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多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 I 摘 要 多功能醫(yī)用護理床是一種針對危重病人和癱瘓病人的特殊需要而設計的 能隨意調節(jié)床的背部和腳部的角度 即使不能自理者 護理人員也可通過床邊 的控制器進行操作 減少照顧病 殘患者的勞動強度 本文針對上述情況 提 出了一種新型的多功能醫(yī)用護理床 采用三維數(shù)字化設計軟件soliderworks對其 進行建模和裝配 然后導出到CAD進行修改 利用機械分析軟件ADAMS對其 進行運動學及動力學分析 研究了床板在各種運動狀況下的角加速度對患者舒 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 能對其分別進行了運動學和動力學優(yōu)化 以角加速度最大值的最小化作為優(yōu)化 目標函數(shù)進行運動學優(yōu)化 以線性推桿受力的最大值最小化作為動力學優(yōu)化目 標函數(shù) 得到滿足設計要求的機構參數(shù) 采用力學理論分別對多功能醫(yī)用護理 床的主要零件進行力學計算 保證了機構運動的安全性及穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)采 用單片機控制 通過單片機控制 實現(xiàn)各個機構的運動 安裝傳感器來控制機 構所轉過的角度 利用單片機為主的控制系統(tǒng) 達到控制要求 關鍵詞 多功能醫(yī)用護理床 干涉檢驗 運動學優(yōu)化 動力學優(yōu)化 控制系統(tǒng) 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 II 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 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 III 目錄 1 緒論 1 1 1 課題的目的及意義 1 1 2 國內外研究狀況及發(fā)展趨勢 1 1 3 本文主要研究內容 6 1 4 本章小結 6 2 護理床結構的整體方案 7 2 1 護理要求 7 2 2 護理床的總體方案構思 7 2 3 本章小結 9 3 護理床的結構設計 10 3 1 引言 10 3 2 側翻機構 10 3 3 抬背機構 11 3 4 曲腿機構 13 3 5 護理床的三維建模 14 3 6 本章小結 16 4 護理床運動學優(yōu)化 17 4 1 引言 17 4 2 側翻機構的運動學分析 17 4 3 抬背機構的運動學分析 23 4 4 曲腿機構的運動學分析 26 4 5 本章小結 29 5 護理床動力學優(yōu)化 30 5 1 引言 30 5 2 側翻機構動力學分析 30 5 3 抬背機構動力學分析 32 5 4 曲腿機構動力學分析 34 5 5 本章小結 36 6 護理床的力學分析 37 6 1 引言 37 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 IV 6 2 力學計算 37 6 3 本章小結 40 7 護理床控制系統(tǒng)設計 41 7 1 引言 41 7 2 直流電機控制原理 41 7 3 控制系統(tǒng)方案 41 7 4 控制系統(tǒng)的硬件設計 43 7 5 控制系統(tǒng)的軟件設計 48 7 6 本章小結 52 8 結論 53 8 1 課題結論 53 8 2 課題展望 53 參考文獻 54 致謝 56 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 1 1 緒論 1 1 課題的目的及意義 多功能醫(yī)用護理床是針對生活不能自理的病人 危重病人和癱瘓病人的特 殊需要而設計的 能隨意調節(jié)床的背部和腳部的角度 即使不能自理者 護理 人員也可通過床邊的控制器進行操作 減少照顧病 殘患者的勞動強度 課題 根據國家和上海市中長期發(fā)展綱要確定的研究方向和企業(yè)的具體需要 設計一 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 也減輕護理人員的勞動強度 針對市場需求開發(fā)設計一種結構簡單 工作可靠 使用方便的多功能護理床并進行動態(tài)仿真 對于產品的產業(yè)化具有 重要的意義 1 2 國內外研究狀況及發(fā)展趨勢 隨著社會經濟的迅速發(fā)展 人民生活水平不斷提高 人口壽命不斷延長 思想的進步 城市人口正逐步進入老齡化 人口老齡化已成為世界范圍內的社會 問題 據統(tǒng)計 歐洲發(fā)達國家和日本的老年人獨居率已高達40 如此之高的比 例迫使社會采取措施解決老年人的護理服務問題 如果完全依靠家庭人工照料 與西方國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60 歲 及其以上老年人口已達1 32 億 占全國總人口的10 并以年均3 32 的速度持 續(xù)增長 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致生活不能自理的老年人的家庭 照料與看護問題是人口老齡化國家所面臨的共同問題 1 為此 國家也大力加 強了對護理機器人的研發(fā)扶持力度 為偏癱病人或長期使用病床的病人提供一 個集護理和排泄等各功能于一體的多功能護理床 現(xiàn)在家庭需求護理床的潛力 日益增加 以前是簡易的記理床 后來加上護欄 餐桌 再后來加上大便孔 輪子 現(xiàn)在產生了很多集多功能為一體的多功能 電動護理床 極大的提高了患者的康 復護理水平 也為護理人員提供了極大的方便 所以操作簡單 功能強大的護理產 品越來越受到追捧 護理床在國內的設計研究尚處于初級階段 產品的功能 結構 造型有待 進一步的完善 國外護理床的研究以德國 日本為代表 各種護理功能正在逐 步完善 成熟 但因其價格昂貴 一般售價在20 萬人民幣以上 很難為一般 的消費者所接受 護理床的基本分類情況如下 1 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 2 圖1 1 護理床分類狀況 表1 1護理床分類概括 名稱 優(yōu)點 存在問題 功能基礎型護理床 1 結構 生產工藝簡單 易于制造 2 價格便宜 1 功能比較簡單 不能 實現(xiàn)使用者的護理要求 2 手動為主 操作繁瑣 3 造型傳統(tǒng) 舒適性差 4 應用范圍窄 功能普通型護理床 1 一般為電動 用戶可 簡單操作控制 2 能完 成基本的護理功能 3 增添了輔助功能接口 4 整體造型 色彩改進 具有一定的親和性 1 市場售價偏高 2 功能啟動柔性差 銜接 不連貫 3 功能一體化 造成功能浪費 4 生產 技術含量低 容易被仿 制 5 文字 圖像識別 功能差 功能高級型護理床 1 護理功能完善 2 功能調整定位準確 連 貫性好 基本無噪音 3 結構設計合理 安全 4 造型新穎 有較強的 親和力 5 文字 標志 容易識別 1 市場售價昂貴 造成 功能浪費嚴重 造成額 外的經濟成本 2 整體 可拆性差 運輸 組裝 繁瑣 3 對患者康復功 能的考慮較少 從近年來的發(fā)展來看 國內的發(fā)展迅速 各種結構 功能等等各異的護理 床層出不窮 發(fā)展方向主要向機器人模塊化的自動控制方向發(fā)展 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 3 1 2 1 結構的發(fā)展 結構功能單一的護理床已經逐漸隱退 如今護理床床體本身的構件要實現(xiàn) 多種功能 包括平躺 仰起 曲腿 左側翻 右側翻 潔便門開關裝置及沖洗 馬桶和沖洗身體的裝置 另外還有烘干和抽風的設備 各個部分可以獨立的運 行來完成相應的動作 同時將單個功能組合起實現(xiàn)復雜的功能 譬如病人躺在 床上排泄問題的解決 改變靠背板的仰角或者左右的側翻以取得舒適的姿態(tài) 護理人員對潔便池的清洗等 2 如今多功能醫(yī)用護理床的各種類型 圖 1 2 多功能醫(yī)用護理床的各種類型 多功能護理床實現(xiàn)的各種動作 側翻 抬背和曲腿 另一種側翻 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 4 1 2 2 測量系統(tǒng)的發(fā)展 臨床上被稱為生命體征參數(shù)的血壓 心率和體溫是衡量人體機能狀況的重 要指標 這些參數(shù)的測量是日常護理的重要組成部分 傳統(tǒng)的方式是由醫(yī)護人員 以通用的測量裝置對各參數(shù)逐一進行測量 這無疑給醫(yī)護人員增加了很大工作量 在多功能護理床中 利用單片機系統(tǒng)能很方便地實現(xiàn)對血壓 心率和體溫等的采 集 處理 并將采集數(shù)據傳送給醫(yī)護人員 提高了護理工作的品質和效率 多功 能護理床除了完成基本的肢體動作功能以外 根據臨床護理的需要 還對生命體 征參數(shù)進行測量 為實現(xiàn)此目的所搭建的系統(tǒng)硬件主要由參數(shù)轉換傳感元件 處理電路 單片機 液晶顯示器 數(shù)據傳輸?shù)炔糠纸M成 為了測得所需的數(shù)據 選擇合適的傳感器是至關重要的 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行采集并轉換為電信號 在多功能護理床中 通過傳 感器采集人體血壓 心率和體溫信號 送入單片機處理 處理結果通過網絡傳入 上位機 可根據設定值 判斷是否超出規(guī)定值 發(fā)出報警信號 方便醫(yī)護人員及時 作出相應處理 此測量系統(tǒng)增加了護理床的功能 提高了性能價格比 適合大中 型醫(yī)院 療養(yǎng)院以及普通家庭使用 整個系統(tǒng)使用方便 操作簡單 擴展功能強 在普通護理床基礎上增加了測量病人血壓 心率和體溫的功能 為醫(yī)療護理行業(yè) 提供了新的測量方法 圖 1 3 血壓 心率和體溫測量系統(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 由于具有結構簡單 組 合靈活 性能優(yōu)良 通用性強 簡單易用等特點 特別是它的高可靠性和適應 性 深受廣大用戶的歡迎 已在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用 4 現(xiàn)在的PLC 可管理高達5000 多點的I O 口 并有很高的指令執(zhí)行速度和高可靠性 使它能 滿足多軸運動控制系統(tǒng)的控制要求 PLC對護理病床多軸運動控制主要的優(yōu)勢表 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 5 現(xiàn)為有足夠容量的存儲單元和大量高速運算指令 能夠進行各種接口 通信 數(shù)據邏輯運算及復雜的邏輯控制 然而PLC 的高可靠性 靈活高速的運算指令 并不能彌補其昂貴的造價和有限的擴展性 而MS51 系列單片機系統(tǒng)卻以其低成 本 高集成 速度快 易擴展被廣泛地應用于工業(yè)生產的方方面面 圖 1 4 一種嵌入式控制器控制框圖 1 2 4 機器人化智能語音系統(tǒng) 語音作為當前控制方法中最自然的控制命令 隨著計算機和語音處理技術 的發(fā)展 語音識別系統(tǒng)的實用性不斷提高 語音識別控制技術將是今后一段時 期語音技術的發(fā)展方向 將語音識別技術引入到護理床控制 將為喪失自理能 力的使用者帶來極大的便利 護理床的語音控制系統(tǒng)包含語音識別模塊和語音 回放模塊 從而使護理床不但能實現(xiàn)語音控制操作 而且通過語音回放模塊可 以為使用者提供語音反饋 更有親和力 更具人性化 語音控制技術是現(xiàn)有各 種控制方式中的一種高級控制方式 它具有控制方式自然 方便 親和力好 適用 范圍廣的特點 將語音控制技術引入到護理床的控制之中 將極大地方便使用者 尤 其對于那些喪失或部分喪失活動 自理能力的患者而言 語音控制可以幫助他們 增強自信心 減輕對他人的依賴 增添生活的勇氣和信心 13 1 語音信號的采集處理過程 語音信號是一種典型非平穩(wěn)信號 但常?？杉俣槎虝r平穩(wěn)的 既在 10 20ms內其頻譜特性可近似看作不變 可采用平穩(wěn)過程的分析處理方法來處 理 即語音信號的時域處理方法 圖 1 5 語音信號處理過程 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 6 2 語音識別方式 語音識別分為特定人識別系統(tǒng)和非特定人識別系統(tǒng) 由于使用者的語音以 及地方語言存在很大差異性 我們使用可不依賴于對地方語言識別的特定人識 別系統(tǒng) 即每一位使用者都必須在使用前建立自己專用的參考模式庫 然后說 話人的語音數(shù)字流與一套公用的參考模式庫嚙合 進行少量的訓練修改 使之 能自動適應用戶的語音特性 3 語音回放方式 在現(xiàn)有語音識別技術的基礎上再增加與識別技術相對應的語音回放技術 將為使用者提供更友善的提示語句和更便利的操作性能 該語音回放模塊采用 了高音質單晶片語言錄放IC 芯片內部集成語音信號放大 濾波 采樣 轉換等模塊 可選擇2 4 8等長分段或自動或手動錄音 電路所需外圍零部件 少 線路簡單可靠 更改錄放內容簡便 靈活 易操作 成本低 6 1 3 本文主要研究內容 鑒于人口老齡化的發(fā)展 醫(yī)療和護理費用的不斷增加以及國內外市場需求 的不斷擴大 本文提出了一種新型的多功能醫(yī)用護理床 提出幾種新型的護理 床側翻機構 抬背機構以及曲腿機構 以單片機為主控制芯片 控制多臺直流 電機驅動整臺護理床工作 實現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換 達到滿足護理要求的 多功能醫(yī)用護理床 主要研究內容如下 1 設計各種護理床的運動機構 并用圖解法的方法得到初始設計尺寸 2 利用三維設計軟件 根據初始設計數(shù)據對其建模 進行結構設計 并對 其進行干涉檢查 然后導出CAD圖 3 根據初始設計數(shù)據在 ADAMS中建模 利用優(yōu)化功能對其進行運動學和 動力學優(yōu)化仿真 得到優(yōu)化后的設計數(shù)據 4 根據優(yōu)化數(shù)據修改三維模型 并同時檢查模型中是否存在干涉 得到滿 足設計要求的護理床 5 對護理床的主要零件進行受力校核 檢驗整臺護理床使用的安全性及穩(wěn) 定性 6 設計護理床的整體控制方案 設計控制流程框圖 用PROTEL軟件完成 單片機接線圖 以及外部接線圖 編寫單片機主要程序 1 4 本章小結 本章主要介紹了課題的目的和意義 目前醫(yī)用護理床在國內外的發(fā)展趨勢 和各類護理床的比較 在多個方面表明了當今多功能醫(yī)用護理床護理床各個模 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 7 塊的發(fā)展情況 最后根據研究分析確定了自己所需完成的研究內容 2 護理床結構的整體方案 2 1 護理要求 2 1 1 護理床的工作環(huán)境 多功能醫(yī)用護理床多數(shù)是應用于病房和家庭居室 室內溫度變化不大無需 特別考慮 但是需要考慮到環(huán)境對噪聲的限制 故設計時電機類型及型號的選 取應滿足工作噪音低于 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 護理床的位姿和控制要求 護理床應該滿足有利于被護理人康復 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 側翻 屈腿等 為了防止褥瘡等一系列由于長時 間臥床造成血流不暢所引起的并發(fā)癥 護理床應該能夠實現(xiàn)床面的左右側翻身 對于危重 高度癱瘓等生活上不能自理的病人 在設計時還可以考慮能使病人 在床上可以以坐姿或是臥姿排便 同時護理床還應該實現(xiàn)病人的抬腿坐姿體位 以減輕病人由于盤腿坐起時的不舒適感 對護理床的控制方式 可以采用鍵盤 按鈕操縱 方便護理人員或病人自己進行控制 2 2 護理床的總體方案構思 護理床的總體構思包括機械結構設計 電機驅動 傳感 控制運動以及總 體位姿協(xié)調等問題 2 2 1 構思的提出 通過分析現(xiàn)有的護理床設計 我們很容易發(fā)現(xiàn) 為了實現(xiàn)床面某一個特定 的體位姿態(tài) 傳統(tǒng)的設計方法就會設計一套特定的機構與之對應 當位姿數(shù)目 越來越多時 所需機構數(shù)目也隨之增加 同時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 寬 高尺寸必須按照有關護理床標準規(guī) 定限制在某一個空間范圍之內 才能夠既滿足病人的舒適感的要求又滿足空間 限制要求 多機構協(xié)調的技術是源于模仿人體的運動 人體的運動具有極大的 柔性 受此啟發(fā)將護理床的床面進一步加以細分 成為彼此之間相互獨立的 12 個面板 如圖 2 1 所示 圖 2 1 中 床面板 1 床面板 2 與床面板 3 對應于人體 的背部 床面板 4 床面板 5 和床面板 6 對應于人體的臀部 人體的腿與腳分 別對應于床面板 7 床面板 8 床面板 9 和床面板 10 床面板 11 床面板 12 通過各個床面板之間的協(xié)調運動 采用單動或聯(lián)動方式來實現(xiàn)護理床所需的各 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 8 種體位位姿 圖 2 1 多功能醫(yī)用護理床床面板圖 2 2 2 相關要求與標準 為了滿足患者在使用護理床時的舒適程度以及有效的減緩護理人員的護理 強度 護理床結構在設計時應滿足以下幾個方面的要求 1 能夠實現(xiàn)護理所需的各種體位位姿要求 2 各個活動床面板的擺動角度范圍應參照有關醫(yī)療護理要求以及人體的 舒適感 各床面板擺動角度及標準如下 背板擺動角度 0 75 左 右翻身擺動角度 0 75 腿板擺動角度 0 45 3 護理床床體的可靠性 穩(wěn)定性和安全性要符合醫(yī)護要求 4 床體的結構尺寸有一定的空間范圍限制 2 2 3 護理床的組成 多功能醫(yī)用護理床從結構和功能上分為 床框架 平面連桿機構 床板 控制系統(tǒng)組成 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 9 圖 2 2 多功能醫(yī)用護理床系統(tǒng)框圖 床框架除了固定的機械機構以外 還包括各個電機安裝模塊 平面連桿機 構包括 側翻機構 抬背機構 曲腿機構 床板由床板框架和床板面板組成 整臺多功能醫(yī)用護理床中共有四臺直流電機 分別完成頭部升降 腿部屈伸 左右側翻等動作 本課題工作重點在平面連桿機構部分 包括機構結構的設計 運動方案的設計 整個多功能醫(yī)用護理床三維虛擬樣機的建立 虛擬樣機運動 學與動力學優(yōu)化 整床的裝配及調試 控制方案確定 電路板設計 控制線路 布置 連接 各種傳感器設計安裝 編程以及調試 2 3 本章小結 本章圍繞護理床的總體構思而展開 通過論述護理床所處的工作環(huán)境及位 姿要求 指出了護理床設計時所需的各項要求 以這些要求為契機 提出了護 理床的總體方案的構思 包括整體設計的構思思路 護理床結構形式的初步探 討 護理床的各個組成部分 對于控制系統(tǒng)采用單片機為主控制芯片 控制多 臺電機實現(xiàn)聯(lián)動控制 完成護理床的各項功能 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 10 3 護理床的結構設計 3 1 引言 多功能醫(yī)用護理床為了實現(xiàn)側翻 抬背和曲腿等動作主要有以下幾個機構 組成 抬背機構 側翻機構和曲腿機構 在設計計算的時候大多采用圖解法計 算多功能醫(yī)用護理床的各個機構 在滿足機構設計要求的條件下 采用 AUTOCAD 軟件輔助得到滿足機構運動要求的初始機構各桿件尺寸 3 2 側翻機構 側翻機構是多功能醫(yī)用護理床中的一個關鍵機構 其主要的功能是實現(xiàn)患 者在護理床上的左右翻身 避免因患者背部長期接觸被褥而產生褥瘡 同時減 輕護理人員的護理強度 3 2 1 側翻機構的結構和工作原理 多功能醫(yī)用護理床的側翻機構采用兩個對稱的四桿機構 由兩個直線驅動 器驅動 通過電氣控制 實現(xiàn)護理床的左右側翻功能 簡圖如圖 3 1 所示 左側翻示意圖 右側翻示意圖 圖 3 1 側翻機構 多功能醫(yī)用護理床的側翻機構由線性推桿 側翻連桿 側翻滾子 兩側床 板以及部分床架組成 線性推桿一端鉸接于床架上 另一端鉸接于側翻構件上 側翻構件的一端鉸接于床架上 另一端通過滾子與床側板連接 床側板通過螺 栓與中部床板鉸接 中部床板通過固定器將中部床板固定于床架上 使之充當 機架作用 線性推桿的推動使得側翻構件繞著床架發(fā)生轉動 通過滾子的作用 使得背部側板繞著它與中部床板的鉸接點為轉軸發(fā)生轉動 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 11 3 2 2 側翻機構的設計 圖解法 側翻機構由左右兩個四桿機構組成 兩個機構承對稱 因此設計其中之一 即可 通過查閱手冊人體的肩寬大約為 330 415mm 因此床的中間段板要盡可 能的窄 使患者能實現(xiàn)翻身這一動作 在此設計中背板中部設為 180mm 兩側 板設為 320mm 床板的厚度設為 35mm 支承滾子的直徑設為 20mm 床的高 度根據普通床的高度做調整 過高不方便患者上下床 過低影響安裝空間 線 性推桿的底部安裝點到床板轉軸距離根據機構的始末位置把電機的行程范圍定 為 115mm 利用 AUTOCAD 的旋轉功能 將一側床板翻轉 75 利用偏移指令 找到側翻構件翻轉后的位置 再次旋轉得到電機前端的安裝點 這樣就可以得 到了側翻機構在水平狀態(tài)時的機構的各點的參數(shù) 根據設計要求側翻的翻轉最 大角度為 75 所以將背板旋轉 75 之后 又得到了一個新的機構的位置 通過 觀察發(fā)現(xiàn) 機構在終了位置時 桿件并沒有發(fā)生碰撞干涉 符合機構的運動要 求 測量線性推桿在終了位置時的伸長長度 推桿在許用選用范圍之內 滿足 了推桿的選用行程 至此側翻機構的圖解法設計結束 各點的安裝位置及初步 設計尺寸如圖 3 2 所示 圖 3 2 側翻機構初始設計尺寸圖 3 3 抬背機構 抬背機構是多功能醫(yī)用護理床上的一個關鍵機構 其主要的功能實現(xiàn)患者 在護理床上的抬背及端坐功能 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 12 3 3 1 抬背機構的結構和工作原理 多功能醫(yī)用護理床的臺北機構類似于側翻機構 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 于抬背構件上 抬背構件的一端鉸接于床架上 另一端通過滾子與背板連接 中部床板焊接固定于床架上 使之充當機架作用 線性推桿的推動使得抬背構 件繞著床架發(fā)生轉動 通過滾子的作用 使得背板繞著它與中部床板的鉸接點 為轉軸發(fā)生轉動 簡圖如圖 3 3 所示 圖 3 3 抬背機構 3 3 2 抬背機構的設計 圖解法 多功能醫(yī)用護理床的抬背機構采用一個四桿機構 用單個線性推桿驅動 查閱手冊得人體的坐高大約為 800mm 左右 所以本機構中背板的長度為 860mm 滾子的直徑為 20mm 與側翻機構相似 圖解法設計 設臀部床板的 長度為 400mm 線性推桿的行程范圍得出水平距離為 608mm 由此得出線性 推桿的初始安裝長度 這樣得到了初始狀態(tài)下的抬背機構的尺寸 但由于機構 需要滿足運動要求 根據設計要求 將背板向上翻轉 75 之后 利用偏移命令 找到轉動擺桿的所在位置 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 初步設計完成之后的尺寸圖如圖 3 4 所示 各點安裝位置也如圖所示 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 13 圖 3 4 抬背機構初始設計尺寸圖 3 4 曲腿機構 曲腿機構是醫(yī)用護理床上的一個關鍵機構 主要實現(xiàn)腿部床板的向下彎曲 在向下彎曲的時候 腳板必須處于水平位置 3 4 1 曲腿機構的結構和工作原理 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構是一個五桿機構 由單線性推桿驅動 實現(xiàn) 曲腿的動作 簡圖如圖 3 5 所示 圖 3 5 曲腿機構 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構包括 線性推桿 曲腿連桿 曲腿連桿 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 上 曲腿連桿 又和曲腿連桿 相鉸接 曲腿連桿 再和腿部床板鉸接 曲腿連桿 和腿部床板通過不同的鉸接分別固定于床架上 線性推桿的推動使 得曲腿構件繞著床架發(fā)生轉動 通過曲腿連桿 與腿部床板相鉸接 使得腿部 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 14 床板繞著它與中部床板的鉸接點為轉軸發(fā)生轉動 3 4 2 曲腿機構的設計 圖解法 多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構采用一個五桿機構 設大腿板的長度為 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 始安裝長度 這樣得到了初始狀態(tài)下的曲腿機構的尺寸 但由于機構需要滿足 運動要求 根據設計要求 機構做拉動 將腿板向下翻轉 45 之后 利用偏移 命令 找到轉動連桿的所在位置 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 初步設計完成之后的尺寸圖如圖 3 6 所示 各點安裝位置也如圖所示 圖 3 6 曲腿機構初始設計尺寸圖 在大腿板和腳板的連接處添加兩處支撐滾子 在曲腿沒有或初進行時 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 當曲腿運動進行時 腳板碰到床下框架的滾子 使得小腿板彎曲變?yōu)榻咏轿恢?起到支撐腳的 作用 而腿板與腳板連接處的滾子由于曲腿動作失去支撐作用 3 5 護理床的三維建模 通過圖解法的方法得到了護理床的初始設計數(shù)據 這些是對護理床進行建 模的基礎 根據上述初始設計數(shù)據 通過 soliderworks 軟件對其進行建模 Solidworks 軟 件 功 能 強 大 組 件 繁 多 Solidworks 功 能 強 大 易 學 易 用 和 技 術 創(chuàng) 新 是 SolidWorks 的 三 大 特 點 使 得 SolidWorks 成 為 領 先 的 主 流 的 三 維 CAD 解 決 方 案 SolidWorks 能 夠 提 供 不 同 的 設 計 方 案 減 少 設 計 過 程 中 的 錯 誤 以 及 提 高 產 品 質 量 SolidWorks 不 僅 提 供 如 此 強 大 的 功 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 15 能 同 時 對 每 個 工 程 師 和 設 計 者 來 說 操 作 簡 單 方 便 易 學 易 用 得到的 模型如圖 3 7 所示 圖 3 7 a 護 理床床架三 維模型 圖 3 7 b 護理 床側翻 左 連桿三維模型 圖 3 7 c 護理 床抬背連桿三 維模型 圖 3 7 d 護理 床曲腿連桿三 維模型 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 16 3 6 本章小結 本章通過對多功能醫(yī)用護理床的各個機構經過論證討論 初步確定了各個 機構的方案 并用圖解法的方法 得到了各個機構的初始設計參數(shù) 為下一步 進行運動學 動力學優(yōu)化打下了基礎 圖 3 7 e 多功 能醫(yī)用護理床 三維模型 1 圖 3 7 f 多功 能醫(yī)用護理床 三維模型 2 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 17 4 護理床運動學優(yōu)化 4 1 引言 運 動 學 是 理 論 力 學 的 一 個 分 支 學 科 它 是 運 用 幾 何 學 的 方 法 來 研 究 物 體 的 運 動 通 常 不 考 慮 力 和 質 量 等 因 素 的 影 響 至 于 物 體 的 運 動 和 力 的 關 系 則 是 動 力 學 的 研 究 課 題 運 動 學 主 要 研 究 點 和 剛 體 的 運 動 規(guī) 律 點 是 指 沒 有 大 小 和 質 量 在 空 間 占 據 一 定 位 置 的 幾 何 點 剛 體 是 沒 有 質 量 不 變 形 但 有 一 定 形 狀 占 據 空 間 一 定 位 置 的 形 體 運 動 學 包 括 點 的 運 動 學 和 剛 體 運 動 學 兩 部 分 掌 握 了 這 兩 類 運 動 才 可 能 進 一 步 研 究 變 形 體 彈 性 體 流 體 等 的 運 動 在 變 形 體 研 究 中 須 把 物 體 中 微 團 的 剛 性 位 移 和 應 變 分 開 點 的 運 動 學 研 究 點 的 運 動 方 程 軌 跡 位 移 速 度 加 速 度 等 運 動 特 征 這 些 都 隨 所 選 的 參 考 系 不 同 而 異 而 剛 體 運 動 學 還 要 研 究 剛 體 本 身 的 轉 動 過 程 角 速 度 角 加 速 度 等 更 復 雜 些 的 運 動 特 征 剛 體 運 動 按 運 動 的 特 性 又 可 分 為 剛 體 的 平 動 剛 體 定 軸 轉 動 剛 體 平 面 運 動 剛 體 定 點 轉 動 和 剛 體 一 般 運 動 多功能醫(yī)用護理床的運動學分析 主要是為了進一步確定各機構的桿件尺 寸 在滿足各機構運動要求的前提下 保證在運動的時候各機構之間不能發(fā)生 干涉現(xiàn)象 同時多功能醫(yī)用護理床的運動學分析也時為了在滿足機構運動的條 件下 使機構在運行的過程中達到機構運動的優(yōu)良的運動學狀態(tài) 得到優(yōu)化后 的設計數(shù)據及桿件尺寸數(shù)據 多功能醫(yī)用護理床的運動學分析基于 ADAMS 機械分析軟件 ADAMS 是 全球運用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件 用戶可以利用 ADAMS 在計算機上建 立和測試虛擬樣機 實現(xiàn)事實再現(xiàn)仿真 了解復雜機械系統(tǒng)設計的運動性能 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 18 4 2 側翻機構的運動學分析 多功能醫(yī)用護理床的側翻機構運動學分析 是以側翻背板的角加速度的最 大值最小化為目標函數(shù) 建立運動學方程 基于 ADAMS 機械分析軟件 得到 滿足機構要求的機構參數(shù) 側翻機構的左右兩部分相同 只研究右半部分的側翻機構 圖 4 1 側翻機構關鍵點簡圖 過 O 點建立坐標系 以水平方向為 X 方向 以豎直方向為 Y 方向 表 4 1 坐標系中各點位置 坐標點 X 坐標 mm Y 坐標 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 其長度可以變化 最短長度為 348mm 側翻所轉過的角度與各個點的坐標有關 4 2 1 側翻機構在 ADAMS 中的建模 當機構的各個關鍵的位置確立好之后 機構就能運行 因此只要合理的選 取各個機構點的位置 就能實現(xiàn)醫(yī)療床的側翻功能 在機構的初始位置沒有要求的情況下 應該選擇一個方便于建模的位置 在進行 ADAMS 分析時 此位置就是機構的初始位 置 由于醫(yī)療床側翻機構的模 型比較簡單 利用 ADAMS 自身提供的建模工具 就可以建立側翻機構的模型 使用 ADAMS view 提供的參數(shù)化的方法可以方便的建立參數(shù)化的樣機模型 利用該樣機模型可以進行動力學及運動學仿真 通過其自身提供的后處理功能 可以將所得的數(shù)據繪制成數(shù)據曲線圖 并可以對曲線進行數(shù)學操作 ADAMS 還 以可通過自身所具有的模塊對機構進行優(yōu)化 得到理想的機構模型 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 19 1 設置操作環(huán)境 在建立模型前 首先應該設置操作環(huán)境 以方便模型的建立 a 設置單位在菜單 Setting 中選擇 Uints 出現(xiàn)單位設置對話框 選擇 MMKS b 定義地面坐標系選擇默認狀態(tài)下的笛卡爾坐標系作為地面坐標系 c 定義重力選擇默認狀態(tài)下大小為 1G 的重力加速度 方向為 Y 方向 d 設置工作柵格在菜單 Setting 中選擇 Working Grid 出現(xiàn)柵格設置對話框 X Y 方向的柵格范圍分別設置為 750 和 500 按 OK 確定 2 建立設計變量及關鍵點 根據醫(yī)療床的機構簡圖及運動分析 首先建立基礎設計變量 其中包括設 計變量和關鍵點變量 由于機構的驅動器采用為線性推桿 其具有一定的安裝尺寸要求 醫(yī)療床 的床面高度 以及側翻機構的側翻角度也有一定的要求 所以設計的時候由一 定的尺寸要求 設計成形后要求線性推桿的初始長度為 348mm 機架的最大高 度 340mm 左右 這些設計數(shù)據對應于設計變量的取值范圍 定義好后的設計變 量如表 4 2 所示 表 4 2 初始設計變量 變量名 說明 Standard value mm DV L1 A 點 X 方向坐標 250 DV L2 A 點 Y 方向坐標 245 DV L3 B 點 X 方向坐標 200 DV L4 B 點 Y 方向坐標 330 DV L5 C 點 X 方向坐標 150 DV L6 C 點 Y 方向坐標 390 DV L7 D 點 X 方向坐標 400 DV L8 D 點 Y 方向坐標 370 圖 4 2 關鍵點的建立 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 20 3 在 ADAMS 中完成樣機的建模 圖 4 3 側翻機構在 ADAMS 中的建模 4 添加傳感器后的仿真 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 21 圖 4 4 添加傳感器后的仿真 4 2 2 樣機的參數(shù)化 1 設計研究 通過 ADAMS 提供的設計研究 對各個設計變量進行設計研究得到報表如 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 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 22 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 試驗設計 通過上述的設計研究發(fā)現(xiàn) DV L4 DV L7 和 DV L8 的敏感度最大 所以 在實驗研究的時候著重對這三個點進行研究 改變三個設計變量的變化范圍 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 實驗研究報表為 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 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 23 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)據下的角加速度曲線 3 優(yōu)化分析 在實驗研究的時候著重對這三個點進行研究 改變三個設計變量的變化范 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 實驗研究報表為 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)化前后角加速度對比 通過對比 我們很容易發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后角加速度明顯減小 圖 4 9 中實線為初 始角加速度曲線 虛線為優(yōu)化后曲線 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 24 經過優(yōu)化 可以確定三個變量的值分別為 DV L4 為 346 10 DV L7 為 240 28 DV L8 為 236 30 此時可以滿足設計要求 即背板翻轉角度為 75 角加速度減小到機構滿足的范圍之內 優(yōu)化之后主要變動的為 B 點的安裝尺寸 及 BD 桿的長度 具體變化詳見表 4 3 表 4 3 桿件尺寸變化 B 點距 A 點豎直距離 mm BD mm 初始尺寸 65 98 4 優(yōu)化后尺寸 48 9 115 1 4 3 抬背機構的運動學分析 圖 4 7 抬背機構關鍵點簡圖 4 3 1 抬背機構在 ADAMS 中的建模 1 建立設計變量 表 4 4 關鍵點設計變量及初始值 關鍵點 坐標方向 變量名 初始值 mm Point A X DV 1 495A Point A Y DV 2 390 Point B X DV 3 222B Point B Y DV 4 370 Point C X DV 5 458C Point C Y DV 6 330 Point D X DV 7 608D Point D Y DV 8 275 Point E X 0E Point E Y 0 2 建模 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 25 圖 4 8 抬背機構在 ADAMS 中的建模 4 3 2 樣機的參數(shù)化 1 設計研究 運動學設計研究報表如下所示 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 379 000 1 2169e 011 5 3 4689 388 000 3 5609e 012 Trial O1 DV 5 Sensitivity 1 3 4637 448 000 0 00050460 2 3 4662 453 000 0 00052487 3 3 4689 458 00 0 00055844 4 3 4718 463 00 0 00057980 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 26 5 3 4747 468 00 0 00058786 Trial O1 DV 6 Sensitivity 1 3 4864 314 000 0 0012730 2 3 4783 321 000 0 0013766 3 3 4689 330 000 0 0016050 4 3 4579 333 000 0 0018802 5 3 4450 340 000 0 0020307 Trial O1 DV 7 Sensitivity 1 3 4683 601 000 6 4020e 005 2 3 4685 604 000 8 3627e 005 3 3 4689 608 000 0 00011856 4 3 4695 612 000 0 00014581 5 3 4701 616 000 0 00015773 Trial O1 DV 8 Sensitivity 1 3 4483 263 00 0 0017700 2 3 4592 269 00 0 0016691 3 3 4689 275 00 0 0014786 4 3 4775 281 00 0 0013096 5 3 4851 287 00 0 0012302 通過上述報表 對比發(fā)現(xiàn) DV 2 DV 5 DV 6 DV 8 的敏感度最大 所 以在優(yōu)化設計的時候選取上述四個設計變量作為優(yōu)化的變量值 2 優(yōu)化設計 以背板角加速度的最大值最小化作為優(yōu)化目標 進行優(yōu)化設計 期望在滿 足機構運動條件的情況下 得到最優(yōu)的機構數(shù)據 圖 4 9 抬背機構運動學優(yōu)化前后背板角加速度曲線 表 4 5 優(yōu)化前后機構桿件尺寸表 A C 點間豎 直距離 mm BC mm CD mm DE mm 初始值 60 236 256 667 優(yōu)化值 76 2 237 242 682 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 27 4 4 曲腿機構的運動學分析 圖 4 10 曲腿機構關鍵點簡圖 4 4 1 曲腿機構在 ADAMS 中的建模 1 建立設計變量 表 4 6 關鍵點設計變量及初始值 關鍵點 坐標方向 變量名 初始值 mm Point A X 0A Point A Y 0 Point B X DV 1 294 5B Point B Y DV 2 240 Point C X DV 3 414 5C Point C Y DV 4 320 Point D X DV 3 414 5D Point D Y DV 5 405 Point E X DV 6 204 5E Point E Y DV 7 447 5 Point F X DV 8 162F Point F Y DV 9 370 2 建模 多功能醫(yī)用護理床的結構設計及優(yōu)化 28 圖 4 11 曲腿機構在 ADAMS 中的建模 4 4 2 樣機的參數(shù)化 經過設計研究之后 各個設計變量的敏感度如下所示 Trial O1 DV 1 Sensitivity 1 2 2766 264 50 1 4803e 017 2 2 2766 294 50 1 4803e 017 3 2 2766 324 50 1 4803e 017 Trial O1 DV 2 Sensitivity 1 2 1242 233 000 0 021783 2 2 2766 240 000 0 023690 3 2 4558 247 000 0 025598 Trial O1 DV 3 Sensitivity 1 3 0273 399 50 0 050044 2 2 2766 414 50 0 040482 3 1 8128 429 50 0 030920 Trial O1 DV 4 Sensitivity 1 1 6488 290 00 0 020929 2 2 2766 320 00 0 023794 3 3 0764 350 00 0 026658 Trial O1 DV 5 Sensitivity 1 2 8166 397 00 0 069229 2 2 2766 405 00 0 060197 3 1 8776 413 00 0 051164 Trial O1 DV 6 Sensitivity 1 2 2724 197 50 6 4222e 005 2 2 2766 204 50 5 9733e 005 3 2 2803 212 50 5 5244e 005 Trial O1 DV 7 Sensitivity 1 2 2766 432 50 1 4803e 017 2 2 2766 447 50 1 4803e 017 3 2 2766 459 50 1 4803e 017 Trial O1 DV 8 Sensitivity 1 2 1242 153 000 0 021783 2 2 2766 162 000 0 023690 3 2 4558 172 000 0 025