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開(kāi)題報(bào)告
開(kāi) 題 報(bào) 告
1 課題介紹
1.1課題名稱：
多功能醫(yī)用護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化
1.2課題背景
1.1 課題的目的及意義
多功能醫(yī)用護(hù)理床是針對(duì)生活不能自理的病人、危重病人和癱瘓病人的特殊需要而設(shè)計(jì)的，能隨意調(diào)節(jié)床的背部和腳部的角度。即使不能自理者，護(hù)理人員也可通過(guò)床邊的控制器進(jìn)行操作，減少照顧病、殘患者的勞動(dòng)強(qiáng)度。課題根據(jù)國(guó)家和上海市中長(zhǎng)期發(fā)展綱要確定的研究方向和企業(yè)的具體需要，設(shè)計(jì)一種用于醫(yī)院重癥病人用的多功能床，解決病人身體和生理方面的需要（抬背、翻身等），也減輕護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。針對(duì)市場(chǎng)需求開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用方便的多功能護(hù)理床并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化具有重要的意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長(zhǎng)，思想的進(jìn)步，城市人口正逐步進(jìn)入老齡化,人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的社會(huì)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家和日本的老年人獨(dú)居率已高達(dá)40%，如此之高的比例迫使社會(huì)采取措施解決老年人的護(hù)理服務(wù)問(wèn)題。如果完全依靠家庭人工照料，與西方國(guó)家子女與老年人分居、家庭規(guī)模小型化的觀念有抵觸之處。我國(guó)60 歲及其以上老年人口已達(dá)1.32 億, 占全國(guó)總?cè)丝诘?0%, 并以年均3.32%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。其中“空巢家庭”占所有老齡家庭總數(shù)的25.8%,在一些大城市中該比例更大，解決因身體虛弱臥床不起或因疾患導(dǎo)致生活不能自理的老年人的家庭照料與看護(hù)問(wèn)題是人口老齡化國(guó)家所面臨的共同問(wèn)題[1]。為此, 國(guó)家也大力加強(qiáng)了對(duì)護(hù)理機(jī)器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人或長(zhǎng)期使用病床的病人提供一個(gè)集護(hù)理和排泄等各功能于一體的多功能護(hù)理床?，F(xiàn)在家庭需求護(hù)理床的潛力日益增加,以前是簡(jiǎn)易的記理床,后來(lái)加上護(hù)欄,餐桌;再后來(lái)加上大便孔,輪子;現(xiàn)在產(chǎn)生了很多集多功能為一體的多功能,電動(dòng)護(hù)理床,極大的提高了患者的康復(fù)護(hù)理水平,也為護(hù)理人員提供了極大的方便,所以操作簡(jiǎn)單,功能強(qiáng)大的護(hù)理產(chǎn)品越來(lái)越受到追捧。
護(hù)理床在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)研究尚處于初級(jí)階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一步的完善。國(guó)外護(hù)理床的研究以德國(guó)、日本為代表，各種護(hù)理功能正在逐步完善，成熟。但因其價(jià)格昂貴（一般售價(jià)在20 萬(wàn)人民幣以上），很難為一般的消費(fèi)者所接受。護(hù)理床的基本分類情況如下[1]：
1.3 工作內(nèi)容和要求
可編程控制器(PLC) 作為新一代的工業(yè)控制裝置, 由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組合靈活、性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn), 特別是它的高可靠性和適應(yīng)性, 深受廣大用戶的歡迎, 已在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用[4]?，F(xiàn)在的PLC 可管理高達(dá)5000 多點(diǎn)的I/O 口，并有很高的指令執(zhí)行速度和高可靠性，使它能滿足多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求。PLC對(duì)護(hù)理病床多軸運(yùn)動(dòng)控制主要的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為有足夠容量的存儲(chǔ)單元和大量高速運(yùn)算指令，能夠進(jìn)行各種接口、通信、數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算及復(fù)雜的邏輯控制。然而PLC 的高可靠性、靈活高速的運(yùn)算指令并不能彌補(bǔ)其昂貴的造價(jià)和有限的擴(kuò)展性。而MS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)卻以其低成本、高集成、速度快、易擴(kuò)展被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的方方面面。
圖1-4 一種嵌入式控制器控制框圖
1.2.4 機(jī)器人化智能語(yǔ)音系統(tǒng)
語(yǔ)音作為當(dāng)前控制方法中最自然的控制命令, 隨著計(jì)算機(jī)和語(yǔ)音處理技術(shù)的發(fā)展 ,語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)用性不斷提高。語(yǔ)音識(shí)別控制技術(shù)將是今后一段時(shí)期語(yǔ)音技術(shù)的發(fā)展方向。將語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)引入到護(hù)理床控制，將為喪失自理能力的使用者帶來(lái)極大的便利。護(hù)理床的語(yǔ)音控制系統(tǒng)包含語(yǔ)音識(shí)別模塊和語(yǔ)音回放模塊，從而使護(hù)理床不但能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制操作，而且通過(guò)語(yǔ)音回放模塊可以為使用者提供語(yǔ)音反饋，更有親和力，更具人性化。語(yǔ)音控制技術(shù)是現(xiàn)有各種控制方式中的一種高級(jí)控制方式,它具有控制方式自然、方便,親和力好,適用范圍廣的特點(diǎn). 將語(yǔ)音控制技術(shù)引入到護(hù)理床的控制之中,將極大地方便使用者,尤其對(duì)于那些喪失或部分喪失活動(dòng)、自理能力的患者而言,語(yǔ)音控制可以幫助他們?cè)鰪?qiáng)自信心,減輕對(duì)他人的依賴,增添生活的勇氣和信心[13]。
(1) 語(yǔ)音信號(hào)的采集處理過(guò)程
語(yǔ)音信號(hào)是一種典型非平穩(wěn)信號(hào)，但常常可假定為短時(shí)平穩(wěn)的，既在10－20ms內(nèi)其頻譜特性可近似看作不變，可采用平穩(wěn)過(guò)程的分析處理方法來(lái)處理，即語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域處理方法。
圖1-5 語(yǔ)音信號(hào)處理過(guò)程
(2) 語(yǔ)音識(shí)別方式
語(yǔ)音識(shí)別分為特定人識(shí)別系統(tǒng)和非特定人識(shí)別系統(tǒng)，由于使用者的語(yǔ)音以及地方語(yǔ)言存在很大差異性，我們使用可不依賴于對(duì)地方語(yǔ)言識(shí)別的特定人識(shí)別系統(tǒng)，即每一位使用者都必須在使用前建立自己專用的參考模式庫(kù)，然后說(shuō)話人的語(yǔ)音數(shù)字流與一套公用的參考模式庫(kù)嚙合，進(jìn)行少量的訓(xùn)練修改，使之能自動(dòng)適應(yīng)用戶的語(yǔ)音特性。
(3) 語(yǔ)音回放方式
在現(xiàn)有語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上再增加與識(shí)別技術(shù)相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音回放技術(shù)，將為使用者提供更友善的提示語(yǔ)句和更便利的操作性能。該語(yǔ)音回放模塊采用了高音質(zhì)單晶片語(yǔ)言錄放IC，芯片內(nèi)部集成語(yǔ)音信號(hào)放大、濾波、采樣、Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換等模塊，可選擇2、4、8等長(zhǎng)分段或自動(dòng)或手動(dòng)錄音。電路所需外圍零部件少，線路簡(jiǎn)單可靠，更改錄放內(nèi)容簡(jiǎn)便、靈活、易操作、成本低[6]。
鑒于人口老齡化的發(fā)展、醫(yī)療和護(hù)理費(fèi)用的不斷增加以及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，本文提出了一種新型的多功能醫(yī)用護(hù)理床，提出幾種新型的護(hù)理床側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)以及曲腿機(jī)構(gòu)，以單片機(jī)為主控制芯片，控制多臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)整臺(tái)護(hù)理床工作。實(shí)現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達(dá)到滿足護(hù)理要求的多功能醫(yī)用護(hù)理床。主要研究?jī)?nèi)容如下：
(1) 設(shè)計(jì)各種護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并用圖解法的方法得到初始設(shè)計(jì)尺寸。
(2) 利用三維設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)其建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行干涉檢查，然后導(dǎo)出CAD圖。
(3) 根據(jù)初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在ADAMS中建模，利用優(yōu)化功能對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
(4) 根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)修改三維模型，并同時(shí)檢查模型中是否存在干涉，得到滿足設(shè)計(jì)要求的護(hù)理床。
(5) 對(duì)護(hù)理床的主要零件進(jìn)行受力校核，檢驗(yàn)整臺(tái)護(hù)理床使用的安全性及穩(wěn)定性。
(6) 設(shè)計(jì)護(hù)理床的整體控制方案。設(shè)計(jì)控制流程框圖，用PROTEL軟件完成單片機(jī)接線圖，以及外部接線圖，編寫單片機(jī)主要程序。
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