开题报告-多段翻身模块的设计与研究

毕业设计（毕业论文）开题报告学 院 机械与汽车工程学院专 业 机械工程及自动化班级学号学 生指导教师题 目 分段翻身模块设计与研究任务实际进行日期 自 2018 年 12 月 14 日起，至 2019 年 6 月 21 日止1 课题背景及意义国家统计局调查显示 我国人口13.7亿老龄化呈上升趋势 2015年全国1%人口抽样调查主要数据公报（以下简称公报）。公报显示，全国大陆31个省、自治区、直辖市和现役军人的人口为137349万人。同第六次全国人口普查（以下简称“六普”）2010年11月1日零时的133972万人相比，五年共增加3377万人，增长2.52%，年平均增长率为0.50%。从年龄构成看，人口老龄化呈上升趋势。014岁人口为22696万人，占16.52%；1559岁人口为92471万人，占67.33%；60岁及以上人口为22182万人，占16.15%，其中65岁及以上人口为14374万人，占10.47%。同“六普”相比，1559岁人口比重下降2.81个百分点，60岁及以上人口比重上升2.89个百分点5。由此可知，人口的老龄化必将带来新的问题，对于独生子女的父母，在迈入老龄阶段后可能无法得到子女的充分照顾，老年人的健康随着年龄的增长暴露出越来越多的问题，身体的衰弱造成出行和活动的不便，急需一种能够改善他们出行方式的工具。目前我国脑性瘫痪发病率为1.84%，老年脑病患者占老年人口总数的10%。这是一个不小的人群，他们的生活现状与护理方式需要得到社会的关注和我们的重视，瘫痪是神经系统常见的症状之一，是指肌肉活动能力的降低或丧失，而对于肢体瘫痪的病人来说，护理所面临的最棘手的问题便是如何能够有效地防止病患身体上出现褥疮，褥疮又称压力性溃疡，是由于局部组织长期受压，发生持续缺血、缺氧、营养不良而致组织溃烂坏死7-8。皮肤压疮在康复治疗、护理中是一个普通性的问题。据有关文献报道，每年约有6万人死于压疮合并征。为了防止肢体瘫痪病人褥疮的产生，在护理时需要勤翻身，勤擦洗，勤按摩，勤换洗，勤整理，勤检查，勤交换(七勤);其中，勤翻身要求每一小时翻身一次，翻身时不可在床褥上拖拉以免挫伤皮肤。对于易患褥疮部位，如骶尾部，髂后上嵴等部位要以气垫、海绵垫以减轻压力。防褥疮最好的方法是给病人多翻身，避免某一个部位受到压迫而产生褥疮。对于肢体瘫痪的病人来说，他需要有一种能够帮助他们改善生活质量的装置，可以方便他们进行体位变换，也能及时调整病患的瘫痪处，通过帮助他们翻身以及各种身体的活动来使得褥疮不会在病患身上出现，这对于瘫痪病人的护理具有很大的意义，减轻护理人员的负担的同时也减少了人力物力的投入。如今市面上对于病人护理的医疗设施已有不少，对多功能护理床方面也早已进行了研究，相关的产品也层出不穷，但大多数产品的翻身结构不够完善，多多少少存在一些问题。因此多段翻身模块的设计与研究对目前国内老年化的现象有很大意义，而且相关发展前景十分广阔，市场潜在商业价值巨大，相关技术的发展对我国医疗护理水平的提高具有重要的推动意义。2 文献综述2.1 多段翻身模块的设计与研究国内外研究动态世界卫生组织规定，60 岁以上老年人达到人口总数的 10%或者 65 岁以上老年人达到 7%，称为人口老龄化。据调查，目前全世界 60 岁以上老年人口总数已达 6 亿，有 60 多个国家的老年人口达到或超过人口总数的10%，进入了人口老龄化社会行列。人口老龄化的迅速发展，引起了联合国及世界各国政府的重视和关注。而我国老年人口数量之大，位居世界之最。另外，由于我国人口众多，每年因为各种疾病、工伤、交通事故等原因造成的残障人士也逐年增加，因此，护理床（也可以称之为病床）的使用显得尤为重要。护理床的基本功能是实现翻身，因此一个良好的翻身结构将决定护理床的好坏以及病人的舒适程度。在我国由于技术起步晚，护理床的普遍率和技术水平比起欧美等国还是较为逊色的，在欧美和日本，护理床的市场价值也日益壮大，如 2011年在美国医用护理床的市场份额达到 53 亿美元。据日本机器人协会估测，到 2025 年，日本国内机器人市场份额将达 9310 亿日元（合 74.5 亿美元）。而这些机器人将主要应用于医疗护理和福利服务方面。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。Stryker 公司生产的 S3 型医疗床，它能够通过运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。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，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。2.2 多段翻身模块设计与研究2.2.1 理论与实际的创新结合以多模态运动机构为设计理念，通过对曲柄滑块机构及转动导杆机构的融合运用，以最少的空间占用及最巧妙的机构布局实现了对多功能模块化护理复健机器人床翻身功能模块的设计。2.2.2 多段翻身模块设计与研究的安全性、可行性对本课题所研究的多段翻身模块设计与研究床生产制造及装配调试环节进行了简要的介绍，对各环节中曾遇到的问题及解决的方案进行了简要叙述，尤其对某些零部件出现的强度问题进行了具体说明并对各相关零部件进行了静力学分析，验证了各强度问题解决方案的安全性、可行性。2.2.3 时代方向、良好前景从使用者需求出发并借助多模态运动机构的设计理念开发出更多的护理复健治疗模块，使多功能模块化翻身结构受用范围更广，使对老弱病残等人群的康复护理治疗操作更加简单化与人性化；对多功能模块化多段翻身模块的控制系统进行更深入的设计和研究，控制系统要趋于智能化并与因特网连接，使患者及护理人员不仅能通过无线遥控器更能通过手机等移动终端来联网实现远程对床体进行操控，同时要配合摄像头及各种传感器的设置来支持对床体的手势操作控制甚至表情操作控制。3 研究内容和方法3.1 研究内容在多段翻身模块的设计中，要充分考虑到载荷的大小和加载形式，针对不同的载荷形式与行程要求设计不同的机构模块，还要考虑到多模态机构协同运行的特点与要求，结合实际功能布局情况考虑是否存在类似串联机构与并联机构之间的相互转化等的机构变形情况，并根据机构运动时的变形情况考虑驱动方案的实现，设计机构时要充分把机械互锁和机械限位等考虑进去，同时也要为控制部分的器件提供相应的空间位置，方便控制机构的安装，尤其是各种传感器等的安装。综上所述，本论文所进行的研究内容可分流程归纳为以下几个方面：（1）总体方案设计：依据对多段翻身模块的功能要求及设计指标，对多段翻身模块运动机构按照相应功能的实现进行整体布局，确定出所需框架的各部分具体尺寸，从而确定该多段翻身模块运动机构整体设计方案。（2）各翻身模块设计：对多段翻身模块机构框架下的各翻身模块运动机构按照所需实现的功能逐个进行设计分析，分析出所涉及机构在运行过程中的速度、角速度、位移等相关参数的变化情况，从而确定机构运行的合理性，并为后续运动学仿真及各部分强度校核做铺垫、为传动件的选型提供理论依据。（3）机构详细设计及建模：对各运动机构进行详细的机构设计与材料选择，确定各机构的驱动方式和传动件的尺寸，并进行详细的SolidWorks三维建模，验证传动件的选型及尺寸设计的合理性。（4）受力分析：运用有限元分析软件SolidWorks Simulation对整体框架下的重要受力部分进行强度分析，分析出各载荷点的位移变形情况并进行安全性和可靠性评估；运用运动学仿真软件Solidworks Motion或Adams对各运动机构在运行过程中的受力变化情况进行稳定性分析和评估，确保所设计机构的安全、可靠。（5）二维加工图纸的绘制：根据三维图，按各个功能模块分别绘制出各模块的所有零件图及模块的装配图，同时绘制出翻身模块的总体装配图，根据零件用途及位置布置在相应图纸中注明各零件的技术要求及加工注意事项，同时分模块用Excel编制出零件的明细表，表中应包含序号、零件图号、零件名称、材料、件数等内容，其中凡是焊接件均需将焊接后的整件当做小装配图并将几个焊接件作为零件图，分别分配图号。（6）加工流程的跟踪：全程在零件加工厂对零件的生产环节进行跟踪，及时核对零件的加工质量，确认是否符合图纸标明的精度要求，若发现问题需及时与加工商协商修改。在零件粗加工完成后及后续表面处理流程中需要及时根据零件明细表核对零件数量，确保没有零件遗漏、给后续装配带来麻烦。（7）装配与调试：在零件全部加工完成后需要逐一对零件进行装配，搭建起多段翻身模块的框架，整床装配完成后需装上电机及控制系统进行运行及调试，在装配及调试过程中也需要不断发现问题并及时找出解决方案来处理。3.2 研究方法对翻身模块的多模态运动机构进行了简要介绍，以右侧翻机构为例进行了分析，了解了机构的形态特点和运行方式，两次采用矢量方程的方法得出了右翻身角位移、角速度及角加速度随滑块位置的关系，分别绘制出了角位移、角速度及角加速度随滑块位置的变化曲线，通过对曲线走向的分析证明了翻身模块多模态运动机构的设计是合理的。对翻身模块的多模态运动机构的结构进行了设计，首先对翻身模块床板框架结构进行了设计，介绍了床板框架结构的机构运行原理并对床板框架结构中的铰链结构进行了重点设计，其次对翻身模块的翻身运动机构进行了结构设计，明确了翻身模块的驱动形式，确定了驱动部分的步进电机型号。4 技术路线1.收集和整理有关多段翻身模块的资料，了解机械结构的设计理念以及设计要求；2.多段翻身模块机构研究，制定总体方案；3.对多段翻身模块中的机械结构可行性分析；4.绘制多段翻身模块的三维模型和二维图纸；5.对整体结构进行仿真和受力分析。5 预期成果（1）完成多段翻身模块的三维图形建立；（2）完成对各部分模块的运动学力学及结构分析；（3）完成各模块的装配各零件的图纸及总结报告。6 进度安排（1）第 1618 周：文献检索，资料收集，写出开题报告，完成外文资料翻译。（2）第 13 周：设计方案讨论，设计方案确定，进行设计计算（3）第 45 周：三维模型建立，动力学运动学分析。（4）第 67 周：总体装配和强度校核。（5）第811周：撰写论文。参考文献1 刘海啸. 老年监护制度研究D. 山东大学, 2014.2 尹欣. 人口老龄化与居家养老服务研究J. 决策探索, 2012(4):65-65.3 李成皇. 老年痴呆患者的康复与指导J. 中华医学研究杂志, 2012.4 张渤海. 多功能康复床的设计与研究D. 天津科技大学, 2009.5 骆静. 护理床靠背调节机构专利技术发展分析J. 中国科技信息, 2017(11):22-23.6 陈琛.基于用户体验的多功能医疗护理床设计研究D.湖北工业大学,2014.7 杨国忠. 美国发展医疗器械产业的经验与启示J. 中国医疗器械信息, 1999(3):34-36.8 陈立周, 路鹏, 孙成宪. 机构运动学设计的离散优化技术J. 机械设计, 1986(6):3-9.9 白建军.多功能护理服务机器人的设计与研究D.南昌大学，2010.10 赵鹏飞.基于交互理念的失能老人多功能护理床设计研究D.太原理工大学,2016.11 刘倩倩. 多功能护理床的结构设计与力学分析D. 中国地质大学(北京), 2011.12 石成瑜.面向瘫痪老人的多功能护理床设计与研究D.大连交通大学,2014.13 刘宇，赵京，李谦.多功能护理翻身床的设计J.机械设计与研究，2008，24（05）:125-128.14 李鑫鑫,张娜.康复护理床设计研究J.科技经济导刊,2016,(08):83.15 程武山, 陈敏, 程静, et al. 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