1 绪论

1.1 课题的目的及意义

    多功能医用护理床是针对生活不能自理的病人、危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。课题根据国家和上海市中长期发展纲要确定的研究方向和企业的具体需要，设计一种用于医院重症病人用的多功能床，解决病人身体和生理方面的需要（抬背、翻身等），也减轻护理人员的劳动强度。针对市场需求开发设计一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能护理床并进行动态仿真，对于产品的产业化具有重要的意义。

1.2 国内外研究状况及发展趋势

    随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人口寿命不断延长，思想的进步，城市人口正逐步进入老龄化,人口老龄化已成为世界范围内的社会问题。据统计，欧洲发达国家和日本的老年人独居率已高达40%，如此之高的比例迫使社会采取措施解决老年人的护理服务问题。如果完全依靠家庭人工照料，与西方国家子女与老年人分居、家庭规模小型化的观念有抵触之处。我国60 岁及其以上老年人口已达1.32 亿, 占全国总人口的10%, 并以年均3.32%的速度持续增长。其中“空巢家庭”占所有老龄家庭总数的25.8%,在一些大城市中该比例更大，解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护问题是人口老龄化国家所面临的共同问题[1]。为此, 国家也大力加强了对护理机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或长期使用病床的病人提供一个集护理和排泄等各功能于一体的多功能护理床。现在家庭需求护理床的潜力日益增加,以前是简易的记理床,后来加上护栏,餐桌;再后来加上大便孔,轮子;现在产生了很多集多功能为一体的多功能,电动护理床,极大的提高了患者的康复护理水平,也为护理人员提供了极大的方便,所以操作简单,功能强大的护理产品越来越受到追捧。

    护理床在国内的设计研究尚处于初级阶段，产品的功能、结构、造型有待进一步的完善。国外护理床的研究以德国、日本为代表，各种护理功能正在逐步完善，成熟。但因其价格昂贵（一般售价在20 万人民币以上），很难为一般的消费者所接受。护理床的基本分类情况如下[1]：

图1-1 护理床分类状况

表1-1护理床分类概括

从近年来的发展来看，国内的发展迅速，各种结构、功能等等各异的护理床层出不穷。发展方向主要向机器人模块化的自动控制方向发展。

1.2.1 结构的发展

    结构功能单一的护理床已经逐渐隐退。如今护理床床体本身的构件要实现多种功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左侧翻、右侧翻、、洁便门开关装置及冲洗马桶和冲洗身体的装置, 另外还有烘干和抽风的设备。各个部分可以独立的运行来完成相应的动作, 同时将单个功能组合起实现复杂的功能。譬如病人躺在床上排泄问题的解决, 改变靠背板的仰角或者左右的侧翻以取得舒适的姿态, 护理人员对洁便池的清洗等[2]。

    如今多功能医用护理床的各种类型：

    

   

图1-2 多功能医用护理床的各种类型

     多功能护理床实现的各种动作：

    

侧翻                       抬背和曲腿                   另一种侧翻

1.2.2 测量系统的发展

    临床上被称为生命体征参数的血压、心率和体温是衡量人体机能状况的重要指标,这些参数的测量是日常护理的重要组成部分。传统的方式是由医护人员以通用的测量装置对各参数逐一进行测量,这无疑给医护人员增加了很大工作量。在多功能护理床中,利用单片机系统能很方便地实现对血压、心率和体温等的采集、处理,并将采集数据传送给医护人员,提高了护理工作的品质和效率。多功能护理床除了完成基本的肢体动作功能以外,根据临床护理的需要,还对生命体征参数进行测量。为实现此目的所搭建的系统硬件主要由参数转换传感元件、处理电路、单片机、液晶显示器、数据传输等部分组成, 为了测得所需的数据,选择合适的传感器是至关重要的。人体的血压、心率和体温分别由压力传感器、脉搏传感器和温度传感器进行采集并转换为电信号。在多功能护理床中,通过传感器采集人体血压、心率和体温信号,送入单片机处理,处理结果通过网络传入上位机,可根据设定值,判断是否超出规定值,发出报警信号,方便医护人员及时作出相应处理。此测量系统增加了护理床的功能,提高了性能价格比,适合大中型医院、疗养院以及普通家庭使用。整个系统使用方便,操作简单,扩展功能强,在普通护理床基础上增加了测量病人血压、心率和体温的功能,为医疗护理行业提供了新的测量方法。

图1-3血压、心率和体温测量系统

1.2.3 控制系统的发展

    可编程控制器(PLC) 作为新一代的工业控制装置, 由于具有结构简单、组合灵活、性能优良、通用性强、简单易用等特点, 特别是它的高可靠性和适应性, 深受广大用户的欢迎, 已在工业控制中得到了广泛的应用[4]。现在的PLC 可管理高达5000 多点的I/O 口，并有很高的指令执行速度和高可靠性，使它能满足多轴运动控制系统的控制要求。PLC对护理病床多轴运动控制主要的优势表现为有足够容量的存储单元和大量高速运算指令，能够进行各种接口、通信、数据逻辑运算及复杂的逻辑控制。然而PLC 的高可靠性、灵活高速的运算指令并不能弥补其昂贵的造价和有限的扩展性。而MS51 系列单片机系统却以其低成本、高集成、速度快、易扩展被广泛地应用于工业生产的方方面面。

图1-4 一种嵌入式控制器控制框图

1.2.4 机器人化智能语音系统

    语音作为当前控制方法中最自然的控制命令, 随着计算机和语音处理技术的发展 ,语音识别系统的实用性不断提高。语音识别控制技术将是今后一段时期语音技术的发展方向。将语音识别技术引入到护理床控制，将为丧失自理能力的使用者带来极大的便利。护理床的语音控制系统包含语音识别模块和语音回放模块，从而使护理床不但能实现语音控制操作，而且通过语音回放模块可以为使用者提供语音反馈，更有亲和力，更具人性化。语音控制技术是现有各种控制方式中的一种高级控制方式,它具有控制方式自然、方便,亲和力好,适用范围广的特点. 将语音控制技术引入到护理床的控制之中,将极大地方便使用者,尤其对于那些丧失或部分丧失活动、自理能力的患者而言,语音控制可以帮助他们增强自信心,减轻对他人的依赖,增添生活的勇气和信心[13]。

(1) 语音信号的采集处理过程

    语音信号是一种典型非平稳信号，但常常可假定为短时平稳的，既在10－20ms内其频谱特性可近似看作不变，可采用平稳过程的分析处理方法来处理，即语音信号的时域处理方法。

图1-5 语音信号处理过程

(2) 语音识别方式

    语音识别分为特定人识别系统和非特定人识别系统，由于使用者的语音以及地方语言存在很大差异性，我们使用可不依赖于对地方语言识别的特定人识别系统，即每一位使用者都必须在使用前建立自己专用的参考模式库，然后说话人的语音数字流与一套公用的参考模式库啮合，进行少量的训练修改，使之能自动适应用户的语音特性。

(3) 语音回放方式

    在现有语音识别技术的基础上再增加与识别技术相对应的语音回放技术，将为使用者提供更友善的提示语句和更便利的操作性能。该语音回放模块采用了高音质单晶片语言录放IC，芯片内部集成语音信号放大、滤波、采样、Ａ/Ｄ转换等模块，可选择2、4、8等长分段或自动或手动录音。电路所需外围零部件少，线路简单可靠，更改录放内容简便、灵活、易操作、成本低[6]。

1.3 本文主要研究内容

    鉴于人口老龄化的发展、医疗和护理费用的不断增加以及国内外市场需求的不断扩大，本文提出了一种新型的多功能医用护理床，提出几种新型的护理床侧翻机构、抬背机构以及曲腿机构，以单片机为主控制芯片，控制多台直流电机驱动整台护理床工作。实现床面的多种姿态的切换，达到满足护理要求的多功能医用护理床。主要研究内容如下：

(1) 设计各种护理床的运动机构，并用图解法的方法得到初始设计尺寸。

(2) 利用三维设计软件，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计，并对其进行干涉检查，然后导出CAD图。

(3) 根据初始设计数据在ADAMS中建模，利用优化功能对其进行运动学和动力学优化仿真，得到优化后的设计数据。

(4) 根据优化数据修改三维模型，并同时检查模型中是否存在干涉，得到满足设计要求的护理床。

(5) 对护理床的主要零件进行受力校核，检验整台护理床使用的安全性及稳定性。

(6) 设计护理床的整体控制方案。设计控制流程框图，用PROTEL软件完成单片机接线图，以及外部接线图，编写单片机主要程序。

1.4 本章小结

    本章主要介绍了课题的目的和意义，目前医用护理床在国内外的发展趋势和各类护理床的比较，在多个方面表明了当今多功能医用护理床护理床各个模块的发展情况，最后根据研究分析确定了自己所需完成的研究内容。

2 护理床结构的整体方案

2.1 护理要求

2.1.1 护理床的工作环境

    多功能医用护理床多数是应用于病房和家庭居室，室内温度变化不大无需特别考虑，但是需要考虑到环境对噪声的限制，故设计时电机类型及型号的选取应满足工作噪音低于20分贝，床体材料也需要得到考虑，并且在床体上附加一些必要的减震降音材料，如橡胶垫片、弹簧垫圈等。

2.1.2 护理床的位姿和控制要求

    护理床应该满足有利于被护理人康复、生活自理所需的各种必要的体位位姿，这些体位位姿包括抬背、侧翻、屈腿等。为了防止褥疮等一系列由于长时间卧床造成血流不畅所引起的并发症，护理床应该能够实现床面的左右侧翻身。对于危重、高度瘫痪等生活上不能自理的病人，在设计时还可以考虑能使病人在床上可以以坐姿或是卧姿排便。同时护理床还应该实现病人的抬腿坐姿体位，以减轻病人由于盘腿坐起时的不舒适感。对护理床的控制方式，可以采用键盘按钮操纵，方便护理人员或病人自己进行控制。

2.2 护理床的总体方案构思

    护理床的总体构思包括机械结构设计、电机驱动、传感、控制运动以及总体位姿协调等问题。

2.2.1 构思的提出

    通过分析现有的护理床设计，我们很容易发现，为了实现床面某一个特定的体位姿态，传统的设计方法就会设计一套特定的机构与之对应。当位姿数目越来越多时，所需机构数目也随之增加，同时空间体积也随之膨胀。而床体的总体积是有一定限制的，即床体的长、宽、高尺寸必须按照有关护理床标准规定限制在某一个空间范围之内，才能够既满足病人的舒适感的要求又满足空间限制要求。多机构协调的技术是源于模仿人体的运动，人体的运动具有极大的柔性。受此启发将护理床的床面进一步加以细分，成为彼此之间相互独立的12个面板。如图2-1所示。图2-1中，床面板1、床面板2与床面板3对应于人体的背部，床面板4、床面板5和床面板6对应于人体的臀部，人体的腿与脚分别对应于床面板7、床面板8、床面板9和床面板10、床面板11、床面板12。通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现护理床所需的各种体位位姿。

图2-1 多功能医用护理床床面板图

2.2.2 相关要求与标准

    为了满足患者在使用护理床时的舒适程度以及有效的减缓护理人员的护理强度。护理床结构在设计时应满足以下几个方面的要求:

(1) 能够实现护理所需的各种体位位姿要求。

(2) 各个活动床面板的摆动角度范围应参照有关医疗护理要求以及人体的舒适感，各床面板摆动角度及标准如下：

背板摆动角度：0°～75°

左/右翻身摆动角度：0°～75°

腿板摆动角度：0°～45°

(3) 护理床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合医护要求。

(4) 床体的结构尺寸有一定的空间范围限制。

2.2.3 护理床的组成

    多功能医用护理床从结构和功能上分为：床框架、平面连杆机构、床板、控制系统组成。

图2-2  多功能医用护理床系统框图

    床框架除了固定的机械机构以外，还包括各个电机安装模块。平面连杆机构包括：侧翻机构、抬背机构、曲腿机构。床板由床板框架和床板面板组成，整台多功能医用护理床中共有四台直流电机，分别完成头部升降、腿部屈伸、左右侧翻等动作。本课题工作重点在平面连杆机构部分，包括机构结构的设计，运动方案的设计，整个多功能医用护理床三维虚拟样机的建立，虚拟样机运动学与动力学优化，整床的装配及调试；控制方案确定，电路板设计、控制线路布置、连接，各种传感器设计安装，编程以及调试。

2.3 本章小结

    本章围绕护理床的总体构思而展开，通过论述护理床所处的工作环境及位姿要求，指出了护理床设计时所需的各项要求，以这些要求为契机，提出了护理床的总体方案的构思，包括整体设计的构思思路，护理床结构形式的初步探讨，护理床的各个组成部分。对于控制系统采用单片机为主控制芯片，控制多台电机实现联动控制，完成护理床的各项功能。

3 护理床的结构设计

3.1 引言

    多功能医用护理床为了实现侧翻、抬背和曲腿等动作主要有以下几个机构组成：抬背机构，侧翻机构和曲腿机构。在设计计算的时候大多采用图解法计算多功能医用护理床的各个机构，在满足机构设计要求的条件下，采用AUTOCAD软件辅助得到满足机构运动要求的初始机构各杆件尺寸。

3.2 侧翻机构

    侧翻机构是多功能医用护理床中的一个关键机构，其主要的功能是实现患者在护理床上的左右翻身，避免因患者背部长期接触被褥而产生褥疮，同时减轻护理人员的护理强度。

3.2.1 侧翻机构的结构和工作原理

    多功能医用护理床的侧翻机构采用两个对称的四杆机构，由两个直线驱动器驱动。通过电气控制，实现护理床的左右侧翻功能。简图如图3-1所示。

               

左侧翻示意图                                   右侧翻示意图

图3-1 侧翻机构

    多功能医用护理床的侧翻机构由线性推杆、侧翻连杆、侧翻滚子、两侧床板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于侧翻构件上，侧翻构件的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与床侧板连接，床侧板通过螺栓与中部床板铰接，中部床板通过固定器将中部床板固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得侧翻构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背部侧板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。

3.2.2 侧翻机构的设计（图解法）

    侧翻机构由左右两个四杆机构组成，两个机构承对称，因此设计其中之一即可。通过查阅手册人体的肩宽大约为330~415mm，因此床的中间段板要尽可能的窄，使患者能实现翻身这一动作。在此设计中背板中部设为180mm；两侧板设为320mm；床板的厚度设为35mm；支承滚子的直径设为20mm，床的高度根据普通床的高度做调整，过高不方便患者上下床，过低影响安装空间。线性推杆的底部安装点到床板转轴距离根据机构的始末位置把电机的行程范围定为115mm。利用AUTOCAD的旋转功能，将一侧床板翻转75°，利用偏移指令，找到侧翻构件翻转后的位置，再次旋转得到电机前端的安装点，这样就可以得到了侧翻机构在水平状态时的机构的各点的参数，根据设计要求侧翻的翻转最大角度为75°，所以将背板旋转75°之后，又得到了一个新的机构的位置，通过观察发现，机构在终了位置时，杆件并没有发生碰撞干涉，符合机构的运动要求，测量线性推杆在终了位置时的伸长长度，推杆在许用选用范围之内，满足了推杆的选用行程，至此侧翻机构的图解法设计结束，各点的安装位置及初步设计尺寸如图3-2所示。

图3-2 侧翻机构初始设计尺寸图

3.3 抬背机构

    抬背机构是多功能医用护理床上的一个关键机构，其主要的功能实现患者在护理床上的抬背及端坐功能。

3.3.1 抬背机构的结构和工作原理

    多功能医用护理床的台北机构类似于侧翻机构，由线性推杆、抬背连杆、抬背滚子、背板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于抬背构件上，抬背构件的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与背板连接，中部床板焊接固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得抬背构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。简图如图3-3所示。

图3-3  抬背机构

3.3.2 抬背机构的设计（图解法）

    多功能医用护理床的抬背机构采用一个四杆机构，用单个线性推杆驱动。查阅手册得人体的坐高大约为800mm左右，所以本机构中背板的长度为860mm，滚子的直径为20mm，与侧翻机构相似，图解法设计，设臀部床板的长度为400mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为608mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的抬背机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，将背板向上翻转75°之后，利用偏移命令，找到转动摆杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为190mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。初步设计完成之后的尺寸图如图3-4所示，各点安装位置也如图所示。

图3-4 抬背机构初始设计尺寸图

3.4 曲腿机构

    曲腿机构是医用护理床上的一个关键机构，主要实现腿部床板的向下弯曲。在向下弯曲的时候，脚板必须处于水平位置。

3.4.1 曲腿机构的结构和工作原理

    多功能医用护理床的曲腿机构是一个五杆机构，由单线性推杆驱动，实现曲腿的动作。简图如图3-5所示。

图3-5  曲腿机构

    多功能医用护理床的曲腿机构包括：线性推杆、曲腿连杆Ⅰ、曲腿连杆Ⅱ、腿部床板和部分床架。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于曲腿连杆Ⅰ上，曲腿连杆Ⅰ又和曲腿连杆Ⅱ相铰接，曲腿连杆Ⅱ再和腿部床板铰接；曲腿连杆Ⅰ和腿部床板通过不同的铰接分别固定于床架上，线性推杆的推动使得曲腿构件绕着床架发生转动，通过曲腿连杆Ⅱ与腿部床板相铰接，使得腿部床板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。

3.4.2 曲腿机构的设计（图解法）

    多功能医用护理床的曲腿机构采用一个五杆机构，设大腿板的长度为445mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为380mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的曲腿机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，机构做拉动，将腿板向下翻转45°之后，利用偏移命令，找到转动连杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为101mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。初步设计完成之后的尺寸图如图3-6所示，各点安装位置也如图所示。

图3-6 曲腿机构初始设计尺寸图

在大腿板和脚板的连接处添加两处支撑滚子，在曲腿没有或初进行时，滚子起支撑脚板的作用。在床架下框架再添加两处支撑滚子。当曲腿运动进行时，脚板碰到床下框架的滚子，使得小腿板弯曲变为接近水平位置，起到支撑脚的作用。而腿板与脚板连接处的滚子由于曲腿动作失去支撑作用。

3.5护理床的三维建模

    通过图解法的方法得到了护理床的初始设计数据，这些是对护理床进行建模的基础，根据上述初始设计数据，通过soliderworks软件对其进行建模，Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。得到的模型如图3-7所示。

图3-7(a) 护理床床架三维模型

图3-7(b) 护理床侧翻（左）连杆三维模型

图3-7(c) 护理床抬背连杆三维模型

图3-7(d) 护理床曲腿连杆三维模型

图3-7(e) 多功能医用护理床三维模型1

图3-7(f) 多功能医用护理床三维模型2

3.6 本章小结

    本章通过对多功能医用护理床的各个机构经过论证讨论，初步确定了各个机构的方案，并用图解法的方法，得到了各个机构的初始设计参数，为下一步进行运动学、动力学优化打下了基础。

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