氣動護理助力機械的設計

由于計劃生育政策的影響,現在的社會年齡結構已呈現到三角形,中國進入老齡化社會將會是遲早的事,老年人的數量很多,而且還有上升趨勢,而當今家庭結構小型化,這大大的加重了年輕人的負擔,一對夫妻可能要撫養(yǎng)兩對老人,這樣在精力上將會有所不足,外加如果有了重病的病人,對護理人員的體力要求也是很高的,為了使老年人能夠自主護理病人,家庭助力機械的發(fā)展成為必然.對臥病在床的病人和不能隨意支配身體的老年人等,如果可以在護理他們的時候,為護理人員提供一些助力,這樣,對于護理人員來說可以節(jié)省很多體力,減輕勞動強度,并且可以順利的完成護理動作,本設計方案是基于該設計理念提出的.該機械將被穿戴在護理人員身體上,使用氣缸在必要的關節(jié)提供助力,幫助護理人員完成既定動作.所用的材料多為米思米的型材與零件,另有設計所的一些零件,詳見圖紙,通過proe三維造型并用manikin模塊做動作演示以保證機械裝置的實用性.operationisn’tdifficultsothatwedon’tneedtotrainthemhowtouseit,butweneedaset I 1 2 2 3 9 1 2 2 社會老齡化問題日漸浮出水面，那么主要的問題就是老年人的照本設計最基礎的想法來自人體本身的結構，由于仿生學的發(fā)展，可在結構設計方面，對手臂單元、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都對關愛老年人的事業(yè)傾注了極大的熱情，投入和很多的人力和物3國內外研究現狀由于日本是全世界人口老齡化最嚴重的國家，因此格外重視幫助老年人的護理機械的研究。日本靜岡縣time公司制造的用于護理的可變換形狀的新產品，他可以變圖1.1time公司可變換形狀裝置臥式結構圖從圖1.1可以看出來，該機構可以變換形狀，實現對病人的搬上搬下以及身體的轉日本東京工業(yè)大學北川(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力裝圖1.2安裝效果圖圖1.2.1助力裝置結構圖圖1.2.1是該助力裝置的結構簡圖。主要是利用氣缸來支撐負重，再與一個鞍形坐墊連接。此機構中的自鎖機制鎖定時，可以支撐負載。自鎖機制解除時，支撐桿可以活動，東京工業(yè)大學開發(fā)的“零號搬運工”這是一種通過幾條“腿”的交替伸縮，實現攀爬樓梯的載物機器人。其八個腿部支撐輪4個為驅動輪，4個為被動輪，滑動腿由電機控制伸出和縮回，下為機構動作方案。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，又可以在收回時動作較為迅速的問題。其內部通過使用一個行星輪變速器提供了高速、低速和鎖定三個檔位，為該機器人提供了支撐、收回和緊急鎖定三個姿態(tài)。圖負載限制腿動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間表1.1表中數據為“零號搬運工”的主要技術參數。該機構"腿"機構的設計簡捷實用，可很好地完成搬運重物攀爬樓梯的功能，但其電控系統(tǒng)過于復雜，變速機構也過于細致。當搬運重物時需首先將重物置于該機構的平面上，不適于家庭使用。且通用性也不夠強，當面對鋼琴等跨度較大的物品時，安全性不夠，甚至無法完成任務。日本筑波(Tsukuba)大學研制的HAL系列機器人日本筑波大學Cybemics實驗室的科學家和工程師們，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4公里的速度行走，毫不費力地爬樓梯，HAL機器腿的運動完全由使用者通過自動控制器來控制，不需要任何操縱臺或外部控制設備。HAL由背囊、內裝計算機和電池的一組感應控制設備、4個電傳裝置(對應分布在骸關節(jié)和膝關節(jié)兩側)組成。這種幫助人行走的外骨骼動力輔助系統(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?，所有動力驅動、測量系統(tǒng)、計算機、無線網絡和動力供應設備都裝在背包中，電池掛在腰部，是一個可佩戴的混合控制系統(tǒng)，根據生理反饋和前饋原理研制的動力輔助控制器可以調整人的姿態(tài)，使其感到舒適。HAL機器人骨架是一種“穿”在人身上的特殊構架，固定在皮帶上的微型計算機根據皮膚電脈沖收集有關肌肉活動的信息，然后借助于伺服電動機加強動作，以此降低肌肉的負荷，從而幫助工人和體力活動受限制者。圖1.4.1筑波大學研制的HAL-3“混合輔助腿”圖1.4.2HAL-5臥床病人護理機械臂下圖1.5是國內某醫(yī)院的醫(yī)師申請的臥床病人護理機械臂，在該裝置中，其結構是8圖1.5臥床病人護理機械臂日本電氣通信大學的小山猛等人，研制了可為護士提供助力的護理助力機器人。如圖1.6所示。通過電動助力系統(tǒng)，為站在機器人前面的護理人員提供助力。從而使護理人員能夠更輕松的完成護理工作。圖1.6護理助力機器人實用圖第七，使用Proe及manikin庫建立人機三維模型，Autocad最大負載模型來進行設計以及計算。便攜式空氣壓力源壓力為4.2bar。本次設計包括了如何將負荷傳遞到地面。針對所需要模擬的實際情況及設計的具體要在進出家里的房門的時候，多有不便，護理人員在操作的時候也不能夠得心應手。在這個方案中，最主要的問題就是提出的第一個缺點，不能和病人有足夠的接觸和交流，限制了這種結構的發(fā)展。為了克服以上缺點，達到護理人員與病人之間的契合，使護理人員在護理時候能夠隨心的操作機構，動作較靈活，我們致力于設計一個能夠完美解決這些問題的機械。接著，受到了工程機械中平衡吊的啟發(fā)，我想到了是不是可以設計一個類似與平衡吊類似的機械，這樣，護理人員可以騰出雙手即時的護理與搬運病人，能夠實現搬運與護理的任務。但是這樣的機械也有其致命的缺點，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的任務，而且，這樣也會使病人感覺到不適，好像自己想機器一樣被來回擺弄。至此，否定了前面的些許方案，我們開始尋找新的方案。接觸了仿生學后，覺得是不是可以使用仿生學做一個可以穿戴在人身上的助力機械，這一想法得到了老師的贊同，并且給了我許多相關的材料，于是，我開始研究這種機械的結構，怎樣設計才能使這個機械更適合人體的穿戴呢。最初，依然是想做個與人體相似的機構，把基本的骨架畫了出來，之后在各個機構之間增加原動件，經過層層篩選與組合，最終定下了如下的方案。設計方案如下圖：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，腰部框架與人元氣缸收縮，可以把病人抱緊。手臂的彎曲與伸直活動范圍約0-300mm,腰部單元的彎曲活動范圍是0-45度，下肢單元氣缸行程200mm,導軌的滑動范圍300mm,可以完成下收縮手臂抱緊病人動作。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單元的驅動，有相關文獻講述氣囊驅動的例子，但是由于沒有找到更多的相關資料，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構，人體將小臂放在該機構的小臂處，大臂和四邊形機構固定，胸部和靠背固定，這樣，就可以使上肢部位發(fā)揮作用。方案一所示機構主要由靠背架和支架組成的靠背部、氣缸座和滑塊導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直線導軌中滑塊加寬加長型微預壓型導軌、氣缸座和帶導桿型氣缸組成。導桿可以帶動滑塊運動。導軌滑塊用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。如下圖：氣動護理助力機械設計手臂部由三個桿和一個小臂組成。具體設計如下圖：為了使各桿之間沒有運動干涉，使用了平行四邊形機構，并且其中桿1的設計使用了叉狀，避開了各桿重心不在同一表面導致有扭矩存在的尷尬，長桿的長度與人體大臂的長度一致，小臂部分為了讓個使用者能夠舒服，特意設計了一個符合人體結構的外部設備。桿之間使用直徑為6的平頭鉸連接。兩個手臂可以分別動作，分別動作的好處：1)可以調整被抱起老年人的姿勢。使被護理人員能感到最大程度的舒適度。2)可以使護理人員直接面對被護理的老年人，直接與老年人相接觸，減少老年人對器械的恐懼感。增強安全感，由于有了護理人員的參與，使得老年人在心理上又一個更安全的感覺。3)增強人性化設計，由于加入了人員的直接參與，使得器械的一些不足，比如：不能自己調節(jié)，不能根據老人的直接感官反應改變出適當的動作，來做出調節(jié)反應。這樣使得護理人員在使用護理助力機器的同時，又不降低護理的品質，達到和人護理一樣的護理效上肢的運動機理，氣缸導桿帶動滑塊滑動，轉化成桿1的空間運動，進而借助于平行四邊形機構轉化成手臂桿組的聯合伸縮運動，實現抱緊病人的目的。腰部單元結構對比選擇與組成在設計腰部單元時候，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，使用氣缸驅動，腰部單元是固定在人身體上的，所以上肢單元通過氣缸作用，得到力，從而實現腰部單元與上肢單元的角度變化完成彎腰的動作。第二種方案是將上肢單元與下肢單元連接，實現跨關節(jié)的連接，通過氣缸作用，實現腿部和上肢單元之間的角度變化。以上兩種方案對比來看，第一種方案優(yōu)點是結構簡單，沒有跨關節(jié)，動作曲線單一，相對穩(wěn)定，缺點是活動范圍相對較小，腰部單元的氣缸作用的力可能需要大一些；方案二優(yōu)點是活動范圍大，腰部單元的氣缸的作用力可以小很多，缺點是在行走過程中，在上肢單元與腿部單元之間會有小范圍的干涉。綜合以上因素，選擇方案一來實現腰部單元。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，組成腰部供力機構。具體組裝見下圖：置用，也用于承受重量。氣缸的連接通過直徑6的平頭鉸連接。自鎖裝置的設計與應用自鎖機構的工作原理自鎖的實質是作用在構建上的驅動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)對于移動副，當驅動力作用在移動副的摩擦角之內時，將發(fā)生自鎖；對于轉動幅，當驅動力為單一力，并作用在摩擦圓之內時，將發(fā)生自鎖；對于螺旋副，當螺紋導程角將發(fā)生自鎖。(2)若計算所得到的機械的生產阻力，在驅動力任意增大時均足夠大，則該機械發(fā)生自鎖。因為這說明當驅動力任意增大時，機械都不能運動，要生產阻力反向變?yōu)轵寗恿Σ拍艽偈箼C械運動。(3)當驅動力任意增大時機械的效率小于等于0,則機械發(fā)生自鎖。(4)若作用在構件上的有效驅動力始終小于或等于其所引起的同方向的最大摩擦力，則機械發(fā)生自鎖。由以上原理則知，本設計中所用到的自鎖機構產生自鎖的原理如(2)。在F拉力的作用下，方軸與銷軸之間有摩擦力f產生，并且在彈性鋼絲的作用下，帶動鏈板有被張開的趨勢，即在方軸和銷軸結合的地方將會壓緊，產生更大的壓力F和摩擦力f,在一定范圍內，F增大，f也增大，但是始終F<f,則此時，機構發(fā)生自鎖。圖5.1即為自圖5.1滑動自鎖機構原理圖,選擇結構為1×7,公稱直徑為1.0mm的用。兩者各有優(yōu)缺點。為了更形象的說明選用結果，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的作用力同直徑時的作用力活塞行程同作用力時的體積同作用力時的重量壽命維修不受結構限制限制大重1萬次往復左右較難一般不漏較小受結構小略小無要求為動力源。該空壓源具有恒定壓力為4.2個大氣壓，小型輕量，無噪音，放出的二氧化(1)根據工作情況確定氣缸的類型，安裝方式，聯結形式及大致結構。(2)根據載荷確定氣缸需要輸出的軸向力F。(3)根據輸出力F和氣缸工作壓力確定活塞的直徑D。根據F和材料許用應力[σ]確定活塞桿直徑d。根據經驗數據(查表)確定缸筒壁厚t,必要時進行強度驗算。(4)確定密封與防塵結構，進而確定活塞厚度b。(5)根據需要的行程長度和活塞厚度b確定氣缸長度L,L=S+b+(10~20)mm。必要(6)根據氣缸詳細參數及密封風防塵形式進行結構設計——畫裝配圖，零件圖(如選用通用氣缸，則可按產品樣本或有關手冊進行選取)。(7)根據氣缸的工作要求，確定技術條件，包括確定零件的材料，熱處理，精度(2)作用力方面，機體采用鋁合金加上被起重物重量等問題(設計起重重量為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)設計主要進行搬運助力工作，所以對氣缸運動速度無太大要求。中的帶導桿氣缸，型號MGCLF。腰部和腿部單元的氣缸型號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減少成本，提高設計所需要的產品類型；手部的氣缸選擇misumi的帶導桿氣缸。（1）首先選擇缸筒內徑。有三個使用條件來決定缸筒內經的選擇，一。確定負載架上，若采用法蘭式不便于安裝。導軌的選擇設計中，在實現其功能的同時，我們本著精簡，實用，經濟，美觀的理念來進行設計。同時為了提升氣缸的安全性，我們?yōu)闅飧滋砑恿艘粋€幫助承受側向載荷的導軌。我們選擇了由THK公司生產的SSR型，裝有滾珠保持器德LM導軌和LM滑塊組成的滑臺機構。這樣，在實現支撐功能的同時，又能滿足為氣缸分擔側向載荷的要求。圖2.14LM滑臺LM軌道構造與特長在與LM滑塊被精密研磨加工過的4列滾動溝槽上球進行滾動，再通過球保持器與裝在LM滑塊上的端蓋板，使各列球進行循環(huán)運動。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，并且延長潤滑脂的壽命，從而實現了長期無需維修保養(yǎng)，而且噪音低，音質好，壽命長，同時提高了高速性能。噪音低、音質好：通過球保持器使球均勻地排列，球與球之間的沖突而產生的金屬音消失，所以噪音低，音質好。長期無需維修保養(yǎng)：因通過球保持器使球與球之間的相互摩擦消失，球的摩損消失，并且增強了潤滑脂的保持性，實現了長期無需維修保養(yǎng)。速度成為1/2,面壓變低，發(fā)熱減少，既能延長壽命又具有卓越的高速性。滾動摩擦變圖2.15FBW滑臺