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医用护理康复训练器的设计与研究

宋晓龙  
【摘要】:医用护理康复训练器的研究意义在于解决下肢残疾或行走困难病患者的日常护理中转移不便问题,其研究关键在于设计出一套符合我国人体特征、安全稳定、价格低廉的护理器械。通过对比国内外相关医用护理器械优缺点,提出了医用护理康复训练器的设计参数与基本功能,即双动力源功能、行走前轮张角可调功能、折叠功能与辅助单元模块化功能。根据第一代样机的设计经验及反复论证,最终确定以脚踏滑块方式作为手动驱动的设计方案,并在AUTODESK Inventor开发环境下完成了器械的所有零部件的三维建模及整机装配,同时借助MATLAB仿真平台完成了关键机构运动状态的分析。根据控制系统的功能对关键电气元件选型,应用AltiumDesignerEDA开发工具对系统电气原理图进行设计,并在RVMDK平台下通过调用STM32官方固件库相关函数完成了控制系统的软设计。根据静力学分析特性对器械整机模型进行简化,应用ANSYS Workbench CAE工具完成了整机的静力学分析,对器械整机的启动与运行状态稳定性做了详尽的分析与计算。最后应用拓扑优化变密度法,在HyperWorks OpitStrcut模块中对器械的起重臂从整体及截面两个方向进行了优化与分析,对比优化结果后将整体优化方式作为最终设计参考方案。研究结果验证了双动力源设计方案可行,前轮张角可调整后器械的灵活性大幅提高,折叠机构设计可节省设备的45%存放空间。静力学分析结果表明整机结构强度可靠,整机稳定分析结果表明设备在运行过程中碰撞临界倾翻速度为12.3m/s,倾翻可能性非常小。拓扑优化后起重臂结构的柔度下降了 68.8%,起重臂的整体的质量分数减小了 53.9%,通过对优化后的起重臂结构静力学,结果显示整体优化后结构强度、安全系数均有所提高,应力、应变均有所下降,拓扑优化为起重臂结构设计提供了理论支持,减少了设计的盲目性。


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