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        基于多機構(gòu)協(xié)調(diào)技術(shù)實現(xiàn)姿位變化需求的多功能電動護理床設(shè)計

        2018-01-01 00:00:00王學(xué)龍
        健康科學(xué) 2018年6期

        摘要:根據(jù)人體工學(xué)及機械原理,筆者設(shè)計了一款多自由度護理床,床面采用折疊面板的形式,可通過按鍵進行控制,完成抬背、屈腿、起坐等諸多動作,同時還有輔助解便的功能。為了實現(xiàn)某種特定的姿態(tài)需要設(shè)計一套與之相應(yīng)的機構(gòu)來進行位姿支撐,但是這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法只適用于單個位姿的設(shè)計,在由多位姿需求時利用這種設(shè)計方式將會造成體積過大,且不同機構(gòu)之間會出現(xiàn)運動干涉現(xiàn)象。本文在設(shè)計中利用了多機構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù),可實現(xiàn)柔性化運動和支撐,因而受此啟發(fā)可將護理床床面進行細(xì)分為八個獨立的控制面板,通過面板的配合運動,可實現(xiàn)想要獲得的多種位姿,滿足了用戶需求。本次所設(shè)計的電動多功能護理床基于人力工學(xué)和機械原理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,同時在ADAMS軟件中進行仿真,利用原始數(shù)據(jù)構(gòu)建了虛擬樣機模型,經(jīng)過運動學(xué)優(yōu)化后,利用基于單片機技術(shù),進行了控制模塊的設(shè)計。該護理床和實現(xiàn)患者的多種姿位變化需求。研制的樣機驗證了護理床的可行性。

        關(guān)鍵詞:多功能;ADAMS;人體工學(xué);護理床

        從實際的市場調(diào)研能夠看出,大部分護理床都?xì)w屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域,雖然說能夠基本滿足患者的實際需求,但是價格定位較高,不符合經(jīng)濟性原則;選取價格較低的產(chǎn)品在功能上又有所缺陷,并且使用起來較為繁瑣,不符合實用性的要求。根據(jù)上述現(xiàn)象對現(xiàn)有的產(chǎn)品進行有效改進和升級,使其滿足大多數(shù)患者的實際需求。

        1、總體設(shè)計方案

        本次所設(shè)計的多功能護理床框圖結(jié)構(gòu)如下圖所示。除了固定的框架之外,還包含連桿機構(gòu)、解便系統(tǒng)、面板以及輔助控制系統(tǒng)等。整臺護理床通過通過電機踐行驅(qū)動,可完成翻身、屈腿、解便和馬桶移動等動作。

        1.1護理床的工作環(huán)境

        護理床可用于家庭或醫(yī)院等有功能障礙患者的照料的諸多場景,考慮上上述護理床的應(yīng)用對象均為行動障礙的患病者,且使用環(huán)境對于噪聲的限制,本文所設(shè)計的護理床驅(qū)動機構(gòu)選擇電機驅(qū)動,同時采取一些降噪手段,如應(yīng)用隔音材料等方式來實現(xiàn)。

        1.2護理床的位姿要求

        護理床的應(yīng)用需要滿足病人的康復(fù)需求,因而需要進行位姿勢的調(diào)整,防止長期臥床引起的并發(fā)癥。對于一些高度行動不便的患者,在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮坐姿或臥姿排便。

        1.3構(gòu)思的提出

        為了實現(xiàn)某種特定的姿態(tài)需要設(shè)計一套與之相應(yīng)的機構(gòu)來進行位姿支撐,但是這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法只適用于單個位姿的設(shè)計,在由多位姿需求時利用這種設(shè)計方式將會造成體積過大,且不同機構(gòu)之間會出現(xiàn)運動干涉現(xiàn)象。本文在設(shè)計中利用了多機構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù),可實現(xiàn)柔性化運動和支撐,因而受此啟發(fā)可將護理床床面進行細(xì)分為八個獨立的控制面板如下圖2所示。通過面板的配合運動,可實現(xiàn)想要獲得的多種位姿,基本能夠滿足用戶需求。

        1.4護理床控制系統(tǒng)

        控制系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動機構(gòu)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)等部分組成,其結(jié)構(gòu)組成如下圖3所示。

        2、護理床機械機構(gòu)設(shè)計

        護理床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計包含床體設(shè)計、運動機構(gòu)設(shè)計以及動力部分、電源模塊、解便系統(tǒng)設(shè)計。

        2.1側(cè)翻機構(gòu)

        側(cè)翻機構(gòu)主要實現(xiàn)患者在床上的翻身需求,采用四連桿機構(gòu)實現(xiàn),其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖4所示。電動推桿會推動側(cè)翻構(gòu)件繞著床架轉(zhuǎn)動,并通過滾子作用使其背部側(cè)板繞著鉸接點發(fā)生轉(zhuǎn)動,側(cè)翻示意圖如下圖5所示。

        根據(jù)結(jié)構(gòu)簡圖和機械原理相關(guān)知識確定構(gòu)建尺寸和鉸接點位置,將這些數(shù)據(jù)定義為初始變量,完成側(cè)翻機構(gòu)的設(shè)計,同時選定如上圖6中所示的五個關(guān)鍵點在ADAMS軟件中進行側(cè)翻機構(gòu)建模,如上圖7所示。

        2.2抬背機構(gòu)

        抬背機構(gòu)又一個搖桿滑塊機構(gòu)構(gòu)成,通過電機轉(zhuǎn)的動帶動推桿來實現(xiàn)抬背動作。在設(shè)計時在其中加入了一個擺桿,因而在抬背時患者臀部會略微下降,克服了傳統(tǒng)抬背機構(gòu)可能造成的滑移現(xiàn)象。抬背機構(gòu)運動簡圖如下圖8所示:

        2.3屈腿機構(gòu)

        屈腿機構(gòu)的工作原理為連桿機構(gòu),采用推桿運動來實現(xiàn)屈腿動作,其結(jié)構(gòu)簡圖和屈腿示意圖如下圖9圖10所示:

        3、輔助解便系統(tǒng)

        輔助解便系統(tǒng)可幫助行動不便的患者或老人在床上完成解便,輔助解便系統(tǒng)組成框圖如下圖11所示。患者可通過按鍵來控制便桶移動至臀部下放,當(dāng)病人完成解便之后,便桶會回到初始位置,并自行傾倒和進行便桶清理。臀部排便完成后通過直流電機控制臀部清洗噴頭進行臀部清洗,清洗水來源于水箱,水箱中配有加熱裝置,經(jīng)水泵控制后輸出溫水清潔病人臀部。烘干模塊所產(chǎn)生的暖風(fēng)可實現(xiàn)對臀部的吹干,防止病人患上其他疾病。吹風(fēng)機吹過的臭氣可經(jīng)過過濾裝置再排放至空氣之中。輔助解便系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖12所示。

        4、護理床的控制系統(tǒng)

        功能護理床的控制系統(tǒng)由控制器,通訊模塊、驅(qū)動模塊和按鍵模塊等部分組成。為了便于控制,在床體各部位中胺基裝了傳感器,在控制系統(tǒng)最終確定之前需要完成護理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)和動力學(xué)設(shè)計,以此避免對患者造成傷害。在床體的控制上,可采用鍵盤指令的方式來實現(xiàn),通過按鈕輸入來控制護理床的運動。護理床的控制器采用以 AVR 單片機為核心的控制方案,其印刷電路板PCB,如圖13所示。

        5、樣機制作

        完成系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸設(shè)計后完成了如下圖14所示的多功能護理床的之制作,樣機試樣表明其性能符合設(shè)計要求。

        6、結(jié) 語

        本次所設(shè)計的電動多功能護理床基于人力工學(xué)和機械原理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,同時在ADAMS軟件中進行仿真,利用原始數(shù)據(jù)構(gòu)建了虛擬樣機模型,經(jīng)過運動學(xué)優(yōu)化后,利用基于單片機技術(shù),進行了控制模塊的設(shè)計。該護理床和實現(xiàn)患者的多種姿位變化需求。研制的樣機驗證了護理床的可行性。

        參考文獻(xiàn):

        [1]姜生元,胡艷娟,李建永,等.智能化多功能電動康復(fù)床的研制[J]機械設(shè)計,2008,18(5):61-62.

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        [3]張歡歡,辛紹杰.基于ADAMS的多功能床的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]上海電動機學(xué)院學(xué)報,2008,11(3):197-200.

        [4]卜薇薇,酈鳴陽,喻洪流,等.具有防墜床功能的智能護理床的研制[J]中國組織工程研究與臨床康復(fù),20-7,11(48):9765-9767.

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