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目 錄
摘要 1
ABSTRACT 2
1 緒論 3
1.1選題的背景 3
1.2選題的目的和意義 4
1.3國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀 5
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 5
1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 6
1.4本文主要研究內(nèi)容 6
2 需求分析及翻身模式 7
2.1需求分析 7
2.2定軸旋轉(zhuǎn)翻身 8
2.3翻身床板布局 10
2.4 本章小結(jié) 11
3 多段翻身模塊總體方案設(shè)計 12
3.1設(shè)計要求 12
3.2設(shè)計指標(biāo) 12
3.3整體方案設(shè)計 14
3.3.1執(zhí)行機構(gòu)布局 14
3.3.2執(zhí)行機構(gòu)尺寸 15
3.3.3各段機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計 16
3.4驅(qū)動方案 19
3.5 本章小結(jié) 19
4 多段翻身模塊運動學(xué)與動力學(xué)分析 20
4.1 翻身原理 20
4.2 翻身模塊機構(gòu)的運動學(xué)分析 21
4.3 翻身模塊機構(gòu)的動力學(xué)分析 23
4.4 本章小結(jié) 24
5 多段翻身模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
5.1 多段翻身模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
5.2 翻身模塊床板框架的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 26
5.3 翻身模塊翻身運動機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 28
5.4 翻身模塊驅(qū)動電機的選擇 30
5.5 本章小結(jié) 31
6 裝配調(diào)試與強度校核 32
6.1 多段翻身模塊的強度校核 32
6.2 多段翻身模塊的裝配調(diào)試 33
6.3 本章小結(jié) 35
7 總結(jié)與展望 35
7.1 全文總結(jié) 35
7.2 后續(xù)研究展望 36
參考文獻 38
附錄 40
3
摘 要
依據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從計劃生育政策實施以來，我國的人口有效的得到了控制，但于此同時中國社會出現(xiàn)了一個新的問題，隨之出生率和結(jié)婚率的降低，中國老齡化進程愈加嚴(yán)重，老齡人口所占比例越來越大，空巢老人越來越多，很多生活不能自理的老齡人得不到相應(yīng)的照顧[1]。同時，對于長期臥床或是大型手術(shù)后不能獨立翻身的病人來說，他們急需一種可以幫助他們獨立完成翻身的設(shè)備。
多段翻身模塊旨在利用穩(wěn)定可靠的機構(gòu)完成相應(yīng)的設(shè)計功能。本文所設(shè)計的多段翻身模塊主要適用人群是長期臥床不能獨立完成翻身的癱瘓人士或是老年人士。旨在幫助他們定期翻身促進血液循環(huán)，減少疾病發(fā)生；同時也為護理人員提供輔助幫助，降低他們的勞動強度。
本研究主要內(nèi)容有一下六個方面：
（1）研究國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品現(xiàn)狀，分析翻身功能特點，結(jié)合正常人實際翻身情況最終確定翻身模式——定軸轉(zhuǎn)動翻身。
（2）總方案設(shè)計。根據(jù)多段翻身模塊的設(shè)計功能以及設(shè)計指標(biāo)結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)首先給出多段翻身模塊的整體布局以及各部分尺寸，最終確定多段翻身模塊的總體設(shè)計方案。
（3）總體方案確定后需要對翻身模塊的各機構(gòu)進行分析，分析內(nèi)容包括機構(gòu)的速度、加速度、位移以及角速度等，從而確定所設(shè)計機構(gòu)的合理性。根據(jù)所分析的數(shù)據(jù)確定機構(gòu)是否合理，同時為后面的強度校核以及原動件選擇提供依據(jù)。
（4）對多段翻身模塊的執(zhí)行機構(gòu)及動力機構(gòu)進行詳細的設(shè)計，確定相應(yīng)的驅(qū)動方案并進行電機選擇。
（5）運用Solidworks Simulation軟件對零部件強度上所出現(xiàn)的問題進行了重新校核，依據(jù)有限元分析得到的校核結(jié)果對相關(guān)零部件進行重新設(shè)計；簡單介紹多段翻身模塊的裝配調(diào)試，對出現(xiàn)過的問題進行總結(jié)分析并介紹解決的方案。
（6）對本文研究的多段翻身模塊進行總結(jié)，并展望未來機構(gòu)。
關(guān)鍵詞：多段翻身模塊，有限元分析，機構(gòu)設(shè)計
DESIGN AND RESEARCH OF MULTI-STAGE TURNING-OVER MODULE
ABSTRACT
(1) This paper studies the current situation of related products at home and abroad, analyzes the features of the turning over function, and finally determines the turning mode of the body with fixed axis rotation according to the actual turning situation of the normal person.
(2) General scheme design. According to the design function and design index of the multi-stage roll-over module, the overall layout and the detailed dimensions of each part of the multi-stage turn-over module are first given, and the overall design scheme of the multi-stage turn-over module is finally determined.
(3) After the overall scheme is determined, we need to analyze the various mechanisms of the roll-over module, including the velocity, acceleration, displacement and angular velocity of the mechanism, so as to determine the rationality of the designed mechanism.
(4) The actuator and the power mechanism of the multi-section turn-over module are designed in detail and the corresponding materials are selected, and the corresponding driving scheme is determined and the motor selection is carried out.
(5) This paper briefly introduces the assembly and debugging of multi-stage turning-over module, summarizes and analyzes the problems that have occurred and introduces the solutions, and re-checks the problems on the strength of parts by using Solidworks Simulation software.
(6) This paper summarizes the multi-stage turn-over module, and looks forward to the future research work and future turning-over mechanism.
Key words: Multi-stage rollover module, finite element analysis, mechanism design
多段翻身模塊設(shè)計與研究
陳生 011115102
1 緒論
1.1選題的背景
根據(jù)統(tǒng)計到2011年末，我國將有1.85億60歲以上的老年人口，估計到十二五結(jié)束，我國老年人口將達到2.21億，其中新增加人口為4300多萬，然而此時已有2400萬達到高齡——80歲及其以上，同時空巢老年人口也大量增加，有5100多萬65歲的空巢老人[2]?！吨袊淆g事業(yè)發(fā)展報告（2013）》藍皮書2013年在北京發(fā)布，該書明確指出中國目前老年人口占總?cè)丝跀?shù)的14.3%，到2012年結(jié)束，中國老年人口在2011年的基礎(chǔ)上再次增加了891萬人次，達到了歷史新高的1.94億[3]。到達2014年，我國老年人口一如既往的增加，在2013年的基礎(chǔ)上增加了1.2個百分點，然而在眾多老年人口中大約有4000萬老年人是生活不能自理的，約占老年總?cè)丝诘?0%。根據(jù)專業(yè)人士推測，以中國現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，中國老年人口在未來十五年左右將出現(xiàn)4億的新高度，與此同時，那些生活不能自理的老年人口也會大幅增加。來自2018年官方最新的各類數(shù)據(jù)都表明，目前我國的出生率和成婚率正在不斷下降，我國的老年化進程正在加速前進，僅僅最近的五年時間內(nèi)老年人口將近增加了25個百分比[4]。 由上述數(shù)據(jù)可知，每年我國的老年人口都會在上一年的基礎(chǔ)上增加一個百分比，于此同時那些殘疾、癱瘓、老年癡呆等一系列生活不能自理的人口數(shù)也會隨之大大的增加。
相關(guān)資料已表明，中國目前的老年人中患有大腦方面疾病的占總數(shù)的10%，因腦性疾病而發(fā)生癱瘓的有1.84%[5]。從這些數(shù)據(jù)可以看出，我國存在很大很大一群生活不能自理的人，他們這些人的生活更應(yīng)該得到我們和社會的關(guān)注以及國家政府的重視解決。醫(yī)學(xué)上指出，癱瘓主要是由于神經(jīng)系統(tǒng)異常而通過身體表現(xiàn)出來的，具體特征是肌肉沒有了活動能力或者活動能力非常弱。而對于上述這類人來說，護理方面最難的問題就是怎么解決或者預(yù)防病人因長期臥床而產(chǎn)生的褥瘡，褥瘡的俗名又叫壓力性潰瘍，顧名思義壓力性潰瘍是因為正常的人體組織因為長時間的受壓，導(dǎo)致組織血液循環(huán)受阻肌體出現(xiàn)連續(xù)的缺氧缺血，再加上嚴(yán)重的營養(yǎng)不良最終使其壞死[6-7]。皮膚壓瘡是一個很普遍性的問題在病人護理和醫(yī)院康復(fù)治療中。根據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計，因皮膚褥瘡而引起的綜合病癥導(dǎo)致每年大約有6萬人死亡。最簡單有效的防止褥瘡出現(xiàn)的方式是護理人員做到以下七點——多翻身、多擦洗、多按摩、多換洗、多整理、多檢查、多交換；最重要的是多翻身，多翻身要求至少每一個小時重復(fù)一次且翻身是要主義患者受傷處，以免出現(xiàn)二次受傷的情況[8]。多翻身不僅可以防止肌肉因長期受壓而產(chǎn)生營養(yǎng)不良的萎縮情況也是最好最有效的防止褥瘡的方式[9]。因此，如果照顧一個長期癱瘓在床的病人至少需要兩個護理人員輪流護理，這對大多數(shù)家庭都是一筆不小的開銷，對護理人員來說也是一個任重道遠的過程。因此本文想借助機械機構(gòu)幫助家庭減輕負(fù)擔(dān)，幫助護工減少工作量，同時也讓病人更加對立。
現(xiàn)如今很多醫(yī)院都會有一些專業(yè)的護工，他們的主要工作之一就是每隔一段時間給病人翻身拍背，促進血液循環(huán)，幫助病人更好的恢復(fù)。雖然很多病人沒有癱瘓而且大多數(shù)病人都有自己的家人照顧，但很多家屬不專業(yè)。當(dāng)燒傷病人身體大面積損壞的時候很多不專業(yè)的親屬都是不敢隨意翻動的。還有很多病人是剛做手術(shù)的，比如腰部手術(shù)，臀部、腿部手術(shù)等，這些病人在手術(shù)后的一兩周內(nèi)也是沒有獨立翻身的能力的，家人同時也是不敢大幅度翻動患者的身體。而對于一些體積大、重量重的患者，護士在翻身的時候也會有很大的難度，而且受力不均，容易造成二次傷害以及病人的不適。因此，需要一種工具輔助護理人員，減輕他們的負(fù)擔(dān)；同時該輔助工具也可以讓病人更佳獨立家人更佳放心。
多段翻身模塊機構(gòu)采用的是空間節(jié)約化設(shè)計理念，該理念強調(diào)用最小的空間實現(xiàn)最全的功能，相同的空間實現(xiàn)最多的功能，努力做到實物與理想設(shè)計一樣。
1.2選題的目的和意義
長時間臥床且無法獨立翻身的病人必須借助外力幫助完成，一方面是給患者更好的舒適度，另一方面是促進患者的血液循環(huán)，目前家庭或醫(yī)院都是通過人力完成這一動作。醫(yī)學(xué)實踐表明，患者長時間不翻身會阻礙血液的循環(huán)，導(dǎo)致肌肉萎縮、褥瘡產(chǎn)生以及關(guān)節(jié)僵硬等一系列的疾病。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，褥瘡是長時間臥床最容易產(chǎn)生的一種疾病，有些患者可能會因為嚴(yán)重的褥瘡而喪失生命。醫(yī)學(xué)護理相關(guān)知識給出相應(yīng)的規(guī)定，建議每個一至兩小時給病人做一次翻身，這樣不僅可以促進血液循環(huán)防止疾病產(chǎn)生，同時也可以給患者帶來更好的舒服姿勢。
然而定期給病人翻身給護理人員和家人都帶來的極大的不便，尤其是患者夜間的翻身工作。目前借助工具翻身的方式主要有兩種：一種是借助翻身床翻身，翻身床翻身主要是沿床對折，這種翻身方式會導(dǎo)致患者與床面之間發(fā)生相對的滑動，給患者帶來極大的不舒適感；第二種就是借助床單輔助翻身，這種方式本質(zhì)上并沒有降低使用者的勞動強度，只是將雙手翻身的用力變的更加均勻。
1.3國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀
美國的醫(yī)療護理產(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)護理醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)，它們所生產(chǎn)的醫(yī)療護理床種類涵蓋了幾乎所有醫(yī)療護理門類[10]。如圖1-1所示是由Stryker公司生產(chǎn)的S3型醫(yī)療床，它能夠通過運動機構(gòu)實現(xiàn)背部支起30°且擁有中置式制動器，能夠通過內(nèi)置機構(gòu)的協(xié)同運動實現(xiàn)對四個萬向腳輪的止動功能。
圖1-1 Stryker公司S3型護理床
日本同樣擁有巨大的護理床市場，八樂夢（Paramountbed）公司是全日本最大的醫(yī)療護理床生產(chǎn)企業(yè)，他們的產(chǎn)品遠銷全世界，圖1-2所示是八樂夢公司生產(chǎn)的ICARE PLUS四馬達電動床，通過將電動推桿作為直線運動驅(qū)動模塊，結(jié)合曲柄滑塊等機構(gòu)原理的運用可以實現(xiàn)背部支起，腿部彎曲，整床升降等功能。
圖1-2 八樂夢公司ICARE PLUS四馬達電動床
1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
在我國一方面由于護理意識較弱，另一方面由于技術(shù)起步較晚，因此護理床較其他發(fā)達國家較為落后。根據(jù)動力劃分，目前市場上主要是電動護理床和手動護理床。電動護理床可以讓患者更加獨立，幾乎不需要護理人員輔助，但伴隨著價格相對較高；手動護理床與其相反。根據(jù)床體翻折一般可以劃分為四類：一是兩折護理床，主要是沿床長度方向?qū)φ郏荒軐崿F(xiàn)支背功能，結(jié)構(gòu)簡單；二是三折護理床，該床是沿床長度方向折兩次，可以實現(xiàn)曲腿功能，用戶可以當(dāng)作輪椅使用；三是四折護理床，該床和三折床差不多，在此不多介紹；最后就是可以翻身的護理床，但其翻身功能主要是靠側(cè)板翻動實現(xiàn)的，翻身過程中會出現(xiàn)患者與床體相對滑動的現(xiàn)象，可靠性不高。
1.4本文主要研究內(nèi)容
本課題所研究的問題是借助機械機構(gòu)設(shè)計一種能給用戶帶來更好體驗的同時也能大大降低護理人員勞動強度的多段翻身機構(gòu)。首先，本文需要對多段翻身模塊的各項設(shè)計功能進行理論上面的可行性分析；其次是構(gòu)建多段翻身模塊的整體不布局及各部分的尺寸；最后建立模型，完成對各部分的受力分析以及強度校核。
因此，本課題對多段翻身模塊的研究主要分為一下幾個方面:
（1）整體設(shè)計方案：根據(jù)多段翻身模塊的設(shè)計功能以及設(shè)計指標(biāo)結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)首先給出多段翻身模塊的整體布局以及各部分詳細尺寸，最終確定多段翻身模塊的總體設(shè)計方案。
（2）機構(gòu)參數(shù)分析：總體方案確定后我們需要對翻身模塊的各機構(gòu)進行分析，分析內(nèi)容包括機構(gòu)的速度、加速度、位移以及角速度等。根據(jù)所分析的數(shù)據(jù)確定機構(gòu)是否合理，同時為后面的強度校核以及原動件選擇提供依據(jù)。
（3）建立模型：運用三維軟件SolidWorks對多段翻身模塊進行建模，選擇各個機構(gòu)的材料以及各部分的驅(qū)動方式。
（4）受力分析：為了保證所設(shè)計機構(gòu)的安全性及可靠性，運用三維軟件SolidWorks插件中的Motion或者Adams對各部分機構(gòu)進行受力分析以及強度校核。
（5）平面圖紙繪制：根據(jù)所建立的三維模型導(dǎo)出各零件的二維圖紙，以及整體的裝配圖。根據(jù)制圖標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注尺寸、形位公差、表面粗糙度、技術(shù)要求以及加工時的一些注意事項。
（6）加工審查：零件在加工過程中我們需要對零件進行全程的跟蹤觀察，一方面是檢查零件的加工是否符合本文所說明的技術(shù)及精度方面的需求；另一方面是防止零件加工過程中的遺漏缺失等一系列的問題。最重要的是觀察各個零件是否與圖紙一致。
（7）裝配調(diào)試：裝配調(diào)試是本課題的最后階段，裝配環(huán)節(jié)是驗證模型與實物是否一致，調(diào)試是為了檢測實物是否可以完成設(shè)計的功能，滿足用戶的需求。同時也再次驗證多段翻身結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。
2 需求分析及翻身模式
2.1需求分析
在設(shè)計多段翻身模塊翻身結(jié)構(gòu)時，既要達到預(yù)期的設(shè)計翻身功能，同時需要做到符合工程學(xué)的基本原理，保證產(chǎn)品可以安全穩(wěn)定運行的同時給用戶極佳的使用體驗。因此，在具體設(shè)計翻身結(jié)構(gòu)之前，需要分析正常人翻身模式總結(jié)翻身規(guī)律，然后結(jié)合患者實際情況總結(jié)分析獲得最終的翻身方式——變曲率翻身，如圖2-1所示。
圖2-1 變曲率翻示意圖
最大程度上減少人體和床板之間由翻轉(zhuǎn)身體產(chǎn)生的相對錯位，可以降低患者因長時間固定某種動作的不適感，更重要的是能夠避免加重背部有傷患者的病情，對其病情起到了保護作用。翻身機構(gòu)在給病人翻身的過程中，盡可能使重心運動軌跡與人體實際狀況中翻身重心運動軌跡保持一致性，從而有效減少人體因翻身而產(chǎn)生的窘迫感和不適感，避免在翻身的過程中出現(xiàn)人體重心急劇的起伏變化，減小因超重或失重造成血液對血管甚至心臟的沖擊等諸多狀況，可以有效保護心臟病及血管病患者。因此依據(jù)對翻身機構(gòu)功能的要求，設(shè)計翻身結(jié)構(gòu)可以按定軸轉(zhuǎn)動模型來，這樣減少因唯一滾動的移動分量帶來的相對錯位，保證人體翻身時重心運動軌跡和人體自然狀態(tài)下翻身重心軌跡一致，在提高患者身心舒適度的同時也消除重心不穩(wěn)給患者帶來的消極因素。
2.2定軸旋轉(zhuǎn)翻身
依據(jù)圖2-1所給的人體翻身模式，設(shè)計了圖2-2的定軸旋轉(zhuǎn)翻身機構(gòu)。
圖2-2 翻身機構(gòu)示意圖
因為左右翻身只是方向的不同，因此下面選擇向左翻身介紹。翻身時中間板圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)，正壓力是翻身過程中推動中間板轉(zhuǎn)動的主要動力。為了防止翻身時出現(xiàn)過度翻身的情況，以致患者身體正面直接與床面發(fā)生碰撞造成不必要的傷害，因此從理論上忽略了患者自身的重力以及患者于床面所摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩。翻身時各部分位置以及受力圖如圖2-3所示。
圖2-3 人體翻身受力圖
左邊床板于中間床板始終以一個固定的夾角圍繞兩板之間的固定軸旋轉(zhuǎn)，中間床板受到來自背后在正壓力、患者自身的重力以及左側(cè)床板對患者的支持力，三種力可以構(gòu)成一個完整的矢量三角形，因此理論上沒有摩擦力的存在或者存在的摩擦力是非常小的，這說明人體與床板之間沒有發(fā)生相對的滑動，因此，由此設(shè)計出來的機構(gòu)將給使用者帶來極大的舒適度。如圖2-4所示是多段翻身機構(gòu)左側(cè)翻身步驟原理圖。當(dāng)患者需要左側(cè)翻身時，左邊的翻身床板先圍繞中間的床板旋轉(zhuǎn)60°，此時兩塊床板之間的夾角固定成120°，然后兩塊床板之間的角度保持不變，兩塊床板圍繞固定軸一起向左轉(zhuǎn)動，當(dāng)左側(cè)床板達到初始位置時人體的翻身角度達到最大；當(dāng)患者需要恢復(fù)平躺時，兩塊床板依舊保持中間的角度不變，同時圍繞固定軸向右邊旋轉(zhuǎn)，當(dāng)中間床板達到初始位置時人體處于水平狀態(tài)，此時左側(cè)床板再次圍繞固定軸向左邊旋轉(zhuǎn)，直至床板水平。整個左側(cè)翻身與復(fù)原動作完成。同樣，右側(cè)翻身也是這樣的步驟，詳細的步驟圖解參考圖2-5所示。
圖2-4 左側(cè)翻身流程示意圖
圖2-5 右側(cè)翻身流程示意圖
2.3翻身床板布局
多段翻身模塊不僅是給患者以第一用戶的方式使用的，幫助他左右翻身改變睡姿，促進血液循環(huán)，降低疾病發(fā)生；同時也要考慮護理人員這樣的第三用戶使用情況，因此在具體設(shè)計的時候我們得考慮到所設(shè)計的翻身機構(gòu)是否也輔助到了家人或是護工的護需求，能否方便高效的幫助他們完成相應(yīng)的護理工作。護理人員在對患者進行護理時是通過分段護理的，比如說從頭部開始，到上身，再到臀部，最后是腿部，因此我們在設(shè)計的時候也應(yīng)該盡量符合他們的護理需求完成。
眾所周知人體的重量主要集中在軀干、大腿以及臀部三大處，因此翻身執(zhí)行機構(gòu)的布局應(yīng)以此三處為中心。圖2-6是翻身機構(gòu)的大體框架布局，最終詳細布局及尺寸將在第三章中給予介紹。
圖2-6 床板簡易布局圖
圖2-6中序號1代表上身翻身模塊，序號2代表臀部翻身模塊。
患者需要翻身時，上身翻身模塊與臀部翻身模塊同步繞定軸旋轉(zhuǎn)，兩個模塊始終保持在同一平面。護理時分為兩種情況，第一步同翻身模式一樣，當(dāng)需要對患者后背進行護理時，上身翻身模塊復(fù)位至原來位置，臀部翻身模塊保持不便，患者依靠在臀部翻身模塊上保持穩(wěn)定，后背護理結(jié)束后，上身翻身模塊恢復(fù)至臀部翻身模塊同一平面；同理，臀部護理時，兩個翻身模塊依舊完成第一步動作，然后臀部翻身模塊復(fù)位至水平位置，上身翻身模塊保持不便，護理完成后兩塊翻身模塊恢復(fù)同一平面，然后緩慢將患者放平。左右翻身原理相同。
2.4 本章小結(jié)
本章根據(jù)對正常人的翻身實際情況出發(fā)，分析翻身功能的需求，確定正常人的翻身方式是變曲率翻身，而目前市面上的護理床要么是沒有左右翻身功能，要么就是擠壓式的左右翻身，無法給用戶帶來較好的使用體驗。因此，本章分析了人力翻身過程中的受力問題，結(jié)合翻身模式最終確定了定軸旋轉(zhuǎn)的翻身方式。該方式可以高效的輔助護理人員護理的同時也可以讓患者獨立翻身更加方便。同時本章也給出了翻身框架的大致布局情況，為第三章的尺寸確定提前做了鋪墊。
3 多段翻身模塊總體方案設(shè)計
3.1設(shè)計要求
本論文研究的多段翻身模塊主要用于長期癱瘓在床或醫(yī)院翻身不變的病人，目的是減輕護理人員負(fù)擔(dān)，幫助患者獨立翻身，降低或防止褥瘡的發(fā)生。綜合考慮用戶及機構(gòu)功能的需求，多段翻身模塊最終因滿足一下幾點設(shè)計要求：
（1）用戶安全性。多段翻身模塊的用戶一般都是癱瘓在床或者不能獨立翻身的人群，對于這些人來說他們沒有解決或處理突發(fā)問題的能力，因此本文所設(shè)計的機構(gòu)要求安全可靠，最好具有機械限位、機械自鎖、電氣限位等功能，目的是確保多段翻身模塊的安全性。
（2）翻身功能性。長時間臥床，會阻礙身體血液循環(huán)，導(dǎo)致肌肉萎縮等一系列疾病，因此多段翻身模塊在功能上要解決上述情況。左、右、上、下翻身。
（3）操作方便性。由于用戶一般是病人，因此多段翻身模塊操作要便捷簡單。
（4）機構(gòu)緊湊性。多段翻身模塊在結(jié)構(gòu)上要做到緊湊，不應(yīng)該占用太大空間，安裝在護理床上不應(yīng)該出現(xiàn)臃腫情況。
（5）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性。為了增強機構(gòu)的互換性，多段翻身模塊的機械結(jié)構(gòu)以及控制模塊都應(yīng)遵循國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
3.2設(shè)計指標(biāo)
（1） 多段翻身模塊機構(gòu)承載能力
每個人的體重不同，同一個人的體重也會隨著年齡而發(fā)生變化，同時多段翻身模塊機構(gòu)旨在幫助更多需要幫助的人，因此本文將安全系數(shù)考慮后選擇了具有代表性的設(shè)計指標(biāo)，多段翻身模塊的承載力為200KG。
（2） 多段翻身模塊機構(gòu)的尺寸參數(shù)
多段翻身模塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)該緊湊，滿足正常醫(yī)療護理床的尺寸要求，同時保證各功能的實現(xiàn)。
本文根據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合目前市面上相關(guān)產(chǎn)品尺寸規(guī)定表3-1所示，最終確定多段翻身模塊適用床的整體尺寸為：長×寬×高=2000×900×440。（單位：mm）
表3- 1 YY 0003-90病床的基本尺寸要求
名稱
床面長度（不含床架）
床面寬度
床面離地高
尺寸
1900～2100
850～1000
380～630
（3）多段翻身模塊結(jié)構(gòu)翻身角度
如圖3-1所示可實現(xiàn)左、右翻身，中間的線段與水平面床板之間的夾角D表示翻身時身體翻過的角度。左右翻身分別由上身翻身和臀部翻身兩部分組成，在翻身時上身翻身和臀部翻身同時圍繞定軸轉(zhuǎn)動，通過身體的翻轉(zhuǎn)帶動小腿隨之翻轉(zhuǎn)。
圖2-1左、右側(cè)翻床板角度示意圖
多段翻身模塊的翻身角度是可以根據(jù)用戶需求自主調(diào)節(jié)的。表3-2 是根據(jù)相關(guān)文獻參考所給出的調(diào)節(jié)范圍。
左、右翻身可以根據(jù)護理人員的需要調(diào)節(jié)到不同的角度，方面護理人員的日常護理工作，同時患者用戶自己也可以改變自己是睡姿，達到促進血液循環(huán)的需求，防止長時間臥床的一系列疾病。
表3-2左、右翻身角度變化范圍
功能
該功能下角度的變化范圍
左翻身動作
0°～60°
右翻身動作
0°～60°
（3） 多段翻身模塊機構(gòu)自由度
多段翻身模塊各功能的實現(xiàn)是通過機械結(jié)構(gòu)完成的，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)運行的本原則：如果機構(gòu)要實現(xiàn)一個確定的運動，那么此機構(gòu)的原動件個數(shù)一定和自由度相等。因此，根據(jù)這一原則，在滿足設(shè)計功能的情況下我們要求盡量減少原動件數(shù)目。減少原動件的數(shù)目一方面降低了機構(gòu)的整體重量和故障的發(fā)生，增加了機構(gòu)的安全性；另一方面也大大降低了控制系統(tǒng)的要求。
3.3整體方案設(shè)計
3.3.1執(zhí)行機構(gòu)布局
多段翻身模塊要實現(xiàn)理想的設(shè)計功能，大體需要兩部分完成。一部分是驅(qū)動控制部分，另一部分是執(zhí)行部分。這里的執(zhí)行機構(gòu)主要是四塊床板，因此這四塊床板的尺寸很重要，能夠獨立運動的同時也可以配合運動完成相應(yīng)的設(shè)計功能。在做四塊床板尺寸設(shè)計的時候需要做到換位思考，考慮到用戶在操作過程中的體驗的同時也需要考慮使用者操作的方便性。因此最重要的數(shù)據(jù)是用戶的身體尺寸參數(shù)。具體人體參數(shù)我們可以參考GB/T10000-1988中國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)[11] 。但是由于人體尺寸因人不同，同時也因年齡不同，因此只能保證本文所選擇的尺寸是適合絕大多數(shù)中國人的，對一些特殊情況不給予考慮。
完成功能和尺寸設(shè)計后，需要進一步考慮幾個詳細的問題：①翻身功能實現(xiàn)的過程中各機構(gòu)不能出現(xiàn)干涉的現(xiàn)象，此問題可以在模型建立完成是時候使用運動仿真提前檢查。②在保證功能實現(xiàn)是情況下，需要保證各機構(gòu)的角度符合之前選定的參考角度范圍，以便給病人帶來更好的使用體驗。③為了提高機構(gòu)的完全性及可靠性，盡量考慮機構(gòu)的自鎖以及機械限位等問題。④最后需要考慮材質(zhì)及機構(gòu)的整體重量等。
圖3-2是多段翻身模塊在整床的空間分布及相關(guān)尺寸簡圖。整床的尺寸為：長×寬=2000×900（單位：mm），多段翻身模塊主要由六部分組成，分別是上身左側(cè)板1、上身右側(cè)板2、臀部左側(cè)板1、及臀部右側(cè)板2、支背中間板以及臀部中間板。每塊床板之間的連接方式是鉸鏈連接。
圖3-2多段翻身模塊床板簡圖
多段翻身模塊的用戶使用簡圖見表3-3。
表3-3多段翻身模塊在執(zhí)行各功能時床板動作示意圖
位 姿
各個床板動作
（平躺）
四塊翻身水平放置，保證人體處于水平狀態(tài)。
（左、右側(cè)翻身）
上身左側(cè)板1及支背板繞上身右側(cè)板2轉(zhuǎn)動；臀部部分以同樣的方式轉(zhuǎn)動，但中間部分與側(cè)邊部分不處于同一平面。
3.3.2執(zhí)行機構(gòu)尺寸
依據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督局1988年頒布的常用人體測量數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實際需求來確定本論文中各個床板詳細的尺寸，如表3-4。
表3-4床板尺寸表
床 板
尺寸（長×寬）單位:mm
上身側(cè)板1
720×200
支背坐起中間板
667×349
上身側(cè)板2
720×200
臀部側(cè)板1
414×200
臀部中間板
361×349
臀部側(cè)板2
414×200
3.3.3各段機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計
多段翻身模塊是最終實現(xiàn)功能的執(zhí)行機構(gòu)為各塊床板，機構(gòu)作為將動力傳出的中間組成部分是設(shè)計中的重中之重。因此在設(shè)計或是選擇機構(gòu)的各類方案時應(yīng)考慮下列四個基本原則：
（1）機構(gòu)類型。目前的機構(gòu)類型眾多，要實現(xiàn)一個特定的功能可能多個機構(gòu)都可以完成，因此可以從安全性、穩(wěn)定性、重量等多個方面參考選擇。
（2）機構(gòu)自由度。機構(gòu)實現(xiàn)具體運動的基本原則：原動件=自由度。因此在實現(xiàn)設(shè)計功能的條件下，盡可能的減少原動件數(shù)目，以此來增加機構(gòu)的安全性、可靠性，降低故障發(fā)生次數(shù)。
（3）機構(gòu)干涉。多段翻身模塊在實現(xiàn)各功能的同時保證各個機構(gòu)運動的同時不發(fā)生相互的干涉。
（4）機構(gòu)空間分布?？臻g分布如果安排合理得當(dāng)將會很大程度減少機構(gòu)的干涉，同時也可以獲得較好的支撐點。
結(jié)合上述的四個原則，最終選出多段翻身模塊的機構(gòu)。
實現(xiàn)翻身功能的機構(gòu)有很多種，本文的設(shè)計要求是60°，通過綜合的對比，結(jié)合各種機構(gòu)的優(yōu)缺點以及每種機構(gòu)的適用場合，最終確定了一下三種備選機構(gòu)。
圖3-3左、右側(cè)翻身機構(gòu)原理圖A
圖3-3是第一個機構(gòu)，這個機構(gòu)的動力原件是電動缸，每個部件之間是通過鉸鏈相互連接的。由圖可知，該機構(gòu)是由三個活動構(gòu)件組成，其中由有三個轉(zhuǎn)動副以及一個移動副，沒有高副存在，所以其自由度為：
電動缸為該機構(gòu)的動力源，經(jīng)計算，自由度數(shù)目與原動件個數(shù)相等，所以上述機構(gòu)具有確定的運動形式，同時也能符合翻身功能的設(shè)計需要。但是我們理論設(shè)計的翻身角度為60°，因此會導(dǎo)致電動缸的行程很大。一但電動缸的行程很大有可能會出現(xiàn)機構(gòu)干涉的問題，而且行程太大的電動缸伴隨著體積也會很大。不僅如此，翻身機構(gòu)是由四塊側(cè)板組成，這意味需要四個這樣的電動缸完成預(yù)期的設(shè)計功能，這將需要很大的空間來安置這四個電動缸，同時也大大增加了翻身機構(gòu)的總重量。綜合考慮這些因素，此機構(gòu)不適合多段翻身模塊。
圖3-4左、右側(cè)翻身機構(gòu)原理圖B
圖3-4是第二個機構(gòu)，這種機構(gòu)是由電磁鐵以及兩個連桿組成的可以選擇性自主變形的機構(gòu)。位置1和位置2分別置有電磁鐵，根據(jù)自己所需的翻身方向可選擇一端鎖定一端釋放達到預(yù)期功能。該機構(gòu)同樣也是由三個活動部分組成，其中有三個轉(zhuǎn)動副以及一個滑動副，同樣沒有高副，所以其自由度為：
同樣，機構(gòu)的自由度=原動件數(shù)目，所以第二個機構(gòu)也是有明確運動。也能實現(xiàn)多段翻身模塊的所需的設(shè)計功能。而且這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。但唯一缺點是安全性底，依靠電磁控制容易出現(xiàn)失靈的情況，這對臥床不能動的病人來說并不可靠。因此，此機構(gòu)不適合做翻身機構(gòu)。
圖3-5左、右側(cè)翻身機構(gòu)原理圖C
圖3-5是第三個機構(gòu)，這個機構(gòu)是由一個絲杠、兩個連桿、一個滾輪以及執(zhí)行機構(gòu)翻身板組成。由圖可知，其中有六個活動部件，其中低副有八個高副有一個，因此其自由度為：
動力輸出設(shè)備為步進電機，步進電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上的滑塊帶動連桿機構(gòu)運動，因此原動件只有一個，原動件數(shù)目等于自由度，所以第三個機構(gòu)確定的運動形式。這個機構(gòu)的角度變化范圍較大，主要由兩方面控制，一是滑塊在絲杠上面是行程，二是連桿三、四的長度。步進電機的正反轉(zhuǎn)可以帶動絲杠的正反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致滑塊的左右移動，最終實現(xiàn)所有翻身功能，且該機構(gòu)體積不大，適合醫(yī)療設(shè)備使用。
對比上述三種機構(gòu)的優(yōu)略性，綜合考慮第三種機構(gòu)各方面因素都符合，最終確定選擇第三種機構(gòu)作為多段翻身模塊的動力方案。
3.4驅(qū)動方案
目前市場上的動力設(shè)備主要有三種——電機設(shè)備、氣動設(shè)備、液壓設(shè)備。由于氣壓和液壓設(shè)備都是與氣壓泵和液壓泵組合使用，占用空間大，因此選擇電機設(shè)備。
多段翻身模塊主要是給病人或者生活不能自理的老年人使用，因此噪聲、穩(wěn)定性等相關(guān)的指標(biāo)有一定的要求，再結(jié)合翻身機構(gòu)使用的場合。最后確定多段翻身模塊機構(gòu)的原動件只能是步進電機。
多段翻身模塊選擇步進電機為原動件還有一下三個好處：一是步進電機能夠給機構(gòu)輸出穩(wěn)定的速度，有效保證機構(gòu)的平穩(wěn)運行，給病人更好的用戶體驗；二是步進電機可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，符合多段翻身模塊的設(shè)計要求；最后是步進電機的控制簡單，因此控制程序容易完成。
3.5 本章小結(jié)
本章主要是對多段翻身模塊的總體設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括一下幾方面：
（1）依據(jù)相關(guān)文獻規(guī)定的人體標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)出了多段翻身模塊執(zhí)行機構(gòu)床板的相關(guān)尺寸，以及各翻身執(zhí)行機構(gòu)的布局；
（2）對翻身模塊幾種備選機構(gòu)進行了分析選擇，最終選出適合我們設(shè)計的運動機構(gòu)；
（3）簡述了驅(qū)動設(shè)備，最終選定步進電機驅(qū)動絲杠滑塊的驅(qū)動方案。
4 多段翻身模塊運動學(xué)與動力學(xué)分析
4.1 翻身原理
多段翻身模塊的執(zhí)行機構(gòu)是由四部分組成的，分別為左上身翻身、右上身翻身、左臀部翻身、右臀部翻身。由于四個翻身機構(gòu)的翻身原理大致相同，只是所在位置和執(zhí)行方向不同而已，因此本文選擇一個翻身模塊對其進行運動學(xué)和動力學(xué)分析即可。如圖4-1是右翻身模塊的運動簡圖。
圖4-1右側(cè)翻機構(gòu)運動簡圖
如圖4-1所示，點A和點D是兩個固定的支撐點，桿AB是右翻身時支撐人體的床板。EDC為一根連桿，該連桿可以圍繞固定點D旋轉(zhuǎn)且再D點形成固定角ɑ。連桿EF與連桿EDC于E點相連，連桿EF與滑塊相連于F點。桿AB 與桿EDC于B、C兩點用一個半徑為R的滾輪相接觸?，F(xiàn)建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，并規(guī)定與X軸正向所成的角度為正角。
從圖4-1可以看出，當(dāng)左右移動滑塊的時候連桿EDC在連桿EF的拉動下可以圍繞固定點D轉(zhuǎn)到，進而由滾輪推動床板AB圍繞固定點A實現(xiàn)翻身功能。將曲柄滑塊以及轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿兩種機構(gòu)巧妙結(jié)合運用于翻身機構(gòu)，充分的運用了機械原理與設(shè)計的知識，很好的實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)里的翻身功能。
4.2 翻身模塊機構(gòu)的運動學(xué)分析
本文使用矢量方程對多段翻身模塊進行機構(gòu)的運動學(xué)分析，根據(jù)圖4-1的運動簡圖，可以將右翻身的多段翻身機構(gòu)分為兩個基本回路單獨計算。對于第一個回路ABCDA我們使用矢量方程得：
（4-1）
（4-2）
右圖可知γ是一個已知的角，θ1、θ2以及角β三個角是我們需要分析的。為了將式（4-2）化簡，我們將歐拉公式 帶入其中，再將其實部和虛部拆開，最終得到一下方程組：
（4-3）
對于第二個回路EDGFE使用矢量方程可得：
（4-4）
（4-5）
已知∠DGF=90°，φ=180°，以同樣的方式帶入歐拉公式，最終獲得一下方程組：
（4-6）
上面方程組中x代表的是運動滑塊在絲杠上面的位置。因此：
（4-7）
聯(lián)立式（4-3）、（4-6）和式（4-7）最終求出右側(cè)翻身角度θ1的角位移隨滑塊位置x的變化關(guān)系
(4-8)
根據(jù)上面計算結(jié)果，使用軟件繪出右側(cè)翻身角度θ1的角位移隨滑塊位置x的變化曲線如圖4-2所示。
圖4-2右側(cè)翻角位移隨滑塊位置的變化曲線
在此再次使用motion插件對多段翻身模塊機構(gòu)進行運動學(xué)分析。第一步需要給出滑塊的運行速度，該速度可以根據(jù)步進電機的轉(zhuǎn)速求出，第二步是給出滑塊的運動方向，最后使用軟件進行模擬。最終獲得翻身的角速度與角加速度隨絲杠上滑塊位置變化的兩幅曲線圖。
圖4-3右側(cè)翻角速度隨滑塊位置的變化曲線
圖4-4右側(cè)翻角加速度隨滑塊位置的變化曲線
4.3 翻身模塊機構(gòu)的動力學(xué)分析
現(xiàn)做如下假設(shè)：多段翻身模塊在工作過程中，上身側(cè)板和臀部側(cè)板所受的最大正壓力都是1500N，根據(jù)此假設(shè)模擬多段翻身模塊的受力隨絲杠上滑塊位置變化的對應(yīng)關(guān)系。在此我們分析的是圖4-1中點F的受力，同樣使用的是motion插件，設(shè)置好各種參數(shù)后獲得下面的曲線。
圖4-5 右側(cè)翻F點處受力隨滑塊位置的變化曲線
由上面的三種曲線可以直觀的看到所有曲線都是光滑的且不存在突變的折點或是斷點的情況。由此可以說明多段翻身模塊的設(shè)計是合理的，在保證了設(shè)計功能實現(xiàn)的同時也給用戶帶來了更好的舒適度，大大提高了用戶的使用體驗。也會增加產(chǎn)品的銷量。
4.4 本章小結(jié)
本章首先給出了多段翻身模塊右側(cè)翻身的運動簡圖，介紹了多段翻身模塊的基本原理。然后以右側(cè)翻機構(gòu)為例進行了分析，了解了機構(gòu)的形態(tài)特點和運行方式，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，通過對曲線走向的分析證明了多段翻身模塊運動機構(gòu)的設(shè)計是合理的。
5 多段翻身模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 多段翻身模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計
左右側(cè)翻功能是護理床不可或缺的功能。然而，從第一章的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前市場上無論是電動、手動、低檔、高檔的護理床都不具備左右翻身的功能，即使有簡單的左右翻身功能也是非常僵硬的翻身方式。因此，多段翻身模塊的設(shè)計與研究對目前的護理床發(fā)展極為重要。
對于癱瘓在床的病人來說，目前市場上那種兩著、三折的護理床只能提供支背功能，所以患者只有兩種姿勢，要么平躺床上，要么支背坐起。長時間的平躺會導(dǎo)致血液循環(huán)受阻，背部肌肉僵硬，營養(yǎng)無法傳送到需要的部位，時間長了會導(dǎo)致褥瘡的產(chǎn)生。多段翻身模塊的加入可以讓患者平躺時的睡姿更加多樣，患者可以根據(jù)自己的需要調(diào)整睡覺的角度與方向，大大促進了血液的流動，使得背部與身體側(cè)面的受力更加均勻，有效的減少了類似褥瘡這樣的疾病發(fā)生。還有，當(dāng)患者體形較大時，如果護理人員沒有足夠的力氣，護理起來是非常困難的一件事。首先他們需要將患者翻起身來，然后一只手幫助患者固定身體姿勢，另一只手給患者進行清理工作。翻身過程中由于兩只手的受力補均勻可能導(dǎo)致患者嫉妒不舒服，當(dāng)一只手做清潔工作的時候可能沒法做到完全清理干凈的地步。因此，加入多段翻身模塊就很輕松的解決了護理方面的這兩個問題。
正如前面設(shè)計所說的，本文所設(shè)計的多段翻身模塊主要是由兩大部分組成的——上身翻身模塊和臀部翻身模塊。為什么要將翻身模塊設(shè)計為兩個部分呢，主要是為了他們在運動的時候可以做到同步運動的同時又可以單獨運動。同步運動當(dāng)然和用一塊翻身模塊所得到的結(jié)果一樣，但是獨立運動就能很好解決護理人員護理過程中遇到的麻煩了。護理人員的護理一般都是分塊進行的，從頭部依次到身體，臀部，腿部，最后到腳。因此，當(dāng)護理人員需要對患者進行上身擦洗的時候可以先同時啟動上身模塊和臀部模塊，當(dāng)翻身角度達到我們護理需要的角度是，我們停止翻身動作，同時將上身模塊復(fù)位至剛才的起始位置，這時患者的臀部依靠臀部模塊，護理人員開始對患者上身部分進行擦洗按摩等操作；當(dāng)需要對下身護理時，我們將上身模塊恢復(fù)至剛才所轉(zhuǎn)過的角度位置與臀部模塊在同一平面，此時將臀部模塊復(fù)位至最初位置。然后患者依靠上身模塊，護理人員開始進行護理工作。護理工作完成后，臀部模塊恢復(fù)至剛才平面，此時兩個模塊同時復(fù)位，患者回到最初的平躺位置。這種護理方式不僅讓患者的背部受力更加均勻，同時也大大降低了家人與護理人員的勞動強度，即使是小孩也可以完成。
在前面的第二章、第三章以及第四章我們已經(jīng)給出了多段翻身模塊的詳細介紹過程，并且也對各個機構(gòu)運行的情況進行了運動學(xué)以及動力學(xué)的多方面分析?，F(xiàn)在開始我們將以前面的理論數(shù)據(jù)為依據(jù)開始對多段翻身模塊機構(gòu)進行一系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因為上身翻身模塊與臀部翻身模塊機械結(jié)構(gòu)大體相似，因此下面本文選擇上身翻身模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計給大家做出介紹。本章介紹分為三個部分，一是床板的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，二是運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后是確定電機的選型。
5.2 翻身模塊床板框架的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
翻身模塊的床板框架結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個多段翻身模塊運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，翻身模塊床板框架需要配合翻身運動機構(gòu)一起運行，在機構(gòu)運行形式上，翻身運動機構(gòu)和床板框架機構(gòu)構(gòu)成一組串聯(lián)式組合，翻身的運動機構(gòu)的運動輸出作為床板框架機構(gòu)的運動輸入，使床板框架隨翻身運動機構(gòu)一起運動。
翻身模塊床板框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點在于它需要同時具備向左翻身和向右翻身的功能，兩者的運動機構(gòu)需要以最少的空間占用布置在床板框架上，同時要保證不會發(fā)生機構(gòu)的運行干涉情況。經(jīng)過三維建模分析，最終設(shè)計出如下圖所示的嵌套翻身床板框架機構(gòu)形式。
圖5-1 翻身床板框架機構(gòu)形式
如圖5-1所示的嵌套式翻身床板框架形式可以巧妙的將左翻身機構(gòu)和右翻身機構(gòu)融合在一個框架平面中，有效的節(jié)省了床板的機械結(jié)構(gòu)空間。如圖5-1所示，翻身床板框架分為四個組成部分，即：左側(cè)小側(cè)翻框架、右側(cè)小側(cè)翻框架、中間翻身外框架和中間翻身內(nèi)框架，當(dāng)床板的機械框架結(jié)構(gòu)需要執(zhí)行向左側(cè)翻身時，翻身床板框架的中間翻身內(nèi)框架將繞其與左側(cè)小側(cè)翻框架之間的轉(zhuǎn)動副軸線進行翻轉(zhuǎn)，同時右側(cè)小側(cè)翻框架也會通過一個隨動結(jié)構(gòu)的設(shè)置使其隨中間翻身內(nèi)框架的運動而以一固定角度被抬起。同理，當(dāng)翻身床板框架機構(gòu)需要執(zhí)行向右側(cè)翻動作時，中間翻身外框架會繞其與右側(cè)小側(cè)翻框架之間的軸線進行翻轉(zhuǎn)，同時左側(cè)小側(cè)翻框架會在隨動結(jié)構(gòu)的作用下使其隨中間翻身外框架的運動而被抬起并與中間翻身外框架保持一定角度。
為了滿足上述的功能要求，翻身床板框架機構(gòu)需要設(shè)置有八個轉(zhuǎn)動鉸鏈，且根據(jù)結(jié)構(gòu)占用空間最小化的要求及防止結(jié)構(gòu)間干涉的要求，需要將兩處的轉(zhuǎn)動鉸鏈設(shè)置成由兩個鉸鏈結(jié)構(gòu)組合而成的形式，這對翻身床板框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高要求，有一定的設(shè)計難度，難度在于：1、需要在完成鉸鏈和翻身床板框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時還要保證翻身床板框架中各部分框架的強度要達到設(shè)計要求；2、要充分考慮與翻身驅(qū)動機構(gòu)的銜接，如何能從機構(gòu)上做到能較好的完成左右翻身時床板框架結(jié)構(gòu)與翻身多模態(tài)機構(gòu)的銜接，又能保證翻身運動時機構(gòu)運行的安全性。以上兩點是翻身床板框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要重點考慮的地方，經(jīng)過同導(dǎo)師的交流與仿真實驗，最終得到了現(xiàn)在的設(shè)計方案。翻身床板框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖5-2所示。
1、左側(cè)翻身角度保持板；2、組合式鉸鏈塊（1）；3、分離式鉸鏈塊（1）；
4、右側(cè)翻身角度保持板；5、左側(cè)小側(cè)翻框架；6、組合式鉸鏈塊（2）；
7、中間翻身內(nèi)框架；8、中間翻身外框架；9、分離式鉸鏈塊（2）；
10、右側(cè)小側(cè)翻框架
圖5-2 翻身床板框架結(jié)構(gòu)示意
上圖所示即為翻身床板框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中組合式鉸鏈塊的結(jié)構(gòu)形式如下圖5-3所示。
圖5-3 側(cè)翻組合式鉸鏈
通過實物制作和組裝調(diào)試，驗證了所設(shè)計翻身床板框架結(jié)構(gòu)和組合式鉸鏈結(jié)構(gòu)能夠很好地完成左右側(cè)翻功能，滿足了設(shè)計要求。
5.3 翻身模塊翻身運動機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
完成了翻身模塊的翻身床板框架的機械機構(gòu)設(shè)計后緊接著需要對翻身運動機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時需要考慮翻身運動機構(gòu)與床板框架結(jié)構(gòu)的銜接方式，使翻身運動機構(gòu)的翻身驅(qū)動力能夠較好的傳遞給床板框架以完成床板的翻身操作。
前兩章對翻身模塊的多模態(tài)運動機構(gòu)構(gòu)型進行了選擇設(shè)計及運動分析，現(xiàn)在將前兩章得到的設(shè)計參數(shù)用于本節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最終設(shè)計出了如圖5-4所示的機械結(jié)構(gòu)。
1、支撐座非電機端；2、光軸（1）；3、左翻身杠桿圓??；4、右翻身從動滑塊；
5、右翻身軸承連桿；6、右翻身杠桿圓??；7、左翻身軸承連桿；8、螺母滑塊；
9、左翻身從動滑塊；10、包膠輪；11、絲杠；12、光軸（2）；13、步進電機；
14、20齒皮帶輪；15、傳動皮帶；16、28齒皮帶輪；17、支撐座電機端
圖5-4 翻身模塊運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意
上圖展示了翻身模塊進行右側(cè)翻身功能時的全部運動機構(gòu)的形態(tài)，它包括了翻身床板框架機構(gòu)及翻身運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意，同時也展示了翻身模塊的驅(qū)動機構(gòu)示意。
如圖所示，翻身模塊驅(qū)動機構(gòu)主要由：支撐座非電機端、光軸、絲桿、左翻身從動滑塊、右翻身從動滑塊、螺母滑塊、支撐座電機端、20齒皮帶輪、傳動皮帶、28齒皮帶輪及步進電機這11個部分組成，當(dāng)運動機構(gòu)需要執(zhí)行向右翻身運動時，控制系統(tǒng)向步進電機發(fā)出指令控制其以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，同時通過皮帶傳動帶動絲桿轉(zhuǎn)動，配合在絲杠上的螺母滑塊也從初始位置開始向左移動并帶動右翻身從動滑塊向左移動，從動滑塊移動的同時將帶動鉸接在其上的右翻身軸承連桿運動，右翻身軸承連桿又將拉動右翻身杠桿圓弧繞其固定在兩個軸承座上的軸轉(zhuǎn)動，右翻身杠桿圓弧最終通過固定在其上的包膠輪將床板框架結(jié)構(gòu)上的某根橫梁頂起，頂起的同時，包膠輪也在橫梁上滑動，最終使中間翻身外框架向右翻起，完成翻身功能的運行。左側(cè)翻身時機構(gòu)的運行方式同右側(cè)翻機構(gòu)的運行方式一樣，這里不再贅述。在進行左、右側(cè)翻的過程中，左、右側(cè)小側(cè)翻框架會分別在左、右側(cè)翻角度保持板的作用下被抬起，實現(xiàn)分別與中間翻身內(nèi)、外框架的隨動，這樣設(shè)計的目的是能夠?qū)崿F(xiàn)對使用者的左、右手臂進行保護，防止在側(cè)翻時左、右手臂因自由落下進入床板下部空間而造成的危險。
5.4 翻身模塊驅(qū)動電機的選擇
驅(qū)動電機的選擇對于翻身模塊的安全性要求來說是個重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，所選擇的電機的保持轉(zhuǎn)矩一定不能低于在翻身模塊承受最大設(shè)計壓力時絲杠所需要的驅(qū)動扭矩。
由第四章的翻身模塊多模態(tài)運動機構(gòu)的動力學(xué)分析中，得到了如圖4-5所示的受力曲線，從圖中可知F點的最大受力為2259N，可將這個受力值取作絲杠的最大軸向負(fù)載，又通過查資料知絲杠的驅(qū)動扭矩計算公式為：
（4-1）
上式中Ta表示軸向負(fù)載，單位為kgfmm，F(xiàn)a=F+μmg,F為絲杠的軸向切削力，μ表示導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)，m表示移動物體的重量（工作臺+工件），單位kg，g取9.8N/kg，I表示絲杠的導(dǎo)程，單位為mm，n1表示進給絲杠的正效率。這里選擇的絲杠導(dǎo)程為5mm且不考慮移動物體和工作臺的重量，取軸向負(fù)載等于2259N，取n1=0.94，將數(shù)據(jù)帶入式（4-1）中，得到絲杠的驅(qū)動扭矩為：
結(jié)合實際調(diào)試時的經(jīng)驗，將電機轉(zhuǎn)速調(diào)至90-100r/min時能滿足翻身運動模塊的穩(wěn)定舒適運行，現(xiàn)根據(jù)品牌產(chǎn)品手冊選擇一款由東方馬達生產(chǎn)的PKP268D28A-L型雙極性單軸步進電機作為翻身功能模塊的驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線如下圖5-5所示。
圖5-5PKP268D28A-L型步進電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線
從產(chǎn)品選型手冊上查到PKP268D28A-L型雙極性單軸步進電機的保持轉(zhuǎn)矩為2.3N·m，額定電流為2.8A，電壓為3.4V，基本步距角為1.8°，從上面圖4-13中可以看出當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為90-100r/min時，最大同步轉(zhuǎn)矩約為2.0N·m，大于絲杠的驅(qū)動扭矩，滿足翻身模塊的驅(qū)動要求，因此最終確定選擇PKP268D28A-L型步進電機作為翻身模塊的驅(qū)動電機。
5.5 本章小結(jié)
本章主要完成了對多段翻身模塊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，從多段翻身模塊的床板機械結(jié)構(gòu)設(shè)計到運動機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計再到電機的選型，設(shè)計過程中具體做到了下面幾個方面的內(nèi)容:
（1）對多段翻身模塊的床板框架進行了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，床板框架的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是此次設(shè)計過程中的重中之重。在左翻身和右翻身的過程中都需要中間床板隨之運動，因此，中間床板與兩邊床板的連接方式就顯的尤為重要。本設(shè)計將中間床板分為兩個部分，中間外框和中間內(nèi)框。中間外框與中間內(nèi)框和左右兩遍的翻身床板通過復(fù)合式鉸鏈相互連接，此嵌套式設(shè)計充分的節(jié)約空間的同時也解決了中間床板得分別和兩側(cè)床板單獨運動的問題。很好的實現(xiàn)了左右翻身功能，滿足了設(shè)計的需求。
（2）其次本文對多段翻身模塊的運動機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。運動機構(gòu)的設(shè)計需要考慮與床板的銜接方式，使得由步進電機輸出的動力很好的傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)相應(yīng)的翻身功能。運動機構(gòu)的動力輸出是步進電機，步進電機通過皮帶齒輪與絲杠連接帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上的滑塊在絲杠的正反轉(zhuǎn)動下左右移動并通過連桿帶動左右翻身杠桿圓弧實現(xiàn)最終的左右翻身功能。
（3）明確多段翻身模塊的驅(qū)動形式后。需要最終確定步進電機的型號。驅(qū)動電機的選擇對于翻身模塊的安全性要求來說是個重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，所選擇的電機的保持轉(zhuǎn)矩一定不能低于在翻身模塊承受最大設(shè)計壓力時絲杠所需要的驅(qū)動扭矩。根據(jù)前面計算得到的機構(gòu)運動過程中的最大受力求得絲杠的最大轉(zhuǎn)矩，再選定步進電機的品牌，依據(jù)品牌所給的產(chǎn)品手冊選擇本文所需要的步進電機型號。
6 裝配調(diào)試與強度校核
6.1 多段翻身模塊的強度校核
翻身模塊中臀部翻身模塊是承載人體重量的重要模塊，而臀部翻身模塊的床板框架結(jié)構(gòu)中的兩根主橫梁是主要的受載部件，其選用Q235冷軋鋼管作為加工原料。它們的承載能力直接決定了臀部框架的承載能