水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
目 錄
摘要 1
ABSTRACT 2
1 緒論 3
1.1 課題研究的背景 3
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)查 5
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 5
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 7
1.3 課題的發(fā)展趨勢 8
1.4 課題研究意義 8
1.5 課題的主要研究內(nèi)容和擬解決問題 9
1.6 本章小結(jié) 10
2 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的概要設(shè)計(jì) 10
2.1 用戶需求分析 10
2.2 人體下肢模型分析 11
2.3 設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)要求和指標(biāo) 14
2.4 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì) 16
2.4.1 相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的查詢與確定 16
2.4.2 尺寸參數(shù)的初步分析 17
2.4.3 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍分析 18
2.4.4 機(jī)構(gòu)方案的分析與選型 20
3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能分析 23
3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能分析的目標(biāo) 23
3.2 基于Solidworks和AutoCAD的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 23
3.3 基于Solidworks motion的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 26
3.3.1 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)力學(xué)分析 26
3.3.2 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 29
3.4 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析 35
3.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的結(jié)果 37
3.6 本章小結(jié) 38
4 水平與垂直機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 38
4.1 連接與驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 38
4.2 驅(qū)動(dòng)方案的確定 39
4.3 材料的選定 40
4.4 本章小結(jié) 40
5 裝配調(diào)試與強(qiáng)度校核 40
5.1 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的裝配 40
5.2 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核 41
5.2.1 Solidworks simulation概況 41
5.2.2 分析中所需的主要數(shù)據(jù) 42
5.2.3 部分仿真過程及結(jié)果展示 42
5.3 本章小結(jié) 43
6 總結(jié)與展望 43
6.1 全文總結(jié) 43
6.2 后續(xù)的研究方向與展望 45
6.3 心得體會(huì) 45
參考文獻(xiàn) 47
附錄 49
3
摘 要
由于嚴(yán)重的老齡化趨勢，中國社會(huì)中臥床不起的老人的人數(shù)占比很大，他們因?yàn)槟挲g的增長導(dǎo)致的下肢運(yùn)動(dòng)能力的退化，在日常生活中無法獨(dú)立的完成吃飯、洗漱等動(dòng)作，一舉一動(dòng)都需要他人的幫助與照顧。這給他們帶來了巨大的痛苦，也給其家人和醫(yī)護(hù)人員帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。
本次所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，在本文的研究背景下，它主要是出現(xiàn)在醫(yī)用智能護(hù)理床中，作為其重要的一部分，為患者的下肢提供輔助康復(fù)訓(xùn)練功能。它可以通過機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在一個(gè)平面與兩個(gè)相垂直的機(jī)構(gòu)之間互相轉(zhuǎn)換，在醫(yī)用智能護(hù)理床中，主要實(shí)現(xiàn)了下肢運(yùn)動(dòng)障礙者在長期臥床環(huán)境下的上下屈腿功能，幫助患者進(jìn)行一些簡單的關(guān)節(jié)、肌肉運(yùn)動(dòng)，防止因長期臥床的情況而出現(xiàn)的肌肉萎縮、神經(jīng)壞死問題的出現(xiàn)。通過一系列的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減少對(duì)照顧老年人所需的人力需求，減輕其家人和醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)提供更好的康復(fù)治療效果。
本文在滿足患者心理需求和生理康復(fù)需求的大前提下，結(jié)合了人體工學(xué)的相關(guān)知識(shí)，秉持著安全、高效、舒適的原則，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)。其中包括下肢模型的分析、機(jī)構(gòu)的方案選定、三維二維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的分析和仿真等等。確定的機(jī)構(gòu)是以電動(dòng)推桿帶動(dòng)大腿板的運(yùn)動(dòng)，通過平行四邊形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證小腿板的平行，達(dá)到大腿板和小腿板之間的水平與垂直位置轉(zhuǎn)換。
關(guān)鍵詞：水平與垂直轉(zhuǎn)換，醫(yī)用護(hù)理床，屈腿，三維建模
Horizontal and vertical conversion mechanism design
ABSTRACT
Due to the serious aging trend, the number of elderly people who are bedridden in Chinese society accounts for a large proportion. They are unable to independently complete eating, washing and other activities in daily life due to the deterioration of lower limb exercise capacity caused by their age. All actions require the help and care of others.
The mechanism we designed this time is the horizontal and vertical conversion mechanism. In the research background of this paper, it mainly appears in the medical intelligent nursing bed. As an important part, it provides auxiliary rehabilitation training function for the lower limbs of patients. In the medical intelligent nursing bed, the upper and lower leg flexion function of the lower limb movement in the long-term bed environment is mainly realized, and the patient is assisted. Some simple joints and muscle movements prevent muscle atrophy and necrosis due to prolonged bed rest.
Under the premise of satisfying the psychological needs and physiological rehabilitation needs of patients, this paper combines the relevant knowledge of ergonomics and adheres to the principles of safety, efficiency and comfort, and carries out a series of design on the institution. These include analysis of lower limb models, selection of institutional options, application of 3D 2D design software, analysis and simulation of kinematics and mechanics, and more. The determined mechanism is to drive the thigh plate by the electric push rod, and the parallelogram mechanism is designed to ensure the parallel of the lower leg plate to achieve the horizontal and vertical position conversion between the thigh plate and the lower leg plate.
Keywords: horizontal and vertical conversion, medical nursing bed, flexed leg, 3D modeling
水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
孟旭彬 011115103
1 緒論
1.1 課題研究的背景
本題目（水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)），是導(dǎo)師主持的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，來源于正在研發(fā)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品“醫(yī)用智能護(hù)理床”，為其中的一部分機(jī)構(gòu)，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用，為此課題提供了有力支撐。
目前，中國的人口分布有嚴(yán)重的老齡化趨勢，老年人的總量在中國當(dāng)今的總?cè)丝跀?shù)量中已經(jīng)占了很大的比重，且有持續(xù)上漲的趨勢。數(shù)據(jù)表明，截止至2017年底，我國的人口總量為139008萬人，其中，年齡在16-59之間的可勞動(dòng)人口有90199萬人，占總?cè)丝诘?7.3%，其中65周歲及以上人口15831萬人，占總?cè)丝诘?1.4%。60周歲以上人口和65周歲以上人口都比上年增加了0.6個(gè)百分點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2020年，老年人口達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%，其中80歲以上老年人口將達(dá)到3067萬人；2025年，六十歲以上人口將達(dá)到3億，成為超老年型國家?？紤]到70年代末，計(jì)劃生育工作力度的加大，預(yù)計(jì)到2040我國人口老齡化進(jìn)程達(dá)到頂峰，之后，老齡化進(jìn)程進(jìn)入減速期。
圖 1.1 2007-2020年中國60歲以上人口數(shù)量及比重
與此同時(shí)，老年人群體中行動(dòng)不便的人群占比也很大。數(shù)據(jù)表明，腦癱的發(fā)病率在我國為1.84%，并且在老年人口之中，發(fā)病率更達(dá)到了10%。與此同時(shí)，肺部疾病導(dǎo)致的呼吸道相關(guān)疾病、心臟疾病導(dǎo)致的供血問題、關(guān)節(jié)骨骼的老化積液風(fēng)濕、長期缺乏運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的肌肉萎縮老化等等疾病，都是常見與老年人口之中的疾病，且都會(huì)導(dǎo)致老年人口運(yùn)動(dòng)的障礙。長期以來，甚至?xí)?dǎo)致常年臥床不起，最終肌肉運(yùn)動(dòng)能力達(dá)到一個(gè)極低的水平，最終徹底喪失運(yùn)動(dòng)能力。這樣的情況表明了，老年人口中，尤其是70、80歲的大齡人口，受運(yùn)動(dòng)障礙影響的人口將占很大的比重。這同是也表明了，社會(huì)需要投入很大的資源，包括醫(yī)療器械、醫(yī)護(hù)人員等等的醫(yī)療資源在這些失去行動(dòng)能力或者半失去運(yùn)動(dòng)能力的老年人口之上。然而對(duì)此類無運(yùn)動(dòng)能力、自理能力的人群的照顧，本身就是一個(gè)難題。長期失去運(yùn)動(dòng)能力的人群無自理能力，每天的一舉一動(dòng)都需要他人的協(xié)助，且按照現(xiàn)有的醫(yī)療條件，完成對(duì)無運(yùn)動(dòng)能力的老年人的翻身、排泄、坐臥切換往往需要2-3個(gè)醫(yī)護(hù)人員的合作才能完成，隨著中國老齡化人口的進(jìn)一步增多，這無疑對(duì)醫(yī)護(hù)人員的數(shù)量提出了巨大的要求。
如此嚴(yán)重的人口老齡化勢必將帶來一系列的社會(huì)問題，眾所周知，養(yǎng)老一直是中國社會(huì)一個(gè)長久存在的話題，且養(yǎng)老問題切實(shí)的聯(lián)系到中國社會(huì)的方方面面，在我看來，只有合適的安排好老年人的贍養(yǎng)工作，做到老有所養(yǎng)，國家才能保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定?？梢韵氲降氖牵瑪?shù)量如此龐大的老年人口會(huì)帶來十分嚴(yán)重的醫(yī)療、社保壓力，現(xiàn)有的醫(yī)療保障政策和當(dāng)今配套的醫(yī)療器械不可能應(yīng)對(duì)的了持續(xù)增長的老年人口數(shù)量，一定會(huì)有相應(yīng)的政策改動(dòng)，相應(yīng)的，醫(yī)療器械的研發(fā)也迫在眉睫，研發(fā)能在當(dāng)今人口老齡化情況如此嚴(yán)重且持續(xù)增長的環(huán)境下，且能方便子女、醫(yī)護(hù)人員照顧行動(dòng)不便，甚至失去行動(dòng)能力的老年人的一系列醫(yī)療產(chǎn)品成為了時(shí)代的要求，有著重要的意義。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)查
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
由于經(jīng)濟(jì)水平、科學(xué)技術(shù)水平較高，以日本、美國、歐洲為首的發(fā)達(dá)國家很早就開始重視了醫(yī)用智能護(hù)理床產(chǎn)品的研發(fā)。因此在市場上常見各種國外廠家的不同規(guī)格、不同功能的智能護(hù)理床。在歐美和日本市場上，醫(yī)用智能護(hù)理床已經(jīng)有了較大的份額，市場價(jià)值也在逐漸膨脹。2011年，護(hù)理床在美國的整體市場份額就已經(jīng)達(dá)到了53億美元。并且國外的技術(shù)較為純熟，且偏向高端。具有代表性的商家有日本的Murate Machinery公司，美國的Metrocare Devicelink 和HILL-ROM公司等等。
日本的Murate Machinery公司早期生產(chǎn)的一款醫(yī)用智能護(hù)理床的結(jié)構(gòu)中，主要包括主床體和一個(gè)可變輕型輪椅結(jié)構(gòu)，電動(dòng)輪椅的機(jī)構(gòu)平時(shí)收縮在床體內(nèi)，在日常的使用時(shí)，輪椅與主床體是一體化的，但是此產(chǎn)品可以通過變形轉(zhuǎn)換，將輪椅平面收縮，輪子及相關(guān)機(jī)構(gòu)移出，成為一個(gè)可以讓病人離開床體，在輪椅上自由活動(dòng)，是一個(gè)十分新穎的一體化產(chǎn)品。該產(chǎn)品被譽(yù)為家庭護(hù)理領(lǐng)域的一場革命。
此外，美國Metrocare公司的產(chǎn)品可以大大的減少醫(yī)護(hù)工作者的體力消耗。它可以通過電動(dòng)機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的起背、屈腿等動(dòng)作，尤其是考慮到中國醫(yī)護(hù)人員之中，女性占較大比重，所以這也是一項(xiàng)值得借鑒的產(chǎn)品。Devicelink公司的產(chǎn)品與日本的Murate Machinery公司有異曲同工之妙，也將輪椅和病床一體化，使其可以通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方式自由切換兩種形態(tài)，既可以作為病床滿足日常醫(yī)療用途，也可以作為輪椅為家屬照顧患者的外出通風(fēng)透氣提供了便利的條件。
圖1.2 德國bock公司生產(chǎn)的護(hù)理床產(chǎn)品圖
隨著科技的迅速發(fā)展，醫(yī)用智能床也有了新的革命性變更。早在本世紀(jì)初，科學(xué)家Jias等人利用CORBA作為通訊體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)分布式遠(yuǎn)程護(hù)理系統(tǒng)，此類系統(tǒng)具有很好的比例縮放和交互通訊能力，同時(shí)滿足不同的機(jī)構(gòu)組織可以獨(dú)立完成計(jì)算、分析、決策功能。并且產(chǎn)品擁有配套的平臺(tái)，可以讓使用者，包括醫(yī)護(hù)人員和患者及時(shí)溝通交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的遠(yuǎn)程護(hù)理。
著名的日本的三洋公司也有創(chuàng)新的項(xiàng)目。他們大膽的提出了整體傳送方案，通過他們的設(shè)計(jì)，可以將病人從床上直接傳送到浴室、洗手間等處。
圖1.3 德國bock護(hù)理床的結(jié)構(gòu)簡圖
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
而我國的醫(yī)用只能護(hù)理床由于起步時(shí)間較晚，技術(shù)水平及使用普及率較歐美日等國的確有較大差距。但是我國在最近幾年也在逐漸重視這項(xiàng)技術(shù)的研究。
其中，華南理工大學(xué)的謝存禧等人便研發(fā)了一款護(hù)理床。他是利用了機(jī)器人多軸控制技術(shù)，由不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在plc系統(tǒng)的控制下，完成各個(gè)模塊的位姿轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)各種不同的功能形態(tài)，達(dá)到不同的護(hù)理效果。并且在人機(jī)交互方面也做了簡化設(shè)計(jì)，可以通過語音控制和按鍵控制兩種不同的方式來完成所需的功能。
石家莊市滿友醫(yī)療器械實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司所研制的一款產(chǎn)品相對(duì)比較成熟。床體由框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，床面由幾塊不同的板子所構(gòu)成，可以完成起背，坐姿臥姿姿態(tài)轉(zhuǎn)換、屈腿、移動(dòng)、剎車等等基礎(chǔ)功能，是市面上功能較為完整的一個(gè)產(chǎn)品。并且他還加入了呼叫、娛樂、液晶顯示屏等等不同的功能，能在功能上豐富了不少。
圖1.4 國內(nèi)某公司生產(chǎn)的醫(yī)用護(hù)理床
在去年舉辦的第十二屆中國國際養(yǎng)老、輔具及康復(fù)醫(yī)療博覽會(huì)中，也出現(xiàn)一批優(yōu)秀新穎的新一代醫(yī)用智能護(hù)理床。其中的產(chǎn)品一般運(yùn)用雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來完成智能床的上下升降轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)倒桿機(jī)構(gòu)相互配合，可以使床身的上下升降和背部角度改變同時(shí)進(jìn)行。同時(shí)也有很多機(jī)構(gòu)可以通過機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成下肢部分的形態(tài)改變，十分新穎，也展現(xiàn)了我國國內(nèi)在醫(yī)療護(hù)理器械的創(chuàng)新意識(shí)和設(shè)計(jì)理念正在慢慢更新，趨向于成熟。
1.3 課題的發(fā)展趨勢
在日常生活中，其實(shí)醫(yī)院里一直都存在著醫(yī)用護(hù)理床的初步概念。最初的護(hù)理床是普通的鋼制病床，人們?yōu)榱藢?duì)病人起到固定作用，防止病人滾下，通常在四周加入擋板，并配有其他的一些小設(shè)計(jì)，如方便病人掛點(diǎn)滴的懸架，方便呼叫醫(yī)護(hù)人員的呼叫按鈕，方便及時(shí)對(duì)患者進(jìn)行心率及其他指標(biāo)檢測配套儀器等?，F(xiàn)存在醫(yī)院中，最常見的病床也是通過了一系列的設(shè)計(jì)，加入了很多不同的功能，有可以轉(zhuǎn)換成輪椅形態(tài)的輕質(zhì)醫(yī)療床，有可以移動(dòng)，當(dāng)做擔(dān)架使用的醫(yī)療床等等。最常見于醫(yī)院病床之中的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)便是通過手搖可以改變背部角度，以達(dá)成坐姿臥姿轉(zhuǎn)換的功能。這種功能可以方便對(duì)病人的洗漱、進(jìn)食等方面的照顧，同時(shí)也可以轉(zhuǎn)換姿勢，給患者帶來舒適。
但是僅有如此的設(shè)計(jì)，是無法滿足如今及以后嚴(yán)重的老齡化問題的。近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)伴隨著整個(gè)社會(huì)對(duì)醫(yī)療保障體系的重視，電動(dòng)護(hù)理床開始逐步出現(xiàn)在人們的視野之中。例如通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式來代替以往的手搖方式，可以更省力的完成坐臥姿態(tài)的轉(zhuǎn)換。與此同時(shí)，還有更尖端、更具有創(chuàng)新特點(diǎn)的多功能護(hù)理床，此種護(hù)理床是將微機(jī)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，完成對(duì)患者的綜合護(hù)理工作，并且實(shí)現(xiàn)重大突破，在滿足護(hù)理醫(yī)療功能的同時(shí)可以完成保健康復(fù)功能，完成綜合多元化發(fā)展。隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，新一代醫(yī)用智能護(hù)理床勢必會(huì)將微機(jī)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、人體工學(xué)等學(xué)科結(jié)合交叉在一起，達(dá)到多元化發(fā)展。同樣，水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)作為醫(yī)用智能床很重要的一部分，也可以在下肢姿態(tài)轉(zhuǎn)換的功能下，發(fā)展到模擬運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，以及其他更有創(chuàng)造性的功能。
1.4 課題研究意義
從上世紀(jì)90年代開始，中國就已經(jīng)有了人口老齡化的趨勢，本世紀(jì)初便開始正式步入了老齡化社會(huì)，并且老齡人口數(shù)量和占比都以一個(gè)很快的速度持續(xù)增長。與此同時(shí)，與歐美等國的老齡化情況不同，我國存在一個(gè)未富先老的情況，即經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平并沒有達(dá)到一個(gè)很高的程度，尚且處于一個(gè)發(fā)展中國家的階段，便已經(jīng)開始了逐漸步入老齡化社會(huì)。這樣的情況預(yù)示著我國暫時(shí)并沒有足夠的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、醫(yī)療條件和社會(huì)意識(shí)來應(yīng)對(duì)如此嚴(yán)重且快速的老齡化進(jìn)程。
并且由于我國大量的人口基數(shù)，中國的老齡化程度在世界上也是數(shù)一數(shù)二的。我國的老齡人口數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界上其他所有國家，而且由于上世紀(jì)中后期的生育思想、政策，我國的老齡化速度也是世界最高水平，因此，我國應(yīng)對(duì)老齡化的任務(wù)是非常嚴(yán)重的，形勢也非常嚴(yán)峻。況且對(duì)于其中相當(dāng)數(shù)量的行動(dòng)不便的老年人，長時(shí)間臥床不起可能會(huì)導(dǎo)致一系列問題，如占用大量的醫(yī)護(hù)人員，且長時(shí)間臥床不起容易造成應(yīng)力性潰瘍，俗稱褥瘡。這是一種常見于癱瘓患者的疾病，是由于肌肉組織長期壓力導(dǎo)致的局部組織壞死。據(jù)報(bào)道，每年約有6萬人死于壓瘡并發(fā)癥。與此同時(shí)，長時(shí)間臥床所導(dǎo)致的肌肉萎縮、長時(shí)間可能徹底喪失行動(dòng)能力，都是醫(yī)護(hù)過程中可能遇到的重大難題。
結(jié)合上文中，中國社會(huì)老齡化嚴(yán)重、且養(yǎng)老的器械、人力資源緊缺的背景。我國需要把提升醫(yī)療從業(yè)人員的數(shù)量和素質(zhì)、完善養(yǎng)老保障體系、研發(fā)高新技術(shù)的醫(yī)療器械三項(xiàng)任務(wù)放在一個(gè)重要的位置。現(xiàn)存的一些醫(yī)療器械大多數(shù)結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，大多只有配套的，用來掛點(diǎn)滴的桿子，稍復(fù)雜的可能會(huì)配有呼叫裝置、心率檢測裝置，但是總體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，特別是床板設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)非常簡單，與日常使用的床無太大差異，最多通過手搖的方式能調(diào)整背部角度，實(shí)在無法滿足更進(jìn)一步的要求。
而本文中本次設(shè)計(jì)所來源的項(xiàng)目——多功能醫(yī)用智能床就是為了應(yīng)對(duì)如此嚴(yán)重的老齡化現(xiàn)狀而生的新一代創(chuàng)新醫(yī)療產(chǎn)品。它可以通過一系列機(jī)械設(shè)計(jì)，以完成日常照顧大齡老人所需要的翻身、排便、模擬運(yùn)動(dòng)等一系列功能。而水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)則作為其中的重要組成部分，則可以完成對(duì)患者下肢的姿態(tài)變化、并且通過模擬人走路的方式，對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)下肢康復(fù)訓(xùn)練，進(jìn)而有效的防止由于長期臥床所導(dǎo)致的褥瘡的產(chǎn)生及肌肉萎縮情況的出現(xiàn)，且對(duì)于下肢暫時(shí)損傷的患者來說，能起到牽引運(yùn)功的作用，對(duì)下肢骨骼肌肉神經(jīng)的復(fù)建起到了重要的作用。同時(shí)在治療過程中并且能夠?qū)颊叩男睦硪灿泻芎玫挠绊?，進(jìn)而對(duì)整體的康復(fù)醫(yī)療過程產(chǎn)生重大的意義。
1.5 課題的主要研究內(nèi)容和擬解決問題
本可以所研究的機(jī)構(gòu)是醫(yī)用智能護(hù)理床的一個(gè)重要機(jī)構(gòu)，在醫(yī)用智能護(hù)理床中，使患者可以改變常用的臥姿，讓其可以正常屈膝，使患者完成日常所需的姿態(tài)轉(zhuǎn)換與肌肉運(yùn)動(dòng)，有效避免因長期臥床而導(dǎo)致的褥瘡、肌肉組織萎縮壞死等隱患，并提供了理論基礎(chǔ)使未來床-輪椅一體化成為可能，從而支撐起了對(duì)患者的下肢護(hù)理、康復(fù)、訓(xùn)練功能。
在本次設(shè)計(jì)中，我擬完成的主要工作內(nèi)容如下：
用戶需求分析：通過走訪，數(shù)據(jù)調(diào)查等方式，了解到產(chǎn)品主要面向人群，即老年人、下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者和其護(hù)理人員的日常護(hù)理情況，并分析其主要需求，來制定設(shè)計(jì)的主要思路和方案，也確定設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)。
（1） 方案的概要設(shè)計(jì)：按照所分析確定的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇可行合適的機(jī)構(gòu)方案，綜合考慮成本、效果等因素，達(dá)到所需的效果。并確定整個(gè)結(jié)構(gòu)的大致尺寸，對(duì)所需的電機(jī)進(jìn)行選型完成驅(qū)動(dòng)方案。
（2） 機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)及建模：完成機(jī)構(gòu)中各部分的詳細(xì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括尺寸設(shè)計(jì)、材料選擇等，并進(jìn)行詳細(xì)的逐個(gè)的零件Solidworks三位建模，初步驗(yàn)證概要設(shè)計(jì)中各部分尺寸選擇的可行性。并完成整體的裝配。
（3） 受力分析：采用Solidworks中自帶的有限元分析軟件Simulation對(duì)建模的各部分進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度校核，并對(duì)照安全要求，確定設(shè)計(jì)的可行性，保障設(shè)計(jì)的質(zhì)量。并運(yùn)用Solidworks Motion軟件對(duì)各部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，確定各部分可以完全穩(wěn)定的完成所需的功能。
（4） 二維三維圖紙的整理導(dǎo)出：根據(jù)已經(jīng)完成的Solidworks三維建模繪制出設(shè)計(jì)中的一系列圖紙，包括零件圖、裝配圖等等，并標(biāo)明各部分的尺寸要求、裝配注釋等等。
（5） 設(shè)計(jì)的總結(jié)與體會(huì)：總結(jié)本次設(shè)計(jì)內(nèi)容。包括自己的心得體會(huì)，總結(jié)設(shè)計(jì)過程的難點(diǎn)重點(diǎn)，自己設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)及不足，以及對(duì)此項(xiàng)目的看法等等。
本次設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)路線依照上文設(shè)計(jì)內(nèi)容展開。包括用戶需求分析、機(jī)構(gòu)分析及結(jié)構(gòu)確定、尺寸的確定和計(jì)算、Solidworks三維建模、Solidworks Motion仿真、Solidworks及AutoCAD圖紙的導(dǎo)出等。
1.6 本章小結(jié)
本章主要為后續(xù)的論文寫作做出了前期的一系列準(zhǔn)備工作，在進(jìn)行本章內(nèi)容的設(shè)計(jì)時(shí)，我查閱了大量的資料，對(duì)課題的研究背景、現(xiàn)實(shí)需求情況進(jìn)行了分析，同時(shí)參考了現(xiàn)在市面上已有的產(chǎn)品，對(duì)他們的特點(diǎn)進(jìn)行了了解，并在此基礎(chǔ)上大致確定了下文需要研究并表達(dá)的內(nèi)容以及研究思路，為我之后的寫作起到了一個(gè)指導(dǎo)的作用。
2 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的概要設(shè)計(jì)
2.1 用戶需求分析
本次的產(chǎn)品主要使用在醫(yī)院的較高級(jí)病房中，為行動(dòng)障礙的患者提供下肢康復(fù)的相關(guān)便利，同時(shí)也可以在家中使用，因此產(chǎn)品的主要適用人群不止是下肢運(yùn)動(dòng)有障礙的病人，還應(yīng)把負(fù)責(zé)照顧他們的人群算在內(nèi)，如醫(yī)院的醫(yī)護(hù)人員，還有家中的年輕一代。
在醫(yī)院病房和家中，有很多下肢運(yùn)動(dòng)有障礙的人，如殘障人士，肢體癱瘓人群，腦部障礙人士等等，他們大多數(shù)不能獨(dú)自完成日常的一些簡單動(dòng)作，如洗漱、翻身、抬腿等等，其中很多人甚至沒有自理能力，屬于失去行動(dòng)能力的人群。對(duì)這類人群的照顧是一個(gè)相當(dāng)辛苦的工作?，F(xiàn)有的醫(yī)療條件下，照顧這些人群不僅給護(hù)理人員帶來了巨大的身體負(fù)擔(dān)，還會(huì)給其家人帶來巨大的心理壓力。尤其是考慮到我國老齡化進(jìn)程飛速加快的如今。這一類的新型醫(yī)用智能護(hù)理床的出現(xiàn)為的就是提高臥床患者的日常體驗(yàn)，以最方便的方式幫助他們完成日常的一些肢體動(dòng)作，使部分行動(dòng)本身不方便的輕癥狀人群有一定的自理能力，同時(shí)可以減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。認(rèn)真分析背景意義，并對(duì)如今的醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療條件有一個(gè)初步的了解后，我覺得用戶的主要需求如下：
（1） 能輕松的了解其操作方式。考慮到患者主要是年齡較大的中老年人，因此產(chǎn)品的操作界面應(yīng)以簡單易懂為第一要點(diǎn)，盡量采取一鍵啟動(dòng)，一鍵停止的方式來控制。并且考慮到很多70、80歲以上的老年人文化水平較低，所以盡量再按鈕上附上簡單的圖片，能讓部分老年人也能獨(dú)立完成機(jī)構(gòu)的使用。
（2） 能起到活動(dòng)放松身體的效果?？紤]到產(chǎn)品的用戶大多數(shù)是行動(dòng)不便，無法下地走路的群體，因此為避免長期臥床不動(dòng)導(dǎo)致的肌肉萎縮、下肢退化、神經(jīng)失靈等癥狀。
（3）能幫助下肢的康復(fù)。對(duì)于部分患者來說，適當(dāng)?shù)闹委熆梢允顾麄兊牟∏闇p緩，幫助他們進(jìn)行下肢復(fù)建。尤其是長期臥床的患者，大多數(shù)時(shí)間其實(shí)都是可以被利用起來的。如果能把日常浪費(fèi)掉的時(shí)間用來康復(fù)治療，那一定會(huì)對(duì)患者的病情有重大的意義。
2.2 人體下肢模型分析
在醫(yī)學(xué)上，人體腹部以下的全部部分被稱作下肢。按照從上而下的順序，醫(yī)學(xué)上通常把下肢分為臀部、股部、膝部、小腿部和足部。它是由骨骼、肌肉、血管神經(jīng)、淺深筋膜以及皮膚組織組成的，并可以區(qū)分為淺層結(jié)構(gòu)和深層結(jié)構(gòu)。在淺層結(jié)構(gòu)中，主要是皮膚和淺筋膜兩部分，并且在淺筋膜中，有很多淺靜脈、淋巴管和表皮神經(jīng)。深層結(jié)構(gòu)則不同。有深筋膜、肌肉、血管、骨骼四部分，并以血管神經(jīng)及其行徑為依托，成為下肢結(jié)構(gòu)中很多不可或缺的重要核心機(jī)構(gòu)部分。
圖2.1 下肢組成分析圖
人的下肢還有相當(dāng)數(shù)量的肌肉成分。髖肌、大腿肌、小腿肌和足肌等都是下肢肌肉不可或缺的部分，他們共同組成了下肢的肌肉組織。不同于人的上肢肌肉，下肢肌肉部分更強(qiáng)壯，肌肉數(shù)量更大。這樣的肌肉組成可以很方便的保證人的日常行為動(dòng)作，如日常的站立，走路，奔跑和坐臥等等各種功能。
圖2.2 下肢肌肉組成
下肢肌肉相對(duì)于上肢肌肉的粗大等特點(diǎn)表明了它也有更好的接受壓力的能力。而對(duì)足部而言，并不承擔(dān)日常的工具使用等任務(wù)，對(duì)于長期臥床的人員來說，需要注意的是踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)。
這里便不得不提到下肢最重要的三個(gè)關(guān)節(jié)，即髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。在本次課題中，需要印象到的關(guān)節(jié)主要為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，足關(guān)節(jié)暫時(shí)不在本文分析范圍之內(nèi)，因此在這里暫不做贅述。
髖關(guān)節(jié)主要起到髖骨和股骨的連接中轉(zhuǎn)作用，它是具有多軸性的特點(diǎn)，人體日常行為中的屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，都是依托于髖關(guān)節(jié)去完成的。髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩大小幾乎一致，所以可以運(yùn)動(dòng)的角度并不大。此外，髖關(guān)節(jié)也有著關(guān)節(jié)囊厚的特點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)橄鄳?yīng)韌帶的有效牽制，髖關(guān)節(jié)十分穩(wěn)固，但是靈活度有限。正是這樣一個(gè)巧妙的結(jié)構(gòu)滿足了人類對(duì)于直立行走的要求。
圖2.3 髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍示意圖
與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)主要負(fù)責(zé)股骨和脛骨的鏈接。膝關(guān)節(jié)很大且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，是下肢結(jié)構(gòu)中，甚至是整個(gè)人體結(jié)構(gòu)中復(fù)雜程度數(shù)一數(shù)二的關(guān)節(jié)之一。它主要由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨構(gòu)成，屬于滑車關(guān)節(jié)。值得注意的是，膝關(guān)節(jié)是人體中非常復(fù)雜的關(guān)節(jié)，他在具有很高的使用頻率同時(shí)，同樣也是最脆弱、最易損壞的關(guān)節(jié)。尤其是老年人的膝關(guān)節(jié)，常伴有積液等等癥狀。所以膝關(guān)節(jié)是本次在做整個(gè)設(shè)計(jì)中最需要關(guān)注的關(guān)節(jié)。除去主要構(gòu)成部分之外，還有半月板，髕上囊和髕下深囊和加固關(guān)節(jié)的韌帶等，他們是主要的輔助結(jié)構(gòu)。膝蓋有很多常見的疾病，尤其是在老年人群體中，因此在設(shè)計(jì)中，需要特別注意對(duì)膝關(guān)節(jié)的保護(hù)。
圖2.4 膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍示意圖
而每一個(gè)自由度可以達(dá)到的角度則如下表所示（表2.1）。
表2.1 膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向和角度
運(yùn)動(dòng)方向
曲屈
后伸
旋內(nèi)
旋外
運(yùn)動(dòng)角度
0-135°
0-15°
0-30°
0-8°
2.3 設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)
（1）滿足患者的生理康復(fù)需求
對(duì)于那些飽受下肢障礙疾病的人群來說，藥物的治療只是一方面，合理的康復(fù)訓(xùn)練會(huì)對(duì)病人的健康回復(fù)起到很重要的作用。一般來說，間斷的人為康復(fù)訓(xùn)練形式種類單一，效率較低，且由于人的控制能力相對(duì)較弱，整個(gè)過程中力度手法存在差異，無法保證訓(xùn)練能達(dá)到穩(wěn)定的收益效果，且易出現(xiàn)錯(cuò)誤。并且人的康復(fù)訓(xùn)練沒有足夠的反饋系統(tǒng)，患者并不能直觀的看到效果，因此人工的康復(fù)治療有很大的局限性。對(duì)于下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者而言，下肢的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練十分重要，直接關(guān)系到患者的康復(fù)過程，甚至可能關(guān)系到患者的下肢骨骼、肌肉恢復(fù)情況、今后的自理能力和生活情況。及時(shí)有效的康復(fù)訓(xùn)練，增強(qiáng)下肢的肌肉活力，保持下肢的運(yùn)動(dòng)功能，為康復(fù)后的適應(yīng)正常行走，對(duì)很多患者都有著十分重要的意義。
與此同時(shí)，下肢運(yùn)動(dòng)障礙的患者很多都是因?yàn)橄轮牟槐愣鴮?dǎo)致自理能力的缺失，并且可能常年臥床不起，使得本身就存在運(yùn)動(dòng)障礙的下肢情況更加糟糕，他們?nèi)粘５幕顒?dòng)，如洗漱，吃飯，排便等等都需要在床上進(jìn)行。這會(huì)給他們的心里帶來一定的影響，如缺乏安全感等等，進(jìn)而影響自身的行為。這樣的情況會(huì)使患者期望借助器械的功能，來獨(dú)立完成一些事情。因此，按照他們的生活需求，針對(duì)他們的實(shí)際困難量身設(shè)計(jì)早期的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，務(wù)必能實(shí)現(xiàn)患者的生理上真正康復(fù)。
（2）滿足患者的心理康復(fù)要求
心理作用是客觀存在于人的大腦之中的反應(yīng)。人的行為和心里反應(yīng)是互相影響的。從心理學(xué)角度去分析，下肢功能障礙者是心理上的弱勢群體，他們知道自己的生理方面存在一定的缺陷，相對(duì)應(yīng)的心理上可能存在著自卑、缺乏安全感、過于依賴別人等等一些列問題，伴隨來的還有焦慮、恐慌、不安等等。而且當(dāng)他們長期受到病痛的折磨，遠(yuǎn)離外界的社會(huì)，心理的復(fù)雜不是一般人能夠想象的。他們也渴望回復(fù)健康，渴望能減少自己對(duì)他人產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，做一個(gè)獨(dú)立的人。
由于患者的這樣的心理，本文在設(shè)計(jì)中可以充分利用患者的主觀能動(dòng)性，讓患者積極主動(dòng)的投身于康復(fù)訓(xùn)練中，滿足患者的心理康復(fù)要求，讓患者有一個(gè)愉快的心情，幫助他們更快的康復(fù)過來。
（3）滿足人體工學(xué)的尺寸及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
在本文整個(gè)醫(yī)用智能護(hù)理床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，本文應(yīng)該從人機(jī)工程學(xué)方面考慮。需要詳細(xì)的分析人的生理結(jié)構(gòu)情況、心理健康情況、行為習(xí)慣等等方面，為產(chǎn)品的患者提供最舒適的使用體驗(yàn)。在外觀方面，產(chǎn)品盡量避免過于鮮艷的顏色，如紅色、橙色、黃色等，盡量去選擇偏于安靜、沉穩(wěn)的冷色調(diào)，如白色、灰色、淺綠色、淺藍(lán)色等等，這樣的顏色可以配合病房的整體布置，給老人一個(gè)偏于安靜的心理環(huán)境，同時(shí)也對(duì)患者的心情有一定影響，跟可以對(duì)患者的心率等身體指標(biāo)產(chǎn)生好的印象。
在設(shè)計(jì)中，要以我國的成年人人體為主要尺寸標(biāo)準(zhǔn)來做參考，來確定醫(yī)療護(hù)理床的長寬及機(jī)體尺寸。肢體功能障礙的原因造成了常年臥床而形成的疾病，或者由于肢體的病變而造的不能大范圍運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，本文主要參考《醫(yī)用電氣設(shè)備 第一部分：安全通用要求》、《醫(yī)用電氣設(shè)備 第二部分：醫(yī)用電動(dòng)床安全專用要求》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。同時(shí)又從人體工程學(xué)的的角度對(duì)活動(dòng)范圍以及關(guān)節(jié)活動(dòng)度上進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?
在設(shè)計(jì)中，要多注重細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。盡量將尺寸設(shè)計(jì)滿足人體的四肢結(jié)構(gòu)，且在運(yùn)動(dòng)過程中盡量平緩，除去發(fā)生危險(xiǎn)意外的可能性。
2.4 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)
2.4.1 相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的查詢與確定
本次所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品主要面向人群是遭遇下肢損傷的運(yùn)動(dòng)障礙者和年齡較大的老人。因此要根據(jù)目標(biāo)人群的具體特點(diǎn)來確定產(chǎn)品應(yīng)用的承載能力。
圖2.5 中國各地區(qū)的身高體重分布表
上表中反應(yīng)了如今中國不同地區(qū)的體重、身高等指標(biāo)的分布情況，可以看到中國各地區(qū)的體重等指標(biāo)雖有差異，但大致相同。而且考慮到人的體重會(huì)隨年齡。生活狀況等因素多次改變，并不穩(wěn)定，因此應(yīng)以成年人的體重為標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到特殊肥胖人群的需求。
圖2.6 床各部分載荷標(biāo)準(zhǔn)要求
同時(shí)根據(jù)國家《醫(yī)用電氣設(shè)備第二部分：醫(yī)用電動(dòng)床安全專用要求》中的規(guī)定，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的醫(yī)用智能護(hù)理床必須有承受1700N載荷的能力。其中，1700N的載荷中，患者重量的指標(biāo)為1350N，此外還包括了200N的床墊質(zhì)量和150N的附件質(zhì)量。并且上述文件還對(duì)醫(yī)用智能床各部分的載荷分布做出了具體的規(guī)定。其中腿部的載荷，包括小腿和大腿支撐板的載荷，共占總載荷的30%。如上圖所示。
根據(jù)國家要求和自己的分析，最終選定總床的承載上限為2000N，且下文的設(shè)計(jì)都以此為標(biāo)準(zhǔn)。
2.4.2 尺寸參數(shù)的初步分析
在《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——病床》文件中，規(guī)定了床體的整體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，為
長×寬=1950mm×900mmm
且《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》文件中，規(guī)定了行醫(yī)用機(jī)械床的基本尺寸要求，其中不含床架的床面長度范圍為1900-2100mm ，床面寬度范圍為 850-1000mm ，床面離地高為 380-630mm 。
根據(jù)實(shí)際所查到的標(biāo)準(zhǔn)要求，并參考市場上已經(jīng)存在的護(hù)理床的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際的需求，綜合考慮床的方便、舒適、和人體的適配性等一系列指標(biāo)，滿足項(xiàng)目具體需求的床體整體尺寸為2000 mm × 900 mm × 440 mm（長x寬x高）。
圖2.7 人體坐姿分析圖
水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是通過床板來達(dá)到最終的執(zhí)行功能。在設(shè)計(jì)床板的尺寸時(shí)，毫無疑問的，人的坐臥姿尺寸及小腿大腿兩部分的具體尺寸是最重要的參考數(shù)據(jù)。GB/T10000-1988中國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)中給出了規(guī)定，如今36-60歲的女性身高標(biāo)準(zhǔn)為1477mm，其中坐姿高度為805mm，小腿加足高為388mm，做深為400mm。男性則稍有不同，36-60歲之間的男性身高標(biāo)準(zhǔn)為1761mm，坐姿高度為952mm，小腿加足高為442mm，坐深為494mm。同時(shí)由于人的坐姿可能改變，因而導(dǎo)致坐姿所得數(shù)據(jù)有差異。并且每個(gè)人的數(shù)據(jù)在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可能也不一樣。所以在此處本文就以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為參考，以達(dá)到滿足絕大多數(shù)人的日常使用需求。經(jīng)過仔細(xì)分析，確定大腿板的尺寸為 300mm × 690mm （長×寬），小腿板的尺寸為280mm × 690mm （長×寬）。
2.4.3 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍分析
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《醫(yī)用電氣設(shè)備第二部分：醫(yī)用電動(dòng)床安全專用要求》關(guān)于背板、大腿板、小腿板調(diào)節(jié)范圍的建議值，如圖下圖所示：
夾角A的彎曲范圍應(yīng)該在 0°- 70°內(nèi)，且不小于此參數(shù)。
夾角B的彎曲范圍應(yīng)該在 0°- 12°內(nèi)，且不小于此參數(shù)。
夾角C的彎曲范圍應(yīng)該在 0°- 20°內(nèi)，且不小于此參數(shù)。
夾角D的彎曲范圍應(yīng)該在 0°- 180°內(nèi)。
圖2.8 國家對(duì)醫(yī)用智能床的運(yùn)動(dòng)角度規(guī)定
本次設(shè)計(jì)中，理想中的水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)不僅僅可以完成向上的屈腿動(dòng)作，也可以向下屈腿，完成近似坐姿的切換，因此，考慮過后確定整個(gè)屈腿部分的運(yùn)動(dòng)范圍分別為實(shí)現(xiàn)上屈腿功能時(shí)的0°- 40°，實(shí)現(xiàn)下屈腿功能時(shí)的-70°- 0°。
圖2.9 下肢運(yùn)動(dòng)過程中兩種運(yùn)動(dòng)方式的介紹
2.4.4 機(jī)構(gòu)方案的分析與選型
通過查找資料、分析、參考現(xiàn)有的各種產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可以通過很多種不同的方案來實(shí)現(xiàn)所需的屈腿功能。不同的機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)的功能也有差異，且在舒適度、治療方式、穩(wěn)定性等等性能方面也大大不同，下文我將通過對(duì)幾種常見且可行的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)識(shí)他們的特點(diǎn)和功能，選出最適合本次設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
圖2.10 第一種設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡圖
上圖是一個(gè)九個(gè)活動(dòng)部件構(gòu)成的機(jī)構(gòu)，主要的部分是推桿、連桿和電機(jī)。該機(jī)構(gòu)共有十二個(gè)低副，兩個(gè)高副，自由度為
因此，該機(jī)構(gòu)自由度為一，有確定的運(yùn)動(dòng)形式。該機(jī)構(gòu)的大腿板和小腿板是由連桿機(jī)構(gòu)所帶動(dòng)的。當(dāng)有動(dòng)力輸入電機(jī)中時(shí)，電機(jī)開始工作，提供動(dòng)力讓推桿及絲桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，并由連桿機(jī)構(gòu)最終帶動(dòng)大腿及小腿部的床板運(yùn)動(dòng)。大腿及小腿的床板通過這個(gè)過程運(yùn)動(dòng)了一定的角度，達(dá)到了一定的位置時(shí)，便達(dá)到了本文中所需的屈腿效果。在此種方案內(nèi)，最關(guān)鍵的部件是推桿，如果想讓小腿及大腿床板擁有較大的活動(dòng)范圍，則對(duì)推桿的長度尺寸有著較大的要求。并且當(dāng)下屈腿功能進(jìn)行時(shí)，由于機(jī)構(gòu)本身的缺陷，可能會(huì)出現(xiàn)與床其他部分想干涉的情況。并且此種機(jī)構(gòu)占用空間較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不符合本文輕便的設(shè)計(jì)要求，因此，這次設(shè)計(jì)最終舍棄了這種方案。
圖2.11 第二種設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡圖
此種機(jī)構(gòu)是大腿床板與小腿床板單獨(dú)控制進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中為大腿床板和小腿床板分別配備了一套獨(dú)立的連桿機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)中共有六個(gè)活動(dòng)部件，其中旋轉(zhuǎn)低副共有六個(gè)，滑動(dòng)低副共有兩個(gè)，沒有高副機(jī)構(gòu)，床板與連桿機(jī)構(gòu)之間通過鉸鏈的形式進(jìn)行連接。自由度為
依靠該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的垂直于豎直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的自由度為2，大腿床板與小腿床板運(yùn)動(dòng)獨(dú)立，有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，即有連個(gè)原動(dòng)件，原動(dòng)件數(shù)量和機(jī)械自由度相等因此也有確定的運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，需要兩套電動(dòng)推桿進(jìn)行配合。此機(jī)構(gòu)同上一個(gè)機(jī)構(gòu)一樣，都對(duì)推桿的長度都有較大的要求，進(jìn)而占用空間較大。且此機(jī)構(gòu)需要兩套電機(jī) - 連桿機(jī)構(gòu)，帶來了更大的控制難度，同時(shí)兩個(gè)機(jī)構(gòu)需要相互配合，也使它的成本、故障率達(dá)到一個(gè)較高的水平。綜上所述，本次的水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)也暫時(shí)不考慮此種方案。
圖2.12 第三種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)簡圖
上圖所示的第三種方案是以平行四邊形為主要設(shè)計(jì)思路的方案，機(jī)構(gòu)由大腿床板、小腿床板、連桿機(jī)構(gòu)和一個(gè)電動(dòng)推桿所組成，主要是通過連桿來推動(dòng)大腿床板的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)依據(jù)平行四邊形的結(jié)構(gòu)特性，保證了小腿床板的運(yùn)動(dòng)情況。機(jī)構(gòu)中共有五個(gè)活動(dòng)部件，其中低副共有七個(gè)，轉(zhuǎn)動(dòng)副六個(gè)，滑動(dòng)副一個(gè)，沒有高副機(jī)構(gòu)。自由度為
機(jī)構(gòu)的自由度為1，由一個(gè)電動(dòng)推桿作為原動(dòng)件提供動(dòng)力，原動(dòng)件數(shù)量等于機(jī)構(gòu)自由度，因此機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)形式。在完成上下屈腿的動(dòng)作過程中，電動(dòng)推桿帶動(dòng)大腿床板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到位置的變化需求。同時(shí)，利用平行四邊形的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，可以保證小腿板始終與地面、床板處于平行狀態(tài)，保證了整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定，也給用戶提供了較為舒適的體驗(yàn)。此機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，且性能平穩(wěn)，能滿足產(chǎn)品的功能需求的同時(shí)，符合產(chǎn)品所需的穩(wěn)定性、舒適性等一系列性能指標(biāo)。與此同時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)僅由電動(dòng)推桿來決定，因此便于后期控制方案的選定設(shè)計(jì)，故障率低的同時(shí)易于后期的維修調(diào)試。因此在幾種方案的對(duì)比中，此方案是一個(gè)較為理想的結(jié)構(gòu)方案。
最后綜合對(duì)比以上幾種方案的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，綜合考慮其在加工難度、制造成本、控制方案、占用空間等等一系列因素，最終選定了第三種方案，以平行四邊形和電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)為主要依托，將其應(yīng)用在醫(yī)療智能護(hù)理床上的水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所需的屈腿功能，達(dá)到下肢康復(fù)訓(xùn)練的實(shí)際需求。
3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能分析
3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能分析的目標(biāo)
在對(duì)水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，首先要做的便是確定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，之后需要根據(jù)產(chǎn)品的具體需求以及實(shí)際的使用情況，確定機(jī)構(gòu)中連桿、床板等等部分的具體尺寸。在確定尺寸之后要做的事情便是對(duì)本機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)分析，以確定機(jī)構(gòu)可以順利的完成期望的動(dòng)作，并且在運(yùn)動(dòng)過程中保持平穩(wěn)安全，可以滿足使用者的安全的同時(shí)達(dá)到期望的效果。
在對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的過程中，需要研究機(jī)構(gòu)中各部分的驅(qū)動(dòng)方式以及其具體的效率是否達(dá)到產(chǎn)品的要求，同時(shí)通過軟件分析機(jī)構(gòu)上的各店的速度與加速度，來驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn)，是否滿足設(shè)計(jì)要求。確保了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是合理的之后，需要通過一些仿真軟件。如Solidworks motion、Adams軟件來分析構(gòu)件在承受載荷時(shí)的各部分力學(xué)性能，包括整體框架的受力情況以及連接處的力學(xué)性能，以確定所設(shè)計(jì)的構(gòu)件的力學(xué)性能是合格的，這樣才能投入生產(chǎn)，供人使用。
3.2 基于Solidworks和AutoCAD的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
根據(jù)上文中的初步設(shè)計(jì)，我進(jìn)行了詳細(xì)的Solidworks和AutoCAD的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計(jì)過程比較簡便而方便的軟件之一。部分成果展示如下：
圖3.1 用來連接床整體和腿板的桿
圖3.2 支撐小腿板的托架
圖3.3 腿板之間的鉸鏈機(jī)構(gòu)
圖3.4支撐腿板的框架機(jī)構(gòu)
圖3.5 裝配示意圖
3.3 基于Solidworks motion的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
3.3.1 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)力學(xué)分析
在醫(yī)用智能護(hù)理床中，水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)采用平行四邊形與電動(dòng)推桿相結(jié)合完成功能，大致的結(jié)構(gòu)簡圖如下：
圖3.1 曲腿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖（下曲極限位置）
在上述結(jié)構(gòu)簡圖中，A、B、F三處為選定的固定支點(diǎn)，固定在醫(yī)用智能護(hù)理床的床架結(jié)構(gòu)中，起固定支撐作用。AD處為大腿板部分的床板，BE為一個(gè)長桿，DE為短桿，AD、BE、DE組成了機(jī)構(gòu)中的四邊形。CF為結(jié)構(gòu)中的電動(dòng)推桿，起到了為整個(gè)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的作用，他的運(yùn)動(dòng)情況也和整個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況息息相關(guān)。在這里，把A作為原點(diǎn)，將AB矢量方向作為Y軸，將AB矢量方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度作為X軸，建立平面直角坐標(biāo)系，圖中所標(biāo)注的角θ1為大腿板AD和X軸正方向的夾角、θ2為電動(dòng)推桿CF與X軸正方向的夾角，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行下文的分析計(jì)算。
此機(jī)構(gòu)主要是由一個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)和連桿、推桿構(gòu)成。運(yùn)用了平行四邊形對(duì)邊始終平行的原理，在大腿板不斷運(yùn)動(dòng)，調(diào)整角度的同時(shí)，可以保證小腿板始終的平行穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。而在實(shí)際的應(yīng)用中，整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是由兩組平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)組成，他們分別在床板的左側(cè)和右側(cè)兩側(cè)分布，以保證整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承受載荷的能力。電動(dòng)推桿支撐鏈接點(diǎn)位于腿板的中間，可以完成產(chǎn)品所需的功能。上圖表現(xiàn)了整個(gè)機(jī)構(gòu)位于下極限位置，即向下屈腿的極限位置的情況。以床板形態(tài)的初始位置及上極限位置，即上屈腿的極限位置的結(jié)構(gòu)簡圖見下圖。
圖3.2 曲腿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖（初始位置）
在本次設(shè)計(jì)中規(guī)定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍為70 °- -30°，其中，上屈腿的極限角度為30°，下屈腿的極限角度為-70°。這是由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能需求功能決定的。在設(shè)計(jì)中，取到的具體尺寸為AD= 355mm，BE= 355mm，DE= 46mm，AC= 96mm。
圖3.3 曲腿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖（上曲極限位置）
3.3.2 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是醫(yī)用智能護(hù)理床中非常重要的一部分，因此，本文也需要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以保證其運(yùn)動(dòng)的合理性，幫助設(shè)計(jì)中最終確定方案中，傳動(dòng)是否穩(wěn)定，運(yùn)行是否平穩(wěn)，最終的結(jié)構(gòu)是否可行。
在這個(gè)部分中，本文主要選用Solidworks motion插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真。Solidworks motion軟件是著名的三維建模軟件Solidworks中的一個(gè)實(shí)用的插件，它是基于Windows環(huán)境的參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件。通過Solidworks motion軟件的應(yīng)用，不僅可以進(jìn)行三維建模，而且可以進(jìn)行有限元分析、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、裝配、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、力學(xué)分析等等一系列功能?？梢哉f是在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中非常實(shí)用且不可或缺的一款軟件。本次也是通過Solidworks motion的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能，來驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。
（1） 水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的角位移分析
在以上表示水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的三種位置的結(jié)構(gòu)簡圖中，對(duì)于三角形ACF
…………………………………………………………………（4.1）
…………………………………………………………（4.2）
其中，θ3角度已知，為
………………………………………………………………（4.3）
利用歐拉公式
………………………………………………………………（4.4）
帶入上式（4.1、4.2）中，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)部與虛部的分離，可以求得下列方程組
………………………………………………（4.5）
在以上方程組中，θ1與θ2均為未知量，將在下面的計(jì)算中求得。而θ3為已知。在結(jié)構(gòu)簡圖中，將電動(dòng)推桿的線速度設(shè)為v，v在推桿的選型中已經(jīng)確定，為20m/s，并將電動(dòng)推桿運(yùn)行的時(shí)間規(guī)定為t，則電動(dòng)推桿CF有如下關(guān)系
CF=vt+430………………………………………………………………………（4.6）
結(jié)合上文中的分析，我開始著手準(zhǔn)備用Solidworks motion插件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的角位移分析，主要目的是測定當(dāng)電動(dòng)推桿運(yùn)行速度衡定時(shí)，隨著時(shí)間的退役，角位移的變化情況。首先輸入電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)速度20mm/s，然后規(guī)定機(jī)構(gòu)中平行四邊形所在的平面為測定的基準(zhǔn)平面，開始分別進(jìn)行向上運(yùn)動(dòng)和向下運(yùn)動(dòng)的角位移變化分析，并導(dǎo)出角位移變化曲線，上行和下行過程的角位移變化曲線分別如下圖所示。
圖3-4 下曲腿角位移變化曲線
圖3-5 上曲腿角位移變化曲線
由上圖中可以得知，機(jī)構(gòu)在執(zhí)行上行和下行兩個(gè)目標(biāo)動(dòng)作時(shí)，角位移變化曲線大概成一條直線，斜率穩(wěn)定。這表示了電動(dòng)推桿在驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程中，角度隨時(shí)間的變化穩(wěn)定，加速度基本衡定，符合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所要求的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，有利于下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)，且可以保證人體的重要關(guān)節(jié)不會(huì)因結(jié)構(gòu)的缺陷而受傷。經(jīng)過了此次的角位移分析，初步可以確定機(jī)構(gòu)的角位移特點(diǎn)滿足了產(chǎn)品前期的設(shè)計(jì)要求。
（2）水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的角速度分析
由上式（4.2），對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，可以求出角速度隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式：
……………………………………（4.7）
對(duì)于所求式，將歐拉公式帶入其中，并對(duì)代入后的式子進(jìn)行虛部實(shí)部分離，可得
………………………………（4.8）
上式中，ω1、ω2的具體值未知，其他的數(shù)據(jù)為已知的數(shù)據(jù)，又由上文分析可知得出以下關(guān)系
…………………………………………………………………（4.9）
聯(lián)立上式（4.7）（4.8）（4.9）可通過一些數(shù)據(jù)軟件求解得ω1、ω2隨時(shí)間變化的關(guān)系式。之后借助Solidworks motion軟件對(duì)ω1進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，求得ω1在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的變化情況，并導(dǎo)出在機(jī)構(gòu)上行和下行過程中角速度隨時(shí)間的變化圖像，具體的圖像如下圖所示。
圖3.6 下曲腿角速度變化曲線
上圖表示了機(jī)構(gòu)下行運(yùn)行狀態(tài)中，即機(jī)構(gòu)從平行的床板狀態(tài)向下運(yùn)動(dòng)的，達(dá)到下屈腿的極限位置整個(gè)過程中θ1的角速度變化情況。由上圖可知，整個(gè)下行過程中，角速度最小值為12deg/s，最大值為22deg/s，且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)圖像中，沒有斷點(diǎn)和拐點(diǎn)的出現(xiàn)，且沒有明顯的突變情況，整個(gè)曲線平滑，標(biāo)志著機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中可以保證運(yùn)行穩(wěn)定，平滑，能保障產(chǎn)品所需要的屈腿功能，且對(duì)用戶的膝關(guān)節(jié)等下肢較脆弱的關(guān)節(jié)有初步的安全保障。但是只靠下行狀態(tài)的合理無法確定整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的可靠性，因此我繼續(xù)進(jìn)行了上行過程中角速度的分析，依然是使用Solidworks motion軟件進(jìn)行。上行過程中，分析得出的運(yùn)動(dòng)特性曲線如下所示
圖3.7 上曲腿角速度變化曲線
上圖可知，在上行過程，即機(jī)構(gòu)從床板狀態(tài)轉(zhuǎn)變成上屈腿姿態(tài)的整個(gè)過程中，θ1的角速度也是一個(gè)平滑的曲線，沒有斷點(diǎn)和拐點(diǎn)的出現(xiàn)，且沒有明顯的突變情況。這表明在上行過程中，整個(gè)機(jī)構(gòu)也是處于一種穩(wěn)定可靠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此初步確定，以平行四邊形為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是可靠的。
（3）水平與垂直轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)角加速度分析
在進(jìn)行了角位移分析、角速度分析后，雖然可以初步確定機(jī)構(gòu)的可靠性，但是我還是決定進(jìn)行最后的加速度分析，以保證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
為了對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行角加速度分析，需要將式子4.2進(jìn)行對(duì)時(shí)間t的二次求導(dǎo)，以此得到在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中角加速度的表達(dá)式，關(guān)系式如下:
……………………………（4.10）
與上文中求角位移、角速度相同，依然需要將此關(guān)系式借助歐拉公式進(jìn)行實(shí)部和虛部的分離，完成計(jì)算后可得到下列方程組
………（4.11）
將下述方程組與上述方程組聯(lián)立求解，可求得角加速度與的兩者聯(lián)系I。
………………………………………………………………（4.12）
因?yàn)橹苯佑?jì)算較為困難，所以借助matla軟件求解。得到結(jié)果后依然是使用Solidworks motion進(jìn)行模擬分析，得出在運(yùn)動(dòng)過程中，角加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線。依然將上行過程額下行過程分別求解并進(jìn)行仿真分析，最終得到了角加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如下所示