第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
本课题来源于江苏省产学研前瞻性联合研究项目“基于多功能电动护理床结构的仿真研究和产品开发”(BY2015065-03)。随着社会经济持续快速发展，生活水平不断提升，人们渴求高品质医疗及家庭护理的心声越来越迫切。与此同时，社会也越来越关注功能障碍群体—老年人、慢性病人、瘫痪病人和残疾人士。因此，一套好用、易用、通用、充分迎合用户心理的护理系统来帮助此类群体生活自理就显得尤为重要[1]。人口老龄化是世界人口变动的趋势，它将成为人类社会的常态。人口老龄化持续发展下去所带来的冲击将不逊色于全球化、城市化、工业化等人类历史上任何一次伟大的经济与社会革命[2]。联合国人口司 2010 年发布的《世界人口老龄化(2009)》报告(World Population Aging 2009)显示，1950 年至 2009 年期间，全球范围内 60 岁以上人口所占比例已经从 8%上升到 11%[3]。同时，我国的人口老龄化问题同样十分严峻。党的十八届五中全会公报提出促进人口均衡发展，完善人口发展战略，我们应积极开展应对人口老龄化行动。根据 2010 年全国第六次人口普查结果显示，60 岁及以上人口将近 1.78 亿人，占总人口的 13.26%，并以每年 3.3%的速度在增加，并且这种发展趋势短时间内不会缓解[4-5]。据估计，到 2020 年，我国老年人口比例将达到 17.17%，2050年至 2100 年期间，我国老年人口将维持在 4 亿人左右，占总人口比例的 30%以上[6]。随着的不断增长，肌体的活性组建会逐渐减弱，对疾病的抵抗力就会下降，特别是在老龄阶段更容易患上慢性疾病。根据统计资料显示，我国老人当中约 79.1%的人患有一种或一种以上的慢性病。通常慢性病的治疗时间长、见效慢，这就使得治疗期间的患者在生理、心理上产生痛苦，同时还加大了患者家属和医护人员的护理难度[7]。慢性病往往会造成患者长期卧床、生活不能自理情况，并呈现日益上涨的趋势。相关资料统计，国内需要康复护理器械的患者高达 1500 多万人，其中由脑溢血疾病导致瘫痪的就年达 300 万人[8]。还有就是残疾人士，其人口总数已超过六千万，占全国总人口的 5%，其中仅肢体残疾就有 877 万，及其他残疾 782 万[9]。现阶段我国的老年人、慢性病人、瘫痪病人和残疾人士主要由家庭照顾，而“空巢家庭”现已成为家庭的一种主要形式。目前我国家庭的空巢率已达到 26.4%，在未来 10 年空巢率将达到 90%乃至更高，这就使得越来越多的老年人“照顾缺位”。目前我国在社会保障体系建设方面还不完备，社区所能给予老人的照顾还远远不够，特别在农村家庭中这种现象更是突出[10]。
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1.2 多功能护理床发展概述
最初的护理床大都是普通的钢制病床，制作粗糙、功能单一。主要目的是为了防止患者从床上掉下来，后来床两边安装了护栏和护板。为了解决患者坐起和躺下姿势的变换问题，人们采用手摇的机械传动方式让患者坐卧，这类护理床在目前护理床市场最常见，如图 1.1 所示。进入 20 世纪 90 年代，电动护理床出现在医疗护理中，电动代替了手摇，如图 1.2 所示。特别是微电脑技术融入到了护理床领域中，可对患者进行综合护理，不仅解决了日常的护理需求，还增加了保健功能，实现了从单纯的护理向具备保健功能的突破和发展。现如今护理床已从单纯机械式走向了电动化、自动化、智能化[14]。多功能护理床区别于普通的护理床，它是将普通护理床数字化、智能化和网络化的产物。多功能护理床涵盖了机器人结构设计与仿真、人机工程、环境感知与避障、模式识别、人机交互、多模态交互技术、控制技术等，跨机械学、智能控制技术、传感技术、计算机技术、生物医学等众多领域，可应用于家庭、社区服务、康复中心、疗养院、医院等场所。它能够帮助患者恢复运动机能，更好的适应生活，享受生活的乐趣。它将成为未来医疗护理的一个重要发展方向[15]。
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第 2 章 多功能护理床总体方案设计
本论文研究的多功能护理床是针对老年人、慢性病人、瘫痪病人和残疾人士而设计，旨在能够辅助功能障碍群体独立完成日常的生活，同时又具备一定的肢体康复功能。本护理床总体方案是以设计原则为基础，依据设定的功能要求及设计指标来进行的，从而完成总体布局、各功能模块机构设计。
2.1 设计原则
多功能护理床的设计应遵循以下原则:(1) 安全性原则护理床在使用过程中直接和人体相互接触，其使用者多为老年人、慢性病人、瘫痪病人和残疾人士，这类人群的身体相对于正常人而言更容易受到伤害，并且大部分情况下是让使用者自己独立进行操作使用。因此，在多功能护理床结构设计、控制系统设计过程当中，安全性是优先考虑的一个原则。(2) 人性化原则人性化设计更多考虑了人的行为习惯、人体的生理结构、人的心理情况、人的思维方式等。多功能护理床应让使用者使用起来非常方便、舒适。比如护理床各部分结构尺寸应适应人体相关尺寸；设计过程中要尽量使加速度最小；运行之前先进行语音提示，以便使用者做好准备等。(3) 功能多样化原则由于使用者的需求不同，多功能护理床所拥有的功能也多种多样。一般除基本日常的体位要求之外，特殊群体还会有高层次方面的要求，比如生命体征参数智能检测等。本护理床应在合理设计的范围内，最大程度丰富护理床功能。(4) 容错性原则容错性是指系统在故障存在的情况下仍然能正常工作。多功能护理床含有多种功能，但它们面向的使用对象存在记忆力不好、操作时颤抖等诸多可能的情况，因此容错性设计原则是非常重要的。(5) 模块化原则采用模块化设计可以更早的发现问题，在产品设计过程当中掌握全局，还可以减掉与自身领域无关的细节。大大缩短了设计周期、降低了设计风险、提高了产品的可靠性和设计质量。模块化设计，使得不同购买力的使用者可以通过选购需求的功能来实现价格的多元化和合理化。
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2.2 功能要求及设计指标
本课题对护理床市场进行了调研，并从患者、家庭、康复助残机构三个方面进行了需求分析，在充分满足使用者-特殊群体的功能需求前提下，使多功能护理床的功能进一步丰富。其功能有体位调整类功能、智能坐便功能、洗漱及健身功能[41]。(1) 体位调整类功能该多功能护理床的设计是帮助使用者独立的完成日常生活，提高使用者的生活质量，减轻护理人员的工作量。具体包括：平躺、支背、屈腿、左右侧翻、床身升降及前后倾斜等功能。(2) 智能坐便功能行动不便的人去厕所解便是一项繁琐的事情，特别是对于瘫痪病人及术后的病人。此外，护理人员对于便后污物处理工作也是反感的。因此使用者在不离开床的情况下自主完成解便、自动处理污物，即智能坐便功能对多功护理床来说就十分必要。主要功能如下图 2.1 所示。
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第 3 章 多功能护理床机构设计与运动学分析........... 26
3.1 支背机构参数设计与运动分析.........27
3.2 屈腿机构参数设计与运动分析.........31
3.2.1 屈腿机构参数设计.....31
3.2.2 屈腿机构运动分析.....33
3.3 侧翻机构参数设计与运动分析.........36
3.3.1 侧翻机构参数设计.....36
3.3.2 侧翻机构运动分析.....37
3.4 本章小结.........38
第 4 章 多功能护理床结构详细设计......... 39
4.1 整体床架的结构设计和材料选择.....39
4.2 各体位调整模块结构设计........40
34.3 智能坐便系统设计...........45
4.4 洗漱及健身装置设计.......49
4.5 降噪措施.........50
4.6 多功能护理床整体结构............51
4.7 本章小结.........52
第 5 章 关键零部件的有限元分析.... 53
5.1 有限元分析法介绍...........53
5.2ABAQUS 软件介绍...........53
5.2.1ABABQUS 的特点......53
5.2.2ABAQUS 分析过程.... 53
5.3 床架有限元分析......55
5.4 背部支撑板的有限元分析........58
5.5 本章小结.........61
第 5 章 关键零部件的有限元分析
多功能护理床的安全性、可靠性是其设计的首要准则，尤其对于关键零部件必须保证其安全、可靠。本章使用上文中已完成的几何模型，对护理床的关键零部件做有限元分析。
5.1 有限元分析法介绍
有限元分析法(FEA)是指利用数学中近似的方法对现实物理问题（载荷和几何工况）进行模拟分析。利用丰富且相互作用的单元，模拟各种材料属性，从而用有限个未知量去逼近无限个未知量的真实环境。有限元分析法广泛应用在零件强度、刚度计算和校核问题。有限元分析法的基本思想就是把一个分析对象分割为若各干个有限单元，分别对每个单元进行受力分析，研究单元的力学特性，所有单元力学特性的总和组成了该分析对象的力学特性。基于这一原理及物理平衡关系建立方程组，对方程组进行求解便可以得到分析对象的各种力学参数的解。有限元软件比较常用的有 ABAQUS、ANSYS、Hypermesh、Patran/Nastran。其中，ABAQUS 包括一个非常丰富的单元库，可以模拟各种材料和几何形状，它既可以解决简单的线性分析又可以解决复杂的非线性问题。由于 ABAQUS 存在上述优点，本次护理床零部件有限分析使用 ABAQUS 进行。ABAQUS 是一款具有非常强大功能的有限元软件，它包含两个主求解器：Standard 求解器和 Explicit 求解器，还有一个功能强大的用户界面 CAE，能全面支持两个求解器，适用于求解各种线性和非线性问题。ABAQUS 单元库非常丰富，并且拥有各种材料的模型库，不仅可以模拟金属、岩石、钢筋混凝土，还可以模拟复合材料、高分子材料、橡胶及其他常用工程材料。ABAQUS 求解复杂问题的能力很强，在各国的工业和研究中应用很广。
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总结
为满足各种失能人群、慢性疾病人群、老年患者及残障人士对功能多样化、智能化、操作简便、安全性高的用品用具和高品质的服务的渴求，本文设计了一种多功能护理床。该护理床集病床、康复、健身于一体，能方便的应用于家庭、医院、康复中心的日常护理，也可由用户自己控制进行肢体康复训练，给用户提供即安全又舒适的康复条件。本文的研究成果总结如下：
(1) 以现代设计理论和人机工程学为基础，对护理床进行总体方案设计。依据标准(YY0003-90)及市场调研，制定多功能护理床的设计准则、功能需求及设计指标；确立了护理床的基本模块：总体框架、支背模块、屈腿模块、翻身模块、床身升降及前后倾斜模块、洗漱健身模块和智能坐便系统七大功能模块，并进一步优选了各功能模块机构构型；完成了控制系统方案设计和驱动部件选型及能源供给方式。
(2) 对多功能护理床进行了机构设计并对机构进行了运动学分析。首先对各机构中的构件的尺寸进行设计，然后对各机构的运动规律进行分析。具体是求出相应机构中关键点的位移、速度和加速度，并对位移、速度及加速度的函数关系式分析，运用ADAMS 软件完成了对理论计算结果的验证分析，消除理论计算中一些假设产生的误差，确保机构设计合理，并为后续动力研究提供理论依据。
(3) 完成了多功能护理床结构详细设计。包括各部件的材料选择，床架、支背机构、屈腿机构、侧翻机构详细设计以及相应驱动部件的选型和设计。其中，智能坐便装置及健身洗漱装置体现了产品科学化和人性化，是本护理床的一大特色。
(4) 利用 ABAQUS 软件对床架及背部支撑板在受力极端的情况下进行了分析，得出了应力云图和位移量云图，并得出了最大应力及最大位移量发生的部位。验证了应力及位移量均在材料的安全范围内，满足工作需要。
(5) 完成了整套(共 250 余张)工程图绘制，并制作多功能电动护理床样机 1 台。
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参考文献（略）