常都有一定的问题,由于身体疾病所导致的身体肌肉萎缩,个人生活能力急剧降低。残疾人士的生活起居问题,一般会请专门的保姆或者护工进行家庭照料,这样的开支一般都是很大的,如果残疾人士的经济基础并不是很好,一般都是很难支付的如此高额的费用的。同时,残疾人士的照料问题,有些并不需要完全请一个护工或者保姆进行 24 小时的全天候式的照料。某些行动不便人士,一般指由于偶发因素导致的暂时性的生活不便或者暂时性的生活不能自理的人士。这些人士大部分都不需要护工或者保姆进行照顾,但是自己进行正常的生活也十分的不便。由人口老龄化所带来的老年人的照料问题、残疾人士的照料问题以及某些行动不便人士的照顾问题,逐渐展现并成为我们社会中的一个急需解决的关键性问题。为了解决以上人士的生活照料,以及减轻医护人员的体能消耗,市场上有许多机械床椅能够实现减轻医护人员的工作压力。多功能机器护理床成为新一代医疗用具并迅速发展。目前,市场上的产品普遍认为主要能够实现老年人、残疾人及身体行动不便人士的功能有:身体翻动,背部的抬升,腿部的伸曲等生活基本动作。延边大学本科毕业设计说明书2第一章 绪论1.1 设计目的本次课题设计了一种可以实现床体拆卸一部分并变形成为轮椅的分离式机器床椅。与传统的各类机器病床相比,分离式机器床椅可以实现患者从病床到轮椅无需移动地换乘。对某些重症患者而言,从病床换乘到轮椅上可能会造成很大的身体负担,加重病情,而分离式机器床椅只需病人躺在床上,稍加扶正病人的位置后,分离出轮椅部分,通过电动推杆对背板和腿板的作用实现轮椅的变形,病人只需要一直躺在床上就可以,极大的减轻了病人的身体负担和护理人员的体力劳动。该课题主要内容是对分离式机器床椅的分离变形方式及具体结构尺寸进行分析,并选用铝材框架,进行背板和足板的重量的计算。对轮椅进行受力分析,分析出电动推杆的最大驱动力及行程,并进行电动推杆的选型。并根据电动推杆的功率选用合适的蓄电池,控制器以及驱动器。1.2 国内外发展现状多功能机械护理用床是根据病人长年卧床不起所受的痛苦和各大医院教授提出的意见而自行研制出来,专为不能自理的病人、残疾人、瘫痪病人、产妇的特殊需要而设计的护理床。相对对于国内,国外的机械床椅的设计的产品研发较早,通常认为是德国、日本等发达国家的机械床椅技术较为发达。八乐梦公司(日本)和弗尔克公司(德国)作为机械床椅的设计生产制造商,有效地推动了机械床椅在医护行业的发展。CA-29B 电动机械床椅作为八乐梦公司的经典产品之一,如图 1-1 所示,通过对保护手柄的改进,采用新型、过摇式的方式,方便快捷的实现了机械床椅的基础功能,如膝关节的伸曲升降、髋关节处的升降与弯曲、躯干的升降及各联动功能,对老年人、残疾人及行动不便人士的生理活动有着极大的帮助,能够使长时间的躺卧所带来的褥疮等疾病减少,使由于病人的位移所带来的伤害减小,分体式的护栏能够使护理人员的日常工作量降低。延边大学本科毕业设计说明书3图 1-1 1CA-29B 机械床椅弗尔克公司对机械床椅的承重进行测试,通过有效的科学计算方法,设计并生产多功能性机械床椅,从可靠性角度出发,以安全作为评判标准,为使用人士的生命安全作出保证。作为电动床,其具有较为便捷的驱动系统,较为先进的零部件。作为老年人、残疾人及生活不便人士的日常生活使用频率最高的设备之一,其还拥有较为舒服的设计理念,如具备餐桌功能,选用纯天然无污染的原生木材,不但提高了机械床椅的功能需求,还实现了其使用舒适性的提高。图 1-2 Model-S-382-Vis-vis 机械床椅相比国外的机械床椅行业,我国的起步晚,发展速度较慢,但随着改革开放以来,技术的全球化不断加剧,中国与国外的技术交流愈发频繁,国内的机械床椅行业的设计、生产商如雨后春笋一般愈发的增多。在沿海等较为发达地区的机械床椅行业的生产设计商通常先对国内其他制造商有着稍高的技术水平及制造水平,但是大多都是对国外成熟的机械床椅产品的模仿制造。河北省衡水的德百、恒泽康两家公司的机械床椅在产品外观设计和功能设计上较为相似。德百公司的 DB-A02-1 机械床椅(图 1-3) ,其主要使用者是老弱病残人士,主要解决以上人群的侧身、起坐等不同身体姿态难以自己完成的问题,如图 1-5 所示。机延边大学本科毕业设计说明书4械床椅的头、尾均采用 ABS 的组合设计,运动承接滚动轮采用通用的万向轮,选用 4个静音万向轮,使产品有较高的通用性,且能保证较低的移动噪音。同时也能有电动功能,实现机械床椅的电动能力。图 1-3 DB-A02-1 机械床椅恒泽康公司的 MD-E09 电动机械床椅,如图 1-4 所示,能够实现的功能如下:(1) 膝关节处即躯干的升降,使用人员能够较为便捷的上下床。有效的减轻护理负担。(2) 能够向左边和向右边进行身体的翻转,这样使得使用人员能够使褥疮、组织压伤等由于某个姿势的长时间保持所带来的疾病减少,同时能够使医护人员能够便捷的对老弱病残人士进行身体的清洗护理工作。(3) 能够实现膝、髋关节、踝关节等腿部关节处的升降,使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够得到适度的运动,使得人体尤其是身体下肢部位的血液得到相应的有效、合理的循环,防止四肢的血液不通畅带来的下肢麻木,以及更为严重的血液不通畅问题,如静脉曲张等问题,能够使医护人员方便的对腿部进行清洗护理工作。(4) 身体部分的升降,使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够独立的完成由平躺姿态转换为坐立姿态,基本完成生活所需耗能较大的动作,能够较为独立的完成日常生活动作。(5) 两侧防护栏的设置,能够使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够处于安全的生活活动环境中,即使有不平坦的地方,使得老年人、残疾人以及行动不便人士仍然能够凭借两侧的防护栏保证自己的人身安全。(6) 餐桌的设计,使得老年人、残疾人以及行动不便人士能够方便的在机器床椅中完成吃饭、喝汤、阅览、读书、看报、书写、处理工作等生活、工作、延边大学本科毕业设计说明书5娱乐等日常生活所需活动。图 1-4 MD-E09 机械床椅江苏无锡的达尔梦达公司在电动机械床椅行业也有着较为重要的地位,其主要设计、生产制造的机械床椅分为两类:医用和家用。该公司通过对改革开放以来全球化所带来的技术的爆炸性发展和技术交流,对国外引进产品的不断研究与改进,生产出适合我国国内的一系列的电动的机械床椅产品。通过对相关专利的引进与研究,该公司也发明了许多自身的专利,对产品设计理念的深入,该公司对国内的市场需求也有着较高的清晰度。其设计的产品在国内有着较高的生产销量和市场需求,其系列产品中有某款型号的 DB-3A 机器机械床椅,能够实现多功能性的电动的机械床椅。图 1-5 DB-3A 机械床椅DB-3A 机械床椅(图 1-5)的控制设备是无线遥控设备,一般是无线遥控器,使用延边大学本科毕业设计说明书6者通过遥控器上的按键对机械床椅的各部分进行控制。如果使用人士没有基础的文化知识,则需要对机械床椅的遥控设备进行简单的学习控制,如果使用人士有基础文化知识,则一般不需要对机械遥控设备进行学习,只需要稍微进行观察演示就能上手使用。其基本控制动作有:身体躯干部位的升降,膝关节、踝关节、髋关节等下肢部位的升降,以及整体的升降。这些基本动作能够使老年人、残疾人以及行动不便人士能够通过自身完成基本的床上护理工作,通过机械床椅的协助,医护人员能够减轻护理工作量,提高工作效率。国内也有许多人对护理床的发展做出了许多贡献:张建国等 1通过对护理床的研究,采用人机交互的设计理念,对机器床椅进行结构设计,通过 UG 三维建模软件进行模型建立,通过机械结构的运动仿真将机器床椅的有效机构工作范围进行分析,得出机器床椅的运动学变化规律,其设计对机器床椅的设计研发有一定的参考价值。陈磊等 2采用人机工学原理,通过对比分析法,提出三种背部的抬升机构,通过对三种机械结构的对比分析,选择较为完善的机构,使用 Solidworks 三维建模软件,对其选择的机构进行三维建模,并对其控制电路进行设计,并通过数学分析计算,MATLAB 软件的仿真分析,确定机构的正常活动范围,基本达到设计需求,为电动推杆的设计奠定基础。张华等 3在分析分离式的机器床椅的功能需求的基础上,选择合理且必要的抬背机构方案,使用 Solidworks 三维建模软件,进行三维建模,运用机械原理对机构的运动计算并选用合适驱动。使用 MATLAB 进行运动仿真,其设计基本达到设计需求。李洁等 4通过对现阶段的健康恢复设备辅助工具的标准进行研究,针对现阶段的健康恢复设备辅助工具广泛性和个体差异性的判别,提出针对不同的个人的由于各体差异引起的不同的设计思路。采用国外西门子名下的针对人机交互工程的软件 JACK,对机器床椅与老年人、残疾人以及行动不便人士之间的交互进行研究,其中通过控制变量法,对身高不同、体重不同的老年人、残疾人以及行动不便人士在三种不同状态:老年人、残疾人以及行动不便人士的平躺状态,老年人、残疾人以及行动不便人士的躯干的水平、竖直状态的转换,老年人、残疾人以及行动不便人士的下肢的伸直与弯曲,与机器床椅的人机交互匹配程度的研究。通过对不同结果的分析,得出在普遍大众性的机器床椅的基础上在局部可以实现针对由于个体的差异性引起的不同的机器床椅的需求,一般指局部的结构尺寸的需求、新颖实用的机器床椅的两侧的护理床护栏的设计以及整体机器床椅的其他方面的需求,通过对由于各体的差异性引起的个体性延边大学本科毕业设计说明书7需求,为机器床椅的设计提供有效的在通用的基础上的个体性差异需求设计提供参考。陈琛等 5, 6通过对老年人、残疾人以及行动不便人士的医护问题的关注,通过用户群体的个人体验原则为基础,为机器床椅的各种多功能性和创新性提出了其独特的设计方案。对国内外的机器床椅现状进行分析和对比,针对我国的医疗机械床椅中存在的问题提出了分析,并由此引出了研究内容和研究方法。对医用机械床椅现状进行分析,主要分析了其结构尺寸、其发展过程以及用户对他的各种需求。根据不同用户的不同体验需求为设计原则,结合机械结构的设计流程,提出了其设计方案并验证方案的可行性。冯亚文等对机器床椅的功能结构进行研究,设计了较为新颖的多功能机器,床椅,可以实现在床上的如厕功能等,可以通过 PLC 控制技术来实现电动推杆的有效控制,从而满足老年人、残疾人以及行动不便人士对机器床椅的不同的动作需求。刘方圆等 7, 8通过对机器床椅的设计流程的分析,采用模块化的分析思路,将机器床椅的个机械结构,进行模块划分以及功能分析。尤其对下肢的运动模块进行了详细阐述,主要分析下肢结构的三种被动运动姿态,并且为机器床椅的下肢机构提出了设计方案,使用 MATLAB 对建立的三种数学模型进行分析,并且联合 ADAMS 仿真软件进行联合仿真。联合仿真结果验证了下肢机构的设计的合理性并且能够证明老年人、残疾人以及行动不便人士在日常生活与锻炼中能够使用到所设计的机械结构。周志勇 9-11等通过对机器床椅的感性认识,使用系统量化的方法,分析并归纳出一般的规律,从而将用户的外观感性的需求转化为机械设计师的量化的设计要素。主要从感觉、外观、性能三个方面进行逐一的量化,从而建立起有 6 个意向词和 35 个样本的基础空间。通过对不同个体的问卷调查,根据分析的数据形成机器床椅的产品设计趋势,从而根据客户需求而提出新的设计思路。张建国等 12, 13提出人性化设计是逐步成为现代化产品的设计中的一个重要的设计理念,他不单在强调产品在生态学、人体工学、美学等其他角度的设计需求,并且体现了以人为本等科技设计思想。提出并设计了符合以上设计思想的机器,床椅,使用了 Pro/E 三维建模软件进行模型的建立以及仿真分析,对后续的机器,床椅的设计有一定的指导意义。但是以上所述的许多机器床无法实现床椅分离变形的功能,针对移动身体会带来很大身体负担的患者,此次设计了这种安全实用,避免由于老人、残疾人从普通床上转移到轮椅时,医护人员的转移动作导致的骨折、摔伤等身体二次伤害的分离式机器延边大学本科毕业设计说明书8床椅。1.3 分离式机器床椅的优点 分离式的自动化机器床椅的优点在于:(1)对空间的有效利用;(2)安全实用,避免由于老人、残疾人从普通床上转移到轮椅时,医护人员的转移动作导致的骨折、摔伤等身体二次伤害;(3)方便移动,分离式机器床椅的分离部分通常配备电机等驱动设备,能够使老年人、残疾人以及行动不便人士方便进行移动,能够按照自己的身体、心理需求完成移动;(4)实现机械床椅的所有功能,分离式机器床椅的床体部分能够实现诸如背部的抬升,腿部的伸曲等生活基本动作;(5)减轻老年人、残疾人及行动不便人士的心理负担,老年人、残疾人由于长期卧床,生活普遍需要有医护人员的照料,心理负担有相当大的压力,同时,行动不便人士通常在恢复期需要亲人的照料,他们不希望给家人带来很多的麻烦,所以通常有很大的心理负担,分离式机器床椅能够给这些有心理负担的人士进行心理缓解;(6)轻便、空间利用率大,某些著名医院的床位通常很紧张,医院科室内的走廊内的加床现象已经成为普遍现象。其原因有一点是室内不仅要放置普通的床位,而且需要放置亲人等移动床椅,空间占用大。分离式机器床椅能够有效地提高个人生活能力,减少医护、亲人的数量,相应的减少空间使用,从而提高空间利用率。分离式机械床椅的设计开发与投产入市是需要通过机械设计的研发周期的。机械产品在开发前需要考虑到产品开发的价值与意义,比如:随着社会的发展与进步,消费者对产品的各个方面不断提出新的需求,过硬的质量要求、丰富的产品功能、或简约或华丽的产品设计外观、经济实惠的产品价格等,这些都激励着企业等产品设计开发商不断进行产品研发;国内市场的开放,让国外市场的进入对我国企业是个极大的挑战,同时也是个机遇,企业把握好产品设计、客户需求,在新的产品研发上不停脚步,便在全球经济一体化的现代商业贸易战中获得一席之地;现代化技术的逐渐应用,产品的更新速度不断加快,很多产品都不能靠老技术站在现代个性化产品中,需要不断且愈加重视机械产品等产品的设计开发。延边大学本科毕业设计说明书9分离式机械床椅作为市场上较为新颖的医护产品,其目标人群是老年人、残疾人、行动不便人士、医院等,作为机械产品研发同样遵循上述的产品寿命周期。分离式机械床椅的研发不仅需要有新颖的技术水平,同时需要快速的步入市场才能很好的在医护产品市场中占领地位。在分离式机器床椅的技术革新方面,松下集团拥有非常完善的、成熟的技术,所生产的分离式机器床椅受广大群众喜爱。延边大学本科毕业设计说明书10第二章 分离式机器床椅的整体方案设计2.1 设计方案本次设计分离式机器床椅时的设计思路为:通过对人机交互的人机匹配度的分析,按照目标人群的需求,设计分离式机器床椅的整体设计方案。尽量通过模块化、需求定量化的设计思路,进行分离式机器床椅的整体设计。分离式机器床椅主要有 11 部分组成:分离式机器床椅的床部分的床头柜,分离式机器床椅的床部分的床两侧扶手,分离式机器床椅的轮椅部分的轮椅的推手,分离式机器床椅的轮椅部分的扶手,分离式机器床椅的轮椅部分的座位,分离式机器床椅的床部分的开关式床门,分离式机器床椅的轮椅部分的背板支架、足板支架,分离式机器床椅的轮椅部分的背板连杆,分离式机器床椅的床部分的 4 个万向轮轮架,分离式机器床椅的床部分的 4 个万向轮。图 2-1 分离式机器床椅 catia 图延边大学本科毕业设计说明书112.2 床体和轮椅的主体部分2.2.1 床体部分的主体结构尺寸图 2-1 床体部分分离式机器床椅的床体部分的主体可以将其分为床头、床平板、两侧扶手、支架、等部分。具体尺寸如下所示:(1) 床头:688673mm 2,厚度 40mm(2) 床平板:1790000mm 2,厚度 22mm(3) 两侧扶手:长度 1305mm,截面积 1100 mm2(4) 支架:两侧长度 1710mm,前后长度 1220mm,截面积 270 mm22.2.2 轮椅部分的主体结构尺寸分离式机器床椅的轮椅部分的主体是分段的平板,分为:背板,坐板,小腿板以及足部板。延边大学本科毕业设计说明书12图 2-3 轮椅部分各部分的具体尺寸如下:(1) 背板:长度 700mm,宽 500mm,厚 22mm(2) 坐板:长度 500mm,宽 500mm,厚 22mm(3) 腿板:长度 255mm,宽 500mm,厚 22mm(4) 足板:长度 300mm,宽 500mm,厚 22mm2.3 分离式机器床椅的工作原理通过图 2-2、2-3 可以看出,分离式机器床椅可以分为床体部分和轮椅部分。床头柜在分离式机器床椅的前端,主要目的是保护老年人、残疾人及生活不便人士的安全问题,避免老年人、残疾人及生活不便人士由于意外的向上移动,导致从前端坠落。床的扶手在分离式机器床椅的两端,主要目的是保护老年人、残疾人及生活不便人士的安全问题,避免老年人、残疾人及生活不便人士由于向两侧翻身导致的向两侧移动,导致从两侧坠落。轮椅的扶手 1 在分离式机器床椅轮椅部分的背部后侧,主要目的是便于医护人员进行医疗护理,便于将在分离式机器床椅的轮椅部分从在分离式机器床延边大学本科毕业设计说明书13椅的床体部分分离出来,而且可以在电动机电力不足时,采用人工驱动的方式移动。轮椅的扶手 2 是在在分离式机器床椅的轮椅部分的两侧,采用可拆卸的扶手设计,参照行李箱的拉杆固定结构,将扶手插入轮椅扶手槽中并固定,将扶手上的按钮的垂直运动变成锁扣的水平运动。扶手主要作用是保护老年人、残疾人及生活不便人士的安全问题,避免老年人、残疾人及生活不便人士由于颠簸等突发状况,身体向两侧位移导致的向两侧坠落。轮椅座是在分离式机器床椅的轮椅部分的主体,主要目的是使老年人、残疾人及生活不便人士能够保持坐立姿态,完成分离式机器床椅的主要目的,使老年人、残疾人及生活不便人士能够自由的由躺卧姿态转换为坐立姿态,并且可以通过护理人员推动的方式进行移动。分离式机器床椅的支架部分分为背板支架和足板支架,背板支架部分主要目的是完成分离式机器床椅的轮椅部分的背部平板的俯仰运动,使得老年人、残疾人及生活不便人士能够通过背板支架部分的工作完成躺卧和坐立姿态的转换。足板支架部分的主要目的是完成分离式机器床椅的轮椅部分的足部平板的俯仰运动,分离式机器床椅的轮椅部分离开分离式机器床椅的床体部分时,膝关节处的支撑板会由于没有支撑自然落下,但是足部的支撑板同样会自然落下,为了使老年人、残疾人及生活不便人士能够有更高的舒适度,需要通过足板支架将足部的支撑板抬起,从而使得老年人、残疾人及生活不便人士的足部有所支撑。分离式机械床椅的床体床门由图 2-2 所示,此时是分离式机器床椅的床体床门的打开状态,分离式机器床椅的床体部分是由 4 个万向轮作为支撑,使得分离式机器床椅能够在空间平面内完成移动。分离式机器床椅的轮椅部分同样有 4 个万向轮,这个4 个万向轮是通过人工进行控制作为驱动来完成分离式机器床椅的轮椅部分的移动的。通过上图可知,分离式机器床椅的轮椅部分是嵌入在分离式机器床椅的床体部分的,通过滑槽完成出入的方向,并由外力进行驱动。当分离式机器床椅的轮椅部分离开或进入分离式机器床椅的床体部分时,分离式机器床椅的床门都需要打开,使得分离式机器床椅的轮椅部分能够顺利的离开或进入。床门采用 2 段折叠式打开的方式,可以节省空间。延边大学本科毕业设计说明书142.4 分离式机器床椅的各零部件的设计2.4.1 滑槽部分图 2-4 滑槽部分图 2-5 滑槽滑槽部分的具体结构尺寸如上图所示,其截面图为凹形槽,凹槽为长方形,长55mm,宽 40mm,凹形槽深度为 10mm,凹形槽宽度为 25mm,整个凹形槽的长度为1760mm。2.4.2 滑轨部分图 2-6 滑轨部分延边大学本科毕业设计说明书15图 2-7 滑轨部分滑轨部分的形状为凸槽体,如上图所示。其边长为 25mm,凸槽体下端长度 15mm,整个长度为 1020mm。2.4.3 足部支架部分图 2-8 足部支架部分延边大学本科毕业设计说明书16图 2-9 足部支架足部支架部分的结构为大 V 型板,如上图所示。中心距长 198mm,另一个中心距长 125mm,连接孔的直径为 12mm,共 3 个。大 V 型板的板子厚度为 10mm。2.4.4 支撑座部分延边大学本科毕业设计说明书17图 2-10 支撑座部分图 2-11 支撑座支撑座部分结构尺寸如上图所示,总长度为 420mm,厚度为 30mm,上端长度为50mm,各部分的长度为 60mm,10mm,240mm,10mm,两上端间距 10mm,上端连接部分的圆孔直接为 12mm,共 4 个。用于支撑背部支架。2.4.5 背部支架部分图 2-12 背部支架部分延边大学本科毕业设计说明书18图 2-13 背部支架背部支架部分的结构尺寸如上图所示,结构为 V 形板,两圆孔中心距长度为313mm、55mm,总长 396mm,两个内圆直径为 12mm,外圆直径为 30mm。2.4.6 卡紧结构图 2-14 卡扣结构 图 2-15 微型推拉式牵引电磁铁卡紧结构固定在床体上,由卡扣、微型推拉式牵引电磁铁组成。利用微型电磁铁工作将弹簧吸下,卡扣下降从而释放轮椅,实现轮椅能从床体分离。轮椅复位时,无延边大学本科毕业设计说明书19须电磁铁工作,轮椅的水平运动压缩弹簧,复位后弹簧复原实现卡紧。微型推拉式牵引电磁铁选用 12V,1.5A,行程 10mm,力度 1.5N。图 2-15 微型推拉式电磁铁结构2.5 本章小结本章设计了分离式机器床椅的总体结构以及各零件的设计,确定了床体以及轮椅部分的尺寸和结构,包括背板与足板支架的设计、背板支撑架的设计、卡紧机构的设计、滑轨滑槽的设计等。延边大学本科毕业设计说明书20第三章 控制系统的选择3.1 推杆的选择3.1.1 材料的选择与重量计算为了减轻轮椅的重量,我们选用铝材作为轮椅的支撑框架材料,铝材的密度为2.7103kg/m3。铝板框架的厚度为 2mm,床垫重量忽略不计,结合背板的体积就可以得到背板等关键支撑板的重量。* MERGEFORMAT (4-1)mV* MERGEFORMAT (4-2)abl通过计算可以获得: 43=0.75.2=710V背 板 3m足 板 43189kgm背 板 =02701足 板3.1.2 受力分析轮椅在不同位置时的电动推杆的驱动力是随时间变化的,我们需要对电动推杆进行选型时仅需要分析最大电动推杆的驱动力即可。因此,对轮椅进行受力分析,得到当背板处于水平状态时,背板的电动推杆的驱动力最大。因此,对此时的电动推杆、背架的支架及背架进行受力分析。取人体上半身重量约 40kg。延边大学本科毕业设计说明书21图 3- 1 受力分析图图 3-2 几何尺寸分析图将各部分进行简化,对其受力分析,如上图所示。其中:* MERGEFORMAT =+m1.89+4018.9NFg人背 架 背 架( ) ( )(5-1)* MERGEFORMAT (5-2)220.37.5.3mOHl* MERGEFORMAT (5-3)arcsin4.CD* MERGEFORMAT (5-4)ri6.1AO* MERGEFORMAT (5-5)28.ACH* MERGEFORMAT (5-6)104BAC* MERGEFORMAT (5-7)sin35mJO* MERGEFORMAT 2cos(OB).C(5-8)根据三角形面积不变原理:* MERGEFORMAT (5-9)0.50.5CJBE* MERGEFORMAT (5-10)73mOE根据杠杆原理可知:延边大学本科毕业设计说明书22* MERGEFORMAT (5-11)OHOEFll电 动 推 杆背 架* MERGEFORMAT (5-12)=1864.9N电 动 推 杆3.1.3 电动推杆的选型由此可知,背板处于水平状态是时,有最大的电动推杆力,此时为 1864.96N。足板处的分析思路和背板处的分析思路类似,很明显可以看出,足板的电动推杆的最大驱动力应小于背板处的,因此,以背板处为参考即可。此时,按照电动推杆的各种规格进行选型,电动推杆的型号如下图 3-3 所示。图 3-3 电动推杆的型号表经过计算,我们所得的电动推杆的最大推力为 1864.96N,因此选择最大载荷为2000N 推力的电动推杆即可。其行程为 880mm。3.2 蓄电池的选型蓄电池选用 12V,100Ah 规格。延边大学本科毕业设计说明书23图 3-4 12V 蓄电池电池规格如下图 3-5图 3-5 蓄电池参数规格3.3 控制器的选型 利用控制器连接电动推杆,控制器内部有 wifi 模块,可手动直接操作控制器,或通过有线遥控器来操作。第一排按键为背板的上升和下降。第二排按键为腿板的上升和下降,第 3 排按键是复位按钮。延边大学本科毕业设计说明书24图 3-6 推杆控制器与有线遥控器3.4 驱动器(功率放大器)的选型蓄电池为 12v,推杆电机为直流电机,选用电压范围为 9-36V 的驱动器,规格如图 3-7背板上升背板下降腿板上升腿板下降背板复位腿板复位延边大学本科毕业设计说明书25图 3-7 驱动器型号延边大学本科毕业设计说明书263.5 控制流程图3.5.1 床转化为轮椅图 3-8 病床转化为轮椅流程图
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