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摘 要本研究開發(fā)了一種新型的多功能護理床，可實現(xiàn)床上左右轉(zhuǎn)彎、排便等功能，供臨床使用。并利用 ADAMS 分析了旋轉(zhuǎn)板受力、接觸副摩擦力和空間位置對電機轉(zhuǎn)矩的影響。通過對主機構(gòu)模型的動力學(xué)分析，可以得到主機構(gòu)的曲線和扭矩的影響，這對選擇合適的電機和安裝結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：護理床、Adams、虛擬樣機、動態(tài)分析多功能護理床的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析李宗林、宋章、胡興隆機械與動力工程學(xué)院華東理工大學(xué)，上海1 引言病床作為醫(yī)療設(shè)備的一部分，是醫(yī)院護理的必備品，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等諸多領(lǐng)域。然而，優(yōu)質(zhì)護理床的價格昂貴，新的研究可以降低成本和護理難度，例如，對于長期臥床的病人，他們的翻身和后撤需要護士有足夠的體力。普通床只有頭向上、腿彎曲和伸展功能，這種床根據(jù)需要增加了翻滾、在床上排便等功能[1]。2 機構(gòu)設(shè)計護理床按結(jié)構(gòu)和功能可分為四部分：床體、控制柜、活動框架、活動便盆。方框圖如圖 1 所示?？刂乒駜?nèi)設(shè)有主控板、電機驅(qū)動板、變壓器、開關(guān)電源等。控制柜通過接線與護理床相連。床體除固定機構(gòu)外，還包括驅(qū)動電機和葉片機構(gòu)。活動框架裝置具有輪子，可與護理床分離?？蚣軆?nèi)有水箱、可升降的凳子和熱風(fēng)機。移動式便盆還安裝了輪子，可以插入活動框架中。此外，控制系統(tǒng)還包括電線操作器、液晶顯示器等。系統(tǒng)中有六臺直流電機，分別完成了頭部的升降、腿部的彎曲、左右轉(zhuǎn)動、葉片的開閉和凳子的升降等動作。A.床功能。床上活動功能包括頭的升降、腿的彎曲和床體的兩側(cè)，基本滿足患者的活動要求，有利于患者改善血液循環(huán)，防止褥瘡的發(fā)生。本護理床設(shè)計了符合人體運動特點的腿部屈曲。床體側(cè)彎可分為三種運動：左側(cè)至臀部、右側(cè)至臀部和平坦一側(cè)。圖 2、圖 3、圖 4 是床體的三個運動。B.護理功能排便功能在其他特別適合癱瘓病人的電動護理床上很少見。床體中間有一個矩形開口，正常情況下只能看到兩個葉片。排便時，風(fēng)向標(biāo)向下開，排便裝置上升。排便完畢后，風(fēng)向標(biāo)繼續(xù)向上翻，填補空隙。排便器由活動架和活動床盤組成，活動床盤可插入機架內(nèi)，整個機架可配合加載床體。護理床還具有噴水、烘干功能。在主動框架中安裝了水箱、熱風(fēng)機和電磁閥。水箱有水泵、加熱器、溫度傳感器和水位傳感器。在控制器的控制下，可以實現(xiàn)水溫的設(shè)定、水溫的保持和水箱容積的自動增大等功能。長期臥床的病人是這張護理床的主要接受者。大便前，按遙控器上的“大便升高”鍵，兩個葉片打開，然后大便升高，大便板自動豎起，以便盆為準(zhǔn)。這些動作完成后，病人可以大便。排便完畢后，按相應(yīng)鍵，先進行沖洗，然后采用熱風(fēng)干燥，體現(xiàn)了人的護理功能。沖洗用水保存在罐內(nèi)，用加熱絲保持溫度。為了實現(xiàn)對溫度的控制，需要對溫度進行采集和處理，采集由傳感器完成，過程和控制由單片機完成。由于病人的排便時間不確定，要求保持體溫不變，目的是暫時提供適當(dāng)?shù)捏w溫。3 系統(tǒng)建模A.造型護理床是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它由床體的機械部件、活動框架、移動式床盤、電子控制系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能組成。圖 5 是葉片的幾何建模圖[2]。i 右旋轉(zhuǎn)板 2 右旋轉(zhuǎn)板杠桿 3 右旋轉(zhuǎn)板驅(qū)動臂 4 右旋轉(zhuǎn)板電機 5 左旋轉(zhuǎn)板電機 6 左旋轉(zhuǎn)板驅(qū)動臂 7 左旋轉(zhuǎn)板杠桿 8 左旋轉(zhuǎn)板 9 旋轉(zhuǎn)板門軸圖 6 轉(zhuǎn)盤杠桿及驅(qū)動臂 I 轉(zhuǎn)盤杠桿 2 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動臂b.接觸副處理圖 6 是葉片杠桿和執(zhí)行臂的幾何建模圖。其中一個葉片桿的軸端與葉片固定，另一端具有曲線槽。葉片執(zhí)行臂兩側(cè)為圓軸，軸中心平行。一軸與電機連接固定，另一軸與曲線槽配合形成接觸。電機使執(zhí)行臂反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)葉片的啟閉。4 仿真分析葉片動力學(xué)仿真的目的是分析不同工況下對轉(zhuǎn)矩的影響，指導(dǎo)改進設(shè)計，選擇合適的驅(qū)動電機[3]。左右葉片的尺寸不相等，但電機相同。選擇面積和分析力較大的右側(cè)區(qū)域[4]。選擇兩個葉片中間的作用點，力臂為 15cm。鋼的摩擦系數(shù)為 1.2～1.4，潤滑后為 0.02～0.05，摩擦系數(shù)取 0.05。從圖 7 和圖 8 可以看出，這些曲線并不平滑，因為對它們的高頻分量耦合進行了數(shù)學(xué)分析，這在實際中被認(rèn)為是振動。同時發(fā)現(xiàn)葉片存在振動現(xiàn)象，試驗時與模擬數(shù)據(jù)吻合。振動與應(yīng)力、材料性質(zhì)、材料剛度、剛體接觸曲線、摩擦系數(shù)等有關(guān)。仿真分析表明，應(yīng)力越大，振動越小。在設(shè)計葉片桿的曲線槽時，應(yīng)保證接觸面光滑，以減少非必要的振動。圖 9 是應(yīng)力很快時的角速度，可以明顯觀察到振動情況[5]?；颊邔θ~片的實際作用不是恒定的，而是當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到附近的水平位置時逐漸增加。這樣，盡量選擇較大的電機扭矩，防止過載。b.摩擦系數(shù)對扭矩的影響 t葉片模擬共有三種約束：固定約束、鉸鏈約束和接觸約束。固定約束不能產(chǎn)生摩擦力，但鉸鏈約束和接觸約束可以。鉸鏈到鉸鏈約束裝置的鉸鏈可以作為滑動軸承處理?；瑒虞S承摩擦系數(shù)小?；瑒虞S承的動摩擦系數(shù)為 3.0xl0-3，靜摩擦系數(shù)為 4.0x 10-3?雖然接觸約束也是一種滑動摩擦，但由于接觸復(fù)雜，應(yīng)力也很大，不能簡單地作為滑動軸承處理。圖 10 為執(zhí)行臂桿軸和曲線槽受力快時的接觸力，最大可達 1800N。圖 11 和圖 12 分別表示摩擦系數(shù) 0.07 和 0.31 中的扭矩圖，以及 Soon 的應(yīng)力。與圖 11 和圖 12 相比，它看不到扭矩的變化，也看不到曲線。最大的差異是摩擦系數(shù)為 0.31 時振動減小。摩擦系數(shù) f.i.并沒有明顯引起最大力矩的變化，只是在濾波后有增大的趨勢，平滑相關(guān)值[6]。c.從空間位置到扭矩的偏差設(shè)計葉片時，不僅要考慮實際安裝空間和要求尺寸，還要注意葉片杠桿旋轉(zhuǎn)軸與執(zhí)行臂旋轉(zhuǎn)軸之間的空間位置關(guān)系。因為它們的位置不僅關(guān)系到葉片能否正常工作，而且影響到最大的驅(qū)動力。建立坐標(biāo)時，使用如圖 13 所示的坐標(biāo)系。圖 14、圖 15 和圖 16 是 2010 年第二屆國際機電工程會議（ICMEE 2010）第一卷 VI-452 中不同空間位置的最大扭矩變化圖[7]。應(yīng)力很快，摩擦系數(shù)為0.03。通過比較不同工況下的數(shù)據(jù)，可以看出時間和最大轉(zhuǎn)矩都發(fā)生了顯著變化。在條件 3 中，運動時間最小，也就是力矩。在條件 2 下，在移動過程中，杠桿臂與驅(qū)動軸分離。在實際確定數(shù)據(jù)時，應(yīng)考慮電機的轉(zhuǎn)矩、尺寸和結(jié)構(gòu)等，盡最大努力可能不是最合適的[8]。通過對葉片的動力學(xué)模擬分析，得出：(1)電機驅(qū)動力矩小。在仿真分析過程中，對葉片施加 500N 的力，計算出電機的最大轉(zhuǎn)矩為 25Nm，但實際轉(zhuǎn)矩為 18Nm，因此在升高時會出現(xiàn)葉片無力現(xiàn)象。這里承受 500N 的力，它只是正常情況下的平均作用尺寸。實際使用時，可能大于 500N，因此必須考慮電機應(yīng)具有足夠的剩余驅(qū)動扭矩，以滿足不同條件下的要求。(2)摩擦系數(shù)對扭矩的影響不大。結(jié)果表明，在恒定作用下，摩擦系數(shù)對扭矩的影響很小，通過采用不同的摩擦系數(shù)來計算最大扭矩。(3)旋轉(zhuǎn)軸的空間位置對扭矩影響較大，工況 1 和工況 3 相差 1 on m，運動時間也發(fā)生變化。5 結(jié)論通過對護理床葉片的動力學(xué)和運動學(xué)分析，探討了驅(qū)動力矩作用、摩擦系數(shù)、空間位置等因素對護理床結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，為護理床性能評價分析提供了科學(xué)依據(jù)。該床還可以增加系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，使其能夠自動將信息傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)遠(yuǎn)程病人監(jiān)護監(jiān)控。參考文獻[1]方錦波，陳紅。”護士面臨的挑戰(zhàn)來自老齡化人口，《國際護理雜志》。第3 卷，2004 年 2 月，第 147-149 頁。[2]鄭嬌榮.Adams 開始使用虛擬原型技術(shù)并進行改進。北京：機械工業(yè)出版社。2002。[3]彭其波，李海陽.基于虛擬樣機技術(shù)的機器人毛管建模與仿真”，《華東理工大學(xué)學(xué)報》2007 年 6 月第 33 卷第 58-62 頁。[4]金鑫，什么榆林奧德劉華。”風(fēng)力發(fā)電機耦合振動分析”，《振動與沖擊雜志》，第 26 卷，2007 年 6 月，第 144-147 頁。[5]劉軍，林立松，劉小萍.亞當(dāng)斯柔性車身運動仿真分析研究與應(yīng)用，“現(xiàn)代汽車制造項目，第 5 卷，5 月。2004 年，第 53-55 頁。[6]董立剛，陳威海，奧德，張建斌.混合式電纜驅(qū)動的貓形裝置的運動分析AOD 模擬，“系統(tǒng)模擬期刊，第 19 卷，2007 年 9 月，第 4007-4011 頁。[7]Waog Yeo，“多功能護理床控制系統(tǒng)的開發(fā)”，《控制與自動化》，第 22卷，2006 年 7 月，第 117-119 頁。[8]焦浩，沃偉，劉永平.多功能護理床的研究，“制造自動化，2009 年 6 月 31日，第 71-73 頁。