多段翻身模块的设计与研究

多段翻身模块的设计与研究1目 录摘要 1ABSTRACT .21 绪论 31.1 选题的背景 31.2 选题的目的和意义 41.3 国内外相关产品研究现状 51.3.1 国外研究现状 51.3.2 国内研究现状 61.4 本文主要研究内容 62 需求分析及翻身模式 72.1 需求分析 72.2 定轴旋转翻身 82.3 翻身床板布局 .102.4 本章小结 .113 多段翻身模块总体方案设计 .123.1 设计要求 .123.2 设计指标 .123.3 整体方案设计 .14多段翻身模块的设计与研究23.3.1 执行机构布局 .143.3.2 执行机构尺寸 .153.3.3 各段机构构型设计 .163.4 驱动方案 .193.5 本章小结 .194 多段翻身模块运动学与动力学分析 .204.1 翻身原理 .204.2 翻身模块机构的运动学分析 .214.3 翻身模块机构的动力学分析 .234.4 本章小结 .245 多段翻身模块结构设计 .245.1 多段翻身模块的结构设计 .255.2 翻身模块床板框架的机械结构设计 .265.3 翻身模块翻身运动机构的机械结构设计 .285.4 翻身模块驱动电机的选择 .305.5 本章小结 .316 装配调试与强度校核 .326.1 多段翻身模块的强度校核 .326.2 多段翻身模块的装配调试 .336.3 本章小结 .35多段翻身模块的设计与研究37 总结与展望 .357.1 全文总结 .357.2 后续研究展望 .36参考文献 .38附录 .40多段翻身模块的设计与研究1摘 要依据有关数据显示，从计划生育政策实施以来，我国的人口有效的得到了控制，但于此同时中国社会出现了一个新的问题，随之出生率和结婚率的降低，中国老龄化进程愈加严重，老龄人口所占比例越来越大，空巢老人越来越多，很多生活不能自理的老龄人得不到相应的照顾 1。同时，对于长期卧床或是大型手术后不能独立翻身的病人来说，他们急需一种可以帮助他们独立完成翻身的设备。多段翻身模块旨在利用稳定可靠的机构完成相应的设计功能。本文所设计的多段翻身模块主要适用人群是长期卧床不能独立完成翻身的瘫痪人士或是老年人士。旨在帮助他们定期翻身促进血液循环，减少疾病发生；同时也为护理人员提供辅助帮助，降低他们的劳动强度。本研究主要内容有一下六个方面：（1）研究国内外相关产品现状，分析翻身功能特点，结合正常人实际翻身情况最终确定翻身模式定轴转动翻身。（2）总方案设计。根据多段翻身模块的设计功能以及设计指标结合行业标准首先给出多段翻身模块的整体布局以及各部分尺寸，最终确定多段翻身模块的总体设计方案。（3）总体方案确定后需要对翻身模块的各机构进行分析，分析内容包括机构的速度、加速度、位移以及角速度等，从而确定所设计机构的合理性。根据所分析的数据确定机构是否合理，同时为后面的强度校核以及原动件选择提供依据。（4）对多段翻身模块的执行机构及动力机构进行详细的设计，确定相应的驱动方案并进行电机选择。（5）运用 Solidworks Simulation 软件对零部件强度上所出现的问题进行了重多段翻身模块的设计与研究2新校核，依据有限元分析得到的校核结果对相关零部件进行重新设计；简单介绍多段翻身模块的装配调试，对出现过的问题进行总结分析并介绍解决的方案。（6）对本文研究的多段翻身模块进行总结，并展望未来机构。关键词：多段翻身模块，有限元分析，机构设计DESIGN AND RESEARCH OF MULTI-STAGE TURNING-OVER MODULEABSTRACT(1) This paper studies the current situation of related products at home and abroad, analyzes the features of the turning over function, and finally determines the turning mode of the body with fixed axis rotation according to the actual turning situation of the normal person.(2) General scheme design. According to the design function and design index of the multi-stage roll-over module, the overall layout and the detailed dimensions of each part of the multi-stage turn-over module are first given, and the overall design scheme of the multi-stage turn-over module is finally determined.(3) After the overall scheme is determined, we need to analyze the various mechanisms of the roll-over module, including the velocity, acceleration, displacement and angular velocity of the mechanism, so as to determine the rationality of the designed mechanism. (4) The actuator and the power mechanism of the multi-section turn-over module are 多段翻身模块的设计与研究3designed in detail and the corresponding materials are selected, and the corresponding driving scheme is determined and the motor selection is carried out.(5) This paper briefly introduces the assembly and debugging of multi-stage turning-over module, summarizes and analyzes the problems that have occurred and introduces the solutions, and re-checks the problems on the strength of parts by using Solidworks Simulation software.(6) This paper summarizes the multi-stage turn-over module, and looks forward to the future research work and future turning-over mechanism.Key words: Multi-stage rollover module, finite element analysis, mechanism design多段翻身模块设计与研究陈生 0111151021 绪论1.1 选题的背景根据统计到 2011 年末，我国将有 1.85 亿 60 岁以上的老年人口，估计到十二五结束，我国老年人口将达到 2.21 亿，其中新增加人口为 4300 多万，然而此时已有2400 万达到高龄80 岁及其以上，同时空巢老年人口也大量增加，有 5100 多万65 岁的空巢老人 2。中国老龄事业发展报告（2013）蓝皮书 2013 年在北京发布，该书明确指出中国目前老年人口占总人口数的 14.3%，到 2012 年结束，中国老年人口在 2011 年的基础上再次增加了 891 万人次，达到了历史新高的 1.94 亿 3。到达2014 年，我国老年人口一如既往的增加，在 2013 年的基础上增加了 1.2 个百分点，然而在众多老年人口中大约有 4000 万老年人是生活不能自理的，约占老年总人口的多段翻身模块的设计与研究420%。根据专业人士推测，以中国现在的发展趋势，中国老年人口在未来十五年左右将出现 4 亿的新高度，与此同时，那些生活不能自理的老年人口也会大幅增加。来自 2018 年官方最新的各类数据都表明，目前我国的出生率和成婚率正在不断下降，我国的老年化进程正在加速前进，仅仅最近的五年时间内老年人口将近增加了 25 个百分比 4。 由上述数据可知，每年我国的老年人口都会在上一年的基础上增加一个百分比，于此同时那些残疾、瘫痪、老年痴呆等一系列生活不能自理的人口数也会随之大大的增加。 相关资料已表明，中国目前的老年人中患有大脑方面疾病的占总数的 10%，因脑性疾病而发生瘫痪的有 1.84%5。从这些数据可以看出，我国存在很大很大一群生活不能自理的人，他们这些人的生活更应该得到我们和社会的关注以及国家政府的重视解决。医学上指出，瘫痪主要是由于神经系统异常而通过身体表现出来的，具体特征是肌肉没有了活动能力或者活动能力非常弱。而对于上述这类人来说，护理方面最难的问题就是怎么解决或者预防病人因长期卧床而产生的褥疮，褥疮的俗名又叫压力性溃疡，顾名思义压力性溃疡是因为正常的人体组织因为长时间的受压，导致组织血液循环受阻肌体出现连续的缺氧缺血，再加上严重的营养不良最终使其坏死 6-7。皮肤压疮是一个很普遍性的问题在病人护理和医院康复治疗中。根据有关的统计，因皮肤褥疮而引起的综合病症导致每年大约有 6 万人死亡。最简单有效的防止褥疮出现的方式是护理人员做到以下七点多翻身、多擦洗、多按摩、多换洗、多整理、多检查、多交换；最重要的是多翻身，多翻身要求至少每一个小时重复一次且翻身是要主义患者受伤处，以免出现二次受伤的情况 8。多翻身不仅可以防止肌肉因长期受压而产生营养不良的萎缩情况也是最好最有效的防止褥疮的方式 9。因此，如果照顾一个长期瘫痪在床的病人至少需要两个护理人员轮流护理，这对大多数家庭都是一笔不小的开销，对护理人员来说也是一个任重道远的过程。因此本文想借助机械机构帮助家庭减轻负担，帮助护工减少工作量，同时也让病人更加对立。现如今很多医院都会有一些专业的护工，他们的主要工作之一就是每隔一段时间给病人翻身拍背，促进血液循环，帮助病人更好的恢复。虽然很多病人没有瘫痪而且大多数病人都有自己的家人照顾，但很多家属不专业。当烧伤病人身体大面积多段翻身模块的设计与研究5损坏的时候很多不专业的亲属都是不敢随意翻动的。还有很多病人是刚做手术的，比如腰部手术，臀部、腿部手术等，这些病人在手术后的一两周内也是没有独立翻身的能力的，家人同时也是不敢大幅度翻动患者的身体。而对于一些体积大、重量重的患者，护士在翻身的时候也会有很大的难度，而且受力不均，容易造成二次伤害以及病人的不适。因此，需要一种工具辅助护理人员，减轻他们的负担；同时该辅助工具也可以让病人更佳独立家人更佳放心。多段翻身模块机构采用的是空间节约化设计理念，该理念强调用最小的空间实现最全的功能，相同的空间实现最多的功能，努力做到实物与理想设计一样。1.2 选题的目的和意义长时间卧床且无法独立翻身的病人必须借助外力帮助完成，一方面是给患者更好的舒适度，另一方面是促进患者的血液循环，目前家庭或医院都是通过人力完成这一动作。医学实践表明，患者长时间不翻身会阻碍血液的循环，导致肌肉萎缩、褥疮产生以及关节僵硬等一系列的疾病。根据有关统计，褥疮是长时间卧床最容易产生的一种疾病，有些患者可能会因为严重的褥疮而丧失生命。医学护理相关知识给出相应的规定，建议每个一至两小时给病人做一次翻身，这样不仅可以促进血液循环防止疾病产生，同时也可以给患者带来更好的舒服姿势。然而定期给病人翻身给护理人员和家人都带来的极大的不便，尤其是患者夜间的翻身工作。目前借助工具翻身的方式主要有两种：一种是借助翻身床翻身，翻身床翻身主要是沿床对折，这种翻身方式会导致患者与床面之间发生相对的滑动，给患者带来极大的不舒适感；第二种就是借助床单辅助翻身，这种方式本质上并没有降低使用者的劳动强度，只是将双手翻身的用力变的更加均匀。1.3 国内外相关产品研究现状1.3.1 国外研究现状美国的医疗护理产业发展成熟，其中 Stryker 公司和 Hill-Rom 公司是最具代表性的康复护理医疗器械生产企业，它们所生产的医疗护理床种类涵盖了几乎所有医疗护理门类 10。如图 1-1 所示是由 Stryker 公司生产的 S3 型医疗床，它能够通过运多段翻身模块的设计与研究6动机构实现背部支起 30且拥有中置式制动器，能够通过内置机构的协同运动实现对四个万向脚轮的止动功能。图 1-1 Stryker 公司 S3 型护理床日本同样拥有巨大的护理床市场，八乐梦（Paramountbed）公司是全日本最大的医疗护理床生产企业，他们的产品远销全世界，图 1-2 所示是八乐梦公司生产的ICARE PLUS 四马达电动床，通过将电动推杆作为直线运动驱动模块，结合曲柄滑块等机构原理的运用可以实现背部支起，腿部弯曲，整床升降等功能。多段翻身模块的设计与研究7图 1-2 八乐梦公司 ICARE PLUS 四马达电动床1.3.2 国内研究现状在我国一方面由于护理意识较弱，另一方面由于技术起步较晚，因此护理床较其他发达国家较为落后。根据动力划分，目前市场上主要是电动护理床和手动护理床。电动护理床可以让患者更加独立，几乎不需要护理人员辅助，但伴随着价格相对较高；手动护理床与其相反。根据床体翻折一般可以划分为四类：一是两折护理床，主要是沿床长度方向对折，只能实现支背功能，结构简单；二是三折护理床，该床是沿床长度方向折两次，可以实现曲腿功能，用户可以当作轮椅使用；三是四折护理床，该床和三折床差不多，在此不多介绍；最后就是可以翻身的护理床，但其翻身功能主要是靠侧板翻动实现的，翻身过程中会出现患者与床体相对滑动的现象，可靠性不高。1.4 本文主要研究内容本课题所研究的问题是借助机械机构设计一种能给用户带来更好体验的同时也能大大降低护理人员劳动强度的多段翻身机构。首先，本文需要对多段翻身模块的各项设计功能进行理论上面的可行性分析；其次是构建多段翻身模块的整体不布局及各部分的尺寸；最后建立模型，完成对各部分的受力分析以及强度校核。因此，本课题对多段翻身模块的研究主要分为一下几个方面:多段翻身模块的设计与研究8（1）整体设计方案：根据多段翻身模块的设计功能以及设计指标结合行业标准首先给出多段翻身模块的整体布局以及各部分详细尺寸，最终确定多段翻身模块的总体设计方案。（2）机构参数分析：总体方案确定后我们需要对翻身模块的各机构进行分析，分析内容包括机构的速度、加速度、位移以及角速度等。根据所分析的数据确定机构是否合理，同时为后面的强度校核以及原动件选择提供依据。（3）建立模型：运用三维软件 SolidWorks 对多段翻身模块进行建模，选择各个机构的材料以及各部分的驱动方式。（4）受力分析：为了保证所设计机构的安全性及可靠性，运用三维软件SolidWorks 插件中的 Motion 或者 Adams 对各部分机构进行受力分析以及强度校核。（5）平面图纸绘制：根据所建立的三维模型导出各零件的二维图纸，以及整体的装配图。根据制图标准标注尺寸、形位公差、表面粗糙度、技术要求以及加工时的一些注意事项。（6）加工审查：零件在加工过程中我们需要对零件进行全程的跟踪观察，一方面是检查零件的加工是否符合本文所说明的技术及精度方面的需求；另一方面是防止零件加工过程中的遗漏缺失等一系列的问题。最重要的是观察各个零件是否与图纸一致。（7）装配调试：装配调试是本课题的最后阶段，装配环节是验证模型与实物是否一致，调试是为了检测实物是否可以完成设计的功能，满足用户的需求。同时也再次验证多段翻身结构的安全性、稳定性、可靠性。2 需求分析及翻身模式2.1 需求分析在设计多段翻身模块翻身结构时，既要达到预期的设计翻身功能，同时需要做到符合工程学的基本原理，保证产品可以安全稳定运行的同时给用户极佳的使用体验。因此，在具体设计翻身结构之前，需要分析正常人翻身模式总结翻身规律，然后结合患者实际情况总结分析获得最终的翻身方式变曲率翻身，如图 2-1 所示。多段翻身模块的设计与研究9图 2-1 变曲率翻示意图最大程度上减少人体和床板之间由翻转身体产生的相对错位，可以降低患者因长时间固定某种动作的不适感，更重要的是能够避免加重背部有伤患者的病情，对其病情起到了保护作用。翻身机构在给病人翻身的过程中，尽可能使重心运动轨迹与人体实际状况中翻身重心运动轨迹保持一致性，从而有效减少人体因翻身而产生的窘迫感和不适感，避免在翻身的过程中出现人体重心急剧的起伏变化，减小因超重或失重造成血液对血管甚至心脏的冲击等诸多状况，可以有效保护心脏病及血管病患者。因此依据对翻身机构功能的要求，设计翻身结构可以按定轴转动模型来，这样减少因唯一滚动的移动分量带来的相对错位，保证人体翻身时重心运动轨迹和人体自然状态下翻身重心轨迹一致，在提高患者身心舒适度的同时也消除重心不稳给患者带来的消极因素。2.2 定轴旋转翻身依据图 2-1 所给的人体翻身模式，设计了图 2-2 的定轴旋转翻身机构。多段翻身模块的设计与研究10图 2-2 翻身机构示意图因为左右翻身只是方向的不同，因此下面选择向左翻身介绍。翻身时中间板围绕固定轴旋转，正压力是翻身过程中推动中间板转动的主要动力。为了防止翻身时出现过度翻身的情况，以致患者身体正面直接与床面发生碰撞造成不必要的伤害，因此从理论上忽略了患者自身的重力以及患者于床面所摩擦产生的摩擦力矩。翻身时各部分位置以及受力图如图 2-3 所示。图 2-3 人体翻身受力图多段翻身模块的设计与研究11左边床板于中间床板始终以一个固定的夹角围绕两板之间的固定轴旋转，中间床板受到来自背后在正压力、患者自身的重力以及左侧床板对患者的支持力，三种力可以构成一个完整的矢量三角形，因此理论上没有摩擦力的存在或者存在的摩擦力是非常小的，这说明人体与床板之间没有发生相对的滑动，因此，由此设计出来的机构将给使用者带来极大的舒适度。如图 2-4 所示是多段翻身机构左侧翻身步骤原理图。当患者需要左侧翻身时，左边的翻身床板先围绕中间的床板旋转 60，此时两块床板之间的夹角固定成 120，然后两块床板之间的角度保持不变，两块床板围绕固定轴一起向左转动，当左侧床板达到初始位置时人体的翻身角度达到最大；当患者需要恢复平躺时，两块床板依旧保持中间的角度不变，同时围绕固定轴向右边旋转，当中间床板达到初始位置时人体处于水平状态，此时左侧床板再次围绕固定轴向左边旋转，直至床板水平。整个左侧翻身与复原动作完成。同样，右侧翻身也是这样的步骤，详细的步骤图解参考图 2-5 所示。图 2-4 左侧翻身流程示意图多段翻身模块的设计与研究12图 2-5 右侧翻身流程示意图2.3 翻身床板布局多段翻身模块不仅是给患者以第一用户的方式使用的，帮助他左右翻身改变睡姿，促进血液循环，降低疾病发生；同时也要考虑护理人员这样的第三用户使用情况，因此在具体设计的时候我们得考虑到所设计的翻身机构是否也辅助到了家人或是护工的护需求，能否方便高效的帮助他们完成相应的护理工作。护理人员在对患者进行护理时是通过分段护理的，比如说从头部开始，到上身，再到臀部，最后是腿部，因此我们在设计的时候也应该尽量符合他们的护理需求完成。众所周知人体的重量主要集中在躯干、大腿以及臀部三大处，因此翻身执行机构的布局应以此三处为中心。图 2-6 是翻身机构的大体框架布局，最终详细布局及尺寸将在第三章中给予介绍。多段翻身模块的设计与研究13图 2-6 床板简易布局图图 2-6 中序号 1 代表上身翻身模块，序号 2 代表臀部翻身模块。患者需要翻身时，上身翻身模块与臀部翻身模块同步绕定轴旋转，两个模块始终保持在同一平面。护理时分为两种情况，第一步同翻身模式一样，当需要对患者后背进行护理时，上身翻身模块复位至原来位置，臀部翻身模块保持不便，患者依靠在臀部翻身模块上保持稳定，后背护理结束后，上身翻身模块恢复至臀部翻身模块同一平面；同理，臀部护理时，两个翻身模块依旧完成第一步动作，然后臀部翻身模块复位至水平位置，上身翻身模块保持不便，护理完成后两块翻身模块恢复同一平面，然后缓慢将患者放平。左右翻身原理相同。2.4 本章小结本章根据对正常人的翻身实际情况出发，分析翻身功能的需求，确定正常人的翻身方式是变曲率翻身，而目前市面上的护理床要么是没有左右翻身功能，要么就是挤压式的左右翻身，无法给用户带来较好的使用体验。因此，本章分析了人力翻身过程中的受力问题，结合翻身模式最终确定了定轴旋转的翻身方式。该方式可以高效的辅助护理人员护理的同时也可以让患者独立翻身更加方便。同时本章也给出了翻身框架的大致布局情况，为第三章的尺寸确定提前做了铺垫。多段翻身模块的设计与研究143 多段翻身模块总体方案设计3.1 设计要求本论文研究的多段翻身模块主要用于长期瘫痪在床或医院翻身不变的病人，目的是减轻护理人员负担，帮助患者独立翻身，降低或防止褥疮的发生。综合考虑用户及机构功能的需求，多段翻身模块最终因满足一下几点设计要求：（1）用户安全性。多段翻身模块的用户一般都是瘫痪在床或者不能独立翻身的人群，对于这些人来说他们没有解决或处理突发问题的能力，因此本文所设计的机构要求安全可靠，最好具有机械限位、机械自锁、电气限位等功能，目的是确保多段翻身模块的安全性。（2）翻身功能性。长时间卧床，会阻碍身体血液循环，导致肌肉萎缩等一系列疾病，因此多段翻身模块在功能上要解决上述情况。左、右、上、下翻身。（3）操作方便性。由于用户一般是病人，因此多段翻身模块操作要便捷简单。（4）机构紧凑性。多段翻身模块在结构上要做到紧凑，不应该占用太大空间，安装在护理床上不应该出现臃肿情况。（5）行业标准性。为了增强机构的互换性，多段翻身模块的机械结构以及控制模块都应遵循国家及行业标准。3.2 设计指标（1）多段翻身模块机构承载能力每个人的体重不同，同一个人的体重也会随着年龄而发生变化，同时多段翻身模块机构旨在帮助更多需要帮助的人，因此本文将安全系数考虑后选择了具有代表性的设计指标，多段翻身模块的承载力为 200KG。（2）多段翻身模块机构的尺寸参数多段翻身模块的设计与研究15多段翻身模块机构结构应该紧凑，满足正常医疗护理床的尺寸要求，同时保证各功能的实现。本文根据中华人民共和国行业标准结合目前市面上相关产品尺寸规定表 3-1所示，最终确定多段翻身模块适用床的整体尺寸为：长宽高=2000900440。（单位：mm）表 3- 1 YY 0003-90 病床的基本尺寸要求名称 床面长度（不含床架） 床面宽度 床面离地高尺寸 19002100 8501000 380630（3）多段翻身模块结构翻身角度如图 3-1 所示可实现左、右翻身，中间的线段与水平面床板之间的夹角 D 表示翻身时身体翻过的角度。左右翻身分别由上身翻身和臀部翻身两部分组成，在翻身时上身翻身和臀部翻身同时围绕定轴转动，通过身体的翻转带动小腿随之翻转。多段翻身模块的设计与研究16图 2-1 左、右侧翻床板角度示意图 多段翻身模块的翻身角度是可以根据用户需求自主调节的。表 3-2 是根据相关文献参考所给出的调节范围。左、右翻身可以根据护理人员的需要调节到不同的角度，方面护理人员的日常护理工作，同时患者用户自己也可以改变自己是睡姿，达到促进血液循环的需求，防止长时间卧床的一系列疾病。表 3-2 左、右翻身角度变化范围功能 该功能下角度的变化范围左翻身动作 060右翻身动作 060（3）多段翻身模块机构自由度多段翻身模块各功能的实现是通过机械结构完成的，根据机械结构运行的本原则：如果机构要实现一个确定的运动，那么此机构的原动件个数一定和自由度相等。因此，根据这一原则，在满足设计功能的情况下我们要求尽量减少原动件数目。减少原动件的数目一方面降低了机构的整体重量和故障的发生，增加了机构的安全性；另一方面也大大降低了控制系统的要求。3.3 整体方案设计3.3.1 执行机构布局多段翻身模块要实现理想的设计功能，大体需要两部分完成。一部分是驱动控制部分，另一部分是执行部分。这里的执行机构主要是四块床板，因此这四块床板多段翻身模块的设计与研究17的尺寸很重要，能够独立运动的同时也可以配合运动完成相应的设计功能。在做四块床板尺寸设计的时候需要做到换位思考，考虑到用户在操作过程中的体验的同时也需要考虑使用者操作的方便性。因此最重要的数据是用户的身体尺寸参数。具体人体参数我们可以参考 GB/T10000-1988 中国成年人人体尺寸标准 11 。但是由于人体尺寸因人不同，同时也因年龄不同，因此只能保证本文所选择的尺寸是适合绝大多数中国人的，对一些特殊情况不给予考虑。完成功能和尺寸设计后，需要进一步考虑几个详细的问题：翻身功能实现的过程中各机构不能出现干涉的现象，此问题可以在模型建立完成是时候使用运动仿真提前检查。在保证功能实现是情况下，需要保证各机构的角度符合之前选定的参考角度范围，以便给病人带来更好的使用体验。为了提高机构的完全性及可靠性，尽量考虑机构的自锁以及机械限位等问题。最后需要考虑材质及机构的整体重量等。图 3-2 是多段翻身模块在整床的空间分布及相关尺寸简图。整床的尺寸为：长宽=2000900（单位：mm），多段翻身模块主要由六部分组成，分别是上身左侧板 1、上身右侧板 2、臀部左侧板 1、及臀部右侧板 2、支背中间板以及臀部中间板。每块床板之间的连接方式是铰链连接。图 3-2 多段翻身模块床板简图多段翻身模块的设计与研究18多段翻身模块的用户使用简图见表 3-3。表 3-3 多段翻身模块在执行各功能时床板动作示意图位 姿 各个床板动作（平躺）四块翻身水平放置，保证人体处于水平状态。（左、右侧翻身）上身左侧板 1 及支背板绕上身右侧板 2 转动；臀部部分以同样的方式转动，但中间部分与侧边部分不处于同一平面。3.3.2 执行机构尺寸依据国家技术监督局 1988 年颁布的常用人体测量数据相关标准和实际需求来确定本论文中各个床板详细的尺寸，如表 3-4。表 3-4 床板尺寸表 床 板 尺寸（长宽）单位:mm多段翻身模块的设计与研究19上身侧板 1 720200支背坐起中间板 667349上身侧板 2 720200臀部侧板 1 414200臀部中间板 361349臀部侧板 2 4142003.3.3 各段机构构型设计多段翻身模块是最终实现功能的执行机构为各块床板，机构作为将动力传出的中间组成部分是设计中的重中之重。因此在设计或是选择机构的各类方案时应考虑下列四个基本原则：（1）机构类型。目前的机构类型众多，要实现一个特定的功能可能多个机构都可以完成，因此可以从安全性、稳定性、重量等多个方面参考选择。（2）机构自由度。机构实现具体运动的基本原则：原动件=自由度。因此在实现设计功能的条件下，尽可能的减少原动件数目，以此来增加机构的安全性、可靠性，降低故障发生次数。（3）机构干涉。多段翻身模块在实现各功能的同时保证各个机构运动的同时不发生相互的干涉。（4）机构空间分布。空间分布如果安排合理得当将会很大程度减少机构的干涉，同时也可以获得较好的支撑点。结合上述的四个原则，最终选出多段翻身模块的机构。实现翻身功能的机构有很多种，本文的设计要求是 60，通过综合的对比，结合各种机构的优缺点以及每种机构的适用场合，最终确定了一下三种备选机构。多段翻身模块的设计与研究20图 3-3 左、右侧翻身机构原理图 A图 3-3 是第一个机构，这个机构的动力原件是电动缸，每个部件之间是通过铰链相互连接的。由图可知，该机构是由三个活动构件组成，其中由有三个转动副以及一个移动副，没有高副存在，所以其自由度为： 3232401LHFnP电动缸为该机构的动力源，经计算，自由度数目与原动件个数相等，所以上述机构具有确定的运动形式，同时也能符合翻身功能的设计需要。但是我们理论设计的翻身角度为 60，因此会导致电动缸的行程很大。一但电动缸的行程很大有可能会出现机构干涉的问题，而且行程太大的电动缸伴随着体积也会很大。不仅如此，翻身机构是由四块侧板组成，这意味需要四个这样的电动缸完成预期的设计功能，这将需要很大的空间来安置这四个电动缸，同时也大大增加了翻身机构的总重量。综合考虑这些因素，此机构不适合多段翻身模块。多段翻身模块的设计与研究21图 3-4 左、右侧翻身机构原理图 B图 3-4 是第二个机构，这种机构是由电磁铁以及两个连杆组成的可以选择性自主变形的机构。位置 1 和位置 2 分别置有电磁铁，根据自己所需的翻身方向可选择一端锁定一端释放达到预期功能。该机构同样也是由三个活动部分组成，其中有三个转动副以及一个滑动副，同样没有高副，所以其自由度为： 3232401LHFnP同样，机构的自由度=原动件数目，所以第二个机构也是有明确运动。也能实现多段翻身模块的所需的设计功能。而且这种机构结构简单，控制方便。但唯一缺点是安全性底，依靠电磁控制容易出现失灵的情况，这对卧床不能动的病人来说并不可靠。因此，此机构不适合做翻身机构。多段翻身模块的设计与研究22图 3-5 左、右侧翻身机构原理图 C图 3-5 是第三个机构，这个机构是由一个丝杠、两个连杆、一个滚轮以及执行机构翻身板组成。由图可知，其中有六个活动部件，其中低副有八个高副有一个，因此其自由度为： 3236281LHFnP动力输出设备为步进电机，步进电机带动丝杠转动，丝杠上的滑块带动连杆机构运动，因此原动件只有一个，原动件数目等于自由度，所以第三个机构确定的运动形式。这个机构的角度变化范围较大，主要由两方面控制，一是滑块在丝杠上面是行程，二是连杆三、四的长度。步进电机的正反转可以带动丝杠的正反转，导致滑块的左右移动，最终实现所有翻身功能，且该机构体积不大，适合医疗设备使用。对比上述三种机构的优略性，综合考虑第三种机构各方面因素都符合，最终确定选择第三种机构作为多段翻身模块的动力方案。3.4 驱动方案目前市场上的动力设备主要有三种电机设备、气动设备、液压设备。由于气压和液压设备都是与气压泵和液压泵组合使用，占用空间大，因此选择电机设备。多段翻身模块的设计与研究23多段翻身模块主要是给病人或者生活不能自理的老年人使用，因此噪声、稳定性等相关的指标有一定的要求，再结合翻身机构使用的场合。最后确定多段翻身模块机构的原动件只能是步进电机。多段翻身模块选择步进电机为原动件还有一下三个好处：一是步进电机能够给机构输出稳定的速度，有效保证机构的平稳运行，给病人更好的用户体验；二是步进电机可以实现正反转，符合多段翻身模块的设计要求；最后是步进电机的控制简单，因此控制程序容易完成。3.5 本章小结本章主要是对多段翻身模块的总体设计，设计内容包括一下几方面：（1）依据相关文献规定的人体标准尺寸设出了多段翻身模块执行机构床板的相关尺寸，以及各翻身执行机构的布局；（2）对翻身模块几种备选机构进行了分析选择，最终选出适合我们设计的运动机构；（3）简述了驱动设备，最终选定步进电机驱动丝杠滑块的驱动方案。4 多段翻身模块运动学与动力学分析4.1 翻身原理多段翻身模块的执行机构是由四部分组成的，分别为左上身翻身、右上身翻身、左臀部翻身、右臀部翻身。由于四个翻身机构的翻身原理大致相同，只是所在位置和执行方向不同而已，因此本文选择一个翻身模块对其进行运动学和动力学分析即可。如图 4-1 是右翻身模块的运动简图。多段翻身模块的设计与研究24图 4-1 右侧翻机构运动简图如图 4-1 所示，点 A 和点 D 是两个固定的支撑点，杆 AB 是右翻身时支撑人体的床板。EDC 为一根连杆，该连杆可以围绕固定点 D 旋转且再 D 点形成固定角 。连杆EF 与连杆 EDC 于 E 点相连，连杆 EF 与滑块相连于 F 点。杆 AB 与杆 EDC 于 B、C 两点用一个半径为 R 的滚轮相接触。现建立如图所示的直角坐标系，并规定与 X 轴正向所成的角度为正角。从图 4-1 可以看出，当左右移动滑块的时候连杆 EDC 在连杆 EF 的拉动下可以围绕固定点 D 转到，进而由滚轮推动床板 AB 围绕固定点 A 实现翻身功能。将曲柄滑块以及转动导杆两种机构巧妙结合运用于翻身机构，充分的运用了机械原理与设计的知识，很好的实现了设计目标里的翻身功能。4.2 翻身模块机构的运动学分析本文使用矢量方程对多段翻身模块进行机构的运动学分析，根据图 4-1 的运动简图，可以将右翻身的多段翻身机构分为两个基本回路单独计算。对于第一个回路ABCDA 我们使用矢量方程得：（4-1）ABCDA（4-2）1 2i ii iee多段翻身模块的设计与研究25右图可知 是一个已知的角，1、2 以及角 三个角是我们需要分析的。为了将式（4-2）化简，我们将欧拉公式 带入其中，再将其实部和iecosin虚部拆开，最终得到一下方程组：（4-3）121ABcosCsDsLiniin对于第二个回路 EDGFE 使用矢量方程可得：（4-4）EFG（4-5）34ii iDFiDee 已知DGF=90，=180，以同样的方式带入欧拉公式 ，最iecosin终获得一下方程组：（4-6） 43EcosFcsxDiniL上面方程组中 x 代表的是运动滑块在丝杠上面的位置。因此：（4-7）142联立式（4-3）、（4-6）和式（4-7）最终求出右侧翻身角度 1 的角位移随滑块位置 x 的变化关系(4-8) 2 2231122=DEcos()EF(LDsin()RABiarinC其 中根据上面计算结果，使用软件绘出右侧翻身角度 1 的角位移随滑块位置 x 的变化曲线如图 4-2 所示。多段翻身模块的设计与研究26图 4-2 右侧翻角位移随滑块位置的变化曲线在此再次使用 motion 插件对多段翻身模块机构进行运动学分析。第一步需要给出滑块的运行速度，该速度可以根据步进电机的转速求出，第二步是给出滑块的运动方向，最后使用软件进行模拟。最终获得翻身的角速度与角加速度随丝杠上滑块位置变化的两幅曲线图。多段翻身模块的设计与研究27图 4-3 右侧翻角速度随滑块位置的变化曲线图 4-4 右侧翻角加速度随滑块位置的变化曲线