开 题 报 告

1 课题介绍

1.1课题名称：

多功能医用护理床的结构设计及优化   

1.2课题背景

1.1 课题的目的及意义

多功能医用护理床是针对生活不能自理的病人、危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。课题根据国家和上海市中长期发展纲要确定的研究方向和企业的具体需要，设计一种用于医院重症病人用的多功能床，解决病人身体和生理方面的需要（抬背、翻身等），也减轻护理人员的劳动强度。针对市场需求开发设计一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能护理床并进行动态仿真，对于产品的产业化具有重要的意义。

1.2 国内外研究状况及发展趋势

随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人口寿命不断延长，思想的进步，城市人口正逐步进入老龄化,人口老龄化已成为世界范围内的社会问题。据统计，欧洲发达国家和日本的老年人独居率已高达40%，如此之高的比例迫使社会采取措施解决老年人的护理服务问题。如果完全依靠家庭人工照料，与西方国家子女与老年人分居、家庭规模小型化的观念有抵触之处。我国60 岁及其以上老年人口已达1.32 亿, 占全国总人口的10%, 并以年均3.32%的速度持续增长。其中“空巢家庭”占所有老龄家庭总数的25.8%,在一些大城市中该比例更大，解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护问题是人口老龄化国家所面临的共同问题^[1]。为此, 国家也大力加强了对护理机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或长期使用病床的病人提供一个集护理和排泄等各功能于一体的多功能护理床。现在家庭需求护理床的潜力日益增加,以前是简易的记理床,后来加上护栏,餐桌;再后来加上大便孔,轮子;现在产生了很多集多功能为一体的多功能,电动护理床,极大的提高了患者的康复护理水平,也为护理人员提供了极大的方便,所以操作简单,功能强大的护理产品越来越受到追捧。

护理床在国内的设计研究尚处于初级阶段，产品的功能、结构、造型有待进一步的完善。国外护理床的研究以德国、日本为代表，各种护理功能正在逐步完善，成熟。但因其价格昂贵（一般售价在20 万人民币以上），很难为一般的消费者所接受。护理床的基本分类情况如下^[1]：

1.3 工作内容和要求

可编程控制器(PLC) 作为新一代的工业控制装置, 由于具有结构简单、组合灵活、性能优良、通用性强、简单易用等特点, 特别是它的高可靠性和适应性, 深受广大用户的欢迎, 已在工业控制中得到了广泛的应用^[4]。现在的PLC 可管理高达5000 多点的I/O 口，并有很高的指令执行速度和高可靠性，使它能满足多轴运动控制系统的控制要求。PLC对护理病床多轴运动控制主要的优势表现为有足够容量的存储单元和大量高速运算指令，能够进行各种接口、通信、数据逻辑运算及复杂的逻辑控制。然而PLC 的高可靠性、灵活高速的运算指令并不能弥补其昂贵的造价和有限的扩展性。而MS51 系列单片机系统却以其低成本、高集成、速度快、易扩展被广泛地应用于工业生产的方方面面。

图1-4 一种嵌入式控制器控制框图

1.2.4 机器人化智能语音系统

语音作为当前控制方法中最自然的控制命令, 随着计算机和语音处理技术的发展 ,语音识别系统的实用性不断提高。语音识别控制技术将是今后一段时期语音技术的发展方向。将语音识别技术引入到护理床控制，将为丧失自理能力的使用者带来极大的便利。护理床的语音控制系统包含语音识别模块和语音回放模块，从而使护理床不但能实现语音控制操作，而且通过语音回放模块可以为使用者提供语音反馈，更有亲和力，更具人性化。语音控制技术是现有各种控制方式中的一种高级控制方式,它具有控制方式自然、方便,亲和力好,适用范围广的特点. 将语音控制技术引入到护理床的控制之中,将极大地方便使用者,尤其对于那些丧失或部分丧失活动、自理能力的患者而言,语音控制可以帮助他们增强自信心,减轻对他人的依赖,增添生活的勇气和信心^[13]。

 (1) 语音信号的采集处理过程

语音信号是一种典型非平稳信号，但常常可假定为短时平稳的，既在10－20ms内其频谱特性可近似看作不变，可采用平稳过程的分析处理方法来处理，即语音信号的时域处理方法。

图1-5 语音信号处理过程

(2) 语音识别方式

语音识别分为特定人识别系统和非特定人识别系统，由于使用者的语音以及地方语言存在很大差异性，我们使用可不依赖于对地方语言识别的特定人识别系统，即每一位使用者都必须在使用前建立自己专用的参考模式库，然后说话人的语音数字流与一套公用的参考模式库啮合，进行少量的训练修改，使之能自动适应用户的语音特性。

(3) 语音回放方式

在现有语音识别技术的基础上再增加与识别技术相对应的语音回放技术，将为使用者提供更友善的提示语句和更便利的操作性能。该语音回放模块采用了高音质单晶片语言录放IC，芯片内部集成语音信号放大、滤波、采样、Ａ/Ｄ转换等模块，可选择2、4、8等长分段或自动或手动录音。电路所需外围零部件少，线路简单可靠，更改录放内容简便、灵活、易操作、成本低^[6]。

鉴于人口老龄化的发展、医疗和护理费用的不断增加以及国内外市场需求的不断扩大，本文提出了一种新型的多功能医用护理床，提出几种新型的护理床侧翻机构、抬背机构以及曲腿机构，以单片机为主控制芯片，控制多台直流电机驱动整台护理床工作。实现床面的多种姿态的切换，达到满足护理要求的多功能医用护理床。主要研究内容如下：

(1) 设计各种护理床的运动机构，并用图解法的方法得到初始设计尺寸。

(2) 利用三维设计软件，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计，并对其进行干涉检查，然后导出CAD图。

(3) 根据初始设计数据在ADAMS中建模，利用优化功能对其进行运动学和动力学优化仿真，得到优化后的设计数据。

(4) 根据优化数据修改三维模型，并同时检查模型中是否存在干涉，得到满足设计要求的护理床。

(5) 对护理床的主要零件进行受力校核，检验整台护理床使用的安全性及稳定性。

(6) 设计护理床的整体控制方案。设计控制流程框图，用PROTEL软件完成单片机接线图，以及外部接线图，编写单片机主要程序。

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