分離式機器床椅設(shè)計含catia三維及8張CAD圖
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分離式機器床椅設(shè)計
摘 要
為了減輕重癥患者從床上轉(zhuǎn)移到輪椅所帶來的身體負(fù)擔(dān)和醫(yī)護人員的體力勞動，設(shè)計一個可分離變形為輪椅的床，實現(xiàn)無需患者移動的床椅換乘。
分離式的機器床椅的優(yōu)點在于：
（1） 對空間的有效利用；
（2） 安全實用，避免由于老人、殘疾人從普通床上轉(zhuǎn)移到輪椅時，醫(yī)護人員的轉(zhuǎn)移動作導(dǎo)致的骨折、摔傷等身體二次傷害；
（3） 方便移動，分離式機器床椅的分離部分通常配備電機等驅(qū)動設(shè)備，能夠使老年人、殘疾人以及行動不便人士方便進行移動，能夠按照自己的身體、心理需求完成移動；
（4） 減輕老年人、殘疾人及行動不便人士的心理負(fù)擔(dān)，老年人、殘疾人由于長期臥床，生活普遍需要有醫(yī)護人員的照料，心理負(fù)擔(dān)有相當(dāng)大的壓力，同時，行動不便人士通常在恢復(fù)期需要親人的照料，他們不希望給家人帶來很多的麻煩，所以通常有很大的心理負(fù)擔(dān)，分離式機器床椅能夠給這些有心理負(fù)擔(dān)的人士進行心理緩解；
對分離式機器床椅的具體結(jié)構(gòu)尺寸進行分析，并選用鋁材，進行背板和足板的重量的計算。對輪椅進行受力分析，分析出電動推桿的最大驅(qū)動力及行程，并進行電動推桿的選型。
關(guān)鍵詞：分離式機器床椅；方案；結(jié)構(gòu)；設(shè)計
Abstract
In 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 錄
引 言 1
第一章 緒論 2
1.1設(shè)計目的 2
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3分離式機器床椅的優(yōu)點 8
第二章 分離式機器床椅的整體方案設(shè)計 10
2.1設(shè)計方案 10
2.2床體和輪椅的主體部分 11
2.2.1床體部分的主體結(jié)構(gòu)尺寸 11
2.2.2輪椅部分的主體結(jié)構(gòu)尺寸 11
2.3分離式機器床椅的工作原理 12
2.4分離式機器床椅的各零部件的設(shè)計 14
2.4.1滑槽部分 14
2.4.2滑軌部分 14
2.4.3足部支架部分 15
2.4.4支撐座部分 16
2.4.5背部支架部分 17
2.4.6卡緊結(jié)構(gòu) 18
2.5本章小結(jié) 19
第三章 控制系統(tǒng)的選擇 20
3.1推桿的選擇 20
3.1.1材料的選擇與重量計算 20
3.1.2受力分析 20
3.1.3電動推桿的選型 22
3.2蓄電池的選型 22
3.3控制器的選型 23
3.4驅(qū)動器（功率放大器）的選型 24
3.5控制流程圖 25
3.5.1床轉(zhuǎn)化為輪椅 25
3.5.2輪椅轉(zhuǎn)化為床 26
3.6本章小結(jié) 27
結(jié) 論 28
參考文獻 29
謝 辭 31
引 言
中國在解放初期，有著“人多力量大”的觀念，基本上每家都有很多的人口，當(dāng)時確實享受到了人口所帶來的人口紅利，但是直接導(dǎo)致了如今的人口老齡化愈發(fā)嚴(yán)重。中國是發(fā)展中國家，有許多的基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)還沒有完全建設(shè)到位，比如老年人的福利問題，老年人、殘疾人的照料問題，行動不便人士的照料問題。老年人通常是由于人體機能的各方面的老化，所帶來的各種行動不便、生活不便。老年人的四肢的協(xié)調(diào)性下降，承重能力急劇降低，腰部、腿部通常都有一定的問題，由于身體疾病所導(dǎo)致的身體肌肉萎縮，個人生活能力急劇降低。殘疾人士的生活起居問題，一般會請專門的保姆或者護工進行家庭照料，這樣的開支一般都是很大的，如果殘疾人士的經(jīng)濟基礎(chǔ)并不是很好，一般都是很難支付的如此高額的費用的。同時，殘疾人士的照料問題，有些并不需要完全請一個護工或者保姆進行24小時的全天候式的照料。某些行動不便人士，一般指由于偶發(fā)因素導(dǎo)致的暫時性的生活不便或者暫時性的生活不能自理的人士。這些人士大部分都不需要護工或者保姆進行照顧，但是自己進行正常的生活也十分的不便。由人口老齡化所帶來的老年人的照料問題、殘疾人士的照料問題以及某些行動不便人士的照顧問題，逐漸展現(xiàn)并成為我們社會中的一個急需解決的關(guān)鍵性問題。
為了解決以上人士的生活照料，以及減輕醫(yī)護人員的體能消耗，市場上有許多機械床椅能夠?qū)崿F(xiàn)減輕醫(yī)護人員的工作壓力。多功能機器護理床成為新一代醫(yī)療用具并迅速發(fā)展。目前，市場上的產(chǎn)品普遍認(rèn)為主要能夠?qū)崿F(xiàn)老年人、殘疾人及身體行動不便人士的功能有：身體翻動，背部的抬升，腿部的伸曲等生活基本動作。
第一章 緒論
1.1設(shè)計目的
本次課題設(shè)計了一種可以實現(xiàn)床體拆卸一部分并變形成為輪椅的分離式機器床椅。
與傳統(tǒng)的各類機器病床相比，分離式機器床椅可以實現(xiàn)患者從病床到輪椅無需移動地?fù)Q乘。對某些重癥患者而言，從病床換乘到輪椅上可能會造成很大的身體負(fù)擔(dān)，加重病情，而分離式機器床椅只需病人躺在床上，稍加扶正病人的位置后，分離出輪椅部分，通過電動推桿對背板和腿板的作用實現(xiàn)輪椅的變形，病人只需要一直躺在床上就可以，極大的減輕了病人的身體負(fù)擔(dān)和護理人員的體力勞動。
該課題主要內(nèi)容是對分離式機器床椅的分離變形方式及具體結(jié)構(gòu)尺寸進行分析，并選用鋁材框架，進行背板和足板的重量的計算。
對輪椅進行受力分析，分析出電動推桿的最大驅(qū)動力及行程，并進行電動推桿的選型。并根據(jù)電動推桿的功率選用合適的蓄電池，控制器以及驅(qū)動器。
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
多功能機械護理用床是根據(jù)病人長年臥床不起所受的痛苦和各大醫(yī)院教授提出的意見而自行研制出來，專為不能自理的病人、殘疾人、癱瘓病人、產(chǎn)婦的特殊需要而設(shè)計的護理床。
相對對于國內(nèi)，國外的機械床椅的設(shè)計的產(chǎn)品研發(fā)較早，通常認(rèn)為是德國、日本等發(fā)達國家的機械床椅技術(shù)較為發(fā)達。八樂夢公司（日本）和弗爾克公司（德國）作為機械床椅的設(shè)計生產(chǎn)制造商，有效地推動了機械床椅在醫(yī)護行業(yè)的發(fā)展。
CA-29B電動機械床椅作為八樂夢公司的經(jīng)典產(chǎn)品之一，如圖1-1所示，通過對保護手柄的改進，采用新型、過搖式的方式，方便快捷的實現(xiàn)了機械床椅的基礎(chǔ)功能，如膝關(guān)節(jié)的伸曲升降、髖關(guān)節(jié)處的升降與彎曲、軀干的升降及各聯(lián)動功能，對老年人、殘疾人及行動不便人士的生理活動有著極大的幫助，能夠使長時間的躺臥所帶來的褥瘡等疾病減少，使由于病人的位移所帶來的傷害減小，分體式的護欄能夠使護理人員的日常工作量降低。
圖1-1 1CA-29B機械床椅
弗爾克公司對機械床椅的承重進行測試，通過有效的科學(xué)計算方法，設(shè)計并生產(chǎn)多功能性機械床椅，從可靠性角度出發(fā)，以安全作為評判標(biāo)準(zhǔn)，為使用人士的生命安全作出保證。作為電動床，其具有較為便捷的驅(qū)動系統(tǒng)，較為先進的零部件。作為老年人、殘疾人及生活不便人士的日常生活使用頻率最高的設(shè)備之一，其還擁有較為舒服的設(shè)計理念，如具備餐桌功能，選用純天然無污染的原生木材，不但提高了機械床椅的功能需求，還實現(xiàn)了其使用舒適性的提高。
圖1-2 Model-S-382-Vis-à-vis機械床椅
相比國外的機械床椅行業(yè)，我國的起步晚，發(fā)展速度較慢，但隨著改革開放以來，技術(shù)的全球化不斷加劇，中國與國外的技術(shù)交流愈發(fā)頻繁，國內(nèi)的機械床椅行業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)商如雨后春筍一般愈發(fā)的增多。在沿海等較為發(fā)達地區(qū)的機械床椅行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計商通常先對國內(nèi)其他制造商有著稍高的技術(shù)水平及制造水平，但是大多都是對國外成熟的機械床椅產(chǎn)品的模仿制造。河北省衡水的德百、恒澤康兩家公司的機械床椅在產(chǎn)品外觀設(shè)計和功能設(shè)計上較為相似。
德百公司的DB-A02-1機械床椅（圖1-3），其主要使用者是老弱病殘人士，主要解決以上人群的側(cè)身、起坐等不同身體姿態(tài)難以自己完成的問題，如圖1-5所示。機械床椅的頭、尾均采用ABS的組合設(shè)計，運動承接滾動輪采用通用的萬向輪，選用4個靜音萬向輪，使產(chǎn)品有較高的通用性，且能保證較低的移動噪音。同時也能有電動功能，實現(xiàn)機械床椅的電動能力。
圖1-3 DB-A02-1機械床椅
恒澤康公司的MD-E09電動機械床椅，如圖1-4所示，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下：
（1） 膝關(guān)節(jié)處即軀干的升降，使用人員能夠較為便捷的上下床。有效的減輕護理負(fù)擔(dān)。
（2） 能夠向左邊和向右邊進行身體的翻轉(zhuǎn)，這樣使得使用人員能夠使褥瘡、組織壓傷等由于某個姿勢的長時間保持所帶來的疾病減少，同時能夠使醫(yī)護人員能夠便捷的對老弱病殘人士進行身體的清洗護理工作。
（3） 能夠?qū)崿F(xiàn)膝、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等腿部關(guān)節(jié)處的升降，使得老年人、殘疾人以及行動不便人士能夠得到適度的運動，使得人體尤其是身體下肢部位的血液得到相應(yīng)的有效、合理的循環(huán)，防止四肢的血液不通暢帶來的下肢麻木，以及更為嚴(yán)重的血液不通暢問題，如靜脈曲張等問題，能夠使醫(yī)護人員方便的對腿部進行清洗護理工作。
（4） 身體部分的升降，使得老年人、殘疾人以及行動不便人士能夠獨立的完成由平躺姿態(tài)轉(zhuǎn)換為坐立姿態(tài)，基本完成生活所需耗能較大的動作，能夠較為獨立的完成日常生活動作。
（5） 兩側(cè)防護欄的設(shè)置，能夠使得老年人、殘疾人以及行動不便人士能夠處于安全的生活活動環(huán)境中，即使有不平坦的地方，使得老年人、殘疾人以及行動不便人士仍然能夠憑借兩側(cè)的防護欄保證自己的人身安全。
（6） 餐桌的設(shè)計，使得老年人、殘疾人以及行動不便人士能夠方便的在機器床椅中完成吃飯、喝湯、閱覽、讀書、看報、書寫、處理工作等生活、工作、娛樂等日常生活所需活動。
圖1-4 MD-E09機械床椅
江蘇無錫的達爾夢達公司在電動機械床椅行業(yè)也有著較為重要的地位，其主要設(shè)計、生產(chǎn)制造的機械床椅分為兩類：醫(yī)用和家用。該公司通過對改革開放以來全球化所帶來的技術(shù)的爆炸性發(fā)展和技術(shù)交流，對國外引進產(chǎn)品的不斷研究與改進，生產(chǎn)出適合我國國內(nèi)的一系列的電動的機械床椅產(chǎn)品。通過對相關(guān)專利的引進與研究，該公司也發(fā)明了許多自身的專利，對產(chǎn)品設(shè)計理念的深入，該公司對國內(nèi)的市場需求也有著較高的清晰度。其設(shè)計的產(chǎn)品在國內(nèi)有著較高的生產(chǎn)銷量和市場需求，其系列產(chǎn)品中有某款型號的DB-3A機器機械床椅，能夠?qū)崿F(xiàn)多功能性的電動的機械床椅。
圖1-5 DB-3A機械床椅
DB-3A機械床椅（圖1-5）的控制設(shè)備是無線遙控設(shè)備，一般是無線遙控器，使用者通過遙控器上的按鍵對機械床椅的各部分進行控制。如果使用人士沒有基礎(chǔ)的文化知識，則需要對機械床椅的遙控設(shè)備進行簡單的學(xué)習(xí)控制，如果使用人士有基礎(chǔ)文化知識，則一般不需要對機械遙控設(shè)備進行學(xué)習(xí)，只需要稍微進行觀察演示就能上手使用。其基本控制動作有：身體軀干部位的升降，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等下肢部位的升降，以及整體的升降。這些基本動作能夠使老年人、殘疾人以及行動不便人士能夠通過自身完成基本的床上護理工作，通過機械床椅的協(xié)助，醫(yī)護人員能夠減輕護理工作量，提高工作效率。
國內(nèi)也有許多人對護理床的發(fā)展做出了許多貢獻：
張建國等[1]通過對護理床的研究，采用人機交互的設(shè)計理念，對機器床椅進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過UG三維建模軟件進行模型建立，通過機械結(jié)構(gòu)的運動仿真將機器床椅的有效機構(gòu)工作范圍進行分析，得出機器床椅的運動學(xué)變化規(guī)律，其設(shè)計對機器床椅的設(shè)計研發(fā)有一定的參考價值。
陳磊等[2]采用人機工學(xué)原理，通過對比分析法，提出三種背部的抬升機構(gòu)，通過對三種機械結(jié)構(gòu)的對比分析，選擇較為完善的機構(gòu)，使用Solidworks三維建模軟件，對其選擇的機構(gòu)進行三維建模，并對其控制電路進行設(shè)計，并通過數(shù)學(xué)分析計算，MATLAB軟件的仿真分析，確定機構(gòu)的正?；顒臃秶?，基本達到設(shè)計需求，為電動推桿的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
張華等[3]在分析分離式的機器床椅的功能需求的基礎(chǔ)上，選擇合理且必要的抬背機構(gòu)方案，使用Solidworks三維建模軟件，進行三維建模，運用機械原理對機構(gòu)的運動計算并選用合適驅(qū)動。使用MATLAB進行運動仿真，其設(shè)計基本達到設(shè)計需求。
李潔等[4]通過對現(xiàn)階段的健康恢復(fù)設(shè)備輔助工具的標(biāo)準(zhǔn)進行研究，針對現(xiàn)階段的健康恢復(fù)設(shè)備輔助工具廣泛性和個體差異性的判別，提出針對不同的個人的由于各體差異引起的不同的設(shè)計思路。采用國外西門子名下的針對人機交互工程的軟件JACK，對機器床椅與老年人、殘疾人以及行動不便人士之間的交互進行研究，其中通過控制變量法，對身高不同、體重不同的老年人、殘疾人以及行動不便人士在三種不同狀態(tài)：老年人、殘疾人以及行動不便人士的平躺狀態(tài)，老年人、殘疾人以及行動不便人士的軀干的水平、豎直狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，老年人、殘疾人以及行動不便人士的下肢的伸直與彎曲，與機器床椅的人機交互匹配程度的研究。通過對不同結(jié)果的分析，得出在普遍大眾性的機器床椅的基礎(chǔ)上在局部可以實現(xiàn)針對由于個體的差異性引起的不同的機器床椅的需求，一般指局部的結(jié)構(gòu)尺寸的需求、新穎實用的機器床椅的兩側(cè)的護理床護欄的設(shè)計以及整體機器床椅的其他方面的需求，通過對由于各體的差異性引起的個體性需求，為機器床椅的設(shè)計提供有效的在通用的基礎(chǔ)上的個體性差異需求設(shè)計提供參考。
陳琛等[5, 6]通過對老年人、殘疾人以及行動不便人士的醫(yī)護問題的關(guān)注，通過用戶群體的個人體驗原則為基礎(chǔ)，為機器床椅的各種多功能性和創(chuàng)新性提出了其獨特的設(shè)計方案。對國內(nèi)外的機器床椅現(xiàn)狀進行分析和對比，針對我國的醫(yī)療機械床椅中存在的問題提出了分析，并由此引出了研究內(nèi)容和研究方法。對醫(yī)用機械床椅現(xiàn)狀進行分析，主要分析了其結(jié)構(gòu)尺寸、其發(fā)展過程以及用戶對他的各種需求。根據(jù)不同用戶的不同體驗需求為設(shè)計原則，結(jié)合機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程，提出了其設(shè)計方案并驗證方案的可行性。馮亞文等對機器床椅的功能結(jié)構(gòu)進行研究，設(shè)計了較為新穎的多功能機器，床椅，可以實現(xiàn)在床上的如廁功能等，可以通過PLC控制技術(shù)來實現(xiàn)電動推桿的有效控制，從而滿足老年人、殘疾人以及行動不便人士對機器床椅的不同的動作需求。
劉方圓等[7, 8]通過對機器床椅的設(shè)計流程的分析，采用模塊化的分析思路，將機器床椅的個機械結(jié)構(gòu)，進行模塊劃分以及功能分析。尤其對下肢的運動模塊進行了詳細(xì)闡述，主要分析下肢結(jié)構(gòu)的三種被動運動姿態(tài)，并且為機器床椅的下肢機構(gòu)提出了設(shè)計方案，使用MATLAB對建立的三種數(shù)學(xué)模型進行分析，并且聯(lián)合ADAMS仿真軟件進行聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真結(jié)果驗證了下肢機構(gòu)的設(shè)計的合理性并且能夠證明老年人、殘疾人以及行動不便人士在日常生活與鍛煉中能夠使用到所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)。
周志勇[9-11]等通過對機器床椅的感性認(rèn)識，使用系統(tǒng)量化的方法，分析并歸納出一般的規(guī)律，從而將用戶的外觀感性的需求轉(zhuǎn)化為機械設(shè)計師的量化的設(shè)計要素。主要從感覺、外觀、性能三個方面進行逐一的量化，從而建立起有6個意向詞和35個樣本的基礎(chǔ)空間。通過對不同個體的問卷調(diào)查，根據(jù)分析的數(shù)據(jù)形成機器床椅的產(chǎn)品設(shè)計趨勢，從而根據(jù)客戶需求而提出新的設(shè)計思路。
張建國等[12, 13]提出人性化設(shè)計是逐步成為現(xiàn)代化產(chǎn)品的設(shè)計中的一個重要的設(shè)計理念，他不單在強調(diào)產(chǎn)品在生態(tài)學(xué)、人體工學(xué)、美學(xué)等其他角度的設(shè)計需求，并且體現(xiàn)了以人為本等科技設(shè)計思想。提出并設(shè)計了符合以上設(shè)計思想的機器，床椅，使用了Pro/E三維建模軟件進行模型的建立以及仿真分析，對后續(xù)的機器，床椅的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。
但是以上所述的許多機器床無法實現(xiàn)床椅分離變形的功能，針對移動身體會帶來很大身體負(fù)擔(dān)的患者，此次設(shè)計了這種安全實用，避免由于老人、殘疾人從普通床上轉(zhuǎn)移到輪椅時，醫(yī)護人員的轉(zhuǎn)移動作導(dǎo)致的骨折、摔傷等身體二次傷害的分離式機器床椅。
1.3分離式機器床椅的優(yōu)點
分離式的自動化機器床椅的優(yōu)點在于：
(1)對空間的有效利用；
(2)安全實用，避免由于老人、殘疾人從普通床上轉(zhuǎn)移到輪椅時，醫(yī)護人員的轉(zhuǎn)移動作導(dǎo)致的骨折、摔傷等身體二次傷害；
(3)方便移動，分離式機器床椅的分離部分通常配備電機等驅(qū)動設(shè)備，能夠使老年人、殘疾人以及行動不便人士方便進行移動，能夠按照自己的身體、心理需求完成移動；
(4)實現(xiàn)機械床椅的所有功能，分離式機器床椅的床體部分能夠?qū)崿F(xiàn)諸如背部的抬升，腿部的伸曲等生活基本動作；
(5)減輕老年人、殘疾人及行動不便人士的心理負(fù)擔(dān)，老年人、殘疾人由于長期臥床，生活普遍需要有醫(yī)護人員的照料，心理負(fù)擔(dān)有相當(dāng)大的壓力，同時，行動不便人士通常在恢復(fù)期需要親人的照料，他們不希望給家人帶來很多的麻煩，所以通常有很大的心理負(fù)擔(dān)，分離式機器床椅能夠給這些有心理負(fù)擔(dān)的人士進行心理緩解；
（6）輕便、空間利用率大，某些著名醫(yī)院的床位通常很緊張，醫(yī)院科室內(nèi)的走廊內(nèi)的加床現(xiàn)象已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。其原因有一點是室內(nèi)不僅要放置普通的床位，而且需要放置親人等移動床椅，空間占用大。分離式機器床椅能夠有效地提高個人生活能力，減少醫(yī)護、親人的數(shù)量，相應(yīng)的減少空間使用，從而提高空間利用率。
分離式機械床椅的設(shè)計開發(fā)與投產(chǎn)入市是需要通過機械設(shè)計的研發(fā)周期的。機械產(chǎn)品在開發(fā)前需要考慮到產(chǎn)品開發(fā)的價值與意義，比如：隨著社會的發(fā)展與進步，消費者對產(chǎn)品的各個方面不斷提出新的需求，過硬的質(zhì)量要求、豐富的產(chǎn)品功能、或簡約或華麗的產(chǎn)品設(shè)計外觀、經(jīng)濟實惠的產(chǎn)品價格等，這些都激勵著企業(yè)等產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)商不斷進行產(chǎn)品研發(fā)；國內(nèi)市場的開放，讓國外市場的進入對我國企業(yè)是個極大的挑戰(zhàn)，同時也是個機遇，企業(yè)把握好產(chǎn)品設(shè)計、客戶需求，在新的產(chǎn)品研發(fā)上不停腳步，便在全球經(jīng)濟一體化的現(xiàn)代商業(yè)貿(mào)易戰(zhàn)中獲得一席之地；現(xiàn)代化技術(shù)的逐漸應(yīng)用，產(chǎn)品的更新速度不斷加快，很多產(chǎn)品都不能靠老技術(shù)站在現(xiàn)代個性化產(chǎn)品中，需要不斷且愈加重視機械產(chǎn)品等產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。
分離式機械床椅作為市場上較為新穎的醫(yī)護產(chǎn)品，其目標(biāo)人群是老年人、殘疾人、行動不便人士、醫(yī)院等，作為機械產(chǎn)品研發(fā)同樣遵循上述的產(chǎn)品壽命周期。分離式機械床椅的研發(fā)不僅需要有新穎的技術(shù)水平，同時需要快速的步入市場才能很好的在醫(yī)護產(chǎn)品市場中占領(lǐng)地位。
在分離式機器床椅的技術(shù)革新方面，松下集團擁有非常完善的、成熟的技術(shù)，所生產(chǎn)的分離式機器床椅受廣大群眾喜愛。
第二章 分離式機器床椅的整體方案設(shè)計
2.1設(shè)計方案
本次設(shè)計分離式機器床椅時的設(shè)計思路為：通過對人機交互的人機匹配度的分析，按照目標(biāo)人群的需求，設(shè)計分離式機器床椅的整體設(shè)計方案。盡量通過模塊化、需求定量化的設(shè)計思路，進行分離式機器床椅的整體設(shè)計。
分離式機器床椅主要有11部分組成：分離式機器床椅的床部分的床頭柜，分離式機器床椅的床部分的床兩側(cè)扶手，分離式機器床椅的輪椅部分的輪椅的推手，分離式機器床椅的輪椅部分的扶手，分離式機器床椅的輪椅部分的座位，分離式機器床椅的床部分的開關(guān)式床門，分離式機器床椅的輪椅部分的背板支架、足板支架，分離式機器床椅的輪椅部分的背板連桿，分離式機器床椅的床部分的4個萬向輪輪架，分離式機器床椅的床部分的4個萬向輪。
圖2-1 分離式機器床椅catia圖
2.2床體和輪椅的主體部分
2.2.1床體部分的主體結(jié)構(gòu)尺寸
圖2-1床體部分
分離式機器床椅的床體部分的主體可以將其分為床頭、床平板、兩側(cè)扶手、支架、等部分。具體尺寸如下所示：
（1） 床頭：688673mm2，厚度40mm
（2） 床平板：1790000mm2，厚度22mm
（3） 兩側(cè)扶手：長度1305mm，截面積1100 mm2
（4） 支架：兩側(cè)長度1710mm，前后長度1220mm，截面積270 mm2
2.2.2輪椅部分的主體結(jié)構(gòu)尺寸
分離式機器床椅的輪椅部分的主體是分段的平板，分為：背板，坐板，小腿板以及足部板。
圖2-3輪椅部分
各部分的具體尺寸如下：
（1） 背板：長度700mm，寬500mm，厚22mm
（2） 坐板：長度500mm，寬500mm，厚22mm
（3） 腿板：長度255mm，寬500mm，厚22mm
（4） 足板：長度300mm，寬500mm，厚22mm
2.3分離式機器床椅的工作原理
通過圖2-2、2-3可以看出，分離式機器床椅可以分為床體部分和輪椅部分。床頭柜在分離式機器床椅的前端，主要目的是保護老年人、殘疾人及生活不便人士的安全問題，避免老年人、殘疾人及生活不便人士由于意外的向上移動，導(dǎo)致從前端墜落。床的扶手在分離式機器床椅的兩端，主要目的是保護老年人、殘疾人及生活不便人士的安全問題，避免老年人、殘疾人及生活不便人士由于向兩側(cè)翻身導(dǎo)致的向兩側(cè)移動，導(dǎo)致從兩側(cè)墜落。輪椅的扶手1在分離式機器床椅輪椅部分的背部后側(cè)，主要目的是便于醫(yī)護人員進行醫(yī)療護理，便于將在分離式機器床椅的輪椅部分從在分離式機器床椅的床體部分分離出來，而且可以在電動機電力不足時，采用人工驅(qū)動的方式移動。輪椅的扶手2是在在分離式機器床椅的輪椅部分的兩側(cè)，采用可拆卸的扶手設(shè)計，參照行李箱的拉桿固定結(jié)構(gòu)，將扶手插入輪椅扶手槽中并固定，將扶手上的按鈕的垂直運動變成鎖扣的水平運動。扶手主要作用是保護老年人、殘疾人及生活不便人士的安全問題，避免老年人、殘疾人及生活不便人士由于顛簸等突發(fā)狀況，身體向兩側(cè)位移導(dǎo)致的向兩側(cè)墜落。輪椅座是在分離式機器床椅的輪椅部分的主體，主要目的是使老年人、殘疾人及生活不便人士能夠保持坐立姿態(tài)，完成分離式機器床椅的主要目的，使老年人、殘疾人及生活不便人士能夠自由的由躺臥姿態(tài)轉(zhuǎn)換為坐立姿態(tài)，并且可以通過護理人員推動的方式進行移動。
分離式機器床椅的支架部分分為背板支架和足板支架，背板支架部分主要目的是完成分離式機器床椅的輪椅部分的背部平板的俯仰運動，使得老年人、殘疾人及生活不便人士能夠通過背板支架部分的工作完成躺臥和坐立姿態(tài)的轉(zhuǎn)換。足板支架部分的主要目的是完成分離式機器床椅的輪椅部分的足部平板的俯仰運動，分離式機器床椅的輪椅部分離開分離式機器床椅的床體部分時，膝關(guān)節(jié)處的支撐板會由于沒有支撐自然落下，但是足部的支撐板同樣會自然落下，為了使老年人、殘疾人及生活不便人士能夠有更高的舒適度，需要通過足板支架將足部的支撐板抬起，從而使得老年人、殘疾人及生活不便人士的足部有所支撐。
分離式機械床椅的床體床門由圖2-2所示，此時是分離式機器床椅的床體床門的打開狀態(tài)，分離式機器床椅的床體部分是由4個萬向輪作為支撐，使得分離式機器床椅能夠在空間平面內(nèi)完成移動。分離式機器床椅的輪椅部分同樣有4個萬向輪，這個4個萬向輪是通過人工進行控制作為驅(qū)動來完成分離式機器床椅的輪椅部分的移動的。
通過上圖可知，分離式機器床椅的輪椅部分是嵌入在分離式機器床椅的床體部分的，通過滑槽完成出入的方向，并由外力進行驅(qū)動。當(dāng)分離式機器床椅的輪椅部分離開或進入分離式機器床椅的床體部分時，分離式機器床椅的床門都需要打開，使得分離式機器床椅的輪椅部分能夠順利的離開或進入。床門采用2段折疊式打開的方式，可以節(jié)省空間。
2.4分離式機器床椅的各零部件的設(shè)計
2.4.1滑槽部分
圖2-4滑槽部分
圖2-5滑槽
滑槽部分的具體結(jié)構(gòu)尺寸如上圖所示，其截面圖為凹形槽，凹槽為長方形，長55mm，寬40mm，凹形槽深度為10mm，凹形槽寬度為25mm，整個凹形槽的長度為1760mm。
2.4.2滑軌部分
圖2-6滑軌部分
圖2-7滑軌部分
滑軌部分的形狀為凸槽體，如上圖所示。其邊長為25mm，凸槽體下端長度15mm，整個長度為1020mm。
2.4.3足部支架部分
圖2-8足部支架部分
圖2-9足部支架
足部支架部分的結(jié)構(gòu)為大V型板，如上圖所示。中心距長198mm，另一個中心距長125mm，連接孔的直徑為12mm，共3個。大V型板的板子厚度為10mm。
2.4.4支撐座部分
圖2-10支撐座部分
圖2-11支撐座
支撐座部分結(jié)構(gòu)尺寸如上圖所示，總長度為420mm，厚度為30mm，上端長度為50mm，各部分的長度為60mm，10mm，240mm，10mm，兩上端間距10mm，上端連接部分的圓孔直接為12mm，共4個。用于支撐背部支架。
2.4.5背部支架部分
圖2-12背部支架部分
圖2-13背部支架
背部支架部分的結(jié)構(gòu)尺寸如上圖所示，結(jié)構(gòu)為V形板，兩圓孔中心距長度為313mm、55mm，總長396mm，兩個內(nèi)圓直徑為12mm，外圓直徑為30mm。
2.4.6卡緊結(jié)構(gòu)
圖2-14卡扣結(jié)構(gòu) 圖2-15微型推拉式牽引電磁鐵
卡緊結(jié)構(gòu)固定在床體上，由卡扣、微型推拉式牽引電磁鐵組成。利用微型電磁鐵工作將彈簧吸下，卡扣下降從而釋放輪椅，實現(xiàn)輪椅能從床體分離。輪椅復(fù)位時，無須電磁鐵工作，輪椅的水平運動壓縮彈簧，復(fù)位后彈簧復(fù)原實現(xiàn)卡緊。
微型推拉式牽引電磁鐵選用12V,1.5A,行程10mm，力度1.5N。
圖2-15 微型推拉式電磁鐵結(jié)構(gòu)
2.5本章小結(jié)
本章設(shè)計了分離式機器床椅的總體結(jié)構(gòu)以及各零件的設(shè)計，確定了床體以及輪椅部分的尺寸和結(jié)構(gòu)，包括背板與足板支架的設(shè)計、背板支撐架的設(shè)計、卡緊機構(gòu)的設(shè)計、滑軌滑槽的設(shè)計等。
第三章 控制系統(tǒng)的選擇
3.1推桿的選擇
3.1.1材料的選擇與重量計算
為了減輕輪椅的重量，我們選用鋁材作為輪椅的支撐框架材料，鋁材的密度為2.7×103kg/m3。鋁板框架的厚度為2mm，床墊重量忽略不計，結(jié)合背板的體積就可以得到背板等關(guān)鍵支撐板的重量。
通過計算可以獲得：
3.1.2受力分析
輪椅在不同位置時的電動推桿的驅(qū)動力是隨時間變化的，我們需要對電動推桿進行選型時僅需要分析最大電動推桿的驅(qū)動力即可。因此，對輪椅進行受力分析，得到當(dāng)背板處于水平狀態(tài)時，背板的電動推桿的驅(qū)動力最大。因此，對此時的電動推桿、背架的支架及背架進行受力分析。取人體上半身重量約40kg。
圖3- 1受力分析圖
圖3-2幾何尺寸分析圖
將各部分進行簡化，對其受力分析，如上圖所示。其中：
根據(jù)三角形面積不變原理：
根據(jù)杠桿原理可知：
3.1.3電動推桿的選型
由此可知，背板處于水平狀態(tài)是時，有最大的電動推桿力，此時為1864.96N。足板處的分析思路和背板處的分析思路類似，很明顯可以看出，足板的電動推桿的最大驅(qū)動力應(yīng)小于背板處的，因此，以背板處為參考即可。
此時，按照電動推桿的各種規(guī)格進行選型，電動推桿的型號如下圖3-3所示。
圖3-3 電動推桿的型號表
經(jīng)過計算，我們所得的電動推桿的最大推力為1864.96N，因此選擇最大載荷為2000N推力的電動推桿即可。其行程為880mm。
3.2蓄電池的選型
蓄電池選用12V，100Ah規(guī)格。
圖3-4 12V蓄電池
電池規(guī)格如下圖3-5
圖3-5 蓄電池參數(shù)規(guī)格
3.3控制器的選型
利用控制器連接電動推桿，控制器內(nèi)部有wifi模塊，可手動直接操作控制器，或通過有線遙控器來操作。第一排按鍵為背板的上升和下降。第二排按鍵為腿板的上升和下降，第3排按鍵是復(fù)位按鈕。
背板上升
背板下降
腿板上升
腿板下降
背板復(fù)位
腿板復(fù)位
圖3-6 推桿控制器與有線遙控器
3.4驅(qū)動器（功率放大器）的選型
蓄電池為12v，推桿電機為直流電機，選用電壓范圍為9-36V的驅(qū)動器，規(guī)格如圖3-7
圖3-7 驅(qū)動器型號
3.5控制流程圖
3.5.1床轉(zhuǎn)化為輪椅
圖3-8病床轉(zhuǎn)化為輪椅流程圖
開啟電源后按下升背按鈕，背板抬高，當(dāng)病患覺得舒適時松開按鈕，停止升高背板。然后按下降腿按鈕，當(dāng)被護理人員覺得舒適時松開按鈕，停止下降腿板，關(guān)閉電源。完成病床到輪椅的轉(zhuǎn)換。
3.5.2輪椅轉(zhuǎn)化為床
圖3-9輪椅轉(zhuǎn)化為病床流程圖
開啟電源后按下降背按鈕，背板開始復(fù)位，當(dāng)背板完全復(fù)位時松開按鈕。然后按下升腿按鈕，當(dāng)腿板完全復(fù)位時松開按鈕，關(guān)閉電源。完成輪椅到病床的轉(zhuǎn)換。
3.6本章小結(jié)
本章分析了輪椅部分的受力情況，根據(jù)受力分析選用合適的電動推桿，再根據(jù)推桿的功率及參數(shù)選用合適的控制器，驅(qū)動器和蓄電池。
結(jié) 論
此次課題主要設(shè)計了一種可以實現(xiàn)床椅分離的機器護理床，實現(xiàn)病人在輪椅和病床之間無需移動的換乘。
分離式的自動化機器床椅的優(yōu)點在于：
(1)對空間的有效利用；
(2)安全實用，避免由于老人、殘疾人從普通床上轉(zhuǎn)移到輪椅時，醫(yī)護人員的轉(zhuǎn)移動作導(dǎo)致的骨折、摔傷等身體二次傷害；
(3)方便移動，分離式機器床椅的分離部分通常配備電機等驅(qū)動設(shè)備，能夠使老年人、殘疾人以及行動不便人士方便進行移動，能夠按照自己的身體、心理需求完成移動；
(4)實現(xiàn)機械床椅的所有功能，分離式機器床椅的床體部分能夠?qū)崿F(xiàn)諸如背部的抬升，腿部的伸曲等生活基本動作；
(5)減輕老年人、殘疾人及行動不便人士的心理負(fù)擔(dān)，老年人、殘疾人由于長期臥床，生活普遍需要有醫(yī)護人員的照料，心理負(fù)擔(dān)有相當(dāng)大的壓力，同時，行動不便人士通常在恢復(fù)期需要親人的照料，他們不希望給家人帶來很多的麻煩，所以通常有很大的心理負(fù)擔(dān)，分離式機器床椅能夠給這些有心理負(fù)擔(dān)的人士進行心理緩解；
（6）輕便、空間利用率大，某些著名醫(yī)院的床位通常很緊張，醫(yī)院科室內(nèi)的走廊內(nèi)的加床現(xiàn)象已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。其原因有一點是室內(nèi)不僅要放置普通的床位，而且需要放置親人等移動床椅，空間占用大。分離式機器床椅能夠有效地提高個人生活能力，減少醫(yī)護、親人的數(shù)量，相應(yīng)的減少空間使用，從而提高空間利用率。
通過對分離式機器床椅的具體結(jié)構(gòu)尺寸進行分析，并選用鋁材，進行背板和足板的重量的計算，對輪椅進行受力分析，分析出電動推桿的最大驅(qū)動力以及最大行程，并選用合適的電動推桿以及控制系統(tǒng)，繪制總體cad裝配圖與catia三維圖，繪制控制流程圖。
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謝 辭
本次畢業(yè)設(shè)計我特別感謝我的指導(dǎo)教師金山海老師，從設(shè)計的選題開始，老師就給了我很多的建議。設(shè)計過程中，老師會很耐心的指出我設(shè)計中的錯誤，并指導(dǎo)我如何改正。金老師在設(shè)計過程中對我的幫助和細(xì)心的指導(dǎo)給了我許多的信心，讓我能夠順利完成此次畢業(yè)設(shè)計。金老師不只是教導(dǎo)了我們知識，從他身上更是能學(xué)到許多做人的道理。
同時我也非常感謝我同一個小組的同學(xué)們，我們在一起探討，解決問題，互相幫助，使得學(xué)習(xí)的過程充滿樂趣和意義。
感謝我的父母和家人，這么多年來，他們對我的學(xué)習(xí)和生活不留余力的支持，給了我豐厚優(yōu)越的條件，讓我沒有后顧之憂，家人期盼的眼光就是我前進的動力。
最后在此向參加答辯評審的各位老師表示由衷的感謝。
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