氣動(dòng)護(hù)理助力機(jī)械的設(shè)計(jì)

由于計(jì)劃生育政策的影響,現(xiàn)在的社會(huì)年齡結(jié)構(gòu)已呈現(xiàn)到三角形,中國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)將會(huì)是遲早的事,老年人的數(shù)量很多,而且還有上升趨勢(shì),而當(dāng)今家庭結(jié)構(gòu)小型化,這大大的加重了年輕人的負(fù)擔(dān),一對(duì)夫妻可能要撫養(yǎng)兩對(duì)老人,這樣在精力上將會(huì)有所不足,外加如果有了重病的病人,對(duì)護(hù)理人員的體力要求也是很高的,為了使老年人能夠自主護(hù)理病人,家庭助力機(jī)械的發(fā)展成為必然.對(duì)臥病在床的病人和不能隨意支配身體的老年人等,如果可以在護(hù)理他們的時(shí)候,為護(hù)理人員提供一些助力,這樣,對(duì)于護(hù)理人員來(lái)說(shuō)可以節(jié)省很多體力,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,并且可以順利的完成護(hù)理動(dòng)作,本設(shè)計(jì)方案是基于該設(shè)計(jì)理念提出的.該機(jī)械將被穿戴在護(hù)理人員身體上,使用氣缸在必要的關(guān)節(jié)提供助力,幫助護(hù)理人員完成既定動(dòng)作.所用的材料多為米思米的型材與零件,另有設(shè)計(jì)所的一些零件,詳見圖紙,通過(guò)proe三維造型并用manikin模塊做動(dòng)作演示以保證機(jī)械裝置的實(shí)用性.operationisn’tdifficultsothatwedon’tneedtotrainthemhowtouseit,butweneedaset I 1 2 2 3 9 1 2 2 社會(huì)老齡化問(wèn)題日漸浮出水面，那么主要的問(wèn)題就是老年人的照本設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的想法來(lái)自人體本身的結(jié)構(gòu)，由于仿生學(xué)的發(fā)展，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，對(duì)手臂單元、腰部單元和腿部單元都做了許多研究，可的子女還是全社會(huì)都對(duì)關(guān)愛老年人的事業(yè)傾注了極大的熱情，投入和很多的人力和物3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于日本是全世界人口老齡化最嚴(yán)重的國(guó)家，因此格外重視幫助老年人的護(hù)理機(jī)械的研究。日本靜岡縣time公司制造的用于護(hù)理的可變換形狀的新產(chǎn)品，他可以變圖1.1time公司可變換形狀裝置臥式結(jié)構(gòu)圖從圖1.1可以看出來(lái)，該機(jī)構(gòu)可以變換形狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的搬上搬下以及身體的轉(zhuǎn)日本東京工業(yè)大學(xué)北川(土冢)越研究室的下肢助力裝置助力裝置安裝效果圖如下圖1.2所示。本裝置使用便攜式的空氣壓力源作為動(dòng)力裝圖1.2安裝效果圖圖1.2.1助力裝置結(jié)構(gòu)圖圖1.2.1是該助力裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。主要是利用氣缸來(lái)支撐負(fù)重，再與一個(gè)鞍形坐墊連接。此機(jī)構(gòu)中的自鎖機(jī)制鎖定時(shí)，可以支撐負(fù)載。自鎖機(jī)制解除時(shí)，支撐桿可以活動(dòng)，東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)的“零號(hào)搬運(yùn)工”這是一種通過(guò)幾條“腿”的交替伸縮，實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的載物機(jī)器人。其八個(gè)腿部支撐輪4個(gè)為驅(qū)動(dòng)輪，4個(gè)為被動(dòng)輪，滑動(dòng)腿由電機(jī)控制伸出和縮回，下為機(jī)構(gòu)動(dòng)作方案。研究人員近期著力解決了伸縮"腿"既可以在支撐狀態(tài)可以提供足夠的支撐力，又可以在收回時(shí)動(dòng)作較為迅速的問(wèn)題。其內(nèi)部通過(guò)使用一個(gè)行星輪變速器提供了高速、低速和鎖定三個(gè)檔位，為該機(jī)器人提供了支撐、收回和緊急鎖定三個(gè)姿態(tài)。圖負(fù)載限制腿動(dòng)作的幅度高速檔最大速度低速檔最大速度兩檔位的切換時(shí)間表1.1表中數(shù)據(jù)為“零號(hào)搬運(yùn)工”的主要技術(shù)參數(shù)。該機(jī)構(gòu)"腿"機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷實(shí)用，可很好地完成搬運(yùn)重物攀爬樓梯的功能，但其電控系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，變速機(jī)構(gòu)也過(guò)于細(xì)致。當(dāng)搬運(yùn)重物時(shí)需首先將重物置于該機(jī)構(gòu)的平面上，不適于家庭使用。且通用性也不夠強(qiáng)，當(dāng)面對(duì)鋼琴等跨度較大的物品時(shí)，安全性不夠，甚至無(wú)法完成任務(wù)。日本筑波(Tsukuba)大學(xué)研制的HAL系列機(jī)器人日本筑波大學(xué)Cybemics實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師們，研制出了世界上第一種商業(yè)這種裝置能幫助人們以每小時(shí)4公里的速度行走，毫不費(fèi)力地爬樓梯，HAL機(jī)器腿的運(yùn)動(dòng)完全由使用者通過(guò)自動(dòng)控制器來(lái)控制，不需要任何操縱臺(tái)或外部控制設(shè)備。HAL由背囊、內(nèi)裝計(jì)算機(jī)和電池的一組感應(yīng)控制設(shè)備、4個(gè)電傳裝置(對(duì)應(yīng)分布在骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩側(cè))組成。這種幫助人行走的外骨骼動(dòng)力輔助系統(tǒng)，配備較多的傳感器，如角辨向器、肌電傳感器、地面?zhèn)鞲衅鞯?，所有?dòng)力驅(qū)動(dòng)、測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)力供應(yīng)設(shè)備都裝在背包中，電池掛在腰部，是一個(gè)可佩戴的混合控制系統(tǒng)，根據(jù)生理反饋和前饋原理研制的動(dòng)力輔助控制器可以調(diào)整人的姿態(tài)，使其感到舒適。HAL機(jī)器人骨架是一種“穿”在人身上的特殊構(gòu)架，固定在皮帶上的微型計(jì)算機(jī)根據(jù)皮膚電脈沖收集有關(guān)肌肉活動(dòng)的信息，然后借助于伺服電動(dòng)機(jī)加強(qiáng)動(dòng)作，以此降低肌肉的負(fù)荷，從而幫助工人和體力活動(dòng)受限制者。圖1.4.1筑波大學(xué)研制的HAL-3“混合輔助腿”圖1.4.2HAL-5臥床病人護(hù)理機(jī)械臂下圖1.5是國(guó)內(nèi)某醫(yī)院的醫(yī)師申請(qǐng)的臥床病人護(hù)理機(jī)械臂，在該裝置中，其結(jié)構(gòu)是8圖1.5臥床病人護(hù)理機(jī)械臂日本電氣通信大學(xué)的小山猛等人，研制了可為護(hù)士提供助力的護(hù)理助力機(jī)器人。如圖1.6所示。通過(guò)電動(dòng)助力系統(tǒng)，為站在機(jī)器人前面的護(hù)理人員提供助力。從而使護(hù)理人員能夠更輕松的完成護(hù)理工作。圖1.6護(hù)理助力機(jī)器人實(shí)用圖第七，使用Proe及manikin庫(kù)建立人機(jī)三維模型，Autocad最大負(fù)載模型來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及計(jì)算。便攜式空氣壓力源壓力為4.2bar。本次設(shè)計(jì)包括了如何將負(fù)荷傳遞到地面。針對(duì)所需要模擬的實(shí)際情況及設(shè)計(jì)的具體要在進(jìn)出家里的房門的時(shí)候，多有不便，護(hù)理人員在操作的時(shí)候也不能夠得心應(yīng)手。在這個(gè)方案中，最主要的問(wèn)題就是提出的第一個(gè)缺點(diǎn)，不能和病人有足夠的接觸和交流，限制了這種結(jié)構(gòu)的發(fā)展。為了克服以上缺點(diǎn)，達(dá)到護(hù)理人員與病人之間的契合，使護(hù)理人員在護(hù)理時(shí)候能夠隨心的操作機(jī)構(gòu)，動(dòng)作較靈活，我們致力于設(shè)計(jì)一個(gè)能夠完美解決這些問(wèn)題的機(jī)械。接著，受到了工程機(jī)械中平衡吊的啟發(fā)，我想到了是不是可以設(shè)計(jì)一個(gè)類似與平衡吊類似的機(jī)械，這樣，護(hù)理人員可以騰出雙手即時(shí)的護(hù)理與搬運(yùn)病人，能夠?qū)崿F(xiàn)搬運(yùn)與護(hù)理的任務(wù)。但是這樣的機(jī)械也有其致命的缺點(diǎn)，使用限制很大，只能夠在平衡吊安置位置使用，這樣的話就不能夠完成將病人換病房等需要大范圍移動(dòng)的任務(wù)，而且，這樣也會(huì)使病人感覺到不適，好像自己想機(jī)器一樣被來(lái)回?cái)[弄。至此，否定了前面的些許方案，我們開始尋找新的方案。接觸了仿生學(xué)后，覺得是不是可以使用仿生學(xué)做一個(gè)可以穿戴在人身上的助力機(jī)械，這一想法得到了老師的贊同，并且給了我許多相關(guān)的材料，于是，我開始研究這種機(jī)械的結(jié)構(gòu)，怎樣設(shè)計(jì)才能使這個(gè)機(jī)械更適合人體的穿戴呢。最初，依然是想做個(gè)與人體相似的機(jī)構(gòu)，把基本的骨架畫了出來(lái)，之后在各個(gè)機(jī)構(gòu)之間增加原動(dòng)件，經(jīng)過(guò)層層篩選與組合，最終定下了如下的方案。設(shè)計(jì)方案如下圖：整體裝置由上肢單元、腰部單元和下肢單元組成。使用演示如圖：本方案以腰部單元為固定單元，腰部框架與人元?dú)飧资湛s，可以把病人抱緊。手臂的彎曲與伸直活動(dòng)范圍約0-300mm,腰部單元的彎曲活動(dòng)范圍是0-45度，下肢單元?dú)飧仔谐?00mm,導(dǎo)軌的滑動(dòng)范圍300mm,可以完成下收縮手臂抱緊病人動(dòng)作。整體作用范圍垂直方向約在50mm-180mm之間，能夠完成抱起方案：1單元的驅(qū)動(dòng)，有相關(guān)文獻(xiàn)講述氣囊驅(qū)動(dòng)的例子，但是由于沒有找到更多的相關(guān)資料，沒有研究的資料，沒有在此方案多下功夫。綜合各方面因素，選擇方案一為手部單元的結(jié)構(gòu)，人體將小臂放在該機(jī)構(gòu)的小臂處，大臂和四邊形機(jī)構(gòu)固定，胸部和靠背固定，這樣，就可以使上肢部位發(fā)揮作用。方案一所示機(jī)構(gòu)主要由靠背架和支架組成的靠背部、氣缸座和滑塊導(dǎo)軌組成的氣缸部和由鉸座和手臂桿組組成的手臂部三部分組成?？勘巢坑蒻isumi鋁型材中30mm*60mm鋁合金型材和支架組裝成。型材之間使用快速鏈接滑塊連接，使用支架固定?？梢詫⑷梭w軀干部分固定在靠背部分，從而借助腰部單氣缸部由misumia直線導(dǎo)軌中滑塊加寬加長(zhǎng)型微預(yù)壓型導(dǎo)軌、氣缸座和帶導(dǎo)桿型氣缸組成。導(dǎo)桿可以帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌滑塊用M3.5的螺栓固定在氣缸座上，氣缸用M3的螺栓固定在氣缸座上，滑塊和氣缸推桿連接起來(lái)。如下圖：氣動(dòng)護(hù)理助力機(jī)械設(shè)計(jì)手臂部由三個(gè)桿和一個(gè)小臂組成。具體設(shè)計(jì)如下圖：為了使各桿之間沒有運(yùn)動(dòng)干涉，使用了平行四邊形機(jī)構(gòu)，并且其中桿1的設(shè)計(jì)使用了叉狀，避開了各桿重心不在同一表面導(dǎo)致有扭矩存在的尷尬，長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度與人體大臂的長(zhǎng)度一致，小臂部分為了讓個(gè)使用者能夠舒服，特意設(shè)計(jì)了一個(gè)符合人體結(jié)構(gòu)的外部設(shè)備。桿之間使用直徑為6的平頭鉸連接。兩個(gè)手臂可以分別動(dòng)作，分別動(dòng)作的好處：1)可以調(diào)整被抱起老年人的姿勢(shì)。使被護(hù)理人員能感到最大程度的舒適度。2)可以使護(hù)理人員直接面對(duì)被護(hù)理的老年人，直接與老年人相接觸，減少老年人對(duì)器械的恐懼感。增強(qiáng)安全感，由于有了護(hù)理人員的參與，使得老年人在心理上又一個(gè)更安全的感覺。3)增強(qiáng)人性化設(shè)計(jì)，由于加入了人員的直接參與，使得器械的一些不足，比如：不能自己調(diào)節(jié)，不能根據(jù)老人的直接感官反應(yīng)改變出適當(dāng)?shù)膭?dòng)作，來(lái)做出調(diào)節(jié)反應(yīng)。這樣使得護(hù)理人員在使用護(hù)理助力機(jī)器的同時(shí)，又不降低護(hù)理的品質(zhì)，達(dá)到和人護(hù)理一樣的護(hù)理效上肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，氣缸導(dǎo)桿帶動(dòng)滑塊滑動(dòng)，轉(zhuǎn)化成桿1的空間運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而借助于平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成手臂桿組的聯(lián)合伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抱緊病人的目的。腰部單元結(jié)構(gòu)對(duì)比選擇與組成在設(shè)計(jì)腰部單元時(shí)候，提出了兩種方案。第一種方案是將腰部支架固定，將上肢單元與腰部單元用鉸連接后，使用氣缸驅(qū)動(dòng)，腰部單元是固定在人身體上的，所以上肢單元通過(guò)氣缸作用，得到力，從而實(shí)現(xiàn)腰部單元與上肢單元的角度變化完成彎腰的動(dòng)作。第二種方案是將上肢單元與下肢單元連接，實(shí)現(xiàn)跨關(guān)節(jié)的連接，通過(guò)氣缸作用，實(shí)現(xiàn)腿部和上肢單元之間的角度變化。以上兩種方案對(duì)比來(lái)看，第一種方案優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有跨關(guān)節(jié)，動(dòng)作曲線單一，相對(duì)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是活動(dòng)范圍相對(duì)較小，腰部單元的氣缸作用的力可能需要大一些；方案二優(yōu)點(diǎn)是活動(dòng)范圍大，腰部單元的氣缸的作用力可以小很多，缺點(diǎn)是在行走過(guò)程中，在上肢單元與腿部單元之間會(huì)有小范圍的干涉。綜合以上因素，選擇方案一來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部單元。腰部單元由misumi中型材拼接成的腰部框架、固定型鉸和腰部氣缸固定裝置組成，之間用M4內(nèi)六角固定螺絲連接。腰部單元示意圖如下：氣缸連接在上圖右端的固定型鉸上，與上肢單元的靠背的下端連接，組成腰部供力機(jī)構(gòu)。具體組裝見下圖：置用，也用于承受重量。氣缸的連接通過(guò)直徑6的平頭鉸連接。自鎖裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用自鎖機(jī)構(gòu)的工作原理自鎖的實(shí)質(zhì)是作用在構(gòu)建上的驅(qū)動(dòng)力的有效分力總是小于由所引起的同方向上的最大摩擦力。判定有四方面：(1)對(duì)于移動(dòng)副，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力作用在移動(dòng)副的摩擦角之內(nèi)時(shí)，將發(fā)生自鎖；對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)幅，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力為單一力，并作用在摩擦圓之內(nèi)時(shí)，將發(fā)生自鎖；對(duì)于螺旋副，當(dāng)螺紋導(dǎo)程角將發(fā)生自鎖。(2)若計(jì)算所得到的機(jī)械的生產(chǎn)阻力，在驅(qū)動(dòng)力任意增大時(shí)均足夠大，則該機(jī)械發(fā)生自鎖。因?yàn)檫@說(shuō)明當(dāng)驅(qū)動(dòng)力任意增大時(shí)，機(jī)械都不能運(yùn)動(dòng)，要生產(chǎn)阻力反向變?yōu)轵?qū)動(dòng)力才能促使機(jī)械運(yùn)動(dòng)。(3)當(dāng)驅(qū)動(dòng)力任意增大時(shí)機(jī)械的效率小于等于0,則機(jī)械發(fā)生自鎖。(4)若作用在構(gòu)件上的有效驅(qū)動(dòng)力始終小于或等于其所引起的同方向的最大摩擦力，則機(jī)械發(fā)生自鎖。由以上原理則知，本設(shè)計(jì)中所用到的自鎖機(jī)構(gòu)產(chǎn)生自鎖的原理如(2)。在F拉力的作用下，方軸與銷軸之間有摩擦力f產(chǎn)生，并且在彈性鋼絲的作用下，帶動(dòng)鏈板有被張開的趨勢(shì)，即在方軸和銷軸結(jié)合的地方將會(huì)壓緊，產(chǎn)生更大的壓力F和摩擦力f,在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)增大，f也增大，但是始終F<f,則此時(shí)，機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。圖5.1即為自圖5.1滑動(dòng)自鎖機(jī)構(gòu)原理圖,選擇結(jié)構(gòu)為1×7,公稱直徑為1.0mm的用。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了更形象的說(shuō)明選用結(jié)果，我們將這兩種氣缸的比較列在表表2.1活塞式膜片式同直徑時(shí)的作用力同直徑時(shí)的作用力活塞行程同作用力時(shí)的體積同作用力時(shí)的重量壽命維修不受結(jié)構(gòu)限制限制大重1萬(wàn)次往復(fù)左右較難一般不漏較小受結(jié)構(gòu)小略小無(wú)要求為動(dòng)力源。該空壓源具有恒定壓力為4.2個(gè)大氣壓，小型輕量，無(wú)噪音，放出的二氧化(1)根據(jù)工作情況確定氣缸的類型，安裝方式，聯(lián)結(jié)形式及大致結(jié)構(gòu)。(2)根據(jù)載荷確定氣缸需要輸出的軸向力F。(3)根據(jù)輸出力F和氣缸工作壓力確定活塞的直徑D。根據(jù)F和材料許用應(yīng)力[σ]確定活塞桿直徑d。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)(查表)確定缸筒壁厚t,必要時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。(4)確定密封與防塵結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定活塞厚度b。(5)根據(jù)需要的行程長(zhǎng)度和活塞厚度b確定氣缸長(zhǎng)度L,L=S+b+(10~20)mm。必要(6)根據(jù)氣缸詳細(xì)參數(shù)及密封風(fēng)防塵形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——畫裝配圖，零件圖(如選用通用氣缸，則可按產(chǎn)品樣本或有關(guān)手冊(cè)進(jìn)行選取)。(7)根據(jù)氣缸的工作要求，確定技術(shù)條件，包括確定零件的材料，熱處理，精度(2)作用力方面，機(jī)體采用鋁合金加上被起重物重量等問(wèn)題(設(shè)計(jì)起重重量為100kg)總體重量比較大。所以要求氣缸能提供較大的作用力。(3)因本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行搬運(yùn)助力工作，所以對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)速度無(wú)太大要求。中的帶導(dǎo)桿氣缸，型號(hào)MGCLF。腰部和腿部單元的氣缸型號(hào)SMC公司的CM2C40-50S單作用彈簧壓回汽缸。1)缸筒2)端蓋3)活塞也就是重物的大小。計(jì)算得G=mg=50*10N/kg=500N在氣缸選型上我們選擇選用通用氣缸的方法來(lái)減少成本，提高設(shè)計(jì)所需要的產(chǎn)品類型；手部的氣缸選擇misumi的帶導(dǎo)桿氣缸。（1）首先選擇缸筒內(nèi)徑。有三個(gè)使用條件來(lái)決定缸筒內(nèi)經(jīng)的選擇，一。確定負(fù)載架上，若采用法蘭式不便于安裝。導(dǎo)軌的選擇設(shè)計(jì)中，在實(shí)現(xiàn)其功能的同時(shí)，我們本著精簡(jiǎn)，實(shí)用，經(jīng)濟(jì)，美觀的理念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)為了提升氣缸的安全性，我們?yōu)闅飧滋砑恿艘粋€(gè)幫助承受側(cè)向載荷的導(dǎo)軌。我們選擇了由THK公司生產(chǎn)的SSR型，裝有滾珠保持器德LM導(dǎo)軌和LM滑塊組成的滑臺(tái)機(jī)構(gòu)。這樣，在實(shí)現(xiàn)支撐功能的同時(shí)，又能滿足為氣缸分擔(dān)側(cè)向載荷的要求。圖2.14LM滑臺(tái)LM軌道構(gòu)造與特長(zhǎng)在與LM滑塊被精密研磨加工過(guò)的4列滾動(dòng)溝槽上球進(jìn)行滾動(dòng)，再通過(guò)球保持器與裝在LM滑塊上的端蓋板，使各列球進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)。由于裝有球保持器，使球與球之間相互摩擦所引起的球的磨損消失，并且延長(zhǎng)潤(rùn)滑脂的壽命，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期無(wú)需維修保養(yǎng)，而且噪音低，音質(zhì)好，壽命長(zhǎng)，同時(shí)提高了高速性能。噪音低、音質(zhì)好：通過(guò)球保持器使球均勻地排列，球與球之間的沖突而產(chǎn)生的金屬音消失，所以噪音低，音質(zhì)好。長(zhǎng)期無(wú)需維修保養(yǎng)：因通過(guò)球保持器使球與球之間的相互摩擦消失，球的摩損消失，并且增強(qiáng)了潤(rùn)滑脂的保持性，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期無(wú)需維修保養(yǎng)。速度成為1/2,面壓變低，發(fā)熱減少，既能延長(zhǎng)壽命又具有卓越的高速性。滾動(dòng)摩擦變圖2.15FBW滑臺(tái)