護理病床設計摘要隨著社會的發展與進步，經濟的不斷發展促使了各行各業的不斷發展，無論是人們的生活條件還是生活水平都有了明顯的改善和提高，整個社會逐漸進入了一個高節奏的社會，經濟的發展無疑是社會進步的原動力。各種行業的不斷發展進步也就要求醫療事業不可以停滯不前。事實上隨著社會的進步與發展，醫療事業也在不斷的進步，不論醫療技術還是醫療設備都有了質的跨越。就目前國內外發展的形勢而言，現代的醫療器械設備的設計研究都朝著更加人性化的方向發展，其中醫療護理病床最能體現這一點。隨著我國醫療學事業的不斷發展，為了加強對病人從醫院到家中這期間的護理工作，設計一個更加合理的家庭用護理病床是十分重要的。本課題正是根據這一需求，從方便家屬陪護和減少家屬勞動量等方面考慮，利用AutoCAD對家庭用護理病床進行設計。關鍵詞：家庭護理病床；人體工程學；力學分析；AutoCAD；機械設計原理目錄第一章概述 第一章概述1.1設計目的及意義隨著我國生活水平、醫療水平的不斷提高，人們越來越重視對行動不便親屬的科學護理工作。如何提高這些行動不便親屬的生活質量，提高他們的自理能力，減輕護理人員、家屬的勞動強度，是當前需要解決的問題之一。該選題正是根據這一需求，運用機械傳動原理和機械設計原理等相關理論，結合居家護理的要求對醫用床進行更加人性化的設計，通過此設計使學生進一步加深對所學各專業知識的理解，增強各專業知識之間的聯系，使所學知識得到一次綜合運用，同時有助于提高學生理論聯系實際的能力。1.2設計的基本任務本次設計要求盡可能的滿足對行動不便的患者在家中進行護理的需求，從方便患者自理到減少患者家屬勞動強度等方面考慮，根據家庭使用的實際要求，運用機械原理，利用AutoCAD對病床的結構進行創新設計，使器械盡量輕便，耐用，容易操作。床體裝備要求左右側均可放置輸液掛架，不使用時可以存放在床體下方；為安全起見，兩側裝有起落側護板；頭部應備有氧氣擱架，可裝備500L氧氣瓶；床體運動要求實現背部0-70度升降；實現膝部0-45度彎曲；便于運動、靈活、省力、易于控制。1.3課題分析1.3.1目前國內外發展狀況目前，醫院內外主要的病床，是半臥起坐立床。其主要目標是保持病人上半身的直立坐姿，同時彎曲雙腿，以達到一個舒適的姿勢，以促進飲食和服藥。這種病床仍然很受歡迎，但這種病床不能為患者提供額外的康復治療，基本上不能減輕醫療負擔，也無法解決患者舒適性問題。中國是一個人口眾多的國家。對中國來說，護理床的需求很大。當一個家庭成員生病并需要臥床休息時，護理床就體現了這一點的重要性。最簡單的平鋪床逐漸開發和改進，逐漸增加把手、餐桌、抬起頭及下肢等等功能；然后，增加了排便機構和滑輪支腳等等；逐漸發展成一個具有更完美功能的多功能護理床。一張護理床的改善和發展大大提高了醫務人員的護理技能，同時顯著減少了護士的壓力和工作量?？紤]到目前的國內生產和設計水平，大多數具有高級功能的護理床是進口的，所以成本相對較高。在價格和技術的框架下，國產護理床的能力受到了考驗。傳統護理床的操作結構是機械結構，主要依靠護士的幫助，其功能是最簡單的基本功能。然而，傳統的護理床并沒有考慮到人體的差異，也沒有考慮到患者的體驗。因此需要改進功能、結構、外觀、交互和其他方面。護理床是基于所有患者群體的體驗，這些體驗可以滿足不同患者群體的迫切需要，其功能比以往產品設計更完美。1.3.2人體工程學在病床設計中的應用1.人體工程學的產生人體工程學(或稱人體功效學、人機工程學等)是關于正確使用人的智力和體力的學問，是研究“人-機-環境”系統中人機環境三大要素之間的關系，為解決該系統中人的效能、健康問題提供理論與方法的學科。人機工程學的基本理念產生于十九世紀末。最初，是歐美一些學者和研究機構為解決工業化生產環境中的人機矛盾所從事的一些研究活動的統稱。第二次世界大戰后，逐漸形成了一門獨立的學科。這門理論與實踐相結合的學科主要是研究與人的各種特點和需求相適應、與人的生理心理結構相適應、與人的生理運動和心理運動的內在邏輯相適應，從而在人機環境系統中取得動態平衡和協調一致,，而且使人獲得生理上的舒服感和心理上的愉悅感，以最少、最小、最低的代價贏得最多、最大、最高的工作效率和經濟效益。2.人體工程學在病人床板中的設計我想我們每個人都有過生病的經歷，那個時候由于疾病的困擾，心理總是不舒服，那么如何使病人的心情更好呢?這就要求改變病人的生活環境。以往當我們走進醫院時，所見到的只是冰冷的病床，看到它們我們的心情都不好，何況病人呢?下面我來簡要介紹一下人體工程學在床板設計中的應用。首先，病床的整體設計采用可移動式。病人在生病時要做大量的檢查，有些可以在病房內完成，而有些要到檢查中心才能完成。部分病人只有在其他人的攙扶下才能到達檢查中心，在這個過程中病人要忍受大量的痛苦。病床的整體可移動后，就可以推著病人到檢查中心，完成必要的檢查，減少了病人的痛苦，改善了移動病人的條件。其次，病床的整體造型上也作了大量的改進，使病床的整體更接近于家庭的睡床，去除了冰冷感，增加了溫暖感，給病人一種家的感覺，使病人忘記了這是病床，甚至忘記了病痛，有利于疾病的治愈。第三，在床板的設計上也大量應用了人機工程學。床板在長度方向上分為四段，即:人體的軀干段、人體的臀部段、人體的大腿段、人體的小腿段。這幾部分的尺寸均按照標準人體尺寸設計，通過搖桿以及其他機構可以實現這四部分的動作。人體的軀干段的動作可以使躺久的病人坐起，緩解疲勞；人體的小腿段的動作可以使病人蹺腳；人體的大腿段也可協助動作，使病人的下肢得到放松。以上動作均可以由病人家屬根據需要控制來實現。當然在其他部分的設計中也應用了人機工程學，這里不一一介紹。這樣設計的病床成本增加的并不多，但舒適感卻成倍增加。通過這個設計不難看出在產品設計中應用人機工程學的重要性。1.3.3家庭用護理病床設計的研究思路家庭用護理病床由病床機械結構和機械傳動裝置兩部分組成。此種病床機械結構可靠，操作方便，市場推廣性強。本設計采用純機械方式實現病床背板的升降，背部的可升降范圍為0-70度。這一范圍使病人既不會覺得有豎直坐起來的不適，又不會讓病人有久臥病床無法動彈感覺。本設計的腿板部分分成兩段，第一段是大腿段部分，第二段是小腿段部分，這樣更有利于膝蓋的蜷曲運動。久臥病床的病人肯定會感覺腿部不適，這樣的設計可以由家屬或陪護人員操作，使腿板成0-45度蜷曲運動。這樣的設計更有助于病人的康復治療。第二章實現方案設計及方案論證分析2.1設計方案的選取首先，按照要求家庭用護理病床是為了滿足對行動不便的患者在家中進行護理的需求，從方便患者自理到減少患者家屬勞動強度等方面考慮，根據家庭使用的實際要求，運用機械原理，利用AutoCAD對病床的結構進行創新設計。我多次提及這一點就是因為這與設計方案息息相關。設計方案一：紅外遙控式可升降病床設計紅外遙控式可升降病床設計是利用紅外線發射射線，之后操動電機使電機帶動絲杠運動。首先，此種病床要先設計電機，紅外遙控式醫療病床的遙控結構由紅外遙控器和電機控制器兩部分組成，通信方式選用串口通信方式。其中，+5V電源電路采用7805,用來將9V電池電壓降到5V，向中央處理電路供電；病床上升、下降和停止按鍵用于向中央處理電路發出信號，中央處理電路采用AT89C2051單片機作為中央處理芯片，用于處理按鍵電路的輸入信息，選用串口發送端TXD輸出控制信息，同時選用I/O口作為用于加載控制信息的38kHz紅外線發生口，紅外發射電路用于調制控制信息到38kz信號上，并且發出調制后的紅外線。其中，電源電路采用7815將24V直流電源電壓變換到15V,再由7805將15V直流電壓變換到5V,最后向中央處理電路供電，這樣避免了采用體積較人的散熱器，便于控制電路的集成化，紅外接收電路采用紅外接收頭TSOP1738為核心器件，用于接收加載有控制信號的38kz紅外信號，并且過濾掉38kz紅外信號，輸出控制信號，中央處理電路也采用AT89C2051單片機作為中央處理芯片，用于處理接收到的信號，并且對接收到的信號做相應輸出，以控制H橋不同的橋臂導通，同時接收并處理行程開關反饋電路輸入的信號，直流電機停轉、正轉和反轉控制電路根據中央處理電路輸出的不同信號導通不同的橋臂，從而控制電機的正轉、反轉和停轉，進而控制病床背板的上升、下降和停止。行程開關反饋電路用于判斷病床背板是否下降到最低位，其輸出應為單片機的外部中斷信號加以處理，使病床背板下降到最低位后能及時停止，并且在此后如果病人或陪護人員不慎按下下降鍵，也能使電機不運行，防止電機堵轉，達到保護電機的目的。其軟件設計采用單片機控制，其余機械結構同普通病床。設計方案二：機械式可升降護理病床此種病床設計方案即采用純機械式，不應用電，其結構是運用搖桿和絲杠的串聯，搖桿的轉動可以帶動絲杠的轉動，絲杠的轉動可以使其套筒前后移動，這樣支撐架就會有角度的轉動，支撐架的轉動便可以帶動背板或者腿板有角度的升降或者彎曲。其整個的床體床腿部位加裝了滾輪，使得整個床體可以方便的移動。床體的左右上下各安裝了左右護板和床頭床腿擋板使病人可以安全的躺在床上，不至于由于睡覺翻身而掉下床。2.2設計方案的論證對于設計方案一，這種病床優點是使用方便，缺點是價格昂貴，普通家庭一般購買不起此種病床。而且紅外加上電機等其它電學光學零件，此種病床相對比較容易產生故障。對于設計方案二，這種病床的優點是價格便宜，使用方面也很方便，容易運輸，不怕碰撞，可以拆卸。缺點是，需要陪護人員操動病床。結合以上所述，我選擇方案二純機械式病床來作為家庭用護理病床設計，因為作為家庭用護理病床，價格方面是必須要考慮的。如果價格昂貴就算病床再好，再實用，也不能進入消費者手中，這樣就達不到家用這一目的了。再有，綜合考慮兩種病床，起到的作用相同，一般國內的情況是家中有病人，家中肯定就要留陪護人員。所以說純機械式的病床也可以很實用。病人家屬在購買病床后首先要考慮的就是病床的組裝，電動式病床肯定不如純機械式病床容易安裝。電動式需要專業的安裝人員進行安裝，而純機械式可以根據安裝說明書的縮略圖安裝，從企業方面也可以節省人員使用，從病人家屬方面盡快地安裝好病床投入使用比等待安裝人員上門服務更適合他們。第三章家庭用護理病床的結構分析3.1家庭用護理病床的設計原理機械設計應滿足的要求是：在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預定使用期限內完全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。要設計出完美的機械就要考慮到機械零件的失效可能性。零件的失效可能由于：斷裂或塑性變形；過大的彈性變形；工作表面的過度磨損或損傷；發生強烈的震動；連接的松弛；摩擦傳動的打滑等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，但歸納起來最主要的為強度、剛度、耐磨性、穩定性和溫度的影響等幾個方面的問題。對于各種不同的失效形式，相應地有各種工作能力判定條件。例如：當強度為主要問題時，按強度條件判定，即應力≤許用應力；當剛度為主要問題時，按剛度條件判定，即變形量≤許用變形量；等等。這種為防止失效而制定的判定條件，通常稱為工作能力計算準則。通常零件受載時是在較大的體積內產生應力，這種應力狀態下的零件強度稱為整體強度。若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。如齒輪、滾動軸承等機械零件，都是通過很小的接觸面積傳遞載荷的，因此它們的承載能力不僅取決于整體強度，還取決于表面的接觸強度。機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內約20μm處產生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展（若有潤滑油，則被擠進裂紋中產生高壓，使裂紋加快擴展），終于使表面金屬呈小片狀剝落下來而在零件表面形成一些小坑，這種現象稱為疲勞點蝕。發生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力，并引起振動和噪聲。疲勞點蝕常是齒輪，滾動軸承等零件的主要失效形式。運動副中，摩擦表面物質不斷損失的現象稱為磨損。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面狀態。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。除非運動副摩擦表面為一層潤滑劑所隔開而不直接接觸，否則磨損總是難以避免的。但是只要磨損速度穩定緩慢，零件就能保持一定壽命。所以，在預定使用期限內，零件的磨損量不超過允許值時，就認為是正常磨損。出現劇烈磨損時，運動副的間隙增大，能使機械的精度喪失，效率下降，振動、沖擊和噪聲增大。據統計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。所以本家用病床使用過程中應該確保絲杠處潤滑，其它連接點潤滑。否則長時間使用必然會有磨損，以至于報廢。3.2家庭用護理病床的設計過程機械設計是根據使用要求對機械系統的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算，并將之轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。設計是創造性勞動，設計的目的是在保證機械系統的功能前提下，建立性能好、成本低、價值最優的機械系統，以滿足人類社會不斷增長的物質和文化需要。家庭用護理病床的設計按下列步驟進行：1、查找資料、書籍和文獻，翻譯英文資料；2、撰寫開題報告；3、方案論證,進行初步設計,繪制草圖；4、對結構進行分析和強度校核；5、繪制床體裝配圖繪制床屜裝配圖；6、繪制零件圖；7、撰寫設計說明書；8、修改說明書。其零件設計遵循以下步驟：1、擬訂零件的計算簡圖；2、確定作用在零件上的載荷；3、選擇合適的材料；4、根據零件可能出現的失效形式選用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。3.3家庭用護理病床機械結構的總體設計家庭用護理病床為了滿足對行動不便的患者在家中進行護理的需求，從方便患者自理到減少患者家屬勞動強度等方面考慮，根據家庭使用的實際要求，運用機械原理，利用AutoCAD對病床的結構進行創新設計。課題的設計要求為床體的設備要求和運動要求。家庭用護理病床的機械結構由可調床面、支撐床架和機械傳動裝置組成。其中，可調床面由腳板、坐板和背板三部分組成，背板可以升降，方使病人的起床和下臥；腳板可以0-45度彎曲，方便病人活動小腿，減少不適感。機械傳動結構由搖桿、絲桿和升降支撐架三部分組成，搖桿直接驅動絲桿旋轉，再由絲桿推動升降支撐架運動，最終完成對背板或腿板的升降和彎曲驅動。病床支撐架主要用于支撐可調床面，固定機械傳動結構。對于床面和床體的運動要求采用的是絲桿傳動來完成；之所以采用絲桿傳動是由于絲桿傳動可以使床體的整體結構簡單，在絲桿傳動的驅動下實現的運動是十分的平穩，并且操作方便簡單和效率高。最主要的是采用絲杠傳動噪聲很小，適合應用于家用病床并且此點尤為重要。1.曲柄滑塊機構本設計利用機械設計原理中曲柄滑塊機構機構的基本原理，如圖3-1所示。圖3-1固定滑塊機構我們可認為A為絲桿，B為床板，C為支撐架，D為固定筒。由此看來，在D固定的情況下，A絲桿的前進和后退能夠帶動C支撐架有角度的運動。而C有角度的運動則可以帶動B床板抬起或降下一定的角度。不難看出，這種曲柄滑塊機構能夠按要求完成設計任務中的實現背部0-70度升降，實現膝部0-45度彎曲。這也就是我們所學過的固定滑塊機構或稱定塊機構。首先按照運動要求，背部0-70度升降，膝部0-45度彎曲。我們使用固定滑塊機構，膝部的示意圖如下圖3-2所示。圖3-2膝部結構示意圖我們可以看到，床腿部位可以看成一個桿，床腿支架為一個桿，絲桿為一個桿，固定絲桿的套筒為滑塊。由此可以看出，固定滑塊機構完全可以滿足其運動要求。背部與其相類似就不一一介紹了。2.絲桿傳動機構在此我不僅應用了固定滑塊機構，而且還用絲桿和固定滑塊機構串聯，查[2]我們可以看出機構的創新方法中串聯方式機構組合是很實用的。我們再來看一下絲桿的結構，如圖所示3-3所示。圖3-3絲杠結構圖絲桿是由套管，絲杠輪，彈簧銷，絲杠簧，絲杠，絲杠套等部件組成的。外部與支撐架相連，內部絲桿與搖桿相連。這樣當搖桿轉動的過程中，絲桿便會轉動，它的轉動使得外部前后移動，從而使得支撐架能夠有角度的轉動，之后支撐架帶動背板或腿部板升降，以達到運動要求。把搖桿的空間旋轉運動轉變成為前后的伸縮運動，噪音小，結構簡單是它的最大優點。另外，床頭擋板、床底擋板、左右起落側護板在我的設計中都是可以自行拆下的。如果此類零件與床固定上或焊上，考慮其一不易于運輸，其二不易于空間利用。本設計為家庭用護理病床，力爭做到容易安裝，方便維修，節省空間的功效。如果不固定以上零件，那么所有的零件可以打包成床板大小寬度運輸，也方便用戶購買，但是如果固定上，那么就要多出擋板的立體空間，不易運輸。而且現今有的家庭住房并不寬裕，有的希望不要擋板，家屬可以直接坐在床兩側或床尾部照顧病人。由于考慮到病床的移動問題，所以我在床腿部位加裝了滾輪，加裝滾輪后病床可以很輕松的便可以移動。這種設計造價不高，但是很人性化。在病人躺在病床上的時候，家屬便可以移動病床，甚至在病人熟睡時也不至于把病人吵醒。綜上可以看出，病床滿足運動要求，其結構可以達到預期效果。病床完全滿足任務書要求，適合于家用。第四章傳動零件的設計計算4.1傳動部件的受力分析1.腳板絲桿的力學分析現在進行腳板絲桿的力學分析，先分析其支撐架如圖4-1所示：圖4-1腳板絲桿支撐架受力圖按照要求，床體最大承載150kg重量，如果按照極限，臀部位置不受力，而把力平分到腳板絲桿和背板絲桿，那么如果在這種極限情況下，絲杠滿足力學要求，就一定在普通狀態下也滿足要求。G=mg=150×9.8=1470N平均分到腳板桿和背板桿后F2=735N經過受力分析，F1=F3=520N絲桿受力情況如圖4-2所示：圖4-2絲桿受力圖F1為支撐架作用的效果，分解后F5=F4=368N2.背板絲桿再來看背板絲桿支撐架的受力如圖4-3所示：圖4-3背板絲桿支撐架受力圖這里F6=F1=735N經計算F8=690.7NF7=251.4N背板絲桿的受力如圖4-4所示：圖4-4背板絲桿受力圖因為F8為支撐桿作用于絲桿的力，所以經計算F9=649.1NF10=236.2N。4.2傳動部件的受力計算校核4.2.1腳板絲桿相關桿件的校核計算1.腳板絲桿支撐架的設計與計算表4-1腳板絲杠支撐架的設計與計算腳板絲桿支撐架選用45＃鋼尺寸為長l=375（mm）寬b=30（mm）厚h=10（mm）查《機械設計手冊》，查得45＃調質處理[]=360MPa腳板絲桿支撐架受力F1=520N截面積A1=300mm2應力11=1.73MPa驗算結果1≤[]，滿足要求2.腳板絲桿的設計與計算腳板絲桿螺紋剖視圖如圖4-5所示：圖4-5腳板絲桿螺紋剖視圖表4-2腳板絲桿的設計與計算彎矩M1M1=F×LM1=236.2Nm彎曲應力σbσb=M/0.1d3σb=25.9MPa查《機械設計手冊》[σb]≤460驗算結果σb≤[σb]滿足要求查《機械設計手冊》[b]≤40扭切應力bb=T/WTb=12.96MPa驗算結果b≤[b]滿足要求表4-3腳板絲桿的自鎖條件外螺紋大徑dd=20mm螺距PP=4mm外螺紋中徑d2d2=d-2Z=d-2*0.5Pd2=18mm內螺紋大徑D4D4=d+2acD4=20.5外螺紋小徑d3d3=d-2h3=d-2(0.5P+ac)d3=15.5mm查《螺紋標準與檢驗手冊》式ac＝0.25mm內螺紋小徑D1D1=d-2PD1=12mm基本牙型高度H1H1＝0.5PH1＝2mm梯形螺紋中等精度Tr20*4-7H/7eGB/T5796.3-1986螺母高度HH=*d2H=31mm螺紋圈數nn=H/Pn=7.75圈螺紋的自鎖性驗算選用螺紋為單線螺紋導程S=P=4mm螺紋升角＝arctan＝4°2ˊ46〞查《機械設計手冊》,鋼對青銅摩擦因數=0.08～0.10=0.09當量摩擦角ˊˊ＝arctanˊ＝5°19ˊ23〞由《機械設計》和《機械原理》得知要實現螺紋的自鎖條件為螺紋升角要小于當量摩擦角ˊ驗算結果≤ˊ螺紋自鎖可靠以上查《機械設計手冊》單行本第四篇第一章選取。4.2.2背板絲桿相關桿件的校核計算1.背板絲桿支撐架的設計與計算表4-4背板絲桿支撐架的設計與計算腳板絲杠支撐架選用45＃鋼尺寸為長l=175（mm）寬b=30（mm）厚h=10（mm）查《機械設計手冊》,查得45＃調質處理[]=360MPa背板絲桿支撐架受力F1=251.4N截面積A1=300mm2應力11=0.84MPa驗算結果1≤[],滿足要求2.背板絲桿的設計與計算背板絲桿螺紋剖視圖如圖4-6所示:圖4-6背板絲杠螺紋剖視圖表4-5背板絲桿的設計與計算彎矩M1M1=F×LM1=372Nm彎曲應力σbσb=M/0.1d3σb=40.8MPa查《機械設計手冊》[σb]≤460驗算結果σb≤[σb]滿足要求扭切應力bb=T/WTb=6.23MPa查《機械設計手冊》[b]≤40驗算結果b≤[b]滿足要求表4-6背板絲桿的自鎖條件外螺紋大徑dd=20mm螺距PP=4mm外螺紋中徑d2d2=d-2Z=d-2*0.5Pd2=18mm內螺紋大徑D4D4=d+2acD4=20.5外螺紋小徑d3d3=d-2h3d3=15.5mm查《螺紋標準與檢驗手冊》ac＝0.25mm內螺紋小徑D1D1=d-2PD1=12mm基本牙型高度H1H1＝0.5PH1＝2mm梯形螺紋中等精度Tr20*4-7H/7eGB/T5796.3-1986螺母高度HH=*d2H=31mm螺紋圈數nn=H/Pn=7.75圈螺紋的自鎖性驗算選用螺紋為單線螺紋導程S=P=4mm螺紋升角＝arctan＝4°2ˊ46〞查《機械設計手冊》,鋼對青銅摩擦因數=0.08-0.10=0.09當量摩擦角ˊˊ＝arctanˊ＝5°19ˊ23〞由《機械設計》和《機械原理》得知要實現螺紋的自鎖條件為螺紋升角要小于當量摩擦角ˊ驗算結果≤ˊ螺紋自鎖可靠以上查《機械設計手冊》單行本第四篇第一章選取。第五章床體床屜及部分零件的分析與研究5.1床體床屜的分析研究由結構圖5-1可以看出床體分四部分，即背板段，臀部段，大腿段和小腿段。這樣劃分床段是由于人體工程