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多功能醫(yī)用護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化 56
摘 要
多功能醫(yī)用護(hù)理床是一種針對(duì)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。本文針對(duì)上述情況，提出了一種新型的多功能醫(yī)用護(hù)理床，采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件soliderworks對(duì)其進(jìn)行建模和裝配，然后導(dǎo)出到CAD進(jìn)行修改。利用機(jī)械分析軟件ADAMS對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，研究了床板在各種運(yùn)動(dòng)狀況下的角加速度對(duì)患者舒適度的影響及線性推桿在各姿態(tài)下的受力狀況，并利用ADAMS提供的優(yōu)化功能對(duì)其分別進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)優(yōu)化；以角加速度最大值的最小化作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化，以線性推桿受力的最大值最小化作為動(dòng)力學(xué)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。采用力學(xué)理論分別對(duì)多功能醫(yī)用護(hù)理床的主要零件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的安全性及穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)采用單片機(jī)控制，通過(guò)單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，安裝傳感器來(lái)控制機(jī)構(gòu)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。利用單片機(jī)為主的控制系統(tǒng)，達(dá)到控制要求。
關(guān)鍵詞：多功能醫(yī)用護(hù)理床，干涉檢驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化，動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，控制系統(tǒng)
ABSTRACT
Multifunction Nursing-bed is designed for those critically ill patients and the special needs of paralyzed patients designed bed is able to adjust the angle of the back and feet. Even if we can not take care of themselves, the nursing staff can also be operated bedside controller to reduce the care of sick and disabled patients with the labor intensity. In this paper, the above situation, a new type of multi-functional medical care beds, the use of digital three-dimensional design software for modeling and soliderworks its assembly, then export to CAD and correct it. the mechanical analysis software ADAMS kinematics and dynamics of its analysis, research of the bed board in the under a wide variety of sports on the angular acceleration of the impact of patient comfort and linear putter in the posture of the force, and provided the use of optimization ADAMS conducted its kinematic and dynamic optimization; to angular acceleration The minimum value of objective function as for kinematic optimization, linear putting maximum stress as a dynamic optimization to minimize the objective function. Have to meet the design requirements of the body parameters. Finite calibration methods of mechanics of materials, respectively, of multi-bed medical care for the mechanical parts of the main check to ensure the safety of the movement and stability. Control system adopts microcomputer control, through MCU control, to achieve the movement of various agencies, to install sensors to control the body turn angle. Use of microcomputer-based control system to control demand.
Key words: Multifunction Nursing-bed, interfere check, kinematics optimization, dynamics optimization, control system
目錄
1 緒論 1
1.1 課題的目的及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 1
1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容 6
1.4 本章小結(jié) 6
2 護(hù)理床結(jié)構(gòu)的整體方案 7
2.1 護(hù)理要求 7
2.2 護(hù)理床的總體方案構(gòu)思 7
2.3 本章小結(jié) 9
3 護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 引言 10
3.2 側(cè)翻機(jī)構(gòu) 10
3.3 抬背機(jī)構(gòu) 11
3.4 曲腿機(jī)構(gòu) 13
3.5護(hù)理床的三維建模 14
3.6 本章小結(jié) 16
4 護(hù)理床運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化 17
4.1 引言 17
4.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 17
4.3抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 23
4.4曲腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 26
4.5本章小結(jié) 29
5 護(hù)理床動(dòng)力學(xué)優(yōu)化 30
5.1引言 30
5.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 30
5.3抬背機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 32
5.4曲腿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 34
5.5本章小結(jié) 36
6 護(hù)理床的力學(xué)分析 37
6.1 引言 37
6.2 力學(xué)計(jì)算 37
6.3 本章小結(jié) 40
7 護(hù)理床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 41
7.1 引言 41
7.2 直流電機(jī)控制原理 41
7.3 控制系統(tǒng)方案 41
7.4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 43
7.5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 48
7.6 本章小結(jié) 52
8 結(jié)論 53
8.1 課題結(jié)論 53
8.2課題展望 53
參考文獻(xiàn) 54
致謝 56
1 緒論
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(lèi)情況如下[1]：
圖1-1 護(hù)理床分類(lèi)狀況
表1-1護(hù)理床分類(lèi)概括
名稱(chēng)
優(yōu)點(diǎn)
存在問(wèn)題
功能基礎(chǔ)型護(hù)理床
1、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于制造。2、價(jià)格便宜。
1、功能比較簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)使用者的護(hù)理要求。2、手動(dòng)為主，操作繁瑣。3、造型傳統(tǒng)，舒適性差。4、應(yīng)用范圍窄。
功能普通型護(hù)理床
1、一般為電動(dòng)，用戶(hù)可簡(jiǎn)單操作控制。2、能完成基本的護(hù)理功能。3、增添了輔助功能接口。4、整體造型，色彩改進(jìn)，具有一定的親和性。
1、市場(chǎng)售價(jià)偏高。2、功能啟動(dòng)柔性差，銜接不連貫。3、功能一體化造成功能浪費(fèi)。4、生產(chǎn)技術(shù)含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識(shí)別功能差
功能高級(jí)型護(hù)理床
1、護(hù)理功能完善。2、功能調(diào)整定位準(zhǔn)確，連貫性好，基本無(wú)噪音。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全。4、造型新穎，有較強(qiáng)的親和力。5、文字，標(biāo)志容易識(shí)別。
1、市場(chǎng)售價(jià)昂貴。造成功能浪費(fèi)嚴(yán)重，造成額外的經(jīng)濟(jì)成本。2、整體可拆性差，運(yùn)輸、組裝繁瑣。3、對(duì)患者康復(fù)功能的考慮較少。
從近年來(lái)的發(fā)展來(lái)看，國(guó)內(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)構(gòu)、功能等等各異的護(hù)理床層出不窮。發(fā)展方向主要向機(jī)器人模塊化的自動(dòng)控制方向發(fā)展。
1.2.1 結(jié)構(gòu)的發(fā)展
結(jié)構(gòu)功能單一的護(hù)理床已經(jīng)逐漸隱退。如今護(hù)理床床體本身的構(gòu)件要實(shí)現(xiàn)多種功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左側(cè)翻、右側(cè)翻、、潔便門(mén)開(kāi)關(guān)裝置及沖洗馬桶和沖洗身體的裝置, 另外還有烘干和抽風(fēng)的設(shè)備。各個(gè)部分可以獨(dú)立的運(yùn)行來(lái)完成相應(yīng)的動(dòng)作, 同時(shí)將單個(gè)功能組合起實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。譬如病人躺在床上排泄問(wèn)題的解決, 改變靠背板的仰角或者左右的側(cè)翻以取得舒適的姿態(tài), 護(hù)理人員對(duì)潔便池的清洗等[2]。
如今多功能醫(yī)用護(hù)理床的各種類(lèi)型：
圖1-2 多功能醫(yī)用護(hù)理床的各種類(lèi)型
多功能護(hù)理床實(shí)現(xiàn)的各種動(dòng)作：
側(cè)翻 抬背和曲腿 另一種側(cè)翻
1.2.2 測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展
臨床上被稱(chēng)為生命體征參數(shù)的血壓、心率和體溫是衡量人體機(jī)能狀況的重要指標(biāo),這些參數(shù)的測(cè)量是日常護(hù)理的重要組成部分。傳統(tǒng)的方式是由醫(yī)護(hù)人員以通用的測(cè)量裝置對(duì)各參數(shù)逐一進(jìn)行測(cè)量,這無(wú)疑給醫(yī)護(hù)人員增加了很大工作量。在多功能護(hù)理床中,利用單片機(jī)系統(tǒng)能很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)血壓、心率和體溫等的采集、處理,并將采集數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)護(hù)人員,提高了護(hù)理工作的品質(zhì)和效率。多功能護(hù)理床除了完成基本的肢體動(dòng)作功能以外,根據(jù)臨床護(hù)理的需要,還對(duì)生命體征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)此目的所搭建的系統(tǒng)硬件主要由參數(shù)轉(zhuǎn)換傳感元件、處理電路、單片機(jī)、液晶顯示器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成, 為了測(cè)得所需的數(shù)據(jù),選擇合適的傳感器是至關(guān)重要的。人體的血壓、心率和體溫分別由壓力傳感器、脈搏傳感器和溫度傳感器進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在多功能護(hù)理床中,通過(guò)傳感器采集人體血壓、心率和體溫信號(hào),送入單片機(jī)處理,處理結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳入上位機(jī),可根據(jù)設(shè)定值,判斷是否超出規(guī)定值,發(fā)出報(bào)警信號(hào),方便醫(yī)護(hù)人員及時(shí)作出相應(yīng)處理。此測(cè)量系統(tǒng)增加了護(hù)理床的功能,提高了性能價(jià)格比,適合大中型醫(yī)院、療養(yǎng)院以及普通家庭使用。整個(gè)系統(tǒng)使用方便,操作簡(jiǎn)單,擴(kuò)展功能強(qiáng),在普通護(hù)理床基礎(chǔ)上增加了測(cè)量病人血壓、心率和體溫的功能,為醫(yī)療護(hù)理行業(yè)提供了新的測(cè)量方法。
圖1-3血壓、心率和體溫測(cè)量系統(tǒng)
1.2.3 控制系統(tǒng)的發(fā)展
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(hù)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(mǎn)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(lài),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(lài)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(zhuān)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(hù)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]。
1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容
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(mǎn)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(mǎn)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(xiě)單片機(jī)主要程序。
1.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了課題的目的和意義，目前醫(yī)用護(hù)理床在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)和各類(lèi)護(hù)理床的比較，在多個(gè)方面表明了當(dāng)今多功能醫(yī)用護(hù)理床護(hù)理床各個(gè)模塊的發(fā)展情況，最后根據(jù)研究分析確定了自己所需完成的研究?jī)?nèi)容。
2 護(hù)理床結(jié)構(gòu)的整體方案
2.1 護(hù)理要求
2.1.1 護(hù)理床的工作環(huán)境
多功能醫(yī)用護(hù)理床多數(shù)是應(yīng)用于病房和家庭居室，室內(nèi)溫度變化不大無(wú)需特別考慮，但是需要考慮到環(huán)境對(duì)噪聲的限制，故設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)類(lèi)型及型號(hào)的選取應(yīng)滿(mǎn)足工作噪音低于20分貝，床體材料也需要得到考慮，并且在床體上附加一些必要的減震降音材料，如橡膠墊片、彈簧墊圈等。
2.1.2 護(hù)理床的位姿和控制要求
護(hù)理床應(yīng)該滿(mǎn)足有利于被護(hù)理人康復(fù)、生活自理所需的各種必要的體位位姿，這些體位位姿包括抬背、側(cè)翻、屈腿等。為了防止褥瘡等一系列由于長(zhǎng)時(shí)間臥床造成血流不暢所引起的并發(fā)癥，護(hù)理床應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)床面的左右側(cè)翻身。對(duì)于危重、高度癱瘓等生活上不能自理的病人，在設(shè)計(jì)時(shí)還可以考慮能使病人在床上可以以坐姿或是臥姿排便。同時(shí)護(hù)理床還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)病人的抬腿坐姿體位，以減輕病人由于盤(pán)腿坐起時(shí)的不舒適感。對(duì)護(hù)理床的控制方式，可以采用鍵盤(pán)按鈕操縱，方便護(hù)理人員或病人自己進(jìn)行控制。
2.2 護(hù)理床的總體方案構(gòu)思
護(hù)理床的總體構(gòu)思包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感、控制運(yùn)動(dòng)以及總體位姿協(xié)調(diào)等問(wèn)題。
2.2.1 構(gòu)思的提出
通過(guò)分析現(xiàn)有的護(hù)理床設(shè)計(jì)，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)床面某一個(gè)特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法就會(huì)設(shè)計(jì)一套特定的機(jī)構(gòu)與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來(lái)越多時(shí)，所需機(jī)構(gòu)數(shù)目也隨之增加，同時(shí)空間體積也隨之膨脹。而床體的總體積是有一定限制的，即床體的長(zhǎng)、寬、高尺寸必須按照有關(guān)護(hù)理床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制在某一個(gè)空間范圍之內(nèi)，才能夠既滿(mǎn)足病人的舒適感的要求又滿(mǎn)足空間限制要求。多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運(yùn)動(dòng)，人體的運(yùn)動(dòng)具有極大的柔性。受此啟發(fā)將護(hù)理床的床面進(jìn)一步加以細(xì)分，成為彼此之間相互獨(dú)立的12個(gè)面板。如圖2-1所示。圖2-1中，床面板1、床面板2與床面板3對(duì)應(yīng)于人體的背部，床面板4、床面板5和床面板6對(duì)應(yīng)于人體的臀部，人體的腿與腳分別對(duì)應(yīng)于床面板7、床面板8、床面板9和床面板10、床面板11、床面板12。通過(guò)各個(gè)床面板之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)護(hù)理床所需的各種體位位姿。
圖2-1 多功能醫(yī)用護(hù)理床床面板圖
2.2.2 相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn)
為了滿(mǎn)足患者在使用護(hù)理床時(shí)的舒適程度以及有效的減緩護(hù)理人員的護(hù)理強(qiáng)度。護(hù)理床結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的要求:
(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)護(hù)理所需的各種體位位姿要求。
(2) 各個(gè)活動(dòng)床面板的擺動(dòng)角度范圍應(yīng)參照有關(guān)醫(yī)療護(hù)理要求以及人體的舒適感，各床面板擺動(dòng)角度及標(biāo)準(zhǔn)如下：
背板擺動(dòng)角度：0°～75°
左/右翻身擺動(dòng)角度：0°～75°
腿板擺動(dòng)角度：0°～45°
(3) 護(hù)理床床體的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要符合醫(yī)護(hù)要求。
(4) 床體的結(jié)構(gòu)尺寸有一定的空間范圍限制。
2.2.3 護(hù)理床的組成
多功能醫(yī)用護(hù)理床從結(jié)構(gòu)和功能上分為：床框架、平面連桿機(jī)構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。
圖2-2 多功能醫(yī)用護(hù)理床系統(tǒng)框圖
床框架除了固定的機(jī)械機(jī)構(gòu)以外，還包括各個(gè)電機(jī)安裝模塊。平面連桿機(jī)構(gòu)包括：側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)、曲腿機(jī)構(gòu)。床板由床板框架和床板面板組成，整臺(tái)多功能醫(yī)用護(hù)理床中共有四臺(tái)直流電機(jī)，分別完成頭部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻等動(dòng)作。本課題工作重點(diǎn)在平面連桿機(jī)構(gòu)部分，包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，整個(gè)多功能醫(yī)用護(hù)理床三維虛擬樣機(jī)的建立，虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，整床的裝配及調(diào)試；控制方案確定，電路板設(shè)計(jì)、控制線路布置、連接，各種傳感器設(shè)計(jì)安裝，編程以及調(diào)試。
2.3 本章小結(jié)
本章圍繞護(hù)理床的總體構(gòu)思而展開(kāi)，通過(guò)論述護(hù)理床所處的工作環(huán)境及位姿要求，指出了護(hù)理床設(shè)計(jì)時(shí)所需的各項(xiàng)要求，以這些要求為契機(jī)，提出了護(hù)理床的總體方案的構(gòu)思，包括整體設(shè)計(jì)的構(gòu)思思路，護(hù)理床結(jié)構(gòu)形式的初步探討，護(hù)理床的各個(gè)組成部分。對(duì)于控制系統(tǒng)采用單片機(jī)為主控制芯片，控制多臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，完成護(hù)理床的各項(xiàng)功能。
3 護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 引言
多功能醫(yī)用護(hù)理床為了實(shí)現(xiàn)側(cè)翻、抬背和曲腿等動(dòng)作主要有以下幾個(gè)機(jī)構(gòu)組成：抬背機(jī)構(gòu)，側(cè)翻機(jī)構(gòu)和曲腿機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)候大多采用圖解法計(jì)算多功能醫(yī)用護(hù)理床的各個(gè)機(jī)構(gòu)，在滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的條件下，采用AUTOCAD軟件輔助得到滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的初始機(jī)構(gòu)各桿件尺寸。
3.2 側(cè)翻機(jī)構(gòu)
側(cè)翻機(jī)構(gòu)是多功能醫(yī)用護(hù)理床中的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能是實(shí)現(xiàn)患者在護(hù)理床上的左右翻身，避免因患者背部長(zhǎng)期接觸被褥而產(chǎn)生褥瘡，同時(shí)減輕護(hù)理人員的護(hù)理強(qiáng)度。
3.2.1 側(cè)翻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理
多功能醫(yī)用護(hù)理床的側(cè)翻機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的四桿機(jī)構(gòu)，由兩個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。通過(guò)電氣控制，實(shí)現(xiàn)護(hù)理床的左右側(cè)翻功能。簡(jiǎn)圖如圖3-1所示。
左側(cè)翻示意圖 右側(cè)翻示意圖
圖3-1 側(cè)翻機(jī)構(gòu)
多功能醫(yī)用護(hù)理床的側(cè)翻機(jī)構(gòu)由線性推桿、側(cè)翻連桿、側(cè)翻滾子、兩側(cè)床板以及部分床架組成。線性推桿一端鉸接于床架上，另一端鉸接于側(cè)翻構(gòu)件上，側(cè)翻構(gòu)件的一端鉸接于床架上，另一端通過(guò)滾子與床側(cè)板連接，床側(cè)板通過(guò)螺栓與中部床板鉸接，中部床板通過(guò)固定器將中部床板固定于床架上，使之充當(dāng)機(jī)架作用，線性推桿的推動(dòng)使得側(cè)翻構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾子的作用，使得背部側(cè)板繞著它與中部床板的鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.2.2 側(cè)翻機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法）
側(cè)翻機(jī)構(gòu)由左右兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)組成，兩個(gè)機(jī)構(gòu)承對(duì)稱(chēng)，因此設(shè)計(jì)其中之一即可。通過(guò)查閱手冊(cè)人體的肩寬大約為330~415mm，因此床的中間段板要盡可能的窄，使患者能實(shí)現(xiàn)翻身這一動(dòng)作。在此設(shè)計(jì)中背板中部設(shè)為180mm；兩側(cè)板設(shè)為320mm；床板的厚度設(shè)為35mm；支承滾子的直徑設(shè)為20mm，床的高度根據(jù)普通床的高度做調(diào)整，過(guò)高不方便患者上下床，過(guò)低影響安裝空間。線性推桿的底部安裝點(diǎn)到床板轉(zhuǎn)軸距離根據(jù)機(jī)構(gòu)的始末位置把電機(jī)的行程范圍定為115mm。利用AUTOCAD的旋轉(zhuǎn)功能，將一側(cè)床板翻轉(zhuǎn)75°，利用偏移指令，找到側(cè)翻構(gòu)件翻轉(zhuǎn)后的位置，再次旋轉(zhuǎn)得到電機(jī)前端的安裝點(diǎn)，這樣就可以得到了側(cè)翻機(jī)構(gòu)在水平狀態(tài)時(shí)的機(jī)構(gòu)的各點(diǎn)的參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求側(cè)翻的翻轉(zhuǎn)最大角度為75°，所以將背板旋轉(zhuǎn)75°之后，又得到了一個(gè)新的機(jī)構(gòu)的位置，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)在終了位置時(shí)，桿件并沒(méi)有發(fā)生碰撞干涉，符合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求，測(cè)量線性推桿在終了位置時(shí)的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，推桿在許用選用范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足了推桿的選用行程，至此側(cè)翻機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計(jì)結(jié)束，各點(diǎn)的安裝位置及初步設(shè)計(jì)尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 側(cè)翻機(jī)構(gòu)初始設(shè)計(jì)尺寸圖
3.3 抬背機(jī)構(gòu)
抬背機(jī)構(gòu)是多功能醫(yī)用護(hù)理床上的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能實(shí)現(xiàn)患者在護(hù)理床上的抬背及端坐功能。
3.3.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理
多功能醫(yī)用護(hù)理床的臺(tái)北機(jī)構(gòu)類(lèi)似于側(cè)翻機(jī)構(gòu)，由線性推桿、抬背連桿、抬背滾子、背板以及部分床架組成。線性推桿一端鉸接于床架上，另一端鉸接于抬背構(gòu)件上，抬背構(gòu)件的一端鉸接于床架上，另一端通過(guò)滾子與背板連接，中部床板焊接固定于床架上，使之充當(dāng)機(jī)架作用，線性推桿的推動(dòng)使得抬背構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾子的作用，使得背板繞著它與中部床板的鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。簡(jiǎn)圖如圖3-3所示。
圖3-3 抬背機(jī)構(gòu)
3.3.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法）
多功能醫(yī)用護(hù)理床的抬背機(jī)構(gòu)采用一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，用單個(gè)線性推桿驅(qū)動(dòng)。查閱手冊(cè)得人體的坐高大約為800mm左右，所以本機(jī)構(gòu)中背板的長(zhǎng)度為860mm，滾子的直徑為20mm，與側(cè)翻機(jī)構(gòu)相似，圖解法設(shè)計(jì)，設(shè)臀部床板的長(zhǎng)度為400mm，線性推桿的行程范圍得出水平距離為608mm，由此得出線性推桿的初始安裝長(zhǎng)度，這樣得到了初始狀態(tài)下的抬背機(jī)構(gòu)的尺寸，但由于機(jī)構(gòu)需要滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將背板向上翻轉(zhuǎn)75°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿的所在位置，得出線性推桿的終了安裝位置，這樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為190mm，此行程正好滿(mǎn)足了線性推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。初步設(shè)計(jì)完成之后的尺寸圖如圖3-4所示，各點(diǎn)安裝位置也如圖所示。
圖3-4 抬背機(jī)構(gòu)初始設(shè)計(jì)尺寸圖
3.4 曲腿機(jī)構(gòu)
曲腿機(jī)構(gòu)是醫(yī)用護(hù)理床上的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)腿部床板的向下彎曲。在向下彎曲的時(shí)候，腳板必須處于水平位置。
3.4.1 曲腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理
多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)是一個(gè)五桿機(jī)構(gòu)，由單線性推桿驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曲腿的動(dòng)作。簡(jiǎn)圖如圖3-5所示。
圖3-5 曲腿機(jī)構(gòu)
多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)包括：線性推桿、曲腿連桿Ⅰ、曲腿連桿Ⅱ、腿部床板和部分床架。線性推桿一端鉸接于床架上，另一端鉸接于曲腿連桿Ⅰ上，曲腿連桿Ⅰ又和曲腿連桿Ⅱ相鉸接，曲腿連桿Ⅱ再和腿部床板鉸接；曲腿連桿Ⅰ和腿部床板通過(guò)不同的鉸接分別固定于床架上，線性推桿的推動(dòng)使得曲腿構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)曲腿連桿Ⅱ與腿部床板相鉸接，使得腿部床板繞著它與中部床板的鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.4.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法）
多功能醫(yī)用護(hù)理床的曲腿機(jī)構(gòu)采用一個(gè)五桿機(jī)構(gòu)，設(shè)大腿板的長(zhǎng)度為445mm，線性推桿的行程范圍得出水平距離為380mm，由此得出線性推桿的初始安裝長(zhǎng)度，這樣得到了初始狀態(tài)下的曲腿機(jī)構(gòu)的尺寸，但由于機(jī)構(gòu)需要滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)做拉動(dòng)，將腿板向下翻轉(zhuǎn)45°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動(dòng)連桿的所在位置，得出線性推桿的終了安裝位置，這樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為101mm，此行程正好滿(mǎn)足了線性推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。初步設(shè)計(jì)完成之后的尺寸圖如圖3-6所示，各點(diǎn)安裝位置也如圖所示。
圖3-6 曲腿機(jī)構(gòu)初始設(shè)計(jì)尺寸圖
在大腿板和腳板的連接處添加兩處支撐滾子，在曲腿沒(méi)有或初進(jìn)行時(shí)，滾子起支撐腳板的作用。在床架下框架再添加兩處支撐滾子。當(dāng)曲腿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)，腳板碰到床下框架的滾子，使得小腿板彎曲變?yōu)榻咏轿恢茫鸬街文_的作用。而腿板與腳板連接處的滾子由于曲腿動(dòng)作失去支撐作用。
3.5護(hù)理床的三維建模
通過(guò)圖解法的方法得到了護(hù)理床的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，這些是對(duì)護(hù)理床進(jìn)行建模的基礎(chǔ)，根據(jù)上述初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)soliderworks軟件對(duì)其進(jìn)行建模，Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。得到的模型如圖3-7所示。
圖3-7(a) 護(hù)理床床架三維模型
圖3-7(b) 護(hù)理床側(cè)翻（左）連桿三維模型
圖3-7(c) 護(hù)理床抬背連桿三維模型
圖3-7(d) 護(hù)理床曲腿連桿三維模型
圖3-7(e) 多功能醫(yī)用護(hù)理床三維模型1
圖3-7(f) 多功能醫(yī)用護(hù)理床三維模型2
3.6 本章小結(jié)
本章通過(guò)對(duì)多功能醫(yī)用護(hù)理床的各個(gè)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)論證討論，初步確定了各個(gè)機(jī)構(gòu)的方案，并用圖解法的方法，得到了各個(gè)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)參數(shù)，為下一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。
4 護(hù)理床運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化
4.1 引言
運(yùn)動(dòng)學(xué)是理論力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它是運(yùn)用幾何學(xué)的方法來(lái)研究物體的運(yùn)動(dòng)，通常不考慮力和質(zhì)量等因素的影響。至于物體的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，則是動(dòng)力學(xué)的研究課題。
運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究點(diǎn)和剛體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。點(diǎn)是指沒(méi)有大小和質(zhì)量、在空間占據(jù)一定位置的幾何點(diǎn)。剛體是沒(méi)有質(zhì)量、不變形、但有一定形狀、占據(jù)空間一定位置的形體。運(yùn)動(dòng)學(xué)包括點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)兩部分。掌握了這兩類(lèi)運(yùn)動(dòng)，才可能進(jìn)一步研究變形體(彈性體、流體等)的運(yùn)動(dòng)。
在變形體研究中，須把物體中微團(tuán)的剛性位移和應(yīng)變分開(kāi)。點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程、軌跡、位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特征，這些都隨所選的參考系不同而異；而剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)還要研究剛體本身的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程、角速度、角加速度等更復(fù)雜些的運(yùn)動(dòng)特征。剛體運(yùn)動(dòng)按運(yùn)動(dòng)的特性又可分為：剛體的平動(dòng)、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、剛體平面運(yùn)動(dòng)、剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和剛體一般運(yùn)動(dòng)。
多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，主要是為了進(jìn)一步確定各機(jī)構(gòu)的桿件尺寸，在滿(mǎn)足各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的前提下，保證在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候各機(jī)構(gòu)之間不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，同時(shí)多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析也時(shí)為了在滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的條件下，使機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中達(dá)到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)，得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及桿件尺寸數(shù)據(jù)。
多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基于ADAMS機(jī)械分析軟件。ADAMS是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶(hù)可以利用ADAMS在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。
4.2側(cè)翻機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
多功能醫(yī)用護(hù)理床的側(cè)翻機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，是以側(cè)翻背板的角加速度的最大值最小化為目標(biāo)函數(shù)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，基于ADAMS機(jī)械分析軟件，得到滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。
側(cè)翻機(jī)構(gòu)的左右兩部分相同，只研究右半部分的側(cè)翻機(jī)構(gòu)。
圖4-1 側(cè)翻機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡(jiǎn)圖
過(guò)O點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以水平方向?yàn)閄方向，以豎直方向?yàn)閅方向。
表4-1 坐標(biāo)系中各點(diǎn)位置
坐標(biāo)點(diǎn)
X坐標(biāo)/mm
Y坐標(biāo)/mm
O
0
0
A
X1
Y1
B
X2
Y2
C
X3
Y3
D
X4
Y4
把所有零部件視為剛體，OA為線性推桿，其長(zhǎng)度可以變化，最短長(zhǎng)度為348mm。側(cè)翻所轉(zhuǎn)過(guò)的角度與各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)。
4.2.1 側(cè)翻機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模
當(dāng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)鍵的位置確立好之后，機(jī)構(gòu)就能運(yùn)行。因此只要合理的選取各個(gè)機(jī)構(gòu)點(diǎn)的位置，就能實(shí)現(xiàn)醫(yī)療床的側(cè)翻功能。
在機(jī)構(gòu)的初始位置沒(méi)有要求的情況下，應(yīng)該選擇一個(gè)方便于建模的位置，在進(jìn)行ADAMS分析時(shí)，此位置就是機(jī)構(gòu)的初始位 置。由于醫(yī)療床側(cè)翻機(jī)構(gòu)的模型比較簡(jiǎn)單，利用ADAMS自身提供的建模工具，就可以建立側(cè)翻機(jī)構(gòu)的模型。
使用ADAMS view提供的參數(shù)化的方法可以方便的建立參數(shù)化的樣機(jī)模型。利用該樣機(jī)模型可以進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)其自身提供的后處理功能，可以將所得的數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線圖，并可以對(duì)曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)操作。ADAMS還以可通過(guò)自身所具有的模塊對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到理想的機(jī)構(gòu)模型。
（1）設(shè)置操作環(huán)境
在建立模型前，首先應(yīng)該設(shè)置操作環(huán)境，以方便模型的建立：
a. 設(shè)置單位在菜單Setting中選擇Uints，出現(xiàn)單位設(shè)置對(duì)話框，選擇MMKS。
b. 定義地面坐標(biāo)系選擇默認(rèn)狀態(tài)下的笛卡爾坐標(biāo)系作為地面坐標(biāo)系。
c. 定義重力選擇默認(rèn)狀態(tài)下大小為1G的重力加速度，方向?yàn)?Y方向。
d. 設(shè)置工作柵格在菜單Setting中選擇Working Grid，出現(xiàn)柵格設(shè)置對(duì)話框，X，Y方向的柵格范圍分別設(shè)置為750和500，按OK確定。
（2）建立設(shè)計(jì)變量及關(guān)鍵點(diǎn)
根據(jù)醫(yī)療床的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖及運(yùn)動(dòng)分析，首先建立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)變量。其中包括設(shè)計(jì)變量和關(guān)鍵點(diǎn)變量。
由于機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用為線性推桿，其具有一定的安裝尺寸要求。醫(yī)療床的床面高度，以及側(cè)翻機(jī)構(gòu)的側(cè)翻角度也有一定的要求，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候由一定的尺寸要求，設(shè)計(jì)成形后要求線性推桿的初始長(zhǎng)度為348mm，機(jī)架的最大高度340mm左右。這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的取值范圍，定義好后的設(shè)計(jì)變量如表4-2所示：
表4-2 初始設(shè)計(jì)變量
變量名
說(shuō)明
Standard value/mm
DV_L1
A點(diǎn)X方向坐標(biāo)
250
DV_L2
A點(diǎn)Y方向坐標(biāo)
245
DV_L3
B點(diǎn)X方向坐標(biāo)
200
DV_L4
B點(diǎn)Y方向坐標(biāo)
330
DV_L5
C點(diǎn)X方向坐標(biāo)
150
DV_L6
C點(diǎn)Y方向坐標(biāo)
390
DV_L7
D點(diǎn)X方向坐標(biāo)
400
DV_L8
D點(diǎn)Y方向坐標(biāo)
370
圖4-2 關(guān)鍵點(diǎn)的建立
（3）在ADAMS中完成樣機(jī)的建模
圖4-3 側(cè)翻機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模
（4）添加傳感器后的仿真
圖4-4 添加傳感器后的仿真
4.2.2 樣機(jī)的參數(shù)化
（1）設(shè)計(jì)研究
通過(guò)ADAMS提供的設(shè)計(jì)研究，對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究得到報(bào)表如下：
Trial O1 DV_1 Sensitivity
1 1.0564 225.00 0.042129
2 1.5831 237.50 0.052139
3 2.3599 250.00 0.083120
4 3.6610 262.50 0.13835
5 5.8187 275.00 0.17261
Trial O1 DV_2 Sensitivity
1 0.88928 230.50 0.12975
2 1.8300 237.75 0.10142
3 2.3599 245.00 0.092223
4 3.1672 252.25 0.14611
5 4.4785 259.50 0.18087
Trial O1 DV_3 Sensitivity
1 2.1741 180.00 0.013888
2 2.3130 190.00 0.0092903
3 2.3599 200.00 0.0015204
4 2.3434 210.00 -0.0057652
5 2.2446 220.00 -0.0098788
Trial O1 DV_4 Sensitivity
1 7.4181 307.00 -0.30897
2 3.8649 318.50 -0.21992
3 2.3599 330.00 -0.12867
4 0.90560 341.50 -0.087636
5 0.34428 353.00 -0.048811
Trial O1 DV_5 Sensitivity
1 3.9090 127.50 -0.071394
2 3.1058 138.75 -0.068848
3 2.3599 150.00 -0.054516
4 1.8792 161.25 -0.039681
5 1.4671 172.50 -0.036631
Trial O1 DV_6 Sensitivity
1 2.7446 360.50 -0.013992
2 2.5382 375.25 -0.013041
3 2.3599 390.00 -0.0096869
4 2.2525 404.75 -0.0072597
5 2.1458 419.50 -0.0072352
Trial O1 DV_7 Sensitivity
1 2.3599 369.00 1.0028e-015
2 2.3599 384.50 5.4437e-016
3 2.3599 400.00 -4.5841e-016
4 2.3599 415.50 -1.1460e-016
5 2.3599 431.00 7.7357e-016
Trial O1 DV_8 Sensitivity
1 2.3599 344.30 -1.0022e-015
2 2.3599 357.15 -2.2680e-030
3 2.3599 370.00 3.8015e-016
4 2.3599 382.85 -6.9119e-017
5 2.3599 395.70 1.0368e-016
（2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)
通過(guò)上述的設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)DV_L4、DV_L7和DV_L8的敏感度最大，所以在實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)候著重對(duì)這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行研究，改變?nèi)齻€(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍DV_L4的變化范圍是0～20﹪，DV_L7的變化范圍是-20﹪～0，DV_L8的變化范圍是-20﹪～0；
實(shí)驗(yàn)研究報(bào)表為：
O1) Minimum of MARKER_1_MEA_1
Units : deg/sec**2
Maximum Value: 0.069022 (trial 4)
Minimum Value: 4.95551e-005 (trial 7)
Trial O1 DV_4 DV_7 DV_8
1 0.00010396 330.00 200.00 216.00
2 0.00055848 330.00 200.00 245.00
3 0.041170 330.00 250.00 216.00
4 0.069022 330.00 250.00 245.00
5 5.8272e-005 376.00 200.00 216.00
6 5.8768e-005 376.00 200.00 245.00
7 4.9555e-005 376.00 250.00 216.00
8 7.6250e-005 376.00 250.00 245.00
圖4-5 各數(shù)據(jù)下的角加速度曲線
（3）優(yōu)化分析
在實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)候著重對(duì)這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行研究，改變?nèi)齻€(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍DV_L4的變化范圍是0～7﹪，DV_L7的變化范圍是-7﹪～0，DV_L8的變化范圍是-6﹪～0；
實(shí)驗(yàn)研究報(bào)表為：
O1) Maximum of MARKER_1_MEA_1
Units : deg/sec**2
Initial Value: 2.39011
Final Value : 0.897772 (-62.4%)
Iter. O1 DV_4 DV_7 DV_8
0 2.3901 330.00 250.00 245.00
1 0.89740 346.10 240.28 236.30
2 0.89777 346.10 240.28 236.30
圖4-6 優(yōu)化前后角加速度對(duì)比
通過(guò)對(duì)比，我們很容易發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后角加速度明顯減小，圖4-9中實(shí)線為初始角加速度曲線，虛線為優(yōu)化后曲線。
經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以確定三個(gè)變量的值分別為DV_L4為346.10、DV_L7為240.28、DV_L8為236.30，此時(shí)可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，即背板翻轉(zhuǎn)角度為75°，角加速度減小到機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足的范圍之內(nèi)。優(yōu)化之后主要變動(dòng)的為B點(diǎn)的安裝尺寸及BD桿的長(zhǎng)度，具體變化詳見(jiàn)表4-3。
表4-3 桿件尺寸變化
B點(diǎn)距A點(diǎn)豎直距離/mm
BD/mm
初始尺寸
65
98.4
優(yōu)化后尺寸
48.9
115.1
4.3抬背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
圖4-7 抬背機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡(jiǎn)圖
4.3.1 抬背機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模
（1） 建立設(shè)計(jì)變量
表4-4 關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)變量及初始值
關(guān)鍵點(diǎn)
坐標(biāo)方向
變量名
初始值/mm
A
Point_A_X
DV_1
495
Point_A_Y
DV_2
390
B
Point_B_X
DV_3
222
Point_B_Y
DV_4
370
C
Point_C_X
DV_5
458
Point_C_Y
DV_6
330
D
Point_D_X
DV_7
608
Point_D_Y
DV_8
275
E
Point_E_X
0
Point_E_Y
0
（2） 建模
圖4-8 抬背機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模
4.3.2 樣機(jī)的參數(shù)化
（1）設(shè)計(jì)研究
運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)研究報(bào)表如下所示。
Trial O1 DV_1 Sensitivity
1 3.4761 483.00 -0.00021592
2 3.4725 490.00 -0.00021155
3 3.4689 495.00 -0.00020283
4 3.4655 501.00 -0.00019416
5 3.4623 512.00 -0.00018987
Trial O1 DV_2 Sensitivity
1 3.4556 372.00 -0.00047451
2 3.4626 383.00 -0.00045328
3 3.4689 390.00 -0.00041312
4 3.4747 401.00 -0.00037729
5 3.4800 412.00 -0.00036039
Trial O1 DV_3 Sensitivity
1 3.4689 1769.00 4.4144e-012
2 3.4689 199.50 5.6664e-012
3 3.4689 222.00 -1.0909e-012
4 3.4689 240.50 -4.4672e-012
5 3.4689 261.00 1.6574e-013
Trial O1 DV_4 Sensitivity
1 3.4689 353.000 -6.8425e-012
2 3.4689 361.000 -9.2588e-012
3 3.4689 370.000 4.5511e-012
4 3.4689