畢業(yè)設(shè)計(jì)（畢業(yè)論文）開題報(bào)告
學(xué) 院
機(jī)械與汽車工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械工程及自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào)
學(xué) 生
指導(dǎo)教師
題 目
分段翻身模塊設(shè)計(jì)與研究
任務(wù)實(shí)際
進(jìn)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(guó)家統(tǒng)計(jì)局調(diào)查顯示 我國(guó)人口13.7億老齡化呈上升趨勢(shì)?《2015年全國(guó)1%人口抽樣調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)》（以下簡(jiǎn)稱《公報(bào)》）。《公報(bào)》顯示，全國(guó)大陸31個(gè)省、自治區(qū)、直轄市和現(xiàn)役軍人的人口為137349萬(wàn)人。同第六次全國(guó)人口普查（以下簡(jiǎn)稱“六普”）2010年11月1日零時(shí)的133972萬(wàn)人相比，五年共增加3377萬(wàn)人，增長(zhǎng)2.52%，年平均增長(zhǎng)率為0.50%。從年齡構(gòu)成看，人口老齡化呈上升趨勢(shì)。0—14歲人口為22696萬(wàn)人，占16.52%；15—59歲人口為92471萬(wàn)人，占67.33%；60歲及以上人口為22182萬(wàn)人，占16.15%，其中65歲及以上人口為14374萬(wàn)人，占10.47%。同“六普”相比，15—59歲人口比重下降2.81個(gè)百分點(diǎn)，60歲及以上人口比重上升2.89個(gè)百分點(diǎn)[5]。由此可知，人口的老齡化必將帶來(lái)新的問(wèn)題，對(duì)于獨(dú)生子女的父母，在邁入老齡階段后可能無(wú)法得到子女的充分照顧，老年人的健康隨著年齡的增長(zhǎng)暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題，身體的衰弱造成出行和活動(dòng)的不便，急需一種能夠改善他們出行方式的工具。
目前我國(guó)腦性癱瘓發(fā)病率為1.84%，老年腦病患者占老年人口總數(shù)的10%。這是一個(gè)不小的人群，他們的生活現(xiàn)狀與護(hù)理方式需要得到社會(huì)的關(guān)注和我們的重視，癱瘓是神經(jīng)系統(tǒng)常見(jiàn)的癥狀之一，是指肌肉活動(dòng)能力的降低或喪失，而對(duì)于肢體癱瘓的病人來(lái)說(shuō)，護(hù)理所面臨的最棘手的問(wèn)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(zhǎng)期受壓，發(fā)生持續(xù)缺血、缺氧、營(yíng)養(yǎng)不良而致組織潰爛壞死[7-8]。皮膚壓瘡在康復(fù)治療、護(hù)理中是一個(gè)普通性的問(wèn)題。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，每年約有6萬(wàn)人死于壓瘡合并征。為了防止肢體癱瘓病人褥瘡的產(chǎn)生，在護(hù)理時(shí)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(shí)翻身一次，翻身時(shí)不可在床褥上拖拉以免挫傷皮膚。對(duì)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(gè)部位受到壓迫而產(chǎn)生褥瘡。
對(duì)于肢體癱瘓的病人來(lái)說(shuō)，他需要有一種能夠幫助他們改善生活質(zhì)量的裝置，可以方便他們進(jìn)行體位變換，也能及時(shí)調(diào)整病患的癱瘓?zhí)?，通過(guò)幫助他們翻身以及各種身體的活動(dòng)來(lái)使得褥瘡不會(huì)在病患身上出現(xiàn)，這對(duì)于癱瘓病人的護(hù)理具有很大的意義，減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)的同時(shí)也減少了人力物力的投入。
如今市面上對(duì)于病人護(hù)理的醫(yī)療設(shè)施已有不少，對(duì)多功能護(hù)理床方面也早已進(jìn)行了研究，相關(guān)的產(chǎn)品也層出不窮，但大多數(shù)產(chǎn)品的翻身結(jié)構(gòu)不夠完善，多多少少存在一些問(wèn)題。因此多段翻身模塊的設(shè)計(jì)與研究對(duì)目前國(guó)內(nèi)老年化的現(xiàn)象有很大意義，而且相關(guān)發(fā)展前景十分廣闊，市場(chǎng)潛在商業(yè)價(jià)值巨大，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國(guó)醫(yī)療護(hù)理水平的提高具有重要的推動(dòng)意義。
2文獻(xiàn)綜述
2.1 多段翻身模塊的設(shè)計(jì)與研究國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)
世界衛(wèi)生組織規(guī)定，60歲以上老年人達(dá)到人口總數(shù)的10%或者65歲以上老年人達(dá)到7%，稱為人口老齡化。據(jù)調(diào)查，目前全世界60歲以上老年人口總數(shù)已達(dá)6億，有 60 多個(gè)國(guó)家的老年人口達(dá)到或超過(guò)人口總數(shù)的10%，進(jìn)入了人口老齡化社會(huì)行列。人口老齡化的迅速發(fā)展，引起了聯(lián)合國(guó)及世界各國(guó)政府的重視和關(guān)注。而我國(guó)老年人口數(shù)量之大，位居世界之最。另外，由于我國(guó)人口眾多，每年因?yàn)楦鞣N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(hù)理床（也可以稱之為病床）的使用顯得尤為重要。護(hù)理床的基本功能是實(shí)現(xiàn)翻身，因此一個(gè)良好的翻身結(jié)構(gòu)將決定護(hù)理床的好壞以及病人的舒適程度。
在我國(guó)由于技術(shù)起步晚，護(hù)理床的普遍率和技術(shù)水平比起歐美等國(guó)還是較為遜色的，在歐美和日本，護(hù)理床的市場(chǎng)價(jià)值也日益壯大，如2011年在美國(guó)醫(yī)用護(hù)理床的市場(chǎng)份額達(dá)到53億美元。據(jù)日本機(jī)器人協(xié)會(huì)估測(cè)，到2025年，日本國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)份額將達(dá)9310億日元（合74.5億美元）。而這些機(jī)器人將主要應(yīng)用于醫(yī)療護(hù)理和福利服務(wù)方面。
美國(guó)的醫(yī)療護(hù)理產(chǎn)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(fù)護(hù)理醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)，它們所生產(chǎn)的醫(yī)療護(hù)理床種類涵蓋了幾乎所有醫(yī)療護(hù)理門類。Stryker公司生產(chǎn)的S3型醫(yī)療床，它能夠通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)背部支起30°且擁有中置式制動(dòng)器，能夠通過(guò)內(nèi)置機(jī)構(gòu)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)萬(wàn)向腳輪的止動(dòng)功能。
日本同樣擁有巨大的護(hù)理床市場(chǎng)，八樂(lè)夢(mèng)（Paramountbed）公司是全日本最大的醫(yī)療護(hù)理床生產(chǎn)企業(yè)，他們的產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全世界，八樂(lè)夢(mèng)公司生產(chǎn)的ICARE PLUS四馬達(dá)電動(dòng)床，通過(guò)將電動(dòng)推桿作為直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊，結(jié)合曲柄滑塊等機(jī)構(gòu)原理的運(yùn)用可以實(shí)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(shè)計(jì)與研究
2.2.1 理論與實(shí)際的創(chuàng)新結(jié)合
以多模態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)理念，通過(guò)對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的融合運(yùn)用，以最少的空間占用及最巧妙的機(jī)構(gòu)布局實(shí)現(xiàn)了對(duì)多功能模塊化護(hù)理復(fù)健機(jī)器人床翻身功能模塊的設(shè)計(jì)。
2.2.2 多段翻身模塊設(shè)計(jì)與研究的安全性、可行性
對(duì)本課題所研究的多段翻身模塊設(shè)計(jì)與研究床生產(chǎn)制造及裝配調(diào)試環(huán)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，對(duì)各環(huán)節(jié)中曾遇到的問(wèn)題及解決的方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述，尤其對(duì)某些零部件出現(xiàn)的強(qiáng)度問(wèn)題進(jìn)行了具體說(shuō)明并對(duì)各相關(guān)零部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了各強(qiáng)度問(wèn)題解決方案的安全性、可行性。
2.2.3時(shí)代方向、良好前景
從使用者需求出發(fā)并借助多模態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念開發(fā)出更多的護(hù)理復(fù)健治療模塊，使多功能模塊化翻身結(jié)構(gòu)受用范圍更廣，使對(duì)老弱病殘等人群的康復(fù)護(hù)理治療操作更加簡(jiǎn)單化與人性化；
對(duì)多功能模塊化多段翻身模塊的控制系統(tǒng)進(jìn)行更深入的設(shè)計(jì)和研究，控制系統(tǒng)要趨于智能化并與因特網(wǎng)連接，使患者及護(hù)理人員不僅能通過(guò)無(wú)線遙控器更能通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)終端來(lái)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)床體進(jìn)行操控，同時(shí)要配合攝像頭及各種傳感器的設(shè)置來(lái)支持對(duì)床體的手勢(shì)操作控制甚至表情操作控制。
3 研究?jī)?nèi)容和方法
3.1 研究?jī)?nèi)容
在多段翻身模塊的設(shè)計(jì)中，要充分考慮到載荷的大小和加載形式，針對(duì)不同的載荷形式與行程要求設(shè)計(jì)不同的機(jī)構(gòu)模塊，還要考慮到多模態(tài)機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)行的特點(diǎn)與要求，結(jié)合實(shí)際功能布局情況考慮是否存在類似串聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化等的機(jī)構(gòu)變形情況，并根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的變形情況考慮驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)要充分把機(jī)械互鎖和機(jī)械限位等考慮進(jìn)去，同時(shí)也要為控制部分的器件提供相應(yīng)的空間位置，方便控制機(jī)構(gòu)的安裝，尤其是各種傳感器等的安裝。
綜上所述，本論文所進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容可分流程歸納為以下幾個(gè)方面：
（1） 總體方案設(shè)計(jì)：依據(jù)對(duì)多段翻身模塊的功能要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)多段翻身模塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案。
（2） 各翻身模塊設(shè)計(jì)：對(duì)多段翻身模塊機(jī)構(gòu)框架下的各翻身模塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照所需實(shí)現(xiàn)的功能逐個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，分析出所涉及機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的速度、角速度、位移等相關(guān)參數(shù)的變化情況，從而確定機(jī)構(gòu)運(yùn)行的合理性，并為后續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及各部分強(qiáng)度校核做鋪墊、為傳動(dòng)件的選型提供理論依據(jù)。
（3）機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)及建模：對(duì)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇，確定各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)件的尺寸，并進(jìn)行詳細(xì)的SolidWorks三維建模，驗(yàn)證傳動(dòng)件的選型及尺寸設(shè)計(jì)的合理性。
（4）受力分析：運(yùn)用有限元分析軟件SolidWorks Simulation對(duì)整體框架下的重要受力部分進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析出各載荷點(diǎn)的位移變形情況并進(jìn)行安全性和可靠性評(píng)估；運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件Solidworks Motion或Adams對(duì)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的受力變化情況進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評(píng)估，確保所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的安全、可靠。
（5）二維加工圖紙的繪制：根據(jù)三維圖，按各個(gè)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(shí)繪制出翻身模塊的總體裝配圖，根據(jù)零件用途及位置布置在相應(yīng)圖紙中注明各零件的技術(shù)要求及加工注意事項(xiàng)，同時(shí)分模塊用Excel編制出零件的明細(xì)表，表中應(yīng)包含序號(hào)、零件圖號(hào)、零件名稱、材料、件數(shù)等內(nèi)容，其中凡是焊接件均需將焊接后的整件當(dāng)做小裝配圖并將幾個(gè)焊接件作為零件圖，分別分配圖號(hào)。
（6）加工流程的跟蹤：全程在零件加工廠對(duì)零件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤，及時(shí)核對(duì)零件的加工質(zhì)量，確認(rèn)是否符合圖紙標(biāo)明的精度要求，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需及時(shí)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(shí)根據(jù)零件明細(xì)表核對(duì)零件數(shù)量，確保沒(méi)有零件遺漏、給后續(xù)裝配帶來(lái)麻煩。
（7）裝配與調(diào)試：在零件全部加工完成后需要逐一對(duì)零件進(jìn)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(jī)及控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行及調(diào)試，在裝配及調(diào)試過(guò)程中也需要不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)找出解決方案來(lái)處理。
3.2 研究方法
對(duì)翻身模塊的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，以右側(cè)翻機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行了分析，了解了機(jī)構(gòu)的形態(tài)特點(diǎn)和運(yùn)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(guān)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(guò)對(duì)曲線走向的分析證明了翻身模塊多模態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。
對(duì)翻身模塊的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，首先對(duì)翻身模塊床板框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，介紹了床板框架結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理并對(duì)床板框架結(jié)構(gòu)中的鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，其次對(duì)翻身模塊的翻身運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，明確了翻身模塊的驅(qū)動(dòng)形式，確定了驅(qū)動(dòng)部分的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)。
4 技術(shù)路線
1.收集和整理有關(guān)多段翻身模塊的資料，了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念以及設(shè)計(jì)要求；
2.多段翻身模塊機(jī)構(gòu)研究，制定總體方案；
3.對(duì)多段翻身模塊中的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和受力分析。
5預(yù)期成果
（1）完成多段翻身模塊的三維圖形建立；
（2）完成對(duì)各部分模塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)力學(xué)及結(jié)構(gòu)分析；
（3）完成各模塊的裝配各零件的圖紙及總結(jié)報(bào)告。
6 進(jìn)度安排
（1） 第16～18周：文獻(xiàn)檢索，資料收集，寫出開題報(bào)告，完成外文資料翻譯。
（2） 第1～3周：設(shè)計(jì)方案討論，設(shè)計(jì)方案確定，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（3） 第4～5周：三維模型建立，動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
（4） 第6～7周：總體裝配和強(qiáng)度校核。
（5） 第8～11周：撰寫論文。
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