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无创伤呼吸气道同步打开器研制

发布时间:2017-07-13 16:10

  本文关键词:无创伤呼吸气道同步打开器研制


  更多相关文章: 呼吸气道打开器 机构设计 建模仿真 有限元分析 测控系统


【摘要】:目前,在危重病人救治过程中通常采用建立人工气道的方式来解决呼吸气道闭锁的问题。这种方式会导致病人产生各种副作用,如交感神经刺激反射、气道损伤、感染等,严重时危及生命。为了降低建立人工气道给病人带来的生命安全风险,本文提出一种无创伤呼吸气道同步打开器解决方案。以期通过无创方式解决病人呼吸气道闭锁的问题。在分析各类呼吸道打开方法的基础上,提出了基于下颌托举法的无创伤呼吸气道同步打开器设计方案。该方案采用驱动机构往复托举下颌骨的方法实现呼吸道的无创打开,托举运动的快慢与患者呼吸信号同步。本文主要完成了无创伤呼吸气道同步打开器机械系统和测控系统研制。在机械系统研制部分,首先在人体头骨构造以及头面部尺寸分析的基础上,确定了无创伤呼吸气道同步打开器设计参数,提出了多自由度下颌骨托举机构设计方案。采用SolidWorks三维建模软件完成了机构虚拟样机设计。该机构主要由X向调节机构、Z向调节机构、球铰机构、托举机构等构成。在操作的过程中X向调节机构、Z向调节机构、球铰机构根据病人不同特征进行位置调节并锁紧;位于调节机构末端的托举机构则在电机的驱动下进行往复托举运动,以此打开人体呼吸气道。为方便调节,X向和Z向调节采用了齿形快速锁紧机构;为保证使用安全,球铰采用了基于电磁铁和压紧复位弹簧的快速锁紧松开机构。应用ADAMS软件对球铰机构、X向和Z向调节机构进行了动力学仿真分析,明确了托举机构运动规律及各部件所受外力情况。通过ANSYS15.0有限元软件对呼吸气道打开器的关键结构进行了应力应变分析,验证了结构设计的合理性。在测控系统部分,研制了基于单片机STC12C5608AD的呼吸检测和运动控制系统。选用压力变送器TS-800-FY作为呼吸信号测量传感器,应用电流/电压转换模块将压力变送器输出的4-20mA电流信号转换为单片机可采集的电压信号。选用Maxon EPOS2 24/2EC作为电机驱动模块,通过单片机向驱动器发送指令实现托举机构的运动控制。初步的模型实验表明无创伤呼吸气道同步打开器设计合理、能够实现预期效果,为患者呼吸气道的无创打开提供了一种可行的解决方案。本文的研究工作为无创伤呼吸气道同步打开器最终进入临床试验奠定了基础。
【关键词】:呼吸气道打开器 机构设计 建模仿真 有限元分析 测控系统
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH789
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-15
  • 第一章 绪论15-23
  • 1.1 研究背景及意义15-17
  • 1.2 国内外研究现状17-22
  • 1.3 本文主要研究内容22-23
  • 第二章 呼吸气道打开器总体方案23-29
  • 2.1 机械设计的原则和设计流程23-24
  • 2.2 人体头面部尺寸分析24-26
  • 2.3 呼吸气道打开器的性能指标要求26
  • 2.4 呼吸气道打开器方案设计26-28
  • 2.5 本章小结28-29
  • 第三章 呼吸气道打开器机械结构设计29-49
  • 3.1 机械总体结构设计方案29
  • 3.2 呼吸气道打开器三维建模29-31
  • 3.2.1 SolidWorks三维软件介绍29-30
  • 3.2.2 呼吸气道打开器三维模型30-31
  • 3.3 位置调节机构设计31-42
  • 3.3.1 X向调节机构设计31-35
  • 3.3.2 Z向调节机构设计35-38
  • 3.3.3 球铰调节机构设计38-42
  • 3.4 托举机构的设计42-46
  • 3.4.1 机械结构设计42
  • 3.4.2 滚珠丝杠副的设计计算42-44
  • 3.4.3 电机的选择44-45
  • 3.4.4 其他部件选择45-46
  • 3.5 头枕结构设计46-47
  • 3.6 实物样机47
  • 3.7 本章小结47-49
  • 第四章 结构静力学和动力学分析49-77
  • 4.1 调节机构的最大受力分析49-56
  • 4.1.1 托举机构的工作空间分析49-50
  • 4.1.2 齿形锁紧件的最大受力位置50-53
  • 4.1.3 齿形锁紧件的最大受力测量53-56
  • 4.2 结构静力学特性分析56-68
  • 4.2.1 有限元法基本理论56-58
  • 4.2.2 有限元法基本步骤58-59
  • 4.2.3 ANSYS软件简介59
  • 4.2.4 Z向调节机构的分析59-63
  • 4.2.5 X向调节机构的分析63-65
  • 4.2.6 球铰机构的分析65-68
  • 4.3 结构动力学特性分析68-75
  • 4.3.1 模态分析理论基础69-70
  • 4.3.2 Z向调节机构模态分析70-72
  • 4.3.3 X向调节机构模态分析72-75
  • 4.4 本章小结75-77
  • 第五章 测控系统设计77-89
  • 5.1 测控系统硬件设计77-85
  • 5.1.0 测控系统总体硬件结构77
  • 5.1.1 控制器模块77-79
  • 5.1.2 呼吸信号检测模块79-82
  • 5.1.3 电机驱动器模块82-83
  • 5.1.4 电源模块83
  • 5.1.5 电磁铁控制模块83
  • 5.1.6 测控系统原理图83-85
  • 5.2 测控系统软件设计85-87
  • 5.2.1 系统软件总体流程85-86
  • 5.2.2 呼吸信号检测流程86-87
  • 5.2.3 电机控制流程87
  • 5.3 本章小结87-89
  • 第六章 全文总结和工作展望89-91
  • 6.1 全文总结89
  • 6.2 研究工作展望89-91
  • 参考文献91-95
  • 致谢95-97
  • 研究成果及发表的学术论文97-99
  • 作者和导师简介99-101
  • 附件101-102

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本文编号:537538

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