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個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)搓澡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)調(diào)試仿真研究

發(fā)布時(shí)間:2015-02-03 09:35

 

【摘要】 目前,我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì),隨著老年人口所占的比例日漸升高,老年人的護(hù)理問(wèn)題日益突出。當(dāng)前我國(guó)老年人護(hù)理設(shè)施和服務(wù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了老年人的需要,因此,開(kāi)發(fā)適合老年人日常洗浴的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人具有重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。本文研究的搓澡系統(tǒng)是個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人重要的組成部分,搓澡機(jī)構(gòu)是與洗浴者身體接觸最密切的部分,它的設(shè)計(jì)是否合理將直接關(guān)系到整個(gè)衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人設(shè)計(jì)的成敗。本文研究的座椅式搓澡系統(tǒng),主要滿足老年人在坐姿狀態(tài)下能夠搓背和搓小腿,當(dāng)搓澡系統(tǒng)輔助搓澡者站立后,又可為搓澡者搓臀部。本文設(shè)計(jì)的搓澡系統(tǒng)主要有四個(gè)模塊組成:輔助站立模塊,背部搓澡模塊、臀部搓澡模塊和腿部搓澡模塊。1)通過(guò)對(duì)人體搓澡過(guò)程的分析以及根據(jù)個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人總體方案的要求,確定了搓澡系統(tǒng)的整體方案。2)在人機(jī)工程學(xué)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用模塊化思想對(duì)搓澡系統(tǒng)的四個(gè)模塊進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。利用Solidwoks三維軟件對(duì)各個(gè)模塊的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模,并對(duì)這四個(gè)模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)在Solidworks中進(jìn)行裝配,用來(lái)檢測(cè)各個(gè)模塊的機(jī)械機(jī)構(gòu)之間是否產(chǎn)生干涉。3)利用分析軟件ADAMS對(duì)背部搓澡機(jī)構(gòu)、臀部搓澡機(jī)構(gòu)和腿部搓澡機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,并對(duì)輔助站立機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。最后研制出一臺(tái)搓澡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī),并對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。最終設(shè)計(jì)出了滿足個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人總體設(shè)計(jì)要求的搓澡系統(tǒng),解決了老年人在洗浴過(guò)程中搓澡的難題,提高了老年人晚年的生活質(zhì)量。

第1章 緒論

1.1 課題來(lái)源
本課題是國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目 “個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”的子課題。該項(xiàng)目旨在解決個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),研制適合家用與醫(yī)用環(huán)境,面向老年人或殘疾人使用的,具有智能洗澡、洗發(fā)、干身等作用的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人。
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1.2 課題研究背景、目的和意義
中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì),養(yǎng)老問(wèn)題已經(jīng)由傳統(tǒng)的家庭問(wèn)題轉(zhuǎn)變成社會(huì)問(wèn)題。據(jù)新華社電:2013年2月27日,我國(guó)第一部老齡事業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)——《中國(guó)老齡事業(yè)發(fā)展報(bào)告(2013)》在京發(fā)布。藍(lán)皮書(shū)指出,截至2012年底,我國(guó)老年人口數(shù)量達(dá)到1.94億,比上年增加891萬(wàn),占總?cè)丝诘?14.3%。全國(guó)老齡辦副主任、中國(guó)老齡科研中心主任吳玉韶在新聞發(fā)布會(huì)上介紹,隨著新中國(guó)成立后新出生的人口進(jìn)入老年期,我們迎來(lái)第一個(gè)老年人口增長(zhǎng)高峰。2013年底,老年人口數(shù)量將突破2億大關(guān)[1],達(dá)到2.02億,老齡化水平將達(dá)到 14.8%。2013年12月26日,中國(guó)社會(huì)科學(xué)院和社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社發(fā)布《社會(huì)藍(lán)皮書(shū):2014年中國(guó)社會(huì)形勢(shì)分析與預(yù)測(cè)》,其中指出,今年我國(guó)60歲及以上老年人口達(dá)2億人,其中“失能老人”的總數(shù)已超3700萬(wàn)人。另外,通過(guò)第六次人口普查顯示,我國(guó)殘疾人數(shù)達(dá)到八千多萬(wàn),占我國(guó)總?cè)丝诘?6.34%[3],這將直接影響七千多萬(wàn)家庭的生活質(zhì)量。
根據(jù)預(yù)計(jì),從2020年開(kāi)始,中國(guó)將步入老齡化嚴(yán)重階段,60歲以上人口將接近20%;2050年,中國(guó)將步入超高老齡化國(guó)家行列[2],60歲以上人口將占到30%。人口的老齡化對(duì)社會(huì)造成多方面的影響。
我國(guó)目前還處在發(fā)展階段,國(guó)家就已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì),不像發(fā)達(dá)國(guó)家那樣有良好的經(jīng)濟(jì)條件去建立足夠多的老年人養(yǎng)老機(jī)構(gòu)。目前我國(guó)各種服務(wù)設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了老年人的需要,并且護(hù)理老年人的人員嚴(yán)重短缺[4]。河北醫(yī)科大學(xué)對(duì)家庭養(yǎng)老問(wèn)題進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查,共獲得有效問(wèn)卷1320份,分析結(jié)果顯示:幫助老人洗澡占總調(diào)查人數(shù)的34.8%,幫老人戶外活動(dòng)占25.5%,幫老人上廁所占24.0%,幫老人換洗衣服占4.996%、幫老人吃飯占4.2%[5]。從以上調(diào)查結(jié)果可知:幫助老年人日常洗浴是照料老人時(shí)最困難的護(hù)理項(xiàng)目之一,但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)量較少的老年人來(lái)說(shuō),經(jīng)常洗浴對(duì)他們的身體健康是非常重要的,洗澡不僅僅能夠除去人體表面的污垢,而且刺激人體表皮下的免疫細(xì)胞,增強(qiáng)人體的抗病能力。但是對(duì)于大多數(shù)老年人,洗澡都要在家人或護(hù)理人員幫助下進(jìn)行,這大大增加了家人和護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。因此,開(kāi)發(fā)一種適合老年人日常洗浴的普通家用個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人,對(duì)緩解老年人護(hù)理負(fù)擔(dān)是具有重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值[6,7]。
搓澡機(jī)構(gòu)是個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人最主要組成部分,因?yàn)榇暝铏C(jī)構(gòu)是與洗浴者身體接觸最密切的部分,它的設(shè)計(jì)是否合理將直接關(guān)系到整個(gè)個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)的成敗。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及分析
搓澡是整個(gè)洗浴過(guò)程中最重要也是最難的部分,搓澡不僅能使循環(huán)系統(tǒng)暢通,改善血液循環(huán),加速人體各器官組織的新陳代謝進(jìn)而消除疲勞,而且可以刺激人體表皮下的功能很強(qiáng)的免疫細(xì)胞,使其提高機(jī)體免疫力和抗病能力,進(jìn)而調(diào)和全身的內(nèi)臟器官與組織,具有延年益壽之功效。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)洗澡問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究,提供了許多幫助洗浴者洗澡的相關(guān)產(chǎn)品,為研究搓澡機(jī)構(gòu)提供了豐富的信息資料。
1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
日本對(duì)于衛(wèi)生護(hù)理機(jī)的研究比較早,如圖 1-1 是日本三洋公司1973年設(shè)計(jì)的一款個(gè)人洗澡機(jī)[8]。

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第2章 衛(wèi)生護(hù)理機(jī)整體方案的設(shè)計(jì)及搓澡過(guò)程分析

2.1 引言
本課題研究的內(nèi)容是研制出適合老年人或殘疾人洗澡使用的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人。它具有的主要功能有:能為老年人自動(dòng)洗澡、干身、自動(dòng)洗頭發(fā),并且在整個(gè)洗浴過(guò)程中要對(duì)洗浴者提供生理監(jiān)測(cè)功能。本課題還通過(guò)與日方進(jìn)行國(guó)際合作,把日本在智能機(jī)器人方面的技術(shù)引進(jìn)到我國(guó),并與我國(guó)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理設(shè)備相結(jié)合研究出符合老年人的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人。
本章先介紹個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)要求,然后再分析本文研究的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人的主體部分——搓澡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
本課題研制的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人主要針對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、醫(yī)院和普通家庭的老年人洗浴。通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷,并且考慮到老年人肌體能力和洗浴習(xí)慣,該機(jī)器人應(yīng)滿足以下功能要求:
1.首先設(shè)計(jì)的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人應(yīng)具備洗頭、搓澡、干身等基本洗浴功能;
2.由于使用者大多數(shù)是老年人,所以在洗浴的過(guò)程中要提供生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)保證洗浴者在洗浴過(guò)程中的身體安全;
3.設(shè)計(jì)的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人要滿足省空間、省水的要求;
4.洗浴者在洗浴過(guò)程中要滿足舒適性的要求。
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2.2 個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)整體方案的確定
根據(jù)上面提出的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)的功能要求,經(jīng)過(guò)課題組所有老師和同學(xué)們的分析和討論,最終確定如圖2-1所示的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人的整體方案,本方案確定為坐姿式自動(dòng)洗浴機(jī)器人。它的主要功能有四部分組成,它們分別是搓澡系統(tǒng)、洗頭系統(tǒng)、水的循環(huán)利用系統(tǒng)和生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)介紹機(jī)器人的主體部分——搓澡系統(tǒng)。
在研究人體搓澡系統(tǒng)前,首先要解決下面三方面問(wèn)題:(1)確定搓澡裝置對(duì)搓澡者身體搓澡的部位和范圍;(2)確定搓澡者在搓澡過(guò)程中的姿態(tài);(3)確定搓澡力度、位移、速度。這三方面直接影響著搓澡裝置設(shè)計(jì)的成敗,所以在設(shè)計(jì)搓澡系統(tǒng)之前先對(duì)這三方面進(jìn)行研究。

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2.3 人體搓澡區(qū)域的確定
人體表面是一個(gè)復(fù)雜的曲面,設(shè)計(jì)一個(gè)能夠完全搓遍全身的搓澡裝置是非常困難的,通過(guò)大量的調(diào)查和研究并經(jīng)過(guò)課題組老師、學(xué)生們的討論,最終確定對(duì)洗浴者搓澡的部位有背部、臀部和小腿,如圖2-2所示,選擇這些部位有以下因素:(1)符合大多數(shù)人的搓澡習(xí)慣,大多數(shù)人在澡堂人工搓澡也主要是這些部位。(2)搓澡裝置接觸這些部位的表面對(duì)搓澡者比較安全,并且容易實(shí)現(xiàn)。
...............................

第 3 章 搓澡系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).............................. 19
3.1 引言.......................................19
3.2 老年人人體尺寸分析................................19
3.3 搓澡系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)..................................23
3.4 輔助站立裝置的設(shè)計(jì).............................24
3.5 搓背裝置的設(shè)計(jì)................................28
3.6 搓臀部裝置的設(shè)計(jì)...................................31
3.7 搓腿部裝置的設(shè)計(jì)..................................32
3.8 搓澡系統(tǒng)的整體三維效果圖 ....................................34
3.9 本章小結(jié)................................36
第 4 章 搓澡系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)的仿真研究 ........................ 37
4.1 引言...............................37
4.2 背部搓澡裝置的仿真..............................38
4.2.1 背部搓澡裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真..................................38
4.2.2 背部搓澡裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真..............................40
4.3 臀部搓澡裝置仿真....................................41
4.3.1 臀部搓澡裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真......................................41
4.3.2 臀部搓澡裝置的動(dòng)力學(xué)仿真...............................42
4.4 腿部搓澡裝置的仿真....................................43
4.4.1 腿部搓澡裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真..................................43
4.4.2 腿部搓澡裝置的動(dòng)力學(xué)仿真................................44
4.5 輔助站立裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 .......................................45
4.6 搓澡系統(tǒng)各模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型與計(jì)算 ................................47
4.6.1 輔助站立裝置的電機(jī)選型...............................47
4.6.2 臀部搓澡裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型..................................50
4.6.3 背部和臀部搓澡機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型................................51
4.7 本章小結(jié).....................................52

第5章 搓澡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制與實(shí)驗(yàn)分析

5.1 引言
根據(jù)以上對(duì)搓澡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析,整個(gè)搓澡機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)已具有理論上的可行性,但是真正制作出的搓澡機(jī)構(gòu)由于受外在各種因素的影響,會(huì)和虛擬樣機(jī)的搓澡機(jī)構(gòu)有一定的誤差,所以還需要加工出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的搓澡系統(tǒng)的合理性。另外制作出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)也給搓澡系統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本章要制作出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并且對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)行,通過(guò)空載運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)并且對(duì)檢測(cè)出有問(wèn)題的機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
如圖5-1是搓澡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),它有機(jī)械機(jī)構(gòu)部分和搓澡系統(tǒng)的控制部分組成。

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制作搓澡裝置的材料是普通的碳素鋼,制作搓澡頭的材料是橡膠,為提高搓澡機(jī)構(gòu)的防水、防銹問(wèn)題,對(duì)各個(gè)碳素鋼零件進(jìn)行電鍍。下面通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)搓澡裝置的各個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行空載運(yùn)行。

5.2 搓澡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的檢測(cè)
5.2.1 搓背模塊試驗(yàn)樣機(jī)的檢測(cè)
如圖5-2所示是搓背模塊的樣機(jī)圖,通過(guò)控制裝置驅(qū)動(dòng)搓背機(jī)構(gòu)進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng),在檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,錐齒輪副和齒輪齒條運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)都平穩(wěn),但在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后突然整個(gè)搓頭裝置停止上下運(yùn)動(dòng)了,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)是U型輪與滑道出現(xiàn)卡死現(xiàn)象,主要原因是U型輪與滑道的間隙太大導(dǎo)致U型輪向一邊傾斜而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。隨后增大了U型輪的尺寸再對(duì)搓背裝置進(jìn)行了空載運(yùn)行,結(jié)果再?zèng)]有出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

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5.2.2 臀部搓澡模塊實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的檢測(cè)
如圖5-3所示是腿部搓澡模塊的樣機(jī)圖,,通過(guò)控制裝置控制輔助站立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助站立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng);在檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題:(1)當(dāng)縱向絲杠帶動(dòng)背部提升架時(shí)出現(xiàn)了“咯咯”的響聲;(2)當(dāng)電動(dòng)推桿帶動(dòng)扶手向上開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的一瞬間,扶手會(huì)猛地向下沖擊一下。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)縱向絲杠在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候發(fā)出噪音,原因是加工的絲杠精度不夠。最后在絲杠上涂上一定的潤(rùn)滑油,噪音降低很多,對(duì)于扶手在向上運(yùn)動(dòng)初的一瞬間會(huì)向下沖擊一下,這一問(wèn)題的主要原因是連接電動(dòng)推桿與扶手的銷釘與插孔有間隙,最后換了一個(gè)直徑相對(duì)大的銷釘后扶手裝置沒(méi)有了震動(dòng)現(xiàn)象。
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第6章 總結(jié)與展望

6.1 主要研究的工作
本課題在國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目“個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下,針對(duì)老年人洗浴時(shí)搓澡不便的問(wèn)題,研制出老年人的搓澡系統(tǒng),F(xiàn)將兩年多來(lái)對(duì)本課題所做的研究工作總結(jié)如下:
1.通過(guò)分析和研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)自動(dòng)洗浴系統(tǒng),并結(jié)合人機(jī)工程學(xué),確定了個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)的整體方案。根據(jù)個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人整體要求,確定了搓澡者在搓澡時(shí)的身體姿態(tài)和搓澡范圍,并且研究了搓澡時(shí)搓澡力度的變化;以及搓澡者在搓澡過(guò)程中輔助站立的分析。
2.通過(guò)模塊化思想,完成了搓澡系統(tǒng)的輔助站立、搓背、搓臀部和搓小腿四部分的設(shè)計(jì);并利用Solidworks三維軟件對(duì)搓澡系統(tǒng)四部分模塊進(jìn)行三維建模。并針對(duì)各模塊設(shè)計(jì)空間要求,選出了最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),并通過(guò)各模塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算,選出各模塊所需的伺服電機(jī)的型號(hào)。
3.為了增加整個(gè)搓澡系統(tǒng)的柔性,基于人機(jī)工程學(xué),在輔助站立模塊利用電動(dòng)推桿做輔助站立的下座來(lái)適應(yīng)不同身高的洗澡者,設(shè)計(jì)的搓澡頭裝置能夠滿足搓澡部位皮膚表面。
4.把Soldwoks建立的三維搓澡機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS中,對(duì)輔助站立機(jī)構(gòu)、搓背機(jī)構(gòu)、搓臀部機(jī)構(gòu)和搓小腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析,得出運(yùn)動(dòng)曲線,進(jìn)而驗(yàn)證各機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性。
5.設(shè)計(jì)搓澡系統(tǒng)檢驗(yàn)無(wú)誤后,繪制搓澡機(jī)構(gòu)的工程圖,在課題組的老師和同學(xué)的合作和努力下,共同加工研制出個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。并對(duì)加工的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行空載調(diào)試,檢驗(yàn)搓澡系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡是否滿足要求。
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