荆楚理工学院

毕业设计（论文）开题报告

   机械工程学院  学院  机械设计制造及其自动化  专业

课题名称：医用多功能护理床设计

学生姓名：           张小辉            

学    号：        2011403010216          

指导教师：          张思团           

         报告日期：          2015.04.05           

说明：

1. 本报告必须由承担毕业设计（论文）课题任务的学生在接到“毕业设计（论文）任务书”、正式开始做毕业设计（论文）的第2周或第3周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。

2. 每个毕业设计（论文）课题撰写本报告一份，作为指导教师、毕业设计（论文）指导小组审查学生能否承担该毕业设计（论文）课题任务的依据，并接受学校的抽查。

第二篇：多功能护理床的研究与开发

多功能护理床的研究与开发 随着人民生活水平的提高和医疗保健行业的进步, 护理床人口老龄化已成为世界范围内的社会问题。据报道, 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 。人口老龄化的趋势使老人更容易患上慢性疾病, 其中突出的问题就是高龄老年人自我照料能力减弱, 对家庭、社区、政府依赖程度加大。用何种社会保健方式来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。社会上因各种原因导致长期卧床病人大量存在, 这种人主要由家庭护理, 护理费用高昂, 劳动强度大, 护理条件有待改善。为此, 国家也大力加强了对护理机器人的研发扶持力度。本课题正是在这样的基础上展开的, 主要目的是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功能于一体的多功能护理床。

1 多功能护理床的机械结构

多功能护理床的机械设计主要为方便瘫痪病人治疗与康复时的日常生活的部分自理、病人平躺时的体位的改变。同时结合医院或者家庭不同场所的需求, 设计有信息传递、输液和病理维护的配套装置。

1.1 多功能护理床的整体设计因为床体本身的构件要实现多种功能, 包括平躺、仰起、左侧翻、右侧翻、脚踏板装置( 在脚的下部,脚可以借助用来移动身体)、侧顶被装置( 将被褥顶起的装置)、穿/脱裤装置、顶腰架装置, 洁便门开关装置及冲洗马桶和冲洗身体的装置, 另外还有烘干和抽风的设备。各个部分可以独立的运行来完成相应的动作, 同时将单个功能组合起实现复杂的功能。譬如病人躺在床上排泄问题的解决, 改变床靠背板的仰角或者左右的侧翻以取得舒适的姿态, 护理人员对洁便池的清洗等, 多种可以选装的传感器用来测量病人的身体病理参数并传输到医护的数据处理端。

1.2 各项功能的实现

比较简单的动作, 如单独的靠背板起降, 无刷电机带动传动杆增加或减少仰角来实现; 比较复杂的功能, 如脚蹬升起的状态下, 病人可以自己用脚来改变自己身体的位置, 并配合靠背板的升降以达到舒适的体位; 复杂的功能如多功能护理床大/小便解决的问题, 这牵扯到脚蹬板装置、靠背板的升降、侧顶被及退/穿裤装置、洁便门的开合、身体冲洗器位置的调整、冲洗马桶及抽风装置合理密切的配合, 并按照功能的实现逐步进行。

1.3 多功能护理床的各项技术参数

* 本多功能护理床的几何尺寸 长: 195cm宽: 100cm 高: 65cm

* 各项升降装置的升起角度靠背板仰角的活动角度: 0°～75°左/右侧翻的角度: 0°～45°

* 床体内需要升起或者打开装置的动作空间脚踏板升起高度: 15cm侧顶被架升起高度: 15cm顶腰架升起高度: 13cm 洁便门打开行程: 25cm

* 水箱容量: 15L 洁洗水的水温: 30°±1°

* 选装的身体参数传感器 体温、血压、心跳频率、日排泄量等

* 电源供应 220V /50Hz 交流外供电源 24V 蓄电池直流供电

2 多功能护理床的控制单元在多功能护理床的各种功能的实现过程中, 嵌入式控制系统担负了信息处理和信息输出功能。多功能护理床课题研究中采用了嵌入式控制器去实现各种体位的改变, 人体排泄问题的解决, 同时肩负着病人多种身体参数的检测和通讯。

2.1 控制方案的对比与采纳在多功能护理床的控制系统中, 有几种可以实现的控制方案:

2.1.1 手动控制方案, 这种方法实现起来简单, 并能相应的满足各种需求, 但控制方式比较复杂, 而且各种操作之间容易混在一起, 难以实现各种互斥功能之间的互锁。

2.1.2 全自动的控制方案, 此方案完全由嵌入式控制器来实现各种功能, 按照人体的习惯或者体位变换以及各项执行单元实现的要求来控制执行电机的动作, 实现各项操作, 这样病人可以最大限度从操作中解脱出来, 虽然这种方式简单易操作, 不过病人在护理中会有不同的要求, 而全自动控制只能按照固定的模式进行控制, 不能满足固定模式以外变化的要求,一旦在全自动控制过程中发生不必要的动作, 病人就无法去改变执行单元, 而实际应用中不允许发生不必要的动作, 所以全自动控制在护理床的应用中并不十分理想。

2.1.3 自动控制和手动控制结合的方案, 由上面的两种方案的具体结合而成, 在不影响病人各项功能实现的单一动作时, 均采用自动控制, 在隐含有隐患因素的自动控制操作中采用手动控制, 同时确保整个多功能护理床在嵌入式处理器出现故障时自动切换到手动操作, 这样可以有效的消除各种潜在的人为或者控制器存在的隐患。针对以上三种控制思想的分析, 本着以人为本的设计思想, 多功能护理 床的 研 发采 用第 三 种控 制方案。

2.2 嵌入式控制器及整个电路的设计

2.2.1 主控制器核心采用美国 MICROCHIP 公司的 PIC16F877A 微控制器。该芯片采用 RISC( 精简指令集计算机) 体系, 片内含有 8 通道 10 位高精度 A/D转换器, 33 个功能复用的 I/O 端口, 可靠性高, 内部资源丰富, 端口驱动能力强。内部带有 256 字节的电可擦写 EEPROM存储器, 对设定的阈值具有掉电保护功能。PIC16F877A 有 8K×14Bit 的 FLASH 存储器, 有368×8Bit 的数据 SRAM, 串行通讯模块。这些充足的硬件资源为以后的升级改进和系列化生产提供了条件。

2.2.2 硬件设计框图由各项输入单元将按键值、模拟值、反馈信号、身体参数信号通过各个端口送入 MCU, 经过 MCU 的处理后通过各个对应端口输入到执行单元、通讯端口、提示灯 7281A 的接口。

2.2.3 执行控制回路的设计

为了降低产品成本和减少故障率, 在控制部分设计时需要减少继电器的数量, 同时要实现控制的彼此互锁。结合三极管的合理使用, 可有效的减少电子元器件的数量, 不仅降低了成本, 而且提高了整个系统的可靠性。在通断频率较低的情况下控制电机大多使用继电器控制的控制方式, 这样可以容易的实现电机的启停及正反转, 多功能护理床的控制电路设计既要满足实现各项功能的控制要求, 又要具有自动控制/手动控制的自动切换功能。自动控制/手动控制的自动切换功能可以确保多功能护理床在多种条件下的有效使用。控制回路原理图如下:继电器控制电机电源回路的接通, 同时继电器本身的控制回路, 从 MCU 发送控制信号控制继电器线圈回路的通断, 在继电器控制回路的接地端线串连一个三极管, 接入端接到三极管的集

电极 C, 发射机 E 接入公共地, 基极 B 通过一个 5K 左右的电阻接到+5V电源上, 三极管在基极正偏电压的作用下一直处于导通状态, 同时基极通过一个 1K 的电阻连接到 MCU 的控制端口。只有 MCU 在相应的端口送一个低电平信号, 三极管的基极就被强行拉到低电平, 三极管导通截止, 整个继电器线圈的工作回路处于断开状态, 屏蔽相应电机的执行功能。从而实现了护理床动作间的彼此互锁, 与此同时 MCU 非正常工作情况下, MCU 控制的端口不再发送低电平信号, 所有的三极管都处于导通状态.自动控制状态 到手动控制状态可自动切换 。

2.2.4 嵌入式控制软件设计

多功能护理床采用的是半自动化控制, 在软件方面采用的是优先调度型的监控软件。病人的关键生理参数和排泄物 A/D 转换值输入参数的处理子程序分别是子程序优先级的前两位, 后面的各项子程序根据操作者的意图顺序执行。程序的程序框图如下:跟据多功能护理床实现功能的要求, 单一顺序执行的程序不能满足要求, 因为采用单一的顺序执行方式, 在进入一个较为耗时的子程序模块时, 系统无法及时响应其他任务, 甚至于中断的相应, 不仅不利于多功能护理床软件的反应速度, 而且降低软件的执行效率, 为此软件采用实时多任务的软件架构, 将程序的执行分成循环的子程序在固定的时间片内执行, 因为时间段时间的分配都是 ms 乃至更少, 所以程序运行的时候, 各个任务轮回的速度很快, 程序执行效率高, 任务的响应速度快。

2.2.5 按键值及灯光电路的设计

为了简化外围芯片的设计电路, 本课题选用了集成的键盘和 LED 控制芯片 7281A。7281A 是 8 位/16位 LED 数码管的显示及键盘接口专用控制芯片。通过外接移位寄存器( 典型芯片如 74HC164, 74LS595 等),最多可以控制 16 位数码管的显示或者 128 只独立的LED, 各位可独立的按不同的译码方式译码或者不译码显示。7281A 内部还具有一个闪烁速度控制寄存器,可以随时改变闪烁频率。7281A 芯片可以最多连接 64键(8×8) 的键盘矩阵, 内部含有键盘去抖功能, 而且键盘可以工作在两种不同的按键值读取工作模式。多功能护理床的设计充分利用了 7281A 的单个LED 软件控制功能实现 24 个显示位的控制功能, 对其显示寄存器和闪烁数度控制寄存器的设置达到闪烁提示功能; 利用 7281A 的 8×8 矩阵键盘的电路连接方式连接了 26 个功能键, 同时设置其工作模式寄存器, 设置键盘工作在带锁存的互锁模式, 当有效按键发生后 KEY(键值标志位)为低电平, 直至 MCU 读取按键值后, KEY 恢复高电平, 这期间不响应任何新的按键。因为 7281A 内部含有去抖功能, 而且通过通讯端口给出的是相应的按键值, 这样按键的读取和提示LED 的显示利用 MCU 的控制功能轻松实现。

3 结束语

在机械的设计方面, 使用绿色健康的材料, 并采用不绣钢的钢材制作床体, 为了最大限度的减少电机和齿轮传动产生的噪声, 在本设计中使用了 40W、80W、100W 三种容量的无刷电机, 便于电机速度的控制, 可以保证平稳的起停; 采用自动和手动的完美结合, 实现了二者之间的优化, 并以语音提示和灯光信号提示, 确保操作的正确性, 同时可以按照病人的需求提醒护理的时间, 与此同时可将病人的多项生理参数传输给医生的服务处理软件; 可以实现病人躺在护理床上洁便问题的解决, 而且还具有冲洗烘干等众多人性化的设计。当然, 多功能护理床善有不足之处, 也是以后多功能护理床需要克服和发展的方向。即如何实现智能型的全

自动护理床, 进一步使洁便功能实现的简便化, 同时需要进一步开发床椅一体化的多功能产品,结合机电行业的快速发展实现传动部件的轻柔和低能耗。

创新点: 多功能护理床洁便功能的解决, 手/自动一体化化控制技术。