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翻背式助老电动床设计与研究.pdf

上传人:自信****多点 文档编号:2546916 上传时间:2024-05-31 格式:PDF 页数:6 大小:2.71MB
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资源描述

1、设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis翻背式助老电动床设计与研究樊辉,王建波,赵南生?(1.南通职业大学机械工程学院,江苏南通2 2 6 0 0 0;2.南通大学工程训练中心,江苏南通2 2 6 0 0 0)摘要:针对当前国内老龄化问题加重,老年人生活自主性较差的问题,设计了一款新型翻背式助老电动床。电动床主要包括升降机构、起背曲腿联动机构、翻背机构。可实现升降、起背曲腿和左右翻背功能,方便不同身高的老年人上下床,帮助老年人更自由地起身、翻背。通过控制电路,实现电动床整体高效运作,并设计监护装置,实时关注老年人的起居状态。分析结果表明,助老电动床升降机

2、构最大加速度约为0.38 mm/s,起背曲腿联动机构最大角加速度约为0.0 2 7/s,翻背机构最大角加速度为0.0 34/s左右,整个运行过程平缓、稳定,符合老年人使用需求。关键词:电动床升降起背曲腿翻背监护中图分类号:TH122Abstract:Aiming at the inconvenience in life of the elderly,we designed a new type of multifunctional electric bed.The e-lectric bed mainly includes a lifting mechanism,a linkage mecha

3、nism for raising back and bending legs,and a turning-overmechanism.It can realize the functions of lifting,raising back,bending legs,turning over,and helping the elderly of differentheights to get in and out bed.Through the control circuit,the overall efficient operation of the electric bed is reali

4、zed,and themonitoring device is designed to monitor the living conditions of the elderly in real time.The analysis results show that themaximum acceleration of the lfting mechanism of the electric bed is about 0.38 mm/s2,the maximum angular acceleration ofthe linkage mechanism for raising back and b

5、ending legs is about 0.0270/s,and the maximum angular acceleration of theturning-over mechanism is about 0.034/s?.The operation of the bed is gentle and stable,meeting the needs of the elderly.Keywords:electric bed,lifting,raising back and bending legs,turning over,monitoring0引言随着社会经济飞速发展和城镇化进程推进,城乡

6、人口老龄化问题成为我国人口结构转变过程中的显著特征1。截至2 0 18 年末,6 0 岁以上的老年人口约为2.49 亿人,占总人口比重的17.9 0%;6 5岁以上的老年人口约为1.6 7 亿人,占总人口比重的11.90%2。社会老龄化程度加深,青壮年因为学习、工作、婚姻等原因离开家庭,老年人自主生活难度大大提升。为了提高老年人生活的安全性和便利性,改进养老条件,提升老年人群生活品质,众多智能化适老、助老家具开始走向市场3。多功能助老床,作为老年人必不可少的护理产品,受到老年人群文献标识码:ADesign and research of an elderly-assisting electri

7、c bedFAN Hui,WANG Jianbo,ZHAO Nansheng人操作使用4。国内外对护理助老床的研究起步较晚,近年来关注度逐步提高。美国Metrocard公司研发了一种护理床,该床能完成支背和曲腿功能5。日本 Mu-rate Machinery公司研发了一种远程遥控护理床,该护理床由电动床体与轮椅组成,可相互转换6 。曹元等人基于人机一体化模型,研究在位姿变换过程中人体的状态,设计了一种新型轮椅床7 。广东工业大学张欣等人将TRIZ功能裁剪法应用于养老护理床的设计8 。但上述对护理助老床的研究都相对简单,功能不够全面。63文章编号:10 0 2-6 8 8 6(2 0 2 4)0

8、 1-0 0 6 3-0 6的青。但是,现阶段电动、手动护理床多为陪护、观察使用,均属于有人护理的情况,不适合独居老年现代梭械/ModernMachineryXiandai Jixie对于大部分老年人,正确的护理不仅可以帮助老年人缓解长期卧床的病痛、心理压力以及提高自身的免疫能力,还可以预防多种病变的产生9 。针对上述问题,本文设计了一种新型助老电动床。1设计方案与原理1.1设计方案本文设计的助老电动床共有3个主要机构,分别为升降机构、起背曲腿机构、翻背机构。具体结构示意图如图1所示。翻背机构起背曲腿机构起背曲腿电机升降电机一号升降电机二号图1助老电动床结构示意图1.2设计原理图2 所示为助老

9、电动床的设计原理。(a)初始状态(b)抬升至合适(c)调整为坐姿,(d)调整为躺姿高度(e)右翻背(f)左翻背(g)调整为坐姿(h)降低床高,图2 助老电动床设计原理图2 中:a为电动床初始状态;b为老年人准备上床前,固定于床底支座与床身之间的一号、二号升降电机工作,床身抬升到与老年人身高相匹配的位置,同时两侧扶手处于折叠状态;c为老年人准备从床侧面坐上床时,固定在床板背面的起背曲腿电机工作,电动床调整成坐姿状态;d为当老年人准备入睡时,起背曲腿电机再次工作,推动床背框架使床调整成平躺姿势,期间老年人可顺势将扶手拉起,此时可调整床身高度,以方便护理人员护理或适应不同老年人需求;e为固定在床背框

10、架上的翻背电机工64作,推动翻背摆杆,进行右翻背;f 为左侧翻背状态;8为当老年人想进行休闲娱乐等活动时,可再次将床调整为坐姿状态;h为当老年人准备下床时,一号、二号升降电机工作,降低床身高度,老年人放下折叠护栏,下床。特别地,老年人可以根据实际需要自由调整动作流程。2机构运动学模型分析本助老床分为3个主要机构,分别为升降机构、翻背电机起背曲腿机构和翻背机构。其主要研究参数如表1所示,其中位移量反映运动的趋势与幅度,加速度量反映运动的平稳程度10 表1研究参数床身高度位移升降机构床升降加速度升降电机长度起背角位移起背角加速度起背屈腿电机长度翻背角位移翻背角加速度翻背电机长度上床2.1升降机构运

11、动学模型分析该机构主要包括前升降床腿、后升降床腿和两个升降电机,可实现助老床升降功能。根据老年人下床实际需要可调整至老年人最适合上下床的高度,并根据老年人不同的睡眠习惯,进行调整1。对于那些需要护理的老年人,升降功能也能帮助护理人员更方便地照料。升降机构示意图如图3所示。升降电机一号前升降床腿后升降床腿升降电机二号图3升降机构升降机构运动模型如图4所示。各构件长度及点之间距离均以该构件或两点的字母表示(如BE研究参数表符号hdLb22Lb3L设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis表示BE杆的长度,BC表示B、C两点之间的距离)。表2特别地,EF与EF,

12、分别表示EF杆在与y方向的投影长度(下文中均如此,且字母仅对对应部分有效)。EFEAAB.图4升降机构运动模型由于BE=CD,所以FED杆做平移运动,所以 F点与E点在方向的位移大小相同,即AF与EB在x方向的投影变化量的绝对值相同,由此可得:EB,-EBcosal=/L,-(EBsina,+AB,+EF,)-AF,(1)以L,表示aj,解得:EB+(AB,+EF,)?+(EB,+AF,)-L?a1=arccos2EB/(AB,+EF,)?+(EB,+AF,)2(2)其中:EB,+AF,=arccos(AB,+EY,)+(EB,+AF.)(3)由此可得,床升降高度:h=EBsinai+382(

13、其余固定部分高度)(4)对h求二阶导数即可获得加速度d。根据人机工程学,可以初步确定一些与人体尺寸、机构运动相关的参数12 ,并在此基础上进行优化,得到优选参数。升降机构优选参数如表2 所示。根据机构模型分析及优选参数,计算得到助老电动床升降机构位移和加速度。电动床抬升位移和加速度曲线如图5所示,下降曲线类同。由图5可知,升降机构初始高度为6 0 0 mm,可在2 5s内完成抬升或下降,距离为110 mm,最大加速度约为0.38 mm/s,运行平缓,人体感觉舒适,符合针对老年人的设计要求。升降机构优选参数升降机构参数床腿间距(BC、D E)920mm床腿长度(BE、CD)432.5mmE、F两

14、点在方向距离(EF)152.5mmDE、F两点在y方向距离(EF,)A、B两点在x方向距离(AB,)A、B两点在y方向距离(AB,)B升降电机长度LAA、F两点在方向初始距离(AF)E、B两点在方向初始距离(EB,)800780760740720700位6 8 06606406206000图5升降机构运动学曲线2.2起背曲腿机构运动学模型分析许多老年人在起身或人睡下躺时,都存在着或多或少的困难。在躺下的过程中,由于没有支撑背部的物体,老年人很难控制力度,有时背部直接栽倒在床上,难免会出现一些损伤13。因此,曲腿杆连杆设计了图6 所示的起背曲腿机构,可以在老年人躺下或起身的时候,给予其足够的支撑

15、力,帮助老年人顺利、轻松地完成起身及躺下的动作。在起背的同时,腿部连杆随之转动,帮助老年人落腿,使老年人更快捷地下床。起背曲腿机构运动模型如图7 所示。由几何关系分析得:在运动过程中,向量EF,DF,DE在x方向的投影之和为零,则有:EB,-EBcosa1=/L-(EBsina,+AB,+EF,)2-AF,(5)6555mm497.5 mm30mm407 607 mm52.9mm292.4mm0.00一床拾升位移床拾升加速度-0.05-0.10(s/uu)P率f-0.15-0.200.250.30-0.35-0.401510t/s15腿电机床背框架图6 起背曲腿机构20起背曲25方便娱乐或下床

16、。机构运行时间为12 s,最大角加速度约为0.0 2 7/s,运行平稳。现代极械Modern MachineryXiandaiJixieB图7 起背曲腿机构运动模型以L,表示a2,解得:az=arcsinED+EF+EF-L2BCVEF,+EF?其中:EF=arccosVEF+EF?由此可得,床起背落腿时的角位移为:b2=-(ED杆与负方向初始夹角)(8)对b,求两阶导数即可获得加速度2。起背曲腿机构优选参数如表3所示。表3起背曲腿机构优选参数起背曲腿机构E、F两点在方向距离(EF)E、F两点在y方向距离EF,)E、D 两点间距离(DE)升降电机长度LED 杆与x负方向初始夹角 oEG杆与正方

17、向初始夹角bo根据机构模型分析与优选参数,计算分析得到的起背曲腿机构运动曲线如图8 所示。800.03070超喜曲鹏角位移起青曲腿角加速度0.025600.0202.500.0150.010位每3020100024681012t/s:图8 起背曲腿机构运动曲线由图8 可知,起背曲腿机构可同时实现起背和曲腿,最大角度为7 1左右,老人基本处于坐姿,可66EFE62D2-中(6)(7)参数323.5mm50mm70mm300 400mm70.300.0050.000$-0.005-0.0102.3翻背机构运动学模型分析当自理能力较差的老年人睡在床上时,仅凭自身力气很难完成翻身动作,降低了老年人在床

18、上的舒适度,长此以往老年人还容易患压疮14。图9 所示的翻背机构使这一难题迎刃而解,而且左右两边的背板都可以实现翻转,老年人能轻松实现左翻或右翻。翻板翻背电机翻背摆杆图9 翻背机构翻背机构运动模型如图10 所示。GCDED2ACA图10 翻背机构运动模型分析可知,当BC绕点C旋转时,E,与E,做以C为圆心的圆周运动,其运动半径为E,C=E,C。当左侧翻板翻动时,首先通过向量BC,CA,AB在方向上的投影之和为零,得:AC,=BCcosa,+/L-(BCsina,-AC,)(9)以L,表示a3,解得:BC?+AC,+AC,-Las=arcsin2BCVAC+AC,其中:AC,=arccos/AC

19、+AC,由几何关系可知:CF与EC旋转角度相同,设?E2F(10)(11)设计、研究、分析Design,Research&AnalysisEC与负方向初始夹角为c,则:70左翻板上翻角位移60一左翻板上翻角加速度ED,=ECcos(c+-DCx2(12)TED,=ECsinC+2又因为,GD,=ED,-rsinb,GD,=ED,+rcosb3(GDGD,=tanb3所以,ED,sinb,-ED,cosb,=r解得:b,=arccos其中:山=arcsinVED+ED,依次代人式(12)、式(10)便可获得b,与L的关系式,对b,求二阶导数即可获得加速度3。翻背机构左翻板优选参数如表4所示。表4

20、翻背机构左翻板优选参数翻背机构左翻板A、C两点在方向距离(AC)A、C两点在y方向距离(AC,)C、D 两点在方向距离(CD.)C、D 两点在y方向距离(CD,)B、C两点间距离(BC)滚子半径(r)翻背电机长度L,E、C两点间距离(EC)EC与x负方向初始夹角(c)根据翻背机构左翻板模型分析与优选参数,计算得到左翻板上翻运动曲线图(图11)。由图11可知,左翻板可在0 至6 0 的范围内运行,可达到辅助老年人翻身的作用,同时左翻板最大角加速度为0.0 34/s左右,运动平稳,设计合理。对于右翻板,其运动分析与左翻板完全一致。2024年第1期0.0400.0355040a3DC,(r为滚子半径

21、)(13)(14)(15)/ED,+ED,ED0.030300.0250.0201000.00.5 1.01.52.002.53.03.54.04.55.0t/s图11翻背机构左翻板运动曲线3助老电动床控制结构设计根据助老电动床设计原理与功能需要,设计了一个控制系统。系统主要包括以下模块:主控板,遥控模块,手柄模块,显示屏,监护模块等。主控芯片采用STM32微控制器。遥控模块采用带红外功能的遥控器,可以对助老电动床进行自主控制。手柄模块作为备用控制模块安装在床身侧面,防止遥控(16)器遗失时,无法操作。显示屏可以显示床正处于的状态,方便遥控模块或手柄模块操作。监护模块采用监测系统,系统包括摄像

22、头和手机,监护人可以在手机上实时查看老年人画面,防止意外。助老电动床控制结构如图12 所示。显示屏参数遥控模块手柄模块337mm28mm30.5mm60.5mm103.5mm22.5mm300 350mm109mm20.310.015升降电机一号STM32升降电机二号微控制器V翻背电机监护模块图12助老电动床控制结构示意图4实验与结果根据前述设计与运动模型分析,综合考虑强度、加工性能、经济等因素,使用壁厚为2 mm的50 mm25mm,50 mmx30 mm以及2 5 mm25 mm三种规格的Q235空心方钢管制作床的主体结构;选用优质木板制造床板,切割为五个板块,分别支撑头部、背部的左右部分

23、、臀及大腿部以及小腿延伸至脚部分。翻背机构部分的连接轴及连杆等构件由铝合金加工而成。各部分连接通过螺纹紧固件、销连接、焊67起背曲腿电机现代搬械/Mloden MachineryIXiandai Jixie接等方法实现。参照市场上现有的医用护理床尺寸15,制作的助老电动床如图13所示,实物尺寸为:2 0 0 cm90cmx(60 72)cm(长x宽高)。通过对实物进行测试实验,结果表明:升降机构可实现床身高度的调节,方便不同身高的老年人上下床;起背曲腿机构实现了起背功能和曲腿功能的联动,可任意调节角度,帮助老年人更自由地起身和上下床;翻背机构设计合理,仅利用一个推杆电机,实现了左右两侧翻背功能

24、。并且,验证了实物运作过程中位移量及加速度量,发现符合机构运动学曲线,证明了运动学模型分析的正确性,表明助老电动床运动平稳,适合老年人使用。通过简单的控制电路,实现了实物主要机构的高效运作。遥控模块、手控模块正常运作,监护人通过监护模块可以清楚地在手机上实时查看老年人画面。助老电动床实物相关参数已由当地相关检测部门进行检测,测试报告结果表明助老电动床符合设计要求。5结论从当下社会老年人实际需求着手,设计了一种翻背式助老电动床。电动床包括升降机构、起背曲腿机构和翻背机构。机构运动学模型分析与实物验证充分表明,助老床结构稳定、运动平稳、设计合理,满足老年人需要。通过控制结构实现整床的高效运作,同时

25、监护模块可以时刻关注老年人起居状态。参考文献1 李静,吴美玲中国城乡人口老龄化发展质量:差异和预测J.宏观质量研究,2 0 2 0,8(5):1-13.2楼永,王留瑜,郝凤霞.人口老龄化对我国科技创新的影响分析J.科技管理研究,2 0 2 0,40(2 1):14-2 2.3周橙曼,张玉荣,周焘.面向自理老人的适老家具设计研究J.包装工程,2 0 2 0,41(16):17 6-18 2.4刘杰,朱凌云,苟向锋。多功能护理床发展现状与趋势J.医疗卫生装备,2 0 19,40(7):9 4-9 8.5 石成瑜。面向瘫痪老人的多功能护理床设计与研究D.辽宁:大连交通大学,2 0 14:6.图13助

26、老电动床实物图6陈敏.康复护理机器人床控制系统的研究与开发D.上海:上海工程技术大学,2 0 16:2.7曹元,赵连玉,轮椅床机构及人机一体化模型研究J.制造业自动化,2 0 19,41(3):12 9-134.8张欣,方海,黄光龙.基于TRIZ功能裁剪法的养老护理床设计J.机械设计,2 0 17,34(12):116-12 0.9张倩.消除独居老人的养老之难需对症下药J.人民论坛,2 0 2 0(Z1):84-85.10 白金婷,潘存云,吴懋亮,等.基于TRIZ的零售柜自动货门设计及运动学分析J.机电工程,2 0 2 0,37(7):836-840.11杨彬彬,郑菲菲,王泽泉,等。非药物干预

27、促进养老机构老年人睡眠的研究进展J.中华护理杂志,2 0 16,51(1):90-93.12李付星,孙健,人机工程中人体尺寸的修正与重建方法研究J.机械设计,2 0 15,32(4):116-12 0.13 秦帅华,赵新华,杨玉维,等.基于MATLAB的多功能护理床起背机构优化设计及仿真J.制造业自动化,2 0 17,39(10):146-151.14刘今越,顾立振,郭士杰,等.人体舒适度及翻身高度与各部位压力分布研究J.机械设计与制造,2 0 19(9):30-34.15】李洁,许晓云,赵玉倩.针对个体差异性的护理床人机工程设计研究J.机械设计,2 0 15,32(10):12 2-125.基金项目:南通职业大学校级科研项目(2 2 ZK07)。作者简介:樊辉(19 9 4-),男,江苏泰兴人,硕士,助教,研究方向为机器视觉、机电一体化。收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 768

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