功病床设计
摘
着国社会口结构老龄化趋势日趋明显医护护理行业更高求医病床质量性功样化方便护理员操作提升护理行业整体服务水取较社会效益济效益
文针危重病瘫痪病行动便病设计款功病床该病床具帮助病坐起屈膝排便翻身等功解决护理行业中诸便促进国护理行业医疗器械发展
文采顶设计方法首先拟定病床整体设计方案然手病床总体框架抬腿部件抬背部件整床升降等部件进行分详细设计采先进计算机辅助设计软件solidworks功病床进行建模分析绘制零部件CAD工程图采机械力学理详细分析功病床零部件确保机构运行安全性稳定性文功病床控制系统进行设计分析
关键词：功病床设计
目录
摘 1
目录 2
1 功病床总体设计 3
11研究背景意义 3
12拟定总体设计方案 4
2 病床结构设计 7
21 侧翻机构设计 7
22抬背机构设计 8
23曲腿机构设计 9
24电机选择 11
3 病床结构校核分析 16
31床底架杆校核 16
32抬背杆校核 17
33病床三维建模 19
4 病床控制系统设计 22
41控制系统原理方案 22
42控制系统硬件设计 24
43控制系统软件设计 29
总结 34
参考文献 35
1 功病床总体设计
11研究背景意义
功医病床针生活理病危重病瘫痪病特殊需设计意调节床背部脚部角度理者护理员通床边控制器进行操作减少顾病残患者劳动强度文设计种医院重症病功床解决病身体生理方面需（抬背翻身等）减轻护理员劳动强度针市场需求开发设计种结构简单工作方便功病床进行动态仿真产品产业化具重意义
着社会济迅速发展民生活水断提高口寿命断延长思想进步城市口正逐步进入老龄化口老龄化已成世界范围社会问题统计欧洲发达国家日老年独居率已高达40高例迫社会采取措施解决老年护理服务问题果完全家庭工料西方国家子女老年分居家庭规模型化观念抵触处国60岁老年口已达
132 亿 占全国总口10 年均332速度持续增长中空巢家庭占老龄家庭总数258城市中该例更解决身体虚弱卧床起疾患导致生活理老年家庭料护问题口老龄化国家面问题[1] 国家力加强护理机器研发扶持力度偏瘫病长期病床病提供集护理排泄等功体功病床极提高患者康复护理水护理员提供极方便操作简单功强护理产品越越受追捧
病床国设计研究尚处初级阶段产品功结构造型进步完善国外病床研究德国日代表种护理功正逐步完善成熟价格昂贵（般售价20 万民币）难般消费者接受病床基分类情况[1]：
年发展国发展迅速种结构功等等异病床层出穷发展方机器模块化动控制方发展
结构功单病床已逐渐隐退病床床体身构件实现种功 包括躺仰起曲腿左侧翻右侧翻洁便门开关装置洗马桶洗身体装置 外烘干抽风设备部分独立运行完成相应动作 时单功组合起实现复杂功譬病躺床排泄问题解决 改变背板仰角者左右侧翻取舒适姿态 护理员洁便池清洗等[2]
文研究目解决老年理病残疾瘫痪病产妇等类痛苦（）没直顾时够理
12拟定总体设计方案
床整体分布家电动护理床分总体框架抬腿部件抬背部件整床升降部件智座便系统五功模块
通分析现病床设计容易发现实现床面某特定体位姿态传统设计方法会设计套特定机构应位姿数目越越时需机构数目增加时空间体积膨胀床体总体积定限制床体长宽高尺寸必须关病床标准规定限制某空间范围够满足病舒适感求满足空间限制求机构协调技术源模仿体运动体运动具极柔性受启发病床床面进步加细分成彼间相互独立12面板图21示图11中床面板1床面板2床面板3应体背部床面板4床面板5床面板6应体臀部体腿脚分应床面板7床面板8床面板9床面板10床面板11床面板12通床面板间协调运动采单动联动方式实现病床需种体位位姿
图11 功医病床床面板图
满足患者病床时舒适程度效减缓护理员护理强度病床结构设计时应满足方面求
(1) 够实现护理需种体位位姿求
(2) 活动床面板摆动角度范围应参关医疗护理求体舒适感床面板摆动角度标准：
背板摆动角度：0°～75°
左右翻身摆动角度：0°～75°
腿板摆动角度：0°～45°
(3) 病床床体性稳定性安全性符合医护求
(4) 床体结构尺寸定空间范围限制
功医病床结构功分：床框架面连杆机构床板控制系统组成
图22 功医病床系统框图
床框架固定机械机构外包括电机安装模块面连杆机构包括：侧翻机构抬背机构曲腿机构床板床板框架床板面板组成整台功医病床中四台直流电机分完成头部升降腿部屈伸左右侧翻等动作课题工作重点面连杆机构部分包括机构结构设计运动方案设计整功医病床三维模型建立整床装配调试控制方案确定电路板设计控制线路布置连接种传感器设计安装编程调试
2 病床结构设计
21 侧翻机构设计
侧翻机构作实现患者病床左右翻身避免患者背部长期接触褥产生褥疮时减轻护理员护理强度功医病床侧翻机构采两称四杆机构两直线驱动器驱动通电气控制实现病床左右侧翻功简图图31示
左侧翻示意图 右侧翻示意图
图31 侧翻机构
功医病床侧翻机构线性推杆侧翻连杆侧翻滚子两侧床板部分床架组成线性推杆端铰接床架端铰接侧翻构件侧翻构件端铰接床架端通滚子床侧板连接床侧板通螺栓中部床板铰接中部床板通固定器中部床板固定床架充机架作线性推杆推动侧翻构件绕着床架发生转动通滚子作背部侧板绕着中部床板铰接点转轴发生转动
侧翻机构左右两四杆机构组成两机构承称设计中通查阅手册体肩宽约330~415mm床中间段板窄患者实现翻身动作设计中背板中部设180mm两侧板设320mm床板厚度设35mm支承滚子直径设20mm床高度根普通床高度做调整高方便患者床低影响安装空间线性推杆底部安装点床板转轴距离根机构始末位置电机行程范围定115mm利AUTOCAD旋转功侧床板翻转75°利偏移指令找侧翻构件翻转位置次旋转电机前端安装点样侧翻机构水状态时机构点参数根设计求侧翻翻转角度75°背板旋转75°新机构位置通观察发现机构终位置时杆件没发生碰撞干涉符合机构运动求测量线性推杆终位置时伸长长度推杆许选范围满足推杆选行程侧翻机构图解法设计结束点安装位置初步设计尺寸图32示
图32 侧翻机构初始设计尺寸图
22抬背机构设计
抬背机构作实现患者病床抬背端坐功功医病床台北机构类似侧翻机构线性推杆抬背连杆抬背滚子背板部分床架组成线性推杆端铰接床架端铰接抬背构件抬背构件端铰接床架端通滚子背板连接中部床板焊接固定床架充机架作线性推杆推动抬背构件绕着床架发生转动通滚子作背板绕着中部床板铰接点转轴发生转动简图图33示
图33 抬背机构
功医病床抬背机构采四杆机构单线性推杆驱动
查阅手册体坐高约800mm左右机构中背板长度860mm滚子直径20mm侧翻机构相似图解法设计设臀部床板长度400mm线性推杆行程范围出水距离608mm出线性推杆初始安装长度样初始状态抬背机构尺寸机构需满足运动求根设计求背板翻转75°利偏移命令找转动摆杆位置出线性推杆终安装位置样线性推杆行程行程190mm行程正满足线性推杆选范围直接采厂家提供线性推杆初步设计完成尺寸图图34示点安装位置图示
图34 抬背机构初始设计尺寸图
23曲腿机构设计
曲腿机构作实现患者腿部床板弯曲弯曲时候脚板必须处水位置功医病床曲腿机构五杆机构单线性推杆驱动实现曲腿动作简图图35示
图35 曲腿机构
功医病床曲腿机构包括：线性推杆曲腿连杆Ⅰ曲腿连杆Ⅱ腿部床板部分床架线性推杆端铰接床架端铰接曲腿连杆Ⅰ曲腿连杆Ⅰ曲腿连杆Ⅱ相铰接曲腿连杆Ⅱ腿部床板铰接曲腿连杆Ⅰ腿部床板通铰接分固定床架线性推杆推动曲腿构件绕着床架发生转动通曲腿连杆Ⅱ腿部床板相铰接腿部床板绕着中部床板铰接点转轴发生转动
功医病床曲腿机构采五杆机构设腿板长度445mm线性推杆行程范围出水距离380mm出线性推杆初始安装长度样初始状态曲腿机构尺寸机构需满足运动求根设计求机构做拉动腿板翻转45°利偏移命令找转动连杆位置出线性推杆终安装位置样线性推杆行程行程101mm行程正满足线性推杆选范围直接采厂家提供线性推杆初步设计完成尺寸图图36示点安装位置图示
图36 曲腿机构初始设计尺寸图
腿板脚板连接处添加两处支撑滚子曲腿没初进行时滚子起支撑脚板作床架框架添加两处支撑滚子曲腿运动进行时脚板碰床框架滚子腿板弯曲变接水位置起支撑脚作腿板脚板连接处滚子曲腿动作失支撑作
24电机选择
1整床升降电动机选择
功率：
时间t35s 升高度h220mm 极限夹角转臂角速度
转臂速度：
负载转臂传递功率（忽略转臂重）
电 动 机 许 功 率：
忽略轴转动惯量连杆重）
电动机实际功率：
结果知选定额定功率100W单电容式减速电动机相关参数
电机转速
图32知螺杆导程1短约220mm屈膝抬腿时间螺杆导程间距出电动机低转速约：
2坐起电动机
1）功率
取t30s极限角度θ70o转臂角速度：
转臂速度：
负载转臂传递功率：
（忽略转臂重）
电 动 机 许 功 率：
（忽略轴转动惯量连杆重）
电动机实际功率：
[P许2 ] ×1236W
结果知选额定功率40W单相电容式减速电动机相关参数
2）转速
图31知坐起螺杆行程短约365m身坐起时间t30s螺杆螺纹间距d2mm出电动机低转速：
n365÷2÷30×60rmin365rmin
图31坐起螺杆导程示意图
3曲腿电动机选择
1）功率：
极限角度转臂角速度：
转臂速度：
负载T31000N转臂传递功率：（忽略转臂重）
(忽略轴转动惯量连杆量）
电动机实际功率：P3[P许3]×12109W
结果知选定额定功率25W单相电容式减速电动机相关参数
2）转速：
图32知屈膝螺杆行程短约121mm屈膝抬腿时间螺杆导程间距出电动机低转速约：
图32屈膝时螺杆行程示意图
3 病床结构校核分析
31床底架杆校核
功病床病床部件连杆材料均选Q235A钢
考虑功医病床机构角度避免会床质量增加整床重量全部压床底架长杆底架长杆会受力杆件根设计尺寸底架长杆长度1440mm床底架长杆两支撑点假设床身质量400kg体质量150kg总重550kg具体计算示：
图31 床底架受力示意图
初步估计床总质量365kg假设床身质量400kg体质量150kg总重550kgF2F32750N1440mm1020mm 70mm
根力矩衡公式：
F1×F2×+F3×
：F122153N
F1+F4F2+F3
F432847N
通述已知条件计算杆段受剪力弯矩：
A原点AB端：
剪力 FF122153N方
弯矩 MF1×x ：M0~775355N·M方逆时针方
BC段：
剪力FF2F15347N方
弯矩 MF1×xF2×（x035） ：M2299~775355N·M方逆时针方
CD段：剪力FF432847N方弯矩 MF4×x ：M0~2299N·M方逆时针方根计算分析出结果B点受力弯矩B点截面危险截面计算剪力图弯矩图图62示
图32 床底架剪力弯矩图
根剪力弯矩图说明床底架杆整体受力没发生突变时存某段力值特现象整体言床框架力学性良受力情况满足机构设计求
32抬背杆校核
功医病床抬背时候抬背摆杆受力较杆件背部质量较会时较危险杆件力学计算
图33抬背杆受力示意图
体质量床板质量均分圆整数F1500N方
F3x950NF3y2039N830mm680mm 54mm
F2xF3x950NF2yF1+F3y500+20392539N
AB段
剪力 FF1500N方
弯矩 MF×x：M0~340N·M方时针方
BC段
剪力 F F3y2039N方
弯矩 MF2y×（x068）F1×x (068≤x≤0734)
：M2299~340N·M方逆时针方
M F2y×（x068）+F2x×F1×x （0734≤x≤083）
：M185~2299 N·M方逆时针方
根述计算结果知B点剪力受弯矩综述B点截面危险截面根计算结果画出剪力图弯矩图图34示
图34 抬背杆受剪力弯矩图
根剪力弯矩图说明抬背杆AB段受力前两端均受压力变形中部受力变形前两端分受压力导致中部产生拱起现象受力抬背杆整体受力没发生突变存某段力值特现象整体言床框架力学性良受力情况满足机构设计求抬背杆三种机构中危险抬背杆满足设计求侧翻曲腿杆满足设计求
33病床三维建模
通图解法方法病床初始设计数病床进行建模基础根述初始设计数通soliderworks软件进行建模Solidworks软件功强组件繁 Solidworks 功强易学易技术创新SolidWorks 三特点SolidWorks 成领先流三维CAD解决方案SolidWorks 够提供设计方案减少设计程中错误提高产品质量SolidWorks 仅提供强功时工程师设计者说操作简单方便易学易模型图
37示
图37(a) 护理床床架三维模型
图37(b) 护理床侧翻（左）连杆三维模型
图37(c) 护理床抬背连杆三维模型
图37(d) 护理床曲腿连杆三维模型
图37(e) 功医护理床三维模型1
图37(f) 功医护理床三维模型2
4 病床控制系统设计
41控制系统原理方案
实现功病床机构运动病床控制系统采单片机构成控制辅助模块四台直流电机正反转速度控制
直流电动机具优良调速特性调速滑方便调速范围广载力承受频繁击负载实现频繁级快速起动制动反转满足生产程动化系统种特殊运行求
许需调速快速正反电力拖动系统领域中广泛应
直流电动机转速调节三种方法：调节电枢供电电压减弱励磁磁通改变电枢回路电阻针三种调速方法特点存定缺陷直流电机调速基原理改变电机电压改变转速 改变电压方法直流PWM调速系统控整流式调速系统相列优点：PWM调速系统开关频率较高仅电枢电感滤波作获稳直流电流低速特性稳速精度高调速范围宽样开关频率高快速响应特性动态抗干扰力强获宽频带开关器件工作开关状态电路损耗装置效率高直流电源采控整流时电网功率数相控整流器高常定PWM脉宽调制调节电机输入占空控制电机均电压控制转速电机调速般分三级控制级驱动级反馈级 单片机属前端控制级需够产生调PWM波形（单片机专PWM输出功定时器做）驱动级控制级单片机弱电直接驱动电机样强电需功率开关器件驱动电机基思路通弱点控制强电通常驱动级控制级需电气隔离（光耦器件）保证安全 反馈级实现精确调速般电流反馈转速反馈电流转速双闭环反馈控制
PWM输出占空具体少单片机通反馈信息综合运算（负反馈控制）具体原理图根具体电机
控制部分采模块化控制系统方案框图图51示
图41 控制系统框图
控制系统控制CPU采AT89S51单片机AT89S51低功耗高性CMOS 8位单片机片含4k Bytes ISP反复擦写1000次Flash读程序存储器器件采ATMEL公司高密度非易失性存储技术制造兼容标准MCS51指令系统80C51引脚结构芯片集成通8位中央处理器ISP Flash存储单元功强微型计算机AT89S51许嵌入式控制应系统提供高性价解决方案AT89S52身资源限扩展片EPROM芯片W27C512做程序存储器存放系统底层程序扩展片SRAM芯片6264做数存储器存放户程序输入输出口扩展选行接口8255芯片进出信号均做隔离放
电机驱动模块采专电机驱动芯片例L298NL297N等电机驱动芯片部已考虑电路抗干扰力安全行应时需考虑芯片硬件连接驱动力等问题种方案电路设计简单抗干扰力强性设计者需硬件电路设计考虑重点放算法实现软件设计中提高工作效率
连杆机构运动设计求角度时通传感器机构运动停止时反馈位置信息单片机进行调节
显示模块采128×64LCD液晶显示器该显示器功率低驱动方法硬件连接电路较复杂显示屏幕汉字字符进行显示
键盘模块采行列式键盘种键盘特点行线列线分接输入线输出线键设置行列线交叉点利种矩阵结构需m根行线n根列线组成m×n键键盘矩阵式键盘适键数量较场合种键盘软件结构较复杂
电源模块通固定芯片整流电压进行降压稳压处理（78127805等）方案性安全性高源利率高电路简单容易实现
综述：
（1）控制模块： 采AT89S51单片机
（2）电机驱动模块： 采直流电机驱动芯片L298N实现
（3）限位模块： 采传感器
（4）显示模块： 采128×64LCD液晶显示模块
（5）键盘模块： 采标准矩阵式键盘
（6）电源模块： 采78057812芯片实现
42控制系统硬件设计
电源整系统量源直接关系系统否运行系统中直流电机需24V电源单片机显示模块等电路需5V电源电路中选78057812两种稳压芯片输出电流15A够满足系统求电路图52示
图42 电源电路
驱动模块控制器执行器间桥梁系统中单片机IO口直接驱动电机引入电机驱动模块保证电机控制求运行里选L298N电机驱动芯片驱动电机该芯片四功率晶体组成H桥电路构成四晶体分两组交导通截止单片机控制达林顿工作开关状态通调整输入脉占空调整电动机转速中输出脚（SENSEASENSEB）连接电流检测电阻Vss接逻辑控制电源Vs电机驱动电源IN1IN4输入引脚标准TTL 逻辑电信号控制H桥开关实现电
机正反转ENAENB引脚控制端输入PWM信号实现电机调速电路图33示利两光电耦合器单片机IO驱动电路进行隔离保证电路安全样单片机产生PWM脉控制L298N选通端电机PWM脉控制正常运行中四二极芯片起保护作电路图73示
图43 电机驱动电路
根设计求系统项参数电机运行状态进行显示电路中加入显示模块非常必系统运行程中需显示数较需汉字显示里选128×64液晶显示器较适合种图形点阵液晶显示器行驱动器列驱动器128×64全点阵液晶显示器组成完成汉字（16×16）显示图形显示20引脚引脚名称引脚编号应关系图54引脚功表71示
图44 128×64LCD引脚分布
表41 12864液晶显示模块引脚功
引脚
符 号
引 脚 功
引脚
符 号
引 脚 功
1
VSS
电源
15
CS1
CS11芯片选择左边64*64点
2
VDD
电源正+5V
16
CS2
CS21芯片选择右边64*64点
3
VO
液晶显示驱动电源
17
RST
复位（低电效）
4
RS
H：数输入
L：指令码输入
18
VEE
LCD驱动负电源
5
RW
H：数读取
L：数写入
19
A
背光电源（+）
6
E
信号
20
K
背光电源（）
714
DB0DB7
数线
型号模块1920脚空脚
128×64液晶显示器单片机连接电路图75示：
图45 显示模块电路
根设计需求系统中4×4键盘实现病床动作控制电路原理图图76示图中L0～L34×4键盘列信号H0～H34×4键盘行信号
系统中P10～P13连接键盘列信号L0～L3P14～P17连接键盘行信号H0～H3求设计操作面板图76示：
图46 键盘电路
键盘操作说明：系统开始运行时128×64LCD显示开机界面设置键显示屏进入参数设置界面时1234进入相应参数设置状态输入相应数字完成该参数设置量设置完成正反控制键设置正反转启动键启动系统运行程中相应键电机进行暂停继续停止运行控制
根设计求运动达特定角度时运动停止指定角度出添加限位里传感器作限位时反馈单片机达更加精确角度
图47 限位电路
43控制系统软件设计
1程序流程
图48 程序流程 图49 键盘流程
图410 系统函数流程 图411 子程序流程
2显示程序流程
显示模块实现机话重部分里选128×64LCD显示器实现汉字字符显示该显示器引脚功面已做说明面介绍128×64LCD相关指令
（1）读取状态字
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
1
BUSY
0
ON／OFF
RST
0
0
0
0
RW1DI0时E信号高作状态分输出数总线状态字解模块前工作状态唯信息渠道次模块操作前读出状态字判断BUSY否00计算机需等直BUSY 0止
（2）显示开关设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
D
D1：开显示D0关显示
（3）显示起始行设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
1
1
显示起始行（0~63）
指令表中DB5～DB0显示起始行址取值0～3FH（1～64行）范围规定显示屏顶行应显示存储器行址
（4）页面址设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
1
0
1
1
1
Page（0~7）
页面址DDRAM行址8行页DDRAM64行8页DB2DB0表示07页
（5）列址设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
1
Yaddress（0~63）
列址DDRAM列址64列DB5DB0取值03FH（164）代表某页面某单元址列址计数器次读／写数动加
（6）写显示数
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
1
0
显 示 数
该操作8位数写入先前已确定显示存储器单元操作完成列址计数器动加
（7）读显示数
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
1
1
显 示 数
该操作12864模块中DDRAM存储器应单位中容读出然列址计数器动加
3控制程序
（1）8255芯片初始化子程序
B255 MOV DPTR #3FFFH
MOV A #10001001B
MOVX @DPTR A
MOV DPTR #3FFCH
MOV A #0FFH
MOVX @DPTR A
MOV DPTR #3FFDH
MOV A #0FFH
MOVX @DPTR A
RET
（2）键盘子程序
CLR EX1
MOV DPTR #5FFFH
MOV A #01000000B
MOVX @DPTR A
MOV DPTR #5FFEH
MOVX A @DPTR
CJNE A #KEY0 NEXT0
JMP _KEY0
NEXT0 CJNE A #KEY1 NEXT1
JMP _KEY1
NEXT1 CJNE A #KEY2 NEXT2
JMP _KEY2
NEXT2：……
NEXT40 CJNE A #KEY16
JMP _KEY16
（3）电机控制
CONT1 MOV DPTR #3FFCH
MOVX A @DPTR
SETB ACC0
CLR ACC1
NOP
CLR ACC0
SETB ACC1
MOV 0EH #4EH
MOV 0DH #20H
CALL DELAY
DJNZ 0FH CONT1
RET
CONT2 MOV DPTR #3FFCH
MOVX A @DPTR
CLR ACC0
SETB ACC1
NOP
SETB ACC0
CLR ACC1
MOV 0EH #4EH
MOV 0DH #20H
CALL DELAY
DJNZ 0FH CONT2
RET
总结
文详细分析设计种功病床该病床机械部分采连杆机构实现患者种体位姿态通电机驱动连杆机构实现侧翻抬背曲腿等功更符合患者求利市场化推广该病床控制系统采单片机核心控制系统具操作简单维护方便等特点
文完成工作
(1)设计机械结构部件部件图解法进行分析校核
(2)采solidworks软件完成功病床三维建模装配绘制CAD工程图纸
(3)设计单片机核心控制系统设计输入输出电机驱动显示键盘等外围接口电路
鉴力限次毕业设计中难免存足恳请位老师指正
参考文献
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摘
着国社会口结构老龄化趋势日趋明显医护护理行业更高求医病床质量性功样化方便护理员操作提升护理行业整体服务水取较社会效益济效益
文针危重病瘫痪病行动便病设计款功病床该病床具帮助病坐起屈膝排便翻身等功解决护理行业中诸便促进国护理行业医疗器械发展
文采顶设计方法首先拟定病床整体设计方案然手病床总体框架抬腿部件抬背部件整床升降等部件进行分详细设计采先进计算机辅助设计软件solidworks功病床进行建模分析绘制零部件CAD工程图采机械力学理详细分析功病床零部件确保机构运行安全性稳定性文功病床控制系统进行设计分析
关键词：功病床设计
目录
摘 1
目录 2
1 功病床总体设计 3
11研究背景意义 3
12拟定总体设计方案 4
2 病床结构设计 7
21 侧翻机构设计 7
22抬背机构设计 8
23曲腿机构设计 9
24电机选择 11
3 病床结构校核分析 16
31床底架杆校核 16
32抬背杆校核 17
33病床三维建模 19
4 病床控制系统设计 22
41控制系统原理方案 22
42控制系统硬件设计 24
43控制系统软件设计 29
总结 34
参考文献 35
1 功病床总体设计
11研究背景意义
功医病床针生活理病危重病瘫痪病特殊需设计意调节床背部脚部角度理者护理员通床边控制器进行操作减少顾病残患者劳动强度文设计种医院重症病功床解决病身体生理方面需（抬背翻身等）减轻护理员劳动强度针市场需求开发设计种结构简单工作方便功病床进行动态仿真产品产业化具重意义
着社会济迅速发展民生活水断提高口寿命断延长思想进步城市口正逐步进入老龄化口老龄化已成世界范围社会问题统计欧洲发达国家日老年独居率已高达40高例迫社会采取措施解决老年护理服务问题果完全家庭工料西方国家子女老年分居家庭规模型化观念抵触处国60岁老年口已达
132 亿 占全国总口10 年均332速度持续增长中空巢家庭占老龄家庭总数258城市中该例更解决身体虚弱卧床起疾患导致生活理老年家庭料护问题口老龄化国家面问题[1] 国家力加强护理机器研发扶持力度偏瘫病长期病床病提供集护理排泄等功体功病床极提高患者康复护理水护理员提供极方便操作简单功强护理产品越越受追捧
病床国设计研究尚处初级阶段产品功结构造型进步完善国外病床研究德国日代表种护理功正逐步完善成熟价格昂贵（般售价20 万民币）难般消费者接受病床基分类情况[1]：
年发展国发展迅速种结构功等等异病床层出穷发展方机器模块化动控制方发展
结构功单病床已逐渐隐退病床床体身构件实现种功 包括躺仰起曲腿左侧翻右侧翻洁便门开关装置洗马桶洗身体装置 外烘干抽风设备部分独立运行完成相应动作 时单功组合起实现复杂功譬病躺床排泄问题解决 改变背板仰角者左右侧翻取舒适姿态 护理员洁便池清洗等[2]
文研究目解决老年理病残疾瘫痪病产妇等类痛苦（）没直顾时够理
12拟定总体设计方案
床整体分布家电动护理床分总体框架抬腿部件抬背部件整床升降部件智座便系统五功模块
通分析现病床设计容易发现实现床面某特定体位姿态传统设计方法会设计套特定机构应位姿数目越越时需机构数目增加时空间体积膨胀床体总体积定限制床体长宽高尺寸必须关病床标准规定限制某空间范围够满足病舒适感求满足空间限制求机构协调技术源模仿体运动体运动具极柔性受启发病床床面进步加细分成彼间相互独立12面板图21示图11中床面板1床面板2床面板3应体背部床面板4床面板5床面板6应体臀部体腿脚分应床面板7床面板8床面板9床面板10床面板11床面板12通床面板间协调运动采单动联动方式实现病床需种体位位姿
图11 功医病床床面板图
满足患者病床时舒适程度效减缓护理员护理强度病床结构设计时应满足方面求
(1) 够实现护理需种体位位姿求
(2) 活动床面板摆动角度范围应参关医疗护理求体舒适感床面板摆动角度标准：
背板摆动角度：0°～75°
左右翻身摆动角度：0°～75°
腿板摆动角度：0°～45°
(3) 病床床体性稳定性安全性符合医护求
(4) 床体结构尺寸定空间范围限制
功医病床结构功分：床框架面连杆机构床板控制系统组成
图22 功医病床系统框图
床框架固定机械机构外包括电机安装模块面连杆机构包括：侧翻机构抬背机构曲腿机构床板床板框架床板面板组成整台功医病床中四台直流电机分完成头部升降腿部屈伸左右侧翻等动作课题工作重点面连杆机构部分包括机构结构设计运动方案设计整功医病床三维模型建立整床装配调试控制方案确定电路板设计控制线路布置连接种传感器设计安装编程调试
2 病床结构设计
21 侧翻机构设计
侧翻机构作实现患者病床左右翻身避免患者背部长期接触褥产生褥疮时减轻护理员护理强度功医病床侧翻机构采两称四杆机构两直线驱动器驱动通电气控制实现病床左右侧翻功简图图31示
左侧翻示意图 右侧翻示意图
图31 侧翻机构
功医病床侧翻机构线性推杆侧翻连杆侧翻滚子两侧床板部分床架组成线性推杆端铰接床架端铰接侧翻构件侧翻构件端铰接床架端通滚子床侧板连接床侧板通螺栓中部床板铰接中部床板通固定器中部床板固定床架充机架作线性推杆推动侧翻构件绕着床架发生转动通滚子作背部侧板绕着中部床板铰接点转轴发生转动
侧翻机构左右两四杆机构组成两机构承称设计中通查阅手册体肩宽约330~415mm床中间段板窄患者实现翻身动作设计中背板中部设180mm两侧板设320mm床板厚度设35mm支承滚子直径设20mm床高度根普通床高度做调整高方便患者床低影响安装空间线性推杆底部安装点床板转轴距离根机构始末位置电机行程范围定115mm利AUTOCAD旋转功侧床板翻转75°利偏移指令找侧翻构件翻转位置次旋转电机前端安装点样侧翻机构水状态时机构点参数根设计求侧翻翻转角度75°背板旋转75°新机构位置通观察发现机构终位置时杆件没发生碰撞干涉符合机构运动求测量线性推杆终位置时伸长长度推杆许选范围满足推杆选行程侧翻机构图解法设计结束点安装位置初步设计尺寸图32示
图32 侧翻机构初始设计尺寸图
22抬背机构设计
抬背机构作实现患者病床抬背端坐功功医病床台北机构类似侧翻机构线性推杆抬背连杆抬背滚子背板部分床架组成线性推杆端铰接床架端铰接抬背构件抬背构件端铰接床架端通滚子背板连接中部床板焊接固定床架充机架作线性推杆推动抬背构件绕着床架发生转动通滚子作背板绕着中部床板铰接点转轴发生转动简图图33示
图33 抬背机构
功医病床抬背机构采四杆机构单线性推杆驱动
查阅手册体坐高约800mm左右机构中背板长度860mm滚子直径20mm侧翻机构相似图解法设计设臀部床板长度400mm线性推杆行程范围出水距离608mm出线性推杆初始安装长度样初始状态抬背机构尺寸机构需满足运动求根设计求背板翻转75°利偏移命令找转动摆杆位置出线性推杆终安装位置样线性推杆行程行程190mm行程正满足线性推杆选范围直接采厂家提供线性推杆初步设计完成尺寸图图34示点安装位置图示
图34 抬背机构初始设计尺寸图
23曲腿机构设计
曲腿机构作实现患者腿部床板弯曲弯曲时候脚板必须处水位置功医病床曲腿机构五杆机构单线性推杆驱动实现曲腿动作简图图35示
图35 曲腿机构
功医病床曲腿机构包括：线性推杆曲腿连杆Ⅰ曲腿连杆Ⅱ腿部床板部分床架线性推杆端铰接床架端铰接曲腿连杆Ⅰ曲腿连杆Ⅰ曲腿连杆Ⅱ相铰接曲腿连杆Ⅱ腿部床板铰接曲腿连杆Ⅰ腿部床板通铰接分固定床架线性推杆推动曲腿构件绕着床架发生转动通曲腿连杆Ⅱ腿部床板相铰接腿部床板绕着中部床板铰接点转轴发生转动
功医病床曲腿机构采五杆机构设腿板长度445mm线性推杆行程范围出水距离380mm出线性推杆初始安装长度样初始状态曲腿机构尺寸机构需满足运动求根设计求机构做拉动腿板翻转45°利偏移命令找转动连杆位置出线性推杆终安装位置样线性推杆行程行程101mm行程正满足线性推杆选范围直接采厂家提供线性推杆初步设计完成尺寸图图36示点安装位置图示
图36 曲腿机构初始设计尺寸图
腿板脚板连接处添加两处支撑滚子曲腿没初进行时滚子起支撑脚板作床架框架添加两处支撑滚子曲腿运动进行时脚板碰床框架滚子腿板弯曲变接水位置起支撑脚作腿板脚板连接处滚子曲腿动作失支撑作
24电机选择
1整床升降电动机选择
功率：
时间t35s 升高度h220mm 极限夹角转臂角速度
转臂速度：
负载转臂传递功率（忽略转臂重）
电 动 机 许 功 率：
忽略轴转动惯量连杆重）
电动机实际功率：
结果知选定额定功率100W单电容式减速电动机相关参数
电机转速
图32知螺杆导程1短约220mm屈膝抬腿时间螺杆导程间距出电动机低转速约：
2坐起电动机
1）功率
取t30s极限角度θ70o转臂角速度：
转臂速度：
负载转臂传递功率：
（忽略转臂重）
电 动 机 许 功 率：
（忽略轴转动惯量连杆重）
电动机实际功率：
[P许2 ] ×1236W
结果知选额定功率40W单相电容式减速电动机相关参数
2）转速
图31知坐起螺杆行程短约365m身坐起时间t30s螺杆螺纹间距d2mm出电动机低转速：
n365÷2÷30×60rmin365rmin
图31坐起螺杆导程示意图
3曲腿电动机选择
1）功率：
极限角度转臂角速度：
转臂速度：
负载T31000N转臂传递功率：（忽略转臂重）
(忽略轴转动惯量连杆量）
电动机实际功率：P3[P许3]×12109W
结果知选定额定功率25W单相电容式减速电动机相关参数
2）转速：
图32知屈膝螺杆行程短约121mm屈膝抬腿时间螺杆导程间距出电动机低转速约：
图32屈膝时螺杆行程示意图
3 病床结构校核分析
31床底架杆校核
功病床病床部件连杆材料均选Q235A钢
考虑功医病床机构角度避免会床质量增加整床重量全部压床底架长杆底架长杆会受力杆件根设计尺寸底架长杆长度1440mm床底架长杆两支撑点假设床身质量400kg体质量150kg总重550kg具体计算示：
图31 床底架受力示意图
初步估计床总质量365kg假设床身质量400kg体质量150kg总重550kgF2F32750N1440mm1020mm 70mm
根力矩衡公式：
F1×F2×+F3×
：F122153N
F1+F4F2+F3
F432847N
通述已知条件计算杆段受剪力弯矩：
A原点AB端：
剪力 FF122153N方
弯矩 MF1×x ：M0~775355N·M方逆时针方
BC段：
剪力FF2F15347N方
弯矩 MF1×xF2×（x035） ：M2299~775355N·M方逆时针方
CD段：剪力FF432847N方弯矩 MF4×x ：M0~2299N·M方逆时针方根计算分析出结果B点受力弯矩B点截面危险截面计算剪力图弯矩图图62示
图32 床底架剪力弯矩图
根剪力弯矩图说明床底架杆整体受力没发生突变时存某段力值特现象整体言床框架力学性良受力情况满足机构设计求
32抬背杆校核
功医病床抬背时候抬背摆杆受力较杆件背部质量较会时较危险杆件力学计算
图33抬背杆受力示意图
体质量床板质量均分圆整数F1500N方
F3x950NF3y2039N830mm680mm 54mm
F2xF3x950NF2yF1+F3y500+20392539N
AB段
剪力 FF1500N方
弯矩 MF×x：M0~340N·M方时针方
BC段
剪力 F F3y2039N方
弯矩 MF2y×（x068）F1×x (068≤x≤0734)
：M2299~340N·M方逆时针方
M F2y×（x068）+F2x×F1×x （0734≤x≤083）
：M185~2299 N·M方逆时针方
根述计算结果知B点剪力受弯矩综述B点截面危险截面根计算结果画出剪力图弯矩图图34示
图34 抬背杆受剪力弯矩图
根剪力弯矩图说明抬背杆AB段受力前两端均受压力变形中部受力变形前两端分受压力导致中部产生拱起现象受力抬背杆整体受力没发生突变存某段力值特现象整体言床框架力学性良受力情况满足机构设计求抬背杆三种机构中危险抬背杆满足设计求侧翻曲腿杆满足设计求
33病床三维建模
通图解法方法病床初始设计数病床进行建模基础根述初始设计数通soliderworks软件进行建模Solidworks软件功强组件繁 Solidworks 功强易学易技术创新SolidWorks 三特点SolidWorks 成领先流三维CAD解决方案SolidWorks 够提供设计方案减少设计程中错误提高产品质量SolidWorks 仅提供强功时工程师设计者说操作简单方便易学易模型图
37示
图37(a) 护理床床架三维模型
图37(b) 护理床侧翻（左）连杆三维模型
图37(c) 护理床抬背连杆三维模型
图37(d) 护理床曲腿连杆三维模型
图37(e) 功医护理床三维模型1
图37(f) 功医护理床三维模型2
4 病床控制系统设计
41控制系统原理方案
实现功病床机构运动病床控制系统采单片机构成控制辅助模块四台直流电机正反转速度控制
直流电动机具优良调速特性调速滑方便调速范围广载力承受频繁击负载实现频繁级快速起动制动反转满足生产程动化系统种特殊运行求
许需调速快速正反电力拖动系统领域中广泛应
直流电动机转速调节三种方法：调节电枢供电电压减弱励磁磁通改变电枢回路电阻针三种调速方法特点存定缺陷直流电机调速基原理改变电机电压改变转速 改变电压方法直流PWM调速系统控整流式调速系统相列优点：PWM调速系统开关频率较高仅电枢电感滤波作获稳直流电流低速特性稳速精度高调速范围宽样开关频率高快速响应特性动态抗干扰力强获宽频带开关器件工作开关状态电路损耗装置效率高直流电源采控整流时电网功率数相控整流器高常定PWM脉宽调制调节电机输入占空控制电机均电压控制转速电机调速般分三级控制级驱动级反馈级 单片机属前端控制级需够产生调PWM波形（单片机专PWM输出功定时器做）驱动级控制级单片机弱电直接驱动电机样强电需功率开关器件驱动电机基思路通弱点控制强电通常驱动级控制级需电气隔离（光耦器件）保证安全 反馈级实现精确调速般电流反馈转速反馈电流转速双闭环反馈控制
PWM输出占空具体少单片机通反馈信息综合运算（负反馈控制）具体原理图根具体电机
控制部分采模块化控制系统方案框图图51示
图41 控制系统框图
控制系统控制CPU采AT89S51单片机AT89S51低功耗高性CMOS 8位单片机片含4k Bytes ISP反复擦写1000次Flash读程序存储器器件采ATMEL公司高密度非易失性存储技术制造兼容标准MCS51指令系统80C51引脚结构芯片集成通8位中央处理器ISP Flash存储单元功强微型计算机AT89S51许嵌入式控制应系统提供高性价解决方案AT89S52身资源限扩展片EPROM芯片W27C512做程序存储器存放系统底层程序扩展片SRAM芯片6264做数存储器存放户程序输入输出口扩展选行接口8255芯片进出信号均做隔离放
电机驱动模块采专电机驱动芯片例L298NL297N等电机驱动芯片部已考虑电路抗干扰力安全行应时需考虑芯片硬件连接驱动力等问题种方案电路设计简单抗干扰力强性设计者需硬件电路设计考虑重点放算法实现软件设计中提高工作效率
连杆机构运动设计求角度时通传感器机构运动停止时反馈位置信息单片机进行调节
显示模块采128×64LCD液晶显示器该显示器功率低驱动方法硬件连接电路较复杂显示屏幕汉字字符进行显示
键盘模块采行列式键盘种键盘特点行线列线分接输入线输出线键设置行列线交叉点利种矩阵结构需m根行线n根列线组成m×n键键盘矩阵式键盘适键数量较场合种键盘软件结构较复杂
电源模块通固定芯片整流电压进行降压稳压处理（78127805等）方案性安全性高源利率高电路简单容易实现
综述：
（1）控制模块： 采AT89S51单片机
（2）电机驱动模块： 采直流电机驱动芯片L298N实现
（3）限位模块： 采传感器
（4）显示模块： 采128×64LCD液晶显示模块
（5）键盘模块： 采标准矩阵式键盘
（6）电源模块： 采78057812芯片实现
42控制系统硬件设计
电源整系统量源直接关系系统否运行系统中直流电机需24V电源单片机显示模块等电路需5V电源电路中选78057812两种稳压芯片输出电流15A够满足系统求电路图52示
图42 电源电路
驱动模块控制器执行器间桥梁系统中单片机IO口直接驱动电机引入电机驱动模块保证电机控制求运行里选L298N电机驱动芯片驱动电机该芯片四功率晶体组成H桥电路构成四晶体分两组交导通截止单片机控制达林顿工作开关状态通调整输入脉占空调整电动机转速中输出脚（SENSEASENSEB）连接电流检测电阻Vss接逻辑控制电源Vs电机驱动电源IN1IN4输入引脚标准TTL 逻辑电信号控制H桥开关实现电
机正反转ENAENB引脚控制端输入PWM信号实现电机调速电路图33示利两光电耦合器单片机IO驱动电路进行隔离保证电路安全样单片机产生PWM脉控制L298N选通端电机PWM脉控制正常运行中四二极芯片起保护作电路图73示
图43 电机驱动电路
根设计求系统项参数电机运行状态进行显示电路中加入显示模块非常必系统运行程中需显示数较需汉字显示里选128×64液晶显示器较适合种图形点阵液晶显示器行驱动器列驱动器128×64全点阵液晶显示器组成完成汉字（16×16）显示图形显示20引脚引脚名称引脚编号应关系图54引脚功表71示
图44 128×64LCD引脚分布
表41 12864液晶显示模块引脚功
引脚
符 号
引 脚 功
引脚
符 号
引 脚 功
1
VSS
电源
15
CS1
CS11芯片选择左边64*64点
2
VDD
电源正+5V
16
CS2
CS21芯片选择右边64*64点
3
VO
液晶显示驱动电源
17
RST
复位（低电效）
4
RS
H：数输入
L：指令码输入
18
VEE
LCD驱动负电源
5
RW
H：数读取
L：数写入
19
A
背光电源（+）
6
E
信号
20
K
背光电源（）
714
DB0DB7
数线
型号模块1920脚空脚
128×64液晶显示器单片机连接电路图75示：
图45 显示模块电路
根设计需求系统中4×4键盘实现病床动作控制电路原理图图76示图中L0～L34×4键盘列信号H0～H34×4键盘行信号
系统中P10～P13连接键盘列信号L0～L3P14～P17连接键盘行信号H0～H3求设计操作面板图76示：
图46 键盘电路
键盘操作说明：系统开始运行时128×64LCD显示开机界面设置键显示屏进入参数设置界面时1234进入相应参数设置状态输入相应数字完成该参数设置量设置完成正反控制键设置正反转启动键启动系统运行程中相应键电机进行暂停继续停止运行控制
根设计求运动达特定角度时运动停止指定角度出添加限位里传感器作限位时反馈单片机达更加精确角度
图47 限位电路
43控制系统软件设计
1程序流程
图48 程序流程 图49 键盘流程
图410 系统函数流程 图411 子程序流程
2显示程序流程
显示模块实现机话重部分里选128×64LCD显示器实现汉字字符显示该显示器引脚功面已做说明面介绍128×64LCD相关指令
（1）读取状态字
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
1
BUSY
0
ON／OFF
RST
0
0
0
0
RW1DI0时E信号高作状态分输出数总线状态字解模块前工作状态唯信息渠道次模块操作前读出状态字判断BUSY否00计算机需等直BUSY 0止
（2）显示开关设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
D
D1：开显示D0关显示
（3）显示起始行设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
1
1
显示起始行（0~63）
指令表中DB5～DB0显示起始行址取值0～3FH（1～64行）范围规定显示屏顶行应显示存储器行址
（4）页面址设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
1
0
1
1
1
Page（0~7）
页面址DDRAM行址8行页DDRAM64行8页DB2DB0表示07页
（5）列址设置
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
1
Yaddress（0~63）
列址DDRAM列址64列DB5DB0取值03FH（164）代表某页面某单元址列址计数器次读／写数动加
（6）写显示数
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
1
0
显 示 数
该操作8位数写入先前已确定显示存储器单元操作完成列址计数器动加
（7）读显示数
DI
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
1
1
显 示 数
该操作12864模块中DDRAM存储器应单位中容读出然列址计数器动加
3控制程序
（1）8255芯片初始化子程序
B255 MOV DPTR #3FFFH
MOV A #10001001B
MOVX @DPTR A
MOV DPTR #3FFCH
MOV A #0FFH
MOVX @DPTR A
MOV DPTR #3FFDH
MOV A #0FFH
MOVX @DPTR A
RET
（2）键盘子程序
CLR EX1
MOV DPTR #5FFFH
MOV A #01000000B
MOVX @DPTR A
MOV DPTR #5FFEH
MOVX A @DPTR
CJNE A #KEY0 NEXT0
JMP _KEY0
NEXT0 CJNE A #KEY1 NEXT1
JMP _KEY1
NEXT1 CJNE A #KEY2 NEXT2
JMP _KEY2
NEXT2：……
NEXT40 CJNE A #KEY16
JMP _KEY16
（3）电机控制
CONT1 MOV DPTR #3FFCH
MOVX A @DPTR
SETB ACC0
CLR ACC1
NOP
CLR ACC0
SETB ACC1
MOV 0EH #4EH
MOV 0DH #20H
CALL DELAY
DJNZ 0FH CONT1
RET
CONT2 MOV DPTR #3FFCH
MOVX A @DPTR
CLR ACC0
SETB ACC1
NOP
SETB ACC0
CLR ACC1
MOV 0EH #4EH
MOV 0DH #20H
CALL DELAY
DJNZ 0FH CONT2
RET
总结
文详细分析设计种功病床该病床机械部分采连杆机构实现患者种体位姿态通电机驱动连杆机构实现侧翻抬背曲腿等功更符合患者求利市场化推广该病床控制系统采单片机核心控制系统具操作简单维护方便等特点
文完成工作
(1)设计机械结构部件部件图解法进行分析校核
(2)采solidworks软件完成功病床三维建模装配绘制CAD工程图纸
(3)设计单片机核心控制系统设计输入输出电机驱动显示键盘等外围接口电路
鉴力限次毕业设计中难免存足恳请位老师指正
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