畢業(yè)設計（畢業(yè)論文）開題報告
學 院
機械與汽車工程學院
專 業(yè)
機械工程及自動化
班級學號
學 生
指導教師
題 目
分段翻身模塊設計與研究
任務實際
進行日期 自 2018 年 12 月 14日起，至 2019 年 6 月 21 日止
1課題背景及意義
國家統(tǒng)計局調查顯示 我國人口13.7億老齡化呈上升趨勢?《2015年全國1%人口抽樣調查主要數據公報》（以下簡稱《公報》）?！豆珗蟆凤@示，全國大陸31個省、自治區(qū)、直轄市和現(xiàn)役軍人的人口為137349萬人。同第六次全國人口普查（以下簡稱“六普”）2010年11月1日零時的133972萬人相比，五年共增加3377萬人，增長2.52%，年平均增長率為0.50%。從年齡構成看，人口老齡化呈上升趨勢。0—14歲人口為22696萬人，占16.52%；15—59歲人口為92471萬人，占67.33%；60歲及以上人口為22182萬人，占16.15%，其中65歲及以上人口為14374萬人，占10.47%。同“六普”相比，15—59歲人口比重下降2.81個百分點，60歲及以上人口比重上升2.89個百分點[5]。由此可知，人口的老齡化必將帶來新的問題，對于獨生子女的父母，在邁入老齡階段后可能無法得到子女的充分照顧，老年人的健康隨著年齡的增長暴露出越來越多的問題，身體的衰弱造成出行和活動的不便，急需一種能夠改善他們出行方式的工具。
目前我國腦性癱瘓發(fā)病率為1.84%，老年腦病患者占老年人口總數的10%。這是一個不小的人群，他們的生活現(xiàn)狀與護理方式需要得到社會的關注和我們的重視，癱瘓是神經系統(tǒng)常見的癥狀之一，是指肌肉活動能力的降低或喪失，而對于肢體癱瘓的病人來說，護理所面臨的最棘手的問題便是如何能夠有效地防止病患身體上出現(xiàn)褥瘡，褥瘡又稱壓力性潰瘍，是由于局部組織長期受壓，發(fā)生持續(xù)缺血、缺氧、營養(yǎng)不良而致組織潰爛壞死[7-8]。皮膚壓瘡在康復治療、護理中是一個普通性的問題。據有關文獻報道，每年約有6萬人死于壓瘡合并征。為了防止肢體癱瘓病人褥瘡的產生，在護理時需要勤翻身，勤擦洗，勤按摩，勤換洗，勤整理，勤檢查，勤交換(七勤);其中，勤翻身要求每一小時翻身一次，翻身時不可在床褥上拖拉以免挫傷皮膚。對于易患褥瘡部位，如骶尾部，髂后上嵴等部位要以氣墊、海綿墊以減輕壓力。防褥瘡最好的方法是給病人多翻身，避免某一個部位受到壓迫而產生褥瘡。
對于肢體癱瘓的病人來說，他需要有一種能夠幫助他們改善生活質量的裝置，可以方便他們進行體位變換，也能及時調整病患的癱瘓?zhí)帲ㄟ^幫助他們翻身以及各種身體的活動來使得褥瘡不會在病患身上出現(xiàn)，這對于癱瘓病人的護理具有很大的意義，減輕護理人員的負擔的同時也減少了人力物力的投入。
如今市面上對于病人護理的醫(yī)療設施已有不少，對多功能護理床方面也早已進行了研究，相關的產品也層出不窮，但大多數產品的翻身結構不夠完善，多多少少存在一些問題。因此多段翻身模塊的設計與研究對目前國內老年化的現(xiàn)象有很大意義，而且相關發(fā)展前景十分廣闊，市場潛在商業(yè)價值巨大，相關技術的發(fā)展對我國醫(yī)療護理水平的提高具有重要的推動意義。
2文獻綜述
2.1 多段翻身模塊的設計與研究國內外研究動態(tài)
世界衛(wèi)生組織規(guī)定，60歲以上老年人達到人口總數的10%或者65歲以上老年人達到7%，稱為人口老齡化。據調查，目前全世界60歲以上老年人口總數已達6億，有 60 多個國家的老年人口達到或超過人口總數的10%，進入了人口老齡化社會行列。人口老齡化的迅速發(fā)展，引起了聯(lián)合國及世界各國政府的重視和關注。而我國老年人口數量之大，位居世界之最。另外，由于我國人口眾多，每年因為各種疾病、工傷、交通事故等原因造成的殘障人士也逐年增加，因此，護理床（也可以稱之為病床）的使用顯得尤為重要。護理床的基本功能是實現(xiàn)翻身，因此一個良好的翻身結構將決定護理床的好壞以及病人的舒適程度。
在我國由于技術起步晚，護理床的普遍率和技術水平比起歐美等國還是較為遜色的，在歐美和日本，護理床的市場價值也日益壯大，如2011年在美國醫(yī)用護理床的市場份額達到53億美元。據日本機器人協(xié)會估測，到2025年，日本國內機器人市場份額將達9310億日元（合74.5億美元）。而這些機器人將主要應用于醫(yī)療護理和福利服務方面。
美國的醫(yī)療護理產業(yè)發(fā)展成熟，其中Stryker公司和Hill-Rom公司是最具代表性的康復護理醫(yī)療器械生產企業(yè)，它們所生產的醫(yī)療護理床種類涵蓋了幾乎所有醫(yī)療護理門類。Stryker公司生產的S3型醫(yī)療床，它能夠通過運動機構實現(xiàn)背部支起30°且擁有中置式制動器，能夠通過內置機構的協(xié)同運動實現(xiàn)對四個萬向腳輪的止動功能。
日本同樣擁有巨大的護理床市場，八樂夢（Paramountbed）公司是全日本最大的醫(yī)療護理床生產企業(yè)，他們的產品遠銷全世界，八樂夢公司生產的ICARE PLUS四馬達電動床，通過將電動推桿作為直線運動驅動模塊，結合曲柄滑塊等機構原理的運用可以實現(xiàn)背部支起，腿部彎曲，整床升降等功能。
2.2 多段翻身模塊設計與研究
2.2.1 理論與實際的創(chuàng)新結合
以多模態(tài)運動機構為設計理念，通過對曲柄滑塊機構及轉動導桿機構的融合運用，以最少的空間占用及最巧妙的機構布局實現(xiàn)了對多功能模塊化護理復健機器人床翻身功能模塊的設計。
2.2.2 多段翻身模塊設計與研究的安全性、可行性
對本課題所研究的多段翻身模塊設計與研究床生產制造及裝配調試環(huán)節(jié)進行了簡要的介紹，對各環(huán)節(jié)中曾遇到的問題及解決的方案進行了簡要敘述，尤其對某些零部件出現(xiàn)的強度問題進行了具體說明并對各相關零部件進行了靜力學分析，驗證了各強度問題解決方案的安全性、可行性。
2.2.3時代方向、良好前景
從使用者需求出發(fā)并借助多模態(tài)運動機構的設計理念開發(fā)出更多的護理復健治療模塊，使多功能模塊化翻身結構受用范圍更廣，使對老弱病殘等人群的康復護理治療操作更加簡單化與人性化；
對多功能模塊化多段翻身模塊的控制系統(tǒng)進行更深入的設計和研究，控制系統(tǒng)要趨于智能化并與因特網連接，使患者及護理人員不僅能通過無線遙控器更能通過手機等移動終端來聯(lián)網實現(xiàn)遠程對床體進行操控，同時要配合攝像頭及各種傳感器的設置來支持對床體的手勢操作控制甚至表情操作控制。
3 研究內容和方法
3.1 研究內容
在多段翻身模塊的設計中，要充分考慮到載荷的大小和加載形式，針對不同的載荷形式與行程要求設計不同的機構模塊，還要考慮到多模態(tài)機構協(xié)同運行的特點與要求，結合實際功能布局情況考慮是否存在類似串聯(lián)機構與并聯(lián)機構之間的相互轉化等的機構變形情況，并根據機構運動時的變形情況考慮驅動方案的實現(xiàn)，設計機構時要充分把機械互鎖和機械限位等考慮進去，同時也要為控制部分的器件提供相應的空間位置，方便控制機構的安裝，尤其是各種傳感器等的安裝。
綜上所述，本論文所進行的研究內容可分流程歸納為以下幾個方面：
（1） 總體方案設計：依據對多段翻身模塊的功能要求及設計指標，對多段翻身模塊運動機構按照相應功能的實現(xiàn)進行整體布局，確定出所需框架的各部分具體尺寸，從而確定該多段翻身模塊運動機構整體設計方案。
（2） 各翻身模塊設計：對多段翻身模塊機構框架下的各翻身模塊運動機構按照所需實現(xiàn)的功能逐個進行設計分析，分析出所涉及機構在運行過程中的速度、角速度、位移等相關參數的變化情況，從而確定機構運行的合理性，并為后續(xù)運動學仿真及各部分強度校核做鋪墊、為傳動件的選型提供理論依據。
（3）機構詳細設計及建模：對各運動機構進行詳細的機構設計與材料選擇，確定各機構的驅動方式和傳動件的尺寸，并進行詳細的SolidWorks三維建模，驗證傳動件的選型及尺寸設計的合理性。
（4）受力分析：運用有限元分析軟件SolidWorks Simulation對整體框架下的重要受力部分進行強度分析，分析出各載荷點的位移變形情況并進行安全性和可靠性評估；運用運動學仿真軟件Solidworks Motion或Adams對各運動機構在運行過程中的受力變化情況進行穩(wěn)定性分析和評估，確保所設計機構的安全、可靠。
（5）二維加工圖紙的繪制：根據三維圖，按各個功能模塊分別繪制出各模塊的所有零件圖及模塊的裝配圖，同時繪制出翻身模塊的總體裝配圖，根據零件用途及位置布置在相應圖紙中注明各零件的技術要求及加工注意事項，同時分模塊用Excel編制出零件的明細表，表中應包含序號、零件圖號、零件名稱、材料、件數等內容，其中凡是焊接件均需將焊接后的整件當做小裝配圖并將幾個焊接件作為零件圖，分別分配圖號。
（6）加工流程的跟蹤：全程在零件加工廠對零件的生產環(huán)節(jié)進行跟蹤，及時核對零件的加工質量，確認是否符合圖紙標明的精度要求，若發(fā)現(xiàn)問題需及時與加工商協(xié)商修改。在零件粗加工完成后及后續(xù)表面處理流程中需要及時根據零件明細表核對零件數量，確保沒有零件遺漏、給后續(xù)裝配帶來麻煩。
（7）裝配與調試：在零件全部加工完成后需要逐一對零件進行裝配，搭建起多段翻身模塊的框架，整床裝配完成后需裝上電機及控制系統(tǒng)進行運行及調試，在裝配及調試過程中也需要不斷發(fā)現(xiàn)問題并及時找出解決方案來處理。
3.2 研究方法
對翻身模塊的多模態(tài)運動機構進行了簡要介紹，以右側翻機構為例進行了分析，了解了機構的形態(tài)特點和運行方式，兩次采用矢量方程的方法得出了右翻身角位移、角速度及角加速度隨滑塊位置的關系，分別繪制出了角位移、角速度及角加速度隨滑塊位置的變化曲線，通過對曲線走向的分析證明了翻身模塊多模態(tài)運動機構的設計是合理的。
對翻身模塊的多模態(tài)運動機構的結構進行了設計，首先對翻身模塊床板框架結構進行了設計，介紹了床板框架結構的機構運行原理并對床板框架結構中的鉸鏈結構進行了重點設計，其次對翻身模塊的翻身運動機構進行了結構設計，明確了翻身模塊的驅動形式，確定了驅動部分的步進電機型號。
4 技術路線
1.收集和整理有關多段翻身模塊的資料，了解機械結構的設計理念以及設計要求；
2.多段翻身模塊機構研究，制定總體方案；
3.對多段翻身模塊中的機械結構可行性分析；
4.繪制多段翻身模塊的三維模型和二維圖紙；
5.對整體結構進行仿真和受力分析。
5預期成果
（1）完成多段翻身模塊的三維圖形建立；
（2）完成對各部分模塊的運動學力學及結構分析；
（3）完成各模塊的裝配各零件的圖紙及總結報告。
6 進度安排
（1） 第16～18周：文獻檢索，資料收集，寫出開題報告，完成外文資料翻譯。
（2） 第1～3周：設計方案討論，設計方案確定，進行設計計算
（3） 第4～5周：三維模型建立，動力學運動學分析。
（4） 第6～7周：總體裝配和強度校核。
（5） 第8～11周：撰寫論文。
參考文獻
[1] 劉海嘯. 老年監(jiān)護制度研究[D]. 山東大學, 2014.
[2] 尹欣. 人口老齡化與居家養(yǎng)老服務研究[J]. 決策探索, 2012(4):65-65.
[3] 李成皇. 老年癡呆患者的康復與指導[J]. 中華醫(yī)學研究雜志, 2012.
[4] 張渤海. 多功能康復床的設計與研究[D]. 天津科技大學, 2009.
[5] 駱靜. 護理床靠背調節(jié)機構專利技術發(fā)展分析[J]. 中國科技信息, 2017(11):22-23.
[6] 陳琛.基于用戶體驗的多功能醫(yī)療護理床設計研究[D].湖北工業(yè)大學,2014.
[7] 楊國忠. 美國發(fā)展醫(yī)療器械產業(yè)的經驗與啟示[J]. 中國醫(yī)療器械信息, 1999(3):34-36.
[8] 陳立周, 路鵬, 孫成憲. 機構運動學設計的離散優(yōu)化技術[J]. 機械設計, 1986(6):3-9.
[9] 白建軍.多功能護理服務機器人的設計與研究[D].南昌大學，2010.
[10] 趙鵬飛.基于交互理念的失能老人多功能護理床設計研究[D].太原理工大學,2016.
[11] 劉倩倩. 多功能護理床的結構設計與力學分析[D]. 中國地質大學(北京), 2011.
[12] 石成瑜.面向癱瘓老人的多功能護理床設計與研究[D].大連交通大學,2014.
[13] 劉宇，趙京，李謙.多功能護理翻身床的設計[J].《機械設計與研究》，2008，24（05）:125-128.
[14] 李鑫鑫,張娜.康復護理床設計研究[J].科技經濟導刊,2016,(08):83.
[15] 程武山, 陳敏, 程靜, et al. Method and device for controlling rehabilitation nursing robot bed:, CN 104622655 A[P]. 2015.
[16] Fengfa Lang, Yinjie Cao, Hui Huang, Yan Wang, Pengpeng Yu, Xinghai Xie. The design of automatic flipping-body nursing bed[P]. Artificial Intelligence, Management Science and Electronic Commerce (AIMSEC), 2011 2nd International Conference on,2011.