医疗康复机械设计

摘要:论文首先介绍了国内外康复训练装置的市场,工作现状以及应用情况。然后介绍整个装置的基本骨架――即结构方案与布局方案以及该套方案能最终实施与否,运动效果以及该运动所能为病人康复做出的贡献。接着论述了三大动力系统的实施过程及传动,动力方案并进行相关校核,最终设计出康复训练装置的总体结构。

Abstract: Paper first introduces the domestic and international rehabilitation training device market, work status, and application. Then it introduces the basic skeleton of the entire device: the structure and layout of the program and the package programs will eventually implement it or not, sports results and the contribution that the campaign can make to patient rehabilitation. Then the paper discusses the implementation process of the three major power systems and the program of transmission and motion, and conducts associated checking and finally designs the overall structure of rehabilitation training device.

关键词:康复训练装置;传动与动力特性;三维建模与仿真分析

Key words: rehabilitation training device;transmission and dynamic characteristics;three-dimensional modeling and simulation analysis

中图分类号:R31 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)22-0092-02

0引言

随着医疗器械的高度发展和在医学临床中的作用日益显著,国外医疗器械的产值已接近药业;随着经济增长、科技进步、人民物质生活改善,卫生健康事业迅速发展,人们对医疗保健的需求大大提高,采用物理方法的医疗保健技术受到格外重视;“入世“给中国医疗器械产业带来“挑战“的同时也带来了空前的机遇,使我们从此可完全靠自己的力量,平等的参与世界经济竞争。总之,医疗器械产业已经作为一个新的经济增长点展现在我们的面前。

1研究内容

本论文的主要研究方向是帮助脑瘫,偏瘫等身体不能自理病人进行身体机能康复医疗运动。由于病人在身体神经系统全部或部分瘫痪,身体长期不能活动而导致身体肌肉发生萎缩,从而使病人永久性失去运动能力。所以需要在其失去活动能力时,通过医疗器械使其肢体或者身体各其他部分发生运动而避免发生肌肉萎缩;当病人身体能够轻微自理时,可以将此器械转化为病人加强锻炼进一步康复的工具。本机构包括几个构成部分,脊椎康复运动部分,上肢多自由度运动部分,站立式髋骨康复运动部分。本实用新型公开了一种脊柱康复保健床,它由床架、座板、座箱、支撑座、轴杆、套筒管、倒钩架、绑带、把手、微动开关、手动或自动升降装置等部件组成,根据人体上重下轻特点,利用身体自身重量,采取固定踝关节后头低足高式进行牵引,达到医治脊柱疾病目的。它具有操作简便,病人无痛苦易接受,不会造成负损伤,治疗安全可靠、疗效高等优点,还具有结构简单,一床多用,成本低廉,便于家庭普及推广应用等特点,是一种理想牵引医疗器械。

2方案设计

2.1 医疗床各部分运动结构分析对病人的脊椎进行康复式运动治疗如图1:通过电动机的驱动,使得运动从而让第一部分可以上下往复运动,可以达到锻炼病人脊椎的结果。

对病人髋骨及腿部,脚部分的康复治疗:可以通过电机(气压,液压等)驱动千斤顶是床身部分直立,病人可以通过床沿绷带直立,手扶支撑杆。然后下面一部分的髋骨运动机构运动。该运动是由小型步进电动机驱动使得圆盘成一定角度旋转,往复运动。从而使病人的要不与髋部得到锻炼,有助于病人的康复,如图2所示。

在该康复医疗装置中 共分为三个主体部分:脊椎康复部分,液压动力系统,足部以及腰部康复运动装置。

布局方案的设计:整个构架以床为基本骨架,床板共分为三部分,每部分连接以旋转轴为核心,中间板块用一个轴连接基本构架,后面一块板安装腰部康复系统。在下面安放一块板并加上电机安装台以及液压系统固定装置,置放在床的前半部分。

2.2 医疗床传动方案设计合理的传动方案首先应满足机器的工作要求,如所传递的功率及要求的转速。此外,还应保证机器的工作性能和可靠性,具有高的传动效率、工艺性好、结构简单、成本低廉、结构紧凑和使用维护方便等。但同时达到这些要求是不容易的。因此采用如图4所示传动方案。

2.3 医疗床结构方案设计在腰部康复驱动系统的空间放置中图5所示方案体现出柔性处理思想,可以随时安装和取下该装置,并且能够体现出整体性思想和全局方案配置上的更加优化。

3部分主要零件的设计计算

3.1 传动轴直径的估算及验算(包括弯曲刚度、扭转刚度、花键键侧挤压力及危险断面的强度等)

选择轴的材料 确定许用应力

选轴的材料为45号钢,调质处理。查表可知:

σb=650Mpa,σs=360Mpa,[σb+1]bb=215Mpa

[σ0]bb=102Mpa,[σ-1]bb=60Mpa

按弯矩复合强度计算:①求分度圆直径:已知d1=195mm;②求转矩:已知T2=198.58N・m;③求圆周力:得Ft=2T2/d2=2×198.58/195=2.03N;④求径向力:得Fr=Ft/tanα=2.03×tan200=0.741N;⑤因为该轴两轴承对称,所以:LA=LB=48mm

轴承支反力:FAY=FBY=Fr/2=0.74/2=0.37N

FAZ=FBZ=Ft/2=2.03/2=1.01N

由两边对称,知截面C的弯矩也对称。截面C在垂直面弯矩为:MC1=FAyL/2=0.37×96÷2=17.76N・m

截面C在水平面上弯矩为:MC2=FAZL/2=1.01×96÷2=48.48N・m

求其合弯矩:

MC=(MC1+MC2)1/2=(17.762+48.482)1/2=51.63N・m

求其扭矩转矩:T=9.55×(P2/n2)×106=198.58N・m

求其婉拒当量转矩产生的扭剪文治武功力按脉动循环变化,取α=0.2,截面C处的当量弯矩:Mec=[MC2+(αT)2]1/2=[51.632+(0.2×198.58)2]1/2=65.13N/m

校核危险截面C的强度:

σe=65.13/0.1d33=65.13x1000/0.1×453=7.14MPa< [σ-1]b=60MPa

所以该轴强度足够。

3.2 主轴的计算及验算(包括轴径的选择、合理跨距的确定、刚度验算等)

选择轴的材料 确定许用应力

选轴的材料为45号钢,调质处理。查表可知:σb=650Mpa,σs=360Mpa,[σb+1]bb=215Mpa,[σ0]bb=102Mpa,[σ-1]bb=60Mpa

按扭转强度估算轴的最小直径,单级齿轮减速器的低速轴为转轴,输出端与联轴器相接,从结构要求考虑,输出端轴径应最小,最小直径为: d≥C。

查表,45钢取C=118,则d≥118×(2.64/473.33)1/3mm=20.92mm,考虑键槽的影响以系列标准,取d=22mm。

确定轴上零件的位置与固定方式:单级减速器中,可以将齿轮安排在箱体中央,轴承对称布置在齿轮两边。齿轮靠油环和套筒实现轴向定位和固定 ,靠平键和过盈配合实现周向固定,两端轴承靠套筒实现轴向定位,靠过盈配合实现周向固定 ,轴通过两端轴承盖实现轴向定位,确定轴的各段直径和长度:初选用6206深沟球轴承,其内径为30mm,宽度为16mm。考虑齿轮端面和箱体内壁,轴承端面与箱体内壁应有一定距离,则取套筒长为20mm,则该段长36mm,安装齿轮段长度为轮毂宽度为2mm。

按弯扭复合强度计算:①求分度圆直径:已知d2=50mm;②求转矩:已知T=53.26N.m;③求圆周力Ft:根据式得Ft=2T3/d2=2×53.26/50=2.13N;④求径向力Fr根据式得Fr=Ft/tanα=2.13×0.36379=0.76N;⑤因为两轴承对称,所以LA=LB=50mm

求支反力FAX、FBY、FAZ、FBZFAX=FBY=Fr/2=0.76/2=0.38N

FAZ=FBZ=Ft/2=2.13/2=1.065N

截面C在垂直面弯矩为:MC1=FAXL/2=0.38×100/2=19N.m

截面C在水平面弯矩为:MC2=FAZL/2=1.065×100/2=52.5N.m

计算合成弯矩:

MC=(MC12+MC22)1/2=(192+52.52)1/2=55.83N.m

计算当量:取α=0.4,Mec=[MC2+(αT)2]1/2=[55.832+(0.4×53.26)2]1/2=59.74N.m;校核危险截面C:σe=Mec/(0.1d3)=59.74x1000/(0.1×303)=22.12Mpa

4技术经济分析

4.1 技术、经济与政策相结合在国家大力扶持机械制造业的背景下,发展创新则是未来经济转型的重中之重,也是符合国家经济政策的利益。该康复装置则是在这个背景下应运而生的。实现了技术,经济与政策的结合。

4.2 当前利益和长远利益相结合设计该装置即使当前利益使然因为目今市场上该项产品并不够成熟,满足不了日益增长的对该系统装置的需求,可以预见,在将来这种需求将更加旺盛,所以尽快开发出该项产品并使其技术成熟则是重中之重。

4.3 定性分析和定量分析相结合在首先满足的系统性能需求的情况下,更实现空间的紧凑和合理配置,运动的更加精确与成本的节省则是发展的方向。同时柔性化的设计则更能高效合理的利用该装置以及见很少成本。使得该项技术更加灵活与成熟。

5结论

本文论述了一个医疗康复器械的设计过程,由于篇幅有限,只将此设计方案中的重要内容在此作一个综合概述,一个完整的机械方案设计涉及到建模,计算仿真分析,尺寸材料选用以及加工工艺等,本文主要将一些核心部件的简图,核心零件的计算,以及主要结构方案和模型方案的设计给出,望能给读者相应的参考价值。

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