多功能护理床的结构设计与力学分析
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摘要
世界范围内人口老龄化的大背景下,我国也进入老龄化行列。据统计到2008年底,我国60岁以上的人口约达到1.6亿,老龄化率为12%,据预测到2020年我国老龄化水平将达17.17%,到2050年我国老龄化水平将推至30%以上。
据资料显示,约79.1%的老人至少有一种慢性病。慢性病使病人长期卧床不起、产生褥疮等并发症,并且由此引发的肢体运动性障碍显著增加。定时为病人翻身可预防或减少褥疮的发生;定时对病人的肢体进行康复训练可大大增强病人肌体的活性,提高自身免疫力。
本文针对上肢正常下肢丧失或者暂时丧失运动能力的老年病人以及残障人士设计了一种多功能护理床。该护理床可帮助病人实现支背、曲腿、侧翻等动作,亦可对病人下肢进行康复训练,加快肢体功能的恢复。本文主要包括以下内容:
1)提出了设计要求和设计指标;确定了护理床的尺寸长度及各床板所需达到的角度;确定了各功能模块机构的空间位置;设定选择各机构的原则,并依据该原则选定满足要求的机构构型。
2)分别建立支背机构、曲腿机构、侧翻机构的运动学模型,对各机构进行运动学分析;分别设定各机构中所有杆件的尺寸以及各杆件的转动角度范围;采用矢量方程解析法得出各杆件位移、速度、加速度的函数表达式并对其进行分析。
3)对整体床架进行结构设计和材料选择;对多功能护理床的支背、曲腿、侧翻功能模块进行结构设计;对各机构进行力学分析,从而确定驱动电机型号;展示多功能护理床在各功能状态下的三维立体图。
4)运用ANSYS软件分别对床架以及升降横梁进行应力应变分析,根据分析结果得出该零部件具有较高的刚度和强度,能够满足设计要求。
With the arrival of the worldwide aging population, our country has already entered the ageing society. According to the statistics, the population in our country aged over 60 years old reached about 160 million at the end of 2008, which accounted for 12% of the total population. It is predicted that the aging rate of our country will reach 17.17% in 2020. Moreover, it will be more than 30% in 2050.
According to information available, about 79.1% of the old man has at least one chronic disease. People with chronic diseases can get bedsore or other complications after a long-term bed rest, which will increase the body motility disorders significantly. Helping the patient to turn around from the back regularly can prevent or reduce the occurrence of bedsore. Patients with regular limb rehabilitation trainings will enhance the activity of their bodies and improve their own immunity.
In this paper, multi-functional nursing bed is designed for elderly patients and disabled people who lose lower limb motor ability. The patients can get up, curve legs and rollover with the help of the nursing bed. By using it, patients can also get limb rehabilitation trainings, which will speed up the functional recovery of lower limb. The main research results of this dissertation are as follows:
1) According to the proposed design requirements, the dimensions of the bed and the angle of each bedplates are determined. The spatial position of individual functional modular mechanism is figured out and the type of each mechanism is determined depending on the design principles.
2) Kinematic models of the mechanisms are established and the kinematic analysis is also carried out. The sizes and the rotation angle ranges of all the rods in the nursing bed are set. The function formulas of displacement, velocity and acceleration of individual rod are established by using analytical method of vector equation.
3) The paper also investigates the whole frame structural design and material selection. All functional modular parts of the bed is determined. The type of the driver motor is selected according to the analysis of each mechanism. At last, the three-dimensional drawings are shown under each functional status.
4) Stress and strain analysis of the bedstead and the fluctuation beam is developed based on the ANSYS software. The stress distribution and the displacement deformation getting from stress and strain analysis indicates the rationality of the two parts.
据资料显示,约79.1%的老人至少有一种慢性病。慢性病使病人长期卧床不起、产生褥疮等并发症,并且由此引发的肢体运动性障碍显著增加。定时为病人翻身可预防或减少褥疮的发生;定时对病人的肢体进行康复训练可大大增强病人肌体的活性,提高自身免疫力。
本文针对上肢正常下肢丧失或者暂时丧失运动能力的老年病人以及残障人士设计了一种多功能护理床。该护理床可帮助病人实现支背、曲腿、侧翻等动作,亦可对病人下肢进行康复训练,加快肢体功能的恢复。本文主要包括以下内容:
1)提出了设计要求和设计指标;确定了护理床的尺寸长度及各床板所需达到的角度;确定了各功能模块机构的空间位置;设定选择各机构的原则,并依据该原则选定满足要求的机构构型。
2)分别建立支背机构、曲腿机构、侧翻机构的运动学模型,对各机构进行运动学分析;分别设定各机构中所有杆件的尺寸以及各杆件的转动角度范围;采用矢量方程解析法得出各杆件位移、速度、加速度的函数表达式并对其进行分析。
3)对整体床架进行结构设计和材料选择;对多功能护理床的支背、曲腿、侧翻功能模块进行结构设计;对各机构进行力学分析,从而确定驱动电机型号;展示多功能护理床在各功能状态下的三维立体图。
4)运用ANSYS软件分别对床架以及升降横梁进行应力应变分析,根据分析结果得出该零部件具有较高的刚度和强度,能够满足设计要求。
With the arrival of the worldwide aging population, our country has already entered the ageing society. According to the statistics, the population in our country aged over 60 years old reached about 160 million at the end of 2008, which accounted for 12% of the total population. It is predicted that the aging rate of our country will reach 17.17% in 2020. Moreover, it will be more than 30% in 2050.
According to information available, about 79.1% of the old man has at least one chronic disease. People with chronic diseases can get bedsore or other complications after a long-term bed rest, which will increase the body motility disorders significantly. Helping the patient to turn around from the back regularly can prevent or reduce the occurrence of bedsore. Patients with regular limb rehabilitation trainings will enhance the activity of their bodies and improve their own immunity.
In this paper, multi-functional nursing bed is designed for elderly patients and disabled people who lose lower limb motor ability. The patients can get up, curve legs and rollover with the help of the nursing bed. By using it, patients can also get limb rehabilitation trainings, which will speed up the functional recovery of lower limb. The main research results of this dissertation are as follows:
1) According to the proposed design requirements, the dimensions of the bed and the angle of each bedplates are determined. The spatial position of individual functional modular mechanism is figured out and the type of each mechanism is determined depending on the design principles.
2) Kinematic models of the mechanisms are established and the kinematic analysis is also carried out. The sizes and the rotation angle ranges of all the rods in the nursing bed are set. The function formulas of displacement, velocity and acceleration of individual rod are established by using analytical method of vector equation.
3) The paper also investigates the whole frame structural design and material selection. All functional modular parts of the bed is determined. The type of the driver motor is selected according to the analysis of each mechanism. At last, the three-dimensional drawings are shown under each functional status.
4) Stress and strain analysis of the bedstead and the fluctuation beam is developed based on the ANSYS software. The stress distribution and the displacement deformation getting from stress and strain analysis indicates the rationality of the two parts.
引文
A.Garg,B.Qwen,D.Beller,et al. A Biomechanical and Ergonomic Evaluation of Patient Transferring Task: Bed to Wheelchair and Wheelchair to Bed. Ergonomics, 1991,3(34):289～312
D.B Foster,H. Caldwell,K. Harris,et al. Multple Position Adjustable Day Night patient Bed Chair. US Patent,5230113,Jul.27,1993
Krebshi,Palazzolo JJ.Rehabilitation robotics : performance-based progressive robot-assisted therapy.Autonomous Robots,2003,(15):7～20
Nikhil Bhushan,Reza Shadmehr,Computational nature of human adaptive control during learning of reaching movements in force fields. Biological Cybernetics,1999,(18):39～60
Popovic M R, Keller. A Reliable Gait Phase Detection System. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2001,9(2):113～125
Winter D.A. Biomechanics and Motor Control of Human Movement. New York : John Wiley & Sons,inc, 1990. 35～80
XS,Lei D, Liao Q, et al. Generalized Stewart Platforms and Their Direct Kinematics. IEEE Trans. Robotics,2005,21(2)
Zhang Tie,Xie Cunxi,Li N. Roboticized multi-function nursing bed and its control system. Journal of South China University of Technology,2006,2:47～51
白建军.多功能护理服务机器人的设计与研究:[硕士学位论文].江西:南昌大学,2010 北华大学,青岛科技大学,徐智烜.智能化多功能康复床机械结构设计及ADAMS优化设计. 高校理科研究,2009:499～450
卜绮成.我国医疗器械产业30年回顾.国家食品药品监督管理局,2009,9(24):92～100
蔡天智,关立忠,蒙志莹.中国医疗器械要向高端发展.中国设备,2007:51～52
柴春雷,汪颖,孙守迁.人体工程学.北京:中国建筑工业出版社,2007
陈波,王德玉,张旭伟,等.医用翻身床设计.设计与研究,2007,9(34):20～22
陈波.医用翻身床设计.设计与研究,2007,9(34):20～22
陈建兰.中国“空巢”家庭研究述评.天府新论,2008,2:105～109
陈晓敏,杨柳.现代化进程中的“空巢”家庭现象论析.长白学刊,2003,(14):63～66
陈仲武.我国现代康复医学事业的发展历程.中国康复理论与实践,2001,7(3):182～187
邓起东,冯先岳,张培震,等.天山活动构造.北京:地震出版社,2000
樊华,杜永洪,白晋,等.面向高端医疗器械行业的医学工程人才培养探索.医学教育探索,2010,6(9):734～737
费学博,黄纯明,陈乃立.理论力学(第三版).北京:高等教育出版社,1999
高淑红.人口老龄化的财政负担及对策建议.地方财政研究,2011,1:75～77
郭爱莉,刘亚萍,张兰香.养老机构老人常患疾病调查及预防对策.中国民康医学,2008,6(20):518
哈尔滨工程大学.仰卧式下肢康复机器人.中国专利,2815338,2002-08-11
何灼华,富强,李杨玲.浅析我国医疗器械产业的发展.中国医疗器械信息,2010,7(16):50～53
贾丽娜,刘登蕉,谢涛.福建省部分城区居民慢性病的初步分析.海峡预防医学杂志,2006,1(12):37～38
姜生元,胡艳娟,李建永,等.智能化多功能电动康复床的研制.机械设计,2008,5(25):61～62
金德文,张济川.康复工程学的研究与发展.现代康复,2000,4(5):35～42
刘海艳.褥疮的预防和护理.医学信息,2011,1:180
刘鸿文.材料力学Ⅰ.北京:高等教育出版社,2004刘志泉.我国肢体残疾人概况.中国康复医学杂志,2003,8(18):493～494
刘宇,赵京,李谦.多功能护理翻身床的设计.机械设计与研究,2008,24(5):125～128
李欣.以开放的心态迎接更大的机遇和挑战—从数字看中国医疗器械市场.中国医疗器械信息,2005,5(11):56～57
李宇庆.轮式下肢康复机器人动力学仿真与优化设计:[硕士学位论文].辽宁:沈阳工业大学,2010
李震.新型多功能牵引床创新设计:[硕士学位论文].山东:山东大学,2006
吕广明,孙立宁,彭龙刚.康复机器人技术发展现状及关键技术分析.哈尔滨工业大学学报,2004,9(36):1224～1231
马培谨,齐艳,金岩.持续被动运动在肢体关节功能恢复中的应用.中国临床康复,2005,9(30):190～191
濮良贵,纪名刚,陈国定,等.机械设计(第八版).北京:高等教育出版社,2006
邱会朋,李小敏.计算机辅助技术CAD/CAE/CAPP/CAM应用教程.北京:清华大学出版社,2008
宋健.“四二一”结构:形成及其发展趋势.中国人口科学,2000,:41～45
孙春艳.中国遭遇未富先老危机.中国新闻周刊,2010,6:65～67
孙桓,陈作模.机械原理(第六版).北京:高等教育出版社,2001
汪烨.多功能电动护理床控制系统研制.制造业自动化,2009,6(31):70～71
王远琪,孙国磊,唐海燕.我国医疗器械产业当前的机遇和挑战.市场周刊·理论研究,2009,1:33～34
王中发.实用机械设计.北京:北京理工大学出版社,1998
韦高.新医改给我国医疗器械市场带来的机遇.中国医疗器械信息,2010,2(16):57～60
韦娜.危重病人康复护理多功能病床的研制:[工程硕士学位论文].江西:南昌大学,2009
邬沧萍.提高对空巢老人生活质量的科学认识.人口研究,2002,26(5):1
吴剑.机器人化多功能护理床的研究与开发:[硕士学位论文].广东:华南理工大学,2003
吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册(第3版).北京:高等教育出版社,2006
肖雄军,蔡自兴.服务机器人的发展.自动化博览,2004,10(4):10～13
晏月平,段海红.人口老龄化对养老保险制度的冲击及应对措施.四川行政学院学报,2010,6:71～74
张渤海.多功能康复床的设计与研究:[硕士学位论文].天津:天津科技大学,2009
张粉绒,常翠英,郭爱英.我国人口老龄化与老年保健的研究进展.现代护理,2002,8(3):220～221
张建国,谭云丽,薛强.基于人机工程的多功能护理床设计.制造业自动化,2010,6(32):88～90
张建国,张渤海,薛强.新型残疾人转接辅具的研制.中国康复医学杂志,2008,7(23):652～653
张建国,张渤海,薛强.新型护理床的起身机构设计与运动仿真.机械设计与制造,2009,9:19～20
张欢欢,辛绍杰.基于ADAMS的多功能床的结构参数优化.上海电机学院学报,2008,3(11):197～200
张铁,谢存禧,周慧强,等.一种机器人化的多功能护理床及其控制系统.华南理工大学学报,2006,2(34):47～51
张雪,罗汉华等.持续被动运动在临床康复中的研究进展.医学综述,2010,16(3):420～422
张永茂,王继荣. AutoCAD2007机械设计经典绘图.北京:中国铁道出版社,2007
中华人民共和国国家技术监督局. GB9706.1～1995.中华人民共和国国家标准-安全通用要求.北京:中国标准出版社,1995
中华人民共和国国家食品药品监督管理局. YY0571～2005.中华人民共和国国家标准-医用电气设备.北京:中国标准出版社,1995
中华人民共和国国家医药管理局. YY0003～90.中华人民共和国国家标准-病床.北京:中国标准出版社,2005
中华人民共和国国家技术监督局. GB12996～91.中华人民共和国国家标准-电动轮椅车.北京:中国标准出版社,1991
中华人民共和国国家技术监督局. GB10000～88.中华人民共和国国家标准-中国成年人人体尺寸.北京:中国标准出版社,1988
周慧强,谢存禧,张铁,等.机器人化多功能护理床实用双机系统的设计及实现.机床与液压,2006,(6):33～36
周延,周颖.综合治疗老年卧床患者褥疮的护理体会.中国中医药现代远程教育,2009,10(9):186
庄文许. Solid Works2009经典学习手册.北京:科学出版社,2009
朱贤仲.残障人室内步行与康复训练系统研究:[硕士学位论文].天津:天津科技大学,2009
D.B Foster,H. Caldwell,K. Harris,et al. Multple Position Adjustable Day Night patient Bed Chair. US Patent,5230113,Jul.27,1993
Krebshi,Palazzolo JJ.Rehabilitation robotics : performance-based progressive robot-assisted therapy.Autonomous Robots,2003,(15):7～20
Nikhil Bhushan,Reza Shadmehr,Computational nature of human adaptive control during learning of reaching movements in force fields. Biological Cybernetics,1999,(18):39～60
Popovic M R, Keller. A Reliable Gait Phase Detection System. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2001,9(2):113～125
Winter D.A. Biomechanics and Motor Control of Human Movement. New York : John Wiley & Sons,inc, 1990. 35～80
XS,Lei D, Liao Q, et al. Generalized Stewart Platforms and Their Direct Kinematics. IEEE Trans. Robotics,2005,21(2)
Zhang Tie,Xie Cunxi,Li N. Roboticized multi-function nursing bed and its control system. Journal of South China University of Technology,2006,2:47～51
白建军.多功能护理服务机器人的设计与研究:[硕士学位论文].江西:南昌大学,2010 北华大学,青岛科技大学,徐智烜.智能化多功能康复床机械结构设计及ADAMS优化设计. 高校理科研究,2009:499～450
卜绮成.我国医疗器械产业30年回顾.国家食品药品监督管理局,2009,9(24):92～100
蔡天智,关立忠,蒙志莹.中国医疗器械要向高端发展.中国设备,2007:51～52
柴春雷,汪颖,孙守迁.人体工程学.北京:中国建筑工业出版社,2007
陈波,王德玉,张旭伟,等.医用翻身床设计.设计与研究,2007,9(34):20～22
陈波.医用翻身床设计.设计与研究,2007,9(34):20～22
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陈晓敏,杨柳.现代化进程中的“空巢”家庭现象论析.长白学刊,2003,(14):63～66
陈仲武.我国现代康复医学事业的发展历程.中国康复理论与实践,2001,7(3):182～187
邓起东,冯先岳,张培震,等.天山活动构造.北京:地震出版社,2000
樊华,杜永洪,白晋,等.面向高端医疗器械行业的医学工程人才培养探索.医学教育探索,2010,6(9):734～737
费学博,黄纯明,陈乃立.理论力学(第三版).北京:高等教育出版社,1999
高淑红.人口老龄化的财政负担及对策建议.地方财政研究,2011,1:75～77
郭爱莉,刘亚萍,张兰香.养老机构老人常患疾病调查及预防对策.中国民康医学,2008,6(20):518
哈尔滨工程大学.仰卧式下肢康复机器人.中国专利,2815338,2002-08-11
何灼华,富强,李杨玲.浅析我国医疗器械产业的发展.中国医疗器械信息,2010,7(16):50～53
贾丽娜,刘登蕉,谢涛.福建省部分城区居民慢性病的初步分析.海峡预防医学杂志,2006,1(12):37～38
姜生元,胡艳娟,李建永,等.智能化多功能电动康复床的研制.机械设计,2008,5(25):61～62
金德文,张济川.康复工程学的研究与发展.现代康复,2000,4(5):35～42
刘海艳.褥疮的预防和护理.医学信息,2011,1:180
刘鸿文.材料力学Ⅰ.北京:高等教育出版社,2004刘志泉.我国肢体残疾人概况.中国康复医学杂志,2003,8(18):493～494
刘宇,赵京,李谦.多功能护理翻身床的设计.机械设计与研究,2008,24(5):125～128
李欣.以开放的心态迎接更大的机遇和挑战—从数字看中国医疗器械市场.中国医疗器械信息,2005,5(11):56～57
李宇庆.轮式下肢康复机器人动力学仿真与优化设计:[硕士学位论文].辽宁:沈阳工业大学,2010
李震.新型多功能牵引床创新设计:[硕士学位论文].山东:山东大学,2006
吕广明,孙立宁,彭龙刚.康复机器人技术发展现状及关键技术分析.哈尔滨工业大学学报,2004,9(36):1224～1231
马培谨,齐艳,金岩.持续被动运动在肢体关节功能恢复中的应用.中国临床康复,2005,9(30):190～191
濮良贵,纪名刚,陈国定,等.机械设计(第八版).北京:高等教育出版社,2006
邱会朋,李小敏.计算机辅助技术CAD/CAE/CAPP/CAM应用教程.北京:清华大学出版社,2008
宋健.“四二一”结构:形成及其发展趋势.中国人口科学,2000,:41～45
孙春艳.中国遭遇未富先老危机.中国新闻周刊,2010,6:65～67
孙桓,陈作模.机械原理(第六版).北京:高等教育出版社,2001
汪烨.多功能电动护理床控制系统研制.制造业自动化,2009,6(31):70～71
王远琪,孙国磊,唐海燕.我国医疗器械产业当前的机遇和挑战.市场周刊·理论研究,2009,1:33～34
王中发.实用机械设计.北京:北京理工大学出版社,1998
韦高.新医改给我国医疗器械市场带来的机遇.中国医疗器械信息,2010,2(16):57～60
韦娜.危重病人康复护理多功能病床的研制:[工程硕士学位论文].江西:南昌大学,2009
邬沧萍.提高对空巢老人生活质量的科学认识.人口研究,2002,26(5):1
吴剑.机器人化多功能护理床的研究与开发:[硕士学位论文].广东:华南理工大学,2003
吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册(第3版).北京:高等教育出版社,2006
肖雄军,蔡自兴.服务机器人的发展.自动化博览,2004,10(4):10～13
晏月平,段海红.人口老龄化对养老保险制度的冲击及应对措施.四川行政学院学报,2010,6:71～74
张渤海.多功能康复床的设计与研究:[硕士学位论文].天津:天津科技大学,2009
张粉绒,常翠英,郭爱英.我国人口老龄化与老年保健的研究进展.现代护理,2002,8(3):220～221
张建国,谭云丽,薛强.基于人机工程的多功能护理床设计.制造业自动化,2010,6(32):88～90
张建国,张渤海,薛强.新型残疾人转接辅具的研制.中国康复医学杂志,2008,7(23):652～653
张建国,张渤海,薛强.新型护理床的起身机构设计与运动仿真.机械设计与制造,2009,9:19～20
张欢欢,辛绍杰.基于ADAMS的多功能床的结构参数优化.上海电机学院学报,2008,3(11):197～200
张铁,谢存禧,周慧强,等.一种机器人化的多功能护理床及其控制系统.华南理工大学学报,2006,2(34):47～51
张雪,罗汉华等.持续被动运动在临床康复中的研究进展.医学综述,2010,16(3):420～422
张永茂,王继荣. AutoCAD2007机械设计经典绘图.北京:中国铁道出版社,2007
中华人民共和国国家技术监督局. GB9706.1～1995.中华人民共和国国家标准-安全通用要求.北京:中国标准出版社,1995
中华人民共和国国家食品药品监督管理局. YY0571～2005.中华人民共和国国家标准-医用电气设备.北京:中国标准出版社,1995
中华人民共和国国家医药管理局. YY0003～90.中华人民共和国国家标准-病床.北京:中国标准出版社,2005
中华人民共和国国家技术监督局. GB12996～91.中华人民共和国国家标准-电动轮椅车.北京:中国标准出版社,1991
中华人民共和国国家技术监督局. GB10000～88.中华人民共和国国家标准-中国成年人人体尺寸.北京:中国标准出版社,1988
周慧强,谢存禧,张铁,等.机器人化多功能护理床实用双机系统的设计及实现.机床与液压,2006,(6):33～36
周延,周颖.综合治疗老年卧床患者褥疮的护理体会.中国中医药现代远程教育,2009,10(9):186
庄文许. Solid Works2009经典学习手册.北京:科学出版社,2009
朱贤仲.残障人室内步行与康复训练系统研究:[硕士学位论文].天津:天津科技大学,2009