附件 7 武漢交通職業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計） （范文） 課題名稱 多功能病床的設(shè)計 學(xué)生姓名 張三 學(xué)號 05xx 系 部 機電工程系 專業(yè)年級 05 數(shù)控 一班 指導(dǎo)教師 童 星 年 月 1 多功能病床的設(shè)計 目 錄 摘要 3 關(guān)鍵詞 3 Abstrac 3 Key words 3 第 1 章 緒論 4 1.1 設(shè)計的目的和意義 4 1.2 設(shè)計的目標和任務(wù) 4 第 2 章 方案的比較和選擇 5 2.1 方案一 5 2.1.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 5 2.1.2 坐起及曲膝的方案 5 2.1.3 左右翻身的方案 6 2.1.4 床上排便的方案 7 2.1.5 吃飯裝置的方案 7 2.2 方案二 8 2.2.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 8 2.2.2 坐起及曲膝的方案 9 2.2.3 左右翻身的方案發(fā) 10 2.2.4 床上排便的方案 10 2.2.5 吃飯裝置的方案 11 2.3 方案的對比和選擇 11 第 3 章 機構(gòu)設(shè)計 11 3.1 基本參數(shù)的設(shè)計 11 3.2 電動機的選擇 12 3.3 坐起及曲膝機構(gòu)的設(shè)計 15 3.4 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 15 3.5 排便活門機構(gòu)設(shè)計 15 3.6 餐桌機構(gòu)的設(shè)計 16 第 4 章 零件設(shè)計 17 4.1 縱軸的設(shè)計與校核 17 4.2 橫軸一、橫軸二的設(shè)計與校核 17 2 4.3 螺桿的設(shè)計與校 核 18 4.4 翻身機構(gòu)中零件的設(shè)計與校核 20 4.5 坐起機構(gòu)中零件的設(shè)計與校核 21 4.6 曲腿機構(gòu)中零件設(shè)計與校核 21 第 5 章 設(shè)計總結(jié) 22 5.1 方案的評價與成本估算 22 5.2 與相近產(chǎn)品的比 較及主要創(chuàng)新點 22 5.3 應(yīng)用前景 23 5.4 存在的問題和改進建議 23 參考文獻 23 3 多功能病床的設(shè)計 摘 要 隨著人口老齡化速度的加快，護理業(yè)服務(wù)受到了嚴峻的挑戰(zhàn)，醫(yī)療和社會保險系統(tǒng)面臨前 所未有的壓力。為老年患者服務(wù)的護理型病床的需求正不斷增加。 本文詳細論述了針對缺乏自理能力的老年人及行動不便的病人設(shè)計的多功能護理床的基本結(jié)構(gòu)和功能原理。該病床能夠幫助病人實現(xiàn)翻身、坐起、屈膝、排便及吃飯，解決了護理病人過程中的諸多不便，進而增強了我國護理業(yè)服務(wù)，有力地促進了我國的醫(yī)療保健事業(yè)的發(fā)展。 該設(shè)計對病床的各項功能進行了方案選擇、原理分析、零件尺寸計算及強度較核，基本上實現(xiàn)了各個裝置的正常運行。 關(guān)鍵詞 醫(yī)療設(shè)備；護理床；醫(yī)院病床；設(shè)計 The design of Multi-functional hospital bed Abstract With the speed of population ageing， care services industry has been in the face of challenges. Medical and social insurance system is facing unprecedented pressure. Care-beds which serve the old patients are in increasing demand。 The basic structure and functional principles of multifunctional care-beds which are designed for those old patients who lack of governance of themselves and those patients who lack of the ability to control their mobility are elaborated in the essay. Much inconvenience in the course of nursing patient can be resolved by the care-beds which can help patients turn over themselves ,sit up ,bend knees and also spot. This in turn augments nursing service in our country and effectively promotes the development of the cause of our health care . The design has finished the options of programme, analysis of the principle, calculation of parts size and check of the strength security, as a result achieves the realization of normal operation to each device in the care-beds. Key words Medical equipment； Nurse bed； Hospital beds； design； 4 緒 論 1.1 設(shè)計的目的和意義 在今日的醫(yī)院面臨護理水平和技術(shù)迅速提高的總要求下，配置符合世界性護理系統(tǒng)標準的病床是每個醫(yī)療單位都關(guān)心的問題。不僅如此， 隨著經(jīng)濟水平的提高，在很多發(fā)達國家，病床的使用甚至超出醫(yī)療單位 (福利院、康復(fù)中心 )，延續(xù)到患者 (老年病、慢性病 )的家庭。 中國己于 1999年 10月提前進入人口老齡化國家的行列。據(jù)報 道，中國不僅是世界上老齡化人口絕對數(shù)最多的國家，而且也是世界上老齡化速度最快的國家之一。 60歲及其以上老年人口已達 1 32億，占全國總?cè)丝诘?1096(65歲以上老年人口為 8687萬，占 7 )，并以年均3 32的速度持續(xù)增長。更為突出的是，我國 80歲 _以上老年人口已達 1100萬，并以年均 5 4的速度驚人遞增。人口老齡化的趨勢使老人有更多患慢性病的機會，根據(jù)統(tǒng)計資料約 79 1的老人至少有一種或一種以上的慢性病，而慢性病的患者有較高的殘疾機會、較差的功能狀態(tài)和較高的死亡率，因而將出現(xiàn)一個健康最弱的群體。其中 突出的現(xiàn)象就是高齡老年人自我照料能力減弱，對家庭、社區(qū)、政府依賴程度加大。據(jù)調(diào)查，在 80歲以上男性老人中，能自我照料的只占 35 7。目前“空巢家庭”也已成為社會發(fā)展趨勢，家庭式護理對老年人的關(guān)照也日趨減弱，客觀上增加了老年人、殘疾人護理的困難。 由此可見我國增強老年護理業(yè)服務(wù)、提高護理醫(yī)療設(shè)施的重要性和迫切性。在國外，醫(yī)療護理器械高新技術(shù)含量越來越多，對新工藝、新材料的要求越來越高。醫(yī)療器械的發(fā)展趨勢可從材料和產(chǎn)品形式兩個方面來分析。從材料方面看目前手術(shù)器械產(chǎn)品材質(zhì)豐富，除廣泛采用含鉬不銹鋼外，還采用銅 、鋁、特殊臺金和塑料等材料；從產(chǎn)品形式來看，手木器械采用了現(xiàn)代新技術(shù)后正突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，向高效能、設(shè)備性發(fā)展，但國外這種復(fù)雜的多功能的護理器械造價高昂，功能操作相對復(fù)雜，在我國現(xiàn)在的經(jīng)濟水平下很難得到大眾化的推廣應(yīng)用；在國內(nèi)，相關(guān)的醫(yī)療護理器械發(fā)展不太成熟，特別是護理病床的發(fā)展遠遠不能滿足實際的需要，功能比較單一、自動化程度不高等原因是現(xiàn)有一些多功能護理病床得不到大眾化推廣的原因之一。 為了增強我國護理業(yè)服務(wù)，解決護理病人過程中的諸多不便，我們設(shè)計制造了這款新型的多功能病床，該病床共可以實現(xiàn)幫助病人 翻身、坐起 、屈膝、排便及吃飯 五大功能，能夠很好地解決病人護理過程中的大部分問題，并且 病床由病人自己點動控制，按自己的感覺和意愿調(diào)整臥姿，舒適自知 。同時 螺旋連桿機構(gòu)以簡單易于加工的特點決定了其低成本性 ，適合大批生產(chǎn)和大眾化的推廣，對 增強我國護理業(yè)服務(wù)，有力地促進了我國的醫(yī)療保健事業(yè)的發(fā)展 有著重要的現(xiàn)實意義。 1.2 設(shè)計的目標和任務(wù) 常見的一些新型護理病床有手動可升降病床、遙控氣動可升降病床、電動遙控病床等。本設(shè)計 結(jié)合護理業(yè)的實際情況和病人的實際需要，我們這款多功能病床主要可以實現(xiàn)以下五大功能： 幫助病人坐起功能，使病人在任何坐臥姿勢下感覺舒適 (自主控制 )。 幫助病人屈膝功能，使病人腿部置于所需的舒適的位置 (自主控制 )。 幫助病人左右翻身功能，實現(xiàn)病人的左右翻身 (自主控制 )。 幫助病人排便功能，使病人在床上能很方便的排便 (自主控制 )。 輔助病人用餐和看書的功能，使病人在床上用餐，看書時有一個比較舒適的位置和放置飯菜書本的地方。 以上五個功能中， 前四項功能都采用電動機控制實現(xiàn)，并且可以自主根據(jù)病人的實際需要點動控制，按自己的感覺和意愿調(diào)整臥姿，唯輔助病人用餐和看書的功能采用手動操作，可以說自動化程度較高，操作也比較人性化。 通過以上五項功能可以很好地解決病人護理和自理過程中的大部分問題。由此，我的服 5 務(wù)對象比較廣泛：外傷病人、骨科病人、手術(shù)后康復(fù)病人及其它重癥病人、臥床不起行動不便的病人或老人等。 方案的比較和選擇 2.1 方案一 2.1.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2-1 方案一：床板結(jié)構(gòu)示意圖 床板分為 8 塊，相互間用合葉鉸接（如圖），左右翻時 1、 3、 5、 7或 2、 4、 6、 8一起繞 X 軸翻轉(zhuǎn)；坐起時 1、 2 一起繞 1Y 軸翻轉(zhuǎn)；曲膝時 5、 6 一起繞2Y軸向上翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)的同時 7、 8 板同時被拖起， 7、 8 板一起繞 Y3相對于 5、 6 板轉(zhuǎn)動，從而達到了曲膝的目的。圖中 A、 B為排便的滑板，排便時 A、 B分別沿 Y軸正負方向往外滑動，打開一活門，從而滿足排便需要。未工作時床板平置于床架上，和普通的病床一樣。采用此種結(jié)構(gòu)的床板，制造簡易，且很輕松的克服了各功能間的相互干擾，滿足了各個 功能協(xié)調(diào)動作的要求。 2.1.2 坐起及曲膝的方案 6 圖 2-2 方案一：坐起及曲膝原理（平躺狀態(tài)） 圖 2-3 坐起及曲膝原理 （坐起狀態(tài)） 這部分的設(shè)計，采取坐起和曲膝的功能分別驅(qū)動的思路。如圖分別是床板平置和坐起及曲膝動作完成之后的狀態(tài)。床板平置時，人躺在床上和普通病床一樣，當需要坐起時由圖中左邊的電動機驅(qū)動螺桿 9轉(zhuǎn)動，使得螺套 7向右運動，再由連桿 6帶動轉(zhuǎn)臂 5 旋轉(zhuǎn)，最后由轉(zhuǎn)臂驅(qū)動床板 1繞 J點旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起。需要曲膝時，同樣右邊的電動機工作，通過螺旋傳動使得轉(zhuǎn)臂 12 旋轉(zhuǎn)，將床板 3 頂起，達到曲膝的目的。坐起和曲膝動作如圖“坐起狀態(tài)”。 此方案主要為螺旋傳動，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本低廉，傳動精確；缺點是承受的軸向推力大，效率低，摩擦嚴重。 2.1.3 左右翻身的方案 圖 2-4 左右翻身方案一 左右翻身的實現(xiàn)同上面的原理，由另外一臺電動機驅(qū)動，通過螺旋傳動完成翻轉(zhuǎn)。如圖，電動機工作，螺桿 2 轉(zhuǎn)動，帶動螺套 1 向右運動，由連桿 3 帶動轉(zhuǎn)臂 4 旋轉(zhuǎn)，使得床板 5繞 G點旋轉(zhuǎn)。當電動機反轉(zhuǎn)時，同 理使得床板 6繞 G旋轉(zhuǎn)，從而達到左右翻的目的。 此方案主體也采用了螺旋傳動，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本低廉，傳動精確；缺 7 點是承受的軸向推力大，效率低，摩擦嚴重。 2.1.4 床上排便的方案 圖 2-5 床上排便方案一 如圖， 7、 8為用滑道連接在床板上的滑板，可在床板上滑動； 6為一根彈簧，兩端固定在 7、 8兩板上，并保持一定的張力，將板拉緊。 2、 3為兩個定滑輪，分別固定在床板的兩端； 4、 5為兩根鋼絲繩，一端固定在滑板的一邊，另一端固定在有凹槽的輪子 1上； 1為由電動機驅(qū)動的輪子；排便時，電動機工作，帶動輪子 1轉(zhuǎn)動，鋼絲繩被拉緊繞在輪子上，并將 7、 8板往外拉開；排便完后，電動機反轉(zhuǎn)，帶動輪 1反轉(zhuǎn)，鋼絲繩慢慢松開， 7、 8板在彈簧的拉力下合攏。 此方案采用了鋼絲繩、定滑輪拖動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，卻很好的滿足了排便的要求。 2.1.5 吃飯裝置的方案 8 圖 2-6 吃飯裝置方案一 如圖， 1為一根彎折成 90度的桿， A端處可繞 4轉(zhuǎn)動， 4為床架； 2也為一根彎折成 90度的桿， 2 桿的一端可繞 1桿的 B處轉(zhuǎn)動， 2桿的另一端用合葉 D、 E鉸接一塊板 3，吃飯時將 3板翻轉(zhuǎn)過去，由焊接在另一邊的板 F支撐。圖中 C處為一銷子，在床板上開一個凹槽 ，當 2轉(zhuǎn)動到吃飯的位置時，銷子剛好卡在凹槽里，將板固定好。不用時可將板折疊置于床下。 此裝置，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，作為病床上的餐桌很實用。 2.2 方案二 : 2.2.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2-7 床板結(jié)構(gòu)方案二 床板分為 6 塊，相互間用合葉鉸接（如圖），左右翻時 1、 3、 5、或 2、 4、 6、一起繞 X軸翻轉(zhuǎn)；坐起時 1、 2 一起繞 1Y 軸向上翻轉(zhuǎn)，同時 5、 6 一起繞2Y軸向下翻轉(zhuǎn)，達到曲膝的目的。圖中 A、 B 為排便的滑板，排 便時 A、 B 分別沿 Y 軸方向往外拖動，從而滿足排便需要。未工作時床板平置于床架上，和普通的病床一樣。 9 2.2.2 坐起及曲膝的方案 圖 2-8 坐起及曲膝方案二（平躺狀態(tài)） 圖 2-9 坐起及曲膝方案二（坐起狀態(tài)） 這部分的設(shè)計，采取坐起和曲膝的功能同時驅(qū)動的思路。如圖分別是床板平置和坐起及曲膝動作完成之后的狀態(tài)。床板平置時，人躺在床上和普通病床一樣，桿 4 、 5、 6組成的連桿機構(gòu)處于死點狀態(tài)，達到足夠的剛度和穩(wěn)定性。當需要坐起時由圖中的電動機驅(qū)動蝸桿1轉(zhuǎn)動，蝸桿 1 再驅(qū)動蝸輪 2轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)臂運動，將床板 9繞 C點頂起，與此同時和蝸輪同步的帶輪 2帶動小帶輪 4轉(zhuǎn)動， 4帶輪的旋轉(zhuǎn)使得曲柄連桿機構(gòu)中的曲柄 4轉(zhuǎn)動，擺脫死點狀態(tài)，搖桿 6轉(zhuǎn)動，使得床板 7在重力的作用下繞 D點轉(zhuǎn)動，最后同時滿足坐起和曲膝的功能。坐起和曲膝動作如圖“坐起狀態(tài)”。 該方案采用蝸輪蝸桿 帶輪組合傳動，其優(yōu)點是傳動平穩(wěn)，沖擊載荷小傳動比大；缺點是效率低磨損較嚴重，且蝸輪蝸桿加工難度大，制作成本高。帶輪負載大時可能造成皮帶打滑，并且其曲腿功能和坐起只能同時滿足，無法獨立動作。 10 2.2.3 左右翻身的方案 圖 2-10 左右翻身方案二 左右翻身同樣由 蝸輪蝸桿來實現(xiàn)。如圖，電動機工作，蝸桿 1轉(zhuǎn)動，驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，從而使得轉(zhuǎn)臂 2轉(zhuǎn)動。當電動機反轉(zhuǎn)時，同理使得床板的另一塊翻轉(zhuǎn)，從而達到左右翻的目的。 此方案也采取了蝸輪蝸桿傳動的原理，其優(yōu)點是可獲得較大的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)；缺點是效率低，磨損較嚴重，制造蝸輪成本大且工藝要求高。 2.2.4 床上排便的方案 圖 2-11 床上排便方案二 （關(guān)閉狀態(tài)） 圖 2-12 床上排便方案二 （打開狀態(tài)） 要實現(xiàn)排便功能，必須滿足兩點，其一，床板能拉開，其二，床板能翻轉(zhuǎn)。為了解決這兩點，我們可以采取如上螺旋傳動的空間連 桿機構(gòu)。如圖， 1、 4 為用球鉸連接的螺桿，分別為左旋螺桿和右旋螺桿， 1螺桿左端 A處為一圓柱副連接， 4螺桿右端 D處與電動機相連；2、 3 為螺套，分別和滑板 G、 F 固定，其中 G、 F 為用滑道固定床板上的滑板，可在床板上滑動。電動機工作時螺桿 4轉(zhuǎn)動，并帶動螺桿 1轉(zhuǎn)動，由于分別為左右螺旋，故可分別驅(qū)動2、 3 螺套相對運動，將滑板 G、 F往兩邊拉開。電動機反轉(zhuǎn)時同理可使得滑板關(guān)閉。左右翻時由于 1、 4間為球面副連接，故可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。 本方案采用螺旋傳動，中間用球面副聯(lián)接以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運動。優(yōu)點是使用了空間機構(gòu)，創(chuàng) 11 新性強，結(jié)構(gòu)巧妙，但對加 工和安裝的精度要求高。 2.2.5 吃飯裝置的方案 同方案一吃飯裝置。 2.3 方案的對比和選擇 表 2-1 實現(xiàn)的功能 采用的結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)情況 加工工藝及成本 方案一 坐起 螺旋連桿組合機構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，效率低 加工易，成本低 曲膝 螺旋連桿組合機構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，效率低 加工易，成本低 左右翻 螺旋連桿組合機構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，效率低 加工易，成本低 排便 鋼絲繩、定滑輪拖動結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單，傳動較穩(wěn)定 加工易，成本低 吃飯 可翻折連桿 結(jié)構(gòu)簡單，實用 加工易，成本低 方案二 坐起 蝸輪蝸桿 帶輪組合傳動 傳動平穩(wěn)，傳動 比大，效率低 加工難，成本高 曲膝 蝸輪蝸桿 帶輪組合傳動 坐起和曲膝只能同時動作 加工難，成本高 左右翻 蝸輪蝸桿傳動 傳動平穩(wěn)，傳動 比大，效率低 加工難，成本高 排便 螺旋傳動的空間連桿結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)巧妙，傳動穩(wěn)定 加工難，成本高且安裝精度高 吃飯 可翻折連桿 結(jié)構(gòu)簡單，實用 加工易，成本低 綜合考慮各個功能的實現(xiàn)情況，制造的工藝性以及加工成本，最終決定采用方案一。 12 機構(gòu)設(shè)計 3.1 基本參數(shù)的設(shè)計 根據(jù)一般常識確定床的基本尺寸為： 長 1900mm、寬 100mm、高 610mm. 左右翻身時床板運動范圍為 0 80、坐起時床板的運動范圍為 0 85、曲腿時床板的運動范圍為 0 50、方便門兩邊各打開 100mm. 3.2 電動機的選擇 、坐起電動機 1)功率 取 t=40s.極限角度取 85，轉(zhuǎn)臂角速度2 /2 0 . 0 3 9 3 /40 r a d s . 轉(zhuǎn)臂速度2 2 2 0 . 0 3 9 3 0 . 6 2 0 . 0 2 4 4 /v t m s .負載2 1000TN.則轉(zhuǎn)臂傳遞的功率2 2 2 2 4 . 4 /P T v m s . （ 忽 略 轉(zhuǎn) 臂 自 重 ）。 電 動 機 的 許 用 功 率22 2 4 2 22 4 . 4 7 50 . 4 0 . 9 8 0 . 9 9 0 . 9 9PPW 許螺 桿 聯(lián) 軸 器 軸 承 滾 子.（忽略了軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿自重）。電動機實際功率2 2 1 . 2 9 0P P W 許.選用額定功率為 120W的單相電容式減速電動機。 2）轉(zhuǎn)速 由圖 3-1 可知坐起 螺桿導(dǎo)程 l最短約為 300mm. 13 圖 3-1 坐起時螺桿導(dǎo)程示意圖 那么由上身坐起的時間 t=40s.螺桿螺紋間距 d=5mm，可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約為3 0 0 5 4 0 6 0 9 0 / m i nnr 、曲腿電動機的選擇 1)功率 t=30s. 極限角度取 50 ,轉(zhuǎn)臂角速度3 5 / 1 8 0 . 0 3 5 /30 r a d s .轉(zhuǎn)臂速度3 3 3 0 . 0 3 5 0 . 3 7 0 . 0 1 3 /v t m s . 負載3 1000TN. 則 轉(zhuǎn) 臂 所 傳 遞 的 功 率33 2 2 2 213 4 20 . 4 0 . 9 8 0 . 9 9 0 . 9 9PPW 許螺 桿 聯(lián) 軸 器 軸 承 滾 子.(忽略了軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿質(zhì)量 )。電動機實際功率3 3 1 . 2 5 0P P W 許. 選用額定功率為 60W 的單相電容式減 速電動機。 2）轉(zhuǎn)速 由 3-2圖可知屈膝 螺桿導(dǎo)程 l最短約為 213mm. 14 圖 3-2 曲膝時螺桿導(dǎo)程示意圖 那么由上身坐起的時間 t=40s.螺桿螺紋間距 d=5mm，可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約為2 1 3 5 3 0 6 0 8 5 / m i nnr 3、翻身電動機 1)功率 設(shè) 定 翻 身 時 間 為 t=40s . 極 限 角 度 取 80 ， 則 轉(zhuǎn) 臂 角 速 度1 /2 0 . 0 3 9 3 /40 r a d s . 轉(zhuǎn)臂速度1 1 1 0 . 0 3 9 3 0 . 3 4 0 . 0 1 3 4 /v l m s . 負載1 1000TN.則轉(zhuǎn)臂傳遞的功率1 1 1 1 3 .4P T vW （忽略轉(zhuǎn)臂自重）。電動機許用功率11 27 4 2PPW 許螺 桿 輥 子聯(lián) 軸 器 軸 承.(忽略連桿自重及軸轉(zhuǎn)動慣量 )。電動機實際功率11 1 . 2 5 0P P W 許 （ 安 全 系 數(shù) ）. 選用額定功率為 60W的單相電容式減速電動機。 2）轉(zhuǎn)速 由圖 3-3可知左右翻身 螺桿導(dǎo)程 l最短為 297.2mm,約為 300mm. 15 圖 3-3 翻身時螺桿導(dǎo)程示意圖 那么翻身一側(cè)的螺桿行程約為 150mm， 且翻身的時間 t=40s.螺桿螺紋間距 d=5mm，由此可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約為 1 5 0 5 4 0 6 0 4 5n r/min. 4方便活門的電機選擇 因排便活門采用滾珠滾動裝置，磨擦較小且所使用恢復(fù)小彈簧的彈徑系數(shù)較小，因此所需功率也很小，根據(jù)實際情況選用功率 10W，轉(zhuǎn)速 n=120r/min的較小電動機。 3.3 坐起及曲膝機構(gòu)的設(shè)計 圖 3-4 坐起曲膝運動簡圖 機構(gòu)運動簡圖如圖 3-4所示，傳動的效率與傳動角有很大的關(guān)系，故應(yīng)保證盡量大的傳動角，參考傳 動角范圍 60 90），考慮各構(gòu)件間的相互位置，可初步確定各構(gòu)件的尺寸： 坐起機構(gòu)：轉(zhuǎn)臂 5 長度為 600mm；連桿 6長 330mm ，連桿 5長 150mm，螺桿導(dǎo)程 l=300mm，故螺桿螺紋長度取 350mm，據(jù)床的整體結(jié)構(gòu)確定螺桿長度為 450mm。 曲膝機構(gòu)：轉(zhuǎn)臂 12長為 370mm，連桿 11長 300mm ，連桿 12長 150mm ，螺桿導(dǎo)程 l=213mm，故螺桿螺紋長度取 250mm，據(jù)床的整體結(jié)構(gòu)確定螺桿長度為 450mm。 左右翻螺桿行程 16 3.4 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 圖 3-5 左右翻身機構(gòu)運動簡圖 同理選取參考傳動角范圍 80 90），初步確定各構(gòu)件的尺寸：轉(zhuǎn)臂 4的長為 310mm，連桿 3長 300mm ，連桿 4長 150mm . 翻身時螺套需沿螺桿兩邊運動，螺桿導(dǎo)程 l=300mm，螺桿螺紋長度取 350mm，根據(jù)床的整體結(jié)構(gòu)確定螺桿長度為 500mm. 3.5 排便活門機構(gòu)的設(shè)計 圖 3-6 結(jié)合實際條件，根據(jù)床的整體結(jié)構(gòu)，確定部分零件的尺寸：定滑輪 2、 3 的外徑 30mm，輪 1外徑 50mm，鋼絲繩各長 1米。 17 3.6 餐桌機構(gòu)的設(shè)計 圖 3-7 餐桌方案示意圖 如圖， 根據(jù)床體可大致確定餐桌機構(gòu)的尺寸，總高大約為 600mm， 1桿長為 150mm，高 100mm，2桿高 500mm，長 500mm， 3板尺寸 500mm 180mm。 零件設(shè)計 4.1 縱軸的設(shè)計與校核 a、求軸上的功率 P1，轉(zhuǎn)速 n1，和轉(zhuǎn)矩 T1 . 21 1 6 0 0 . 4 0 . 9 9 2 4P P W 螺桿電 機 軸 承(忽略連桿自重 )。 11 60 0 . 3 7 5 / m i n2nr111249 . 5 5 9 . 5 5 6 1 20 . 3 7 5PT N m N mn 經(jīng)整體規(guī)劃將軸設(shè)計為空心光軸。 b、初步確定軸的直徑 18 13310 44 0 . 0 2 4d 1 0 0 4 0( 1 ) 0 . 3 7 5 ( 1 0 . 5 )PA m mn . (機械設(shè)計 15-3) 選用內(nèi)徑為 27mm，外徑為 45mm的 45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。 c、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)軸向和周向定位要求，將軸與轉(zhuǎn)臂套筒用螺栓聯(lián)在一起，具體位置由床整體結(jié)構(gòu)來確定。 固定孔偏離轉(zhuǎn)臂套筒固定孔 37，見附錄 縱軸零件圖。 d、初步選定滾動軸承 因軸承所承受的軸向力可忽略，認為只受徑向力，選用深溝球軸承。 e、軸的強度校核 只校核軸的危險截面，因該軸所受彎矩可忽略，下面只按扭轉(zhuǎn)強度校核。 軸的計算應(yīng)力111 71caTM p a M p aW .（材料力學(xué) 3.12） 其中13 3441 42(1 ) (1 0 . 7 6 )1 6 3 2T dW .（材料力學(xué) 3.15） 由前面軸的材料為 45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查得1 1 5 5 M p a . 因此1ca，故安全。 4.2 橫軸一、橫軸二的設(shè)計與校核 a、求軸上的功率 P2、 P3轉(zhuǎn)速 n1、 n2 及轉(zhuǎn)矩 T2、 T3 . 222 2 1 2 0 0 . 4 0 . 9 9 4 7P P W 螺 桿電 機 軸 承.（忽略連桿重量） 223 6 0 0 . 4 0 . 9 9 2 4P P W 螺 桿3 電 機 軸 承. 22 60 0 . 3 7 5 / m i n2nr. 33 60 0 . 3 3 4 / m i n2 . 222479 . 5 5 9 . 5 5 1 1 9 70 . 3 7 5PT N m N mn 333249 . 5 5 9 . 5 5 6 8 60 . 3 3 4PT N m N mn . 將軸設(shè)計為空心光軸。 b、初步確定軸的直徑 2 3320 4320 . 0 4 71 0 0 5 0(1 ) 0 . 3 7 5 (1 0 . 5 )Pd A m mn . 19 因計算比較保守，先選用外徑 42mm ,內(nèi)徑 32mm的 45鋼管，待后面校核。 3 3330 4330 . 0 2 41 0 0 4 2(1 ) 0 . 3 3 4 (1 0 . 5 )Pd A m mn . 同以上選擇一樣。 c、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)軸向和周向定位要求將軸與轉(zhuǎn)臂套筒用螺栓固定，同時考慮到傳動角的范圍將連桿在軸上的固定孔偏離轉(zhuǎn)臂套筒固定孔 40.見圖示。 d、初步選定滾動軸承 因軸承所受軸向力可忽略，認為只受徑向力，選用角接觸球軸承。（型號） e、軸的強度校核 因這兩根軸所受彎矩很小，可忽略，認為只受扭矩作用，故按扭轉(zhuǎn)強度校核。 軸的計算應(yīng)力 222 341197000 1210 . 2 4 2 (1 0 . 7 6 )caTM p a M p a M p aW . 333 34686000 690 . 2 4 2 (1 0 . 7 6 )caTM p a M p a M p aW . 由以上計算確定軸的材料為 45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。 查得1 1 5 5 M p a .因此32 1c a c a .故兩軸均安全。 4.3 螺桿的設(shè)計與校核 a、螺桿的確定 因三根螺桿中使病人坐起機構(gòu)中螺桿受力最大，故先設(shè)計該機構(gòu)中的 螺桿。 負載 T2=1000N，螺桿軸向力最大為 1000N. 根據(jù)螺旋傳動的設(shè)計計算公式 2( ) / 2 / 2VmT Q t g d Q f d . （ 李國君 ,王成金 .多功能病床 ） 其中 Q 軸向載荷 1000N. 螺紋伸角 =5 ，當量摩擦角V=5. 2d 螺紋中徑，查找相關(guān)資料取2d=20mm. md 支撐面平均直徑，md=2d=20mm. f 摩擦系數(shù)，取 f =0.1. 因此計算得 28T N m. 由此得出螺紋最小扭矩為 28Nm 時 即可將 1000N 負載支起。 而電動機提供給螺桿的轉(zhuǎn)矩為 1209 . 5 5 3 8 2 830T N m N m . 故符合要求。 b、螺紋長度的確定 由前面電動機選擇過程中求電動機轉(zhuǎn)速時算出的數(shù)據(jù)： 20 翻身螺桿導(dǎo)程為 300mm,螺紋選 350mm, 據(jù)床的整體結(jié)構(gòu)確定螺桿總長度 500mm. 坐起螺桿導(dǎo)程為 300mm,螺紋選 350mm, 據(jù)床的整體結(jié)構(gòu)確定螺桿總長度 450mm. 屈膝螺桿導(dǎo)程為 213mm,螺紋選 250mm, 據(jù)床的整體結(jié)構(gòu)確定螺桿總長度 450mm. .材料選用 45鋼。 c、螺桿強度校核 223caTFTAW （機械設(shè)計 5.49） 其中 F為軸向壓力 2/ 2 1 6 02V dF T t g N . A為螺紋段的危險截面面積， 214Ad（1d為螺紋小徑）。 TW為螺桿螺紋抗扭截面系數(shù)， 3116TWd. T為螺桿所受扭矩， 38T N m g . 經(jīng)計算得 29ca M pa .前面已選定 45鋼， 查表得 1 55M p a .因此 1ca，故安全。 d、螺桿穩(wěn)定性校核 因坐起螺桿和曲腿螺桿柔度 40s 故不必進行穩(wěn)定性校核，只校核翻身機構(gòu)中的螺桿。 56s ti . 425222182 . 0 6 1 064 162500 . 5 5 0 0crEIFNt . 2/ ( ) / 2 1 1 9 5VF T t g d N . 16250 1 3 . 6 3 . 5 5 . 01195CCrSSF F 故認為螺桿穩(wěn)定。 4.4 翻身機構(gòu)中零件的設(shè)計與校核 1翻身運動中連桿的設(shè)計 a、連桿選材 根據(jù)傳動角范圍及整個機構(gòu)的要求，初步確定兩根連桿長度分別為連桿一 300mm ，連桿二 150mm . 根據(jù)實際經(jīng)驗及查找相關(guān)資料初步確定連桿一直徑為 25mm . b、連桿強度校核 21 因連桿一所受彎矩較連桿二小，故只校核連桿二 1 2 2c o s s i n 1 1 9 5 c o s 6 0 s i n 8 0 1 5 0 8 8 2 6 3M F l N m m . 圖 4-1 連桿受拉力12c o s c o s 1 0 4NF F N .（較小可忽略）。 388263 5 6 . 50 . 1 2 5ca M M p aW . 所選材料為 45鋼，調(diào)質(zhì)處理 1 70M p a . 因此 1ca. 故安全。 2翻身機構(gòu)中轉(zhuǎn)臂的設(shè)計 a、轉(zhuǎn)臂選材 將縱軸一的位置及床整體結(jié)構(gòu)的限制，初步確定轉(zhuǎn)臂的長為 310mm .材料為結(jié)構(gòu)用冷彎矩形空心型鋼，標準 GB/T6728 1986. Amm=50 ， Bmm=25 ，壁 tmm=1.2 . b、轉(zhuǎn)臂強度校核 2 6Z bhW . 轉(zhuǎn)臂所受彎矩最大為m ax co sM T l60=155000N/mm m axcaZMW 15MPa 材料的許用應(yīng)力 75MPa 因為 1ca，故安全 4.5 坐起機構(gòu)中零件的設(shè)計與校核 連桿的設(shè)計 a、初步確定連桿材料 連桿一： 330mm ，連桿二： 150mm ，直徑： 28mm ， 45 鋼調(diào)質(zhì)處理。 b、連桿強度校核 同上，只校核連桿二 1 2 2c o s s i n 2 1 6 0 c o s 7 0 s i n 8 0 1 5 0 1 0 8 4 8 6M F l N m m . (一個特定位置 )。 連桿所受軸向力可忽略。 22 3108486 490 . 1 2 8ca M M p aW . 因 1 70ca M p a .故安全。 轉(zhuǎn)臂的設(shè)計 a、轉(zhuǎn)臂選材 據(jù)橫軸一的位置及床整體結(jié)構(gòu)，確定轉(zhuǎn)臂長度為 570mm ， .材料為結(jié)構(gòu)用冷彎矩形空心型鋼，標準 GB/T6728 1986. Amm=50 ， Bmm=25 ，壁 tmm=1.2 . b、轉(zhuǎn)臂強度校核 桿所受最大彎矩m ax co sM T l60=300000N/mm m axcaZMW 28.8MPa 材料的許用應(yīng)力 75MPa 因為 1ca，故安全 4.6 曲腿機構(gòu)中零件設(shè)計與校核 1連桿的設(shè)計 a、 初步確定連桿尺寸及材料 連桿一： 300mm ，連桿二： 150mm ，直徑： 25mm ， 45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處 理。 b、連桿強度校核 因本機構(gòu)中連桿材料及尺寸與翻身機構(gòu)中一樣，但所受力較前者小，故無需強度校核。 2轉(zhuǎn)臂的設(shè)計 a、轉(zhuǎn)臂選材 據(jù)橫軸二內(nèi)位置及床的整體結(jié)構(gòu)，確定轉(zhuǎn)臂長為 370mm ,材料與前面一樣。 b、轉(zhuǎn)臂強度校核 因本機構(gòu)中轉(zhuǎn)臂所受彎矩較坐起機構(gòu)中小得多，故也無需進行強度校核。 設(shè)計總結(jié) 5.1 方案的評價與成本估算 這款病床主體傳動裝置采用了螺旋連桿組合機構(gòu)，簡單實用的傳動方式與靈活的連接形式使其輕松的克服了各項功能相互干擾的弊端。從而擯棄了以往設(shè)計時 為克服上述弊端而采用床板與傳動裝置固定連接或采用氣囊等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以簡單的傳動原理實現(xiàn)了各項功能。從經(jīng)濟性和實用性上考慮，螺旋連桿機構(gòu)以簡單易于加工的特點決定了其低成本性，從而為大批生產(chǎn)時的成本壓縮奠定了基礎(chǔ)。另外，該病床適用于所有因病或其它原因引起的身體不便移動的人（包括癱瘓病人，重癥病人等），而不僅僅為家庭老人而設(shè)計，因而有巨大的市場需求。 成本估算 ： 電動機（四個）： 1500元 23 標準件（軸承、螺栓等）： 80元 材料： 角鋼 40 40mm 10米 方鋼 20 20mm 6米 扁鋼 40mm 2 米 鋼管 直徑 40mm 3米 合計約 50kg 50 4.5元 /千克 =225元 加工費：零件加工較簡單故可算約等于材料費 即 225元 表面處理： 20 元 合計： 2050元 利潤估算 ： 若投放市場，該病床定價為 5000元是各大醫(yī)院可接受的價格。 毛利： 5000-2050=2950元 營銷費用： 600元 稅收： 500元 純利潤： 2950-600-500=1850元 5.2 與相近產(chǎn)品的比較及主要創(chuàng)新點 與以往的設(shè)計相比較，該病床結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，且實現(xiàn)了所有功能的自動控制，很好的解決了護理工作中的諸多不便，其主要創(chuàng)新點如下： 將病床床板分割成 8 塊，用鉸鏈聯(lián)接，擱置在床架上，病人平躺時安全可靠，坐起、曲膝和翻身時，運動靈活。 床板和傳動裝置的轉(zhuǎn)臂之間沒有聯(lián)接，可接觸可分離，從而克服了坐起、曲膝與翻身的傳動干 涉。 排便活門的開閉采用了鋼絲繩、定滑輪組合機構(gòu)，傳動穩(wěn)定可靠。 轉(zhuǎn)臂軸由螺旋連桿組合機構(gòu)驅(qū)動，傳動角接近 90，傳動效率高。 全部采用低副機構(gòu)，加工簡單、力量大，磨損小。 各功能采用獨立的電機驅(qū)動，在電路設(shè)計上根據(jù)動作的需要，設(shè)置了相應(yīng)的自鎖和互鎖，并有行程開關(guān)限位，由病人自己點動控制，舒適自知。 5.3 應(yīng)用前景 該病床適用于各種原因引起的臥床 不起，身體不能自主移動的病人，且目前市場上還沒有如此功能完善且操作簡單的產(chǎn)品，因而有巨大的市場需求。 該病床由病人自己點動控制，按自己的感覺和意愿調(diào)整臥姿，舒適自知，可有效促進血液循環(huán)和防止褥瘡的發(fā)生，且減輕了護理人員的勞動強度。 該病床技術(shù)含量較高，成本低，加工簡單，工作可靠。 5.4 存在的問題和改進建議 其一，由于目前處于樣機生產(chǎn)階段，只能利用工廠已有的材料種類和規(guī)格，以便節(jié)約制造成本，致使該病床重量較大。如果該病床能進入批量生產(chǎn)，在達到 強度和剛度要求的前提下，應(yīng)盡量減輕重量，降低成本。 其二，控制裝置可以進一步完善，改為無線遙控，則其使用會更加方便。 24 參考文獻 1張東，謝存禧，禧吳劍。機器人化多功能護理床的研究與開發(fā)。機器人技術(shù)與應(yīng)用， 2003年第 6期 2孫桓，陳作模 .機械原理（第六版） .高等教育出版社 .2001.5 3洪鐘德 .簡明機械設(shè)計手冊 .同濟大學(xué)出版社 .2002.5 4李國君 ,王成金 . 多功能病床 . 現(xiàn)代日用科學(xué) .2001(1) 5劉鴻文 .材料力學(xué) .高等教育出版社 . 1992.9 6范欽珊，殷雅俊 . 材料力 學(xué) .北京， 清華大學(xué)出版社 .2004 7康曉東，甑向明，馮軍。新型自動病床的研制。 Medica1 Equipment Vo1 12 No 8濮良貴，紀名剛 .機械設(shè)計 . 高等教育出版社 .2001.4 第 7版 9任鈞國等 .材料力學(xué) .國防科技大學(xué)出版社 .2004.6 10李杞儀，趙韓主編 . 機械原理 . 武漢：武漢理工大學(xué)出版社， 2001.8 11吳宗澤 .機械零件設(shè)計手冊 .機械工業(yè)出版社 .2004.1 12王昆等 .機械設(shè)計課程設(shè)計 .高等教育出版社 .1995.12 13王文斌等 .機械設(shè)計 手冊 . 第 3版 .北京， 機械工業(yè)出版社 .2004.8 14陸潤民主編 .計算機輔助繪圖基礎(chǔ)（ 2002 版） .北京：清華大學(xué)出版社， 2002 15卜玉坤主編 .Subject-Based