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多功能醫(yī)用護理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化 56
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(shè)計的，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(shè)計軟件soliderworks對其進行建模和裝配，然后導(dǎo)出到CAD進行修改。利用機械分析軟件ADAMS對其進行運動學(xué)及動力學(xué)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(xué)和動力學(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)進行運動學(xué)優(yōu)化，以線性推桿受力的最大值最小化作為動力學(xué)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到滿足設(shè)計要求的機構(gòu)參數(shù)。采用力學(xué)理論分別對多功能醫(yī)用護理床的主要零件進行力學(xué)計算，保證了機構(gòu)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(gòu)的運動，安裝傳感器來控制機構(gòu)所轉(zhuǎn)過的角度。利用單片機為主的控制系統(tǒng)，達到控制要求。
關(guān)鍵詞：多功能醫(yī)用護理床，干涉檢驗，運動學(xué)優(yōu)化，動力學(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 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢 1
1.3 本文主要研究內(nèi)容 6
1.4 本章小結(jié) 6
2 護理床結(jié)構(gòu)的整體方案 7
2.1 護理要求 7
2.2 護理床的總體方案構(gòu)思 7
2.3 本章小結(jié) 9
3 護理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.1 引言 10
3.2 側(cè)翻機構(gòu) 10
3.3 抬背機構(gòu) 11
3.4 曲腿機構(gòu) 13
3.5護理床的三維建模 14
3.6 本章小結(jié) 16
4 護理床運動學(xué)優(yōu)化 17
4.1 引言 17
4.2側(cè)翻機構(gòu)的運動學(xué)分析 17
4.3抬背機構(gòu)的運動學(xué)分析 23
4.4曲腿機構(gòu)的運動學(xué)分析 26
4.5本章小結(jié) 29
5 護理床動力學(xué)優(yōu)化 30
5.1引言 30
5.2側(cè)翻機構(gòu)動力學(xué)分析 30
5.3抬背機構(gòu)動力學(xué)分析 32
5.4曲腿機構(gòu)動力學(xué)分析 34
5.5本章小結(jié) 36
6 護理床的力學(xué)分析 37
6.1 引言 37
6.2 力學(xué)計算 37
6.3 本章小結(jié) 40
7 護理床控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)計 43
7.5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 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 54
致謝 56
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(shè)計的，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(jù)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(shè)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(shè)計一種結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化具有重要的意義。
1.2 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢
隨著社會經(jīng)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(nèi)的社會問題。據(jù)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(wù)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?cè)丝诘?0%, 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(dǎo)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?，F(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(chǎn)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(fù)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(chǎn)品越來越受到追捧。
護理床在國內(nèi)的設(shè)計研究尚處于初級階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、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]：
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(chǔ)型護理床
1、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)技術(shù)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(diào)整定位準(zhǔn)確，連貫性好，基本無噪音。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安全。4、造型新穎，有較強的親和力。5、文字，標(biāo)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(jīng)濟成本。2、整體可拆性差，運輸、組裝繁瑣。3、對患者康復(fù)功能的考慮較少。
從近年來的發(fā)展來看，國內(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)構(gòu)、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。
1.2.1 結(jié)構(gòu)的發(fā)展
結(jié)構(gòu)功能單一的護理床已經(jīng)逐漸隱退。如今護理床床體本身的構(gòu)件要實現(xiàn)多種功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左側(cè)翻、右側(cè)翻、、潔便門開關(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。各個部分可以獨立的運行來完成相應(yīng)的動作, 同時將單個功能組合起實現(xiàn)復(fù)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(cè)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(cè)翻 抬背和曲腿 另一種側(cè)翻
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(biāo),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(jù)傳送給醫(yī)護人員,提高了護理工作的品質(zhì)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(jù)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(zhuǎn)換傳感元件、處理電路、單片機、液晶顯示器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成, 為了測得所需的數(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行采集并轉(zhuǎn)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(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳入上位機,可根據(jù)設(shè)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(yīng)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(jù)邏輯運算及復(fù)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(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 機器人化智能語音系統(tǒng)
語音作為當(dāng)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(shù)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(shù)將是今后一段時期語音技術(shù)的發(fā)展方向。將語音識別技術(shù)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(shù)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(shù)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(nèi)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
(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(xùn)練修改，使之能自動適應(yīng)用戶的語音特性。
(3) 語音回放方式
在現(xiàn)有語音識別技術(shù)的基礎(chǔ)上再增加與識別技術(shù)相對應(yīng)的語音回放技術(shù)，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(zhì)單晶片語言錄放IC，芯片內(nèi)部集成語音信號放大、濾波、采樣、Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)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(nèi)容簡便、靈活、易操作、成本低[6]。
1.3 本文主要研究內(nèi)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(nèi)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(cè)翻機構(gòu)、抬背機構(gòu)以及曲腿機構(gòu)，以單片機為主控制芯片，控制多臺直流電機驅(qū)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(nèi)容如下：
(1) 設(shè)計各種護理床的運動機構(gòu)，并用圖解法的方法得到初始設(shè)計尺寸。
(2) 利用三維設(shè)計軟件，根據(jù)初始設(shè)計數(shù)據(jù)對其建模，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其進行干涉檢查，然后導(dǎo)出CAD圖。
(3) 根據(jù)初始設(shè)計數(shù)據(jù)在ADAMS中建模，利用優(yōu)化功能對其進行運動學(xué)和動力學(xué)優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的設(shè)計數(shù)據(jù)。
(4) 根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)計護理床的整體控制方案。設(shè)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(jié)
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(nèi)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(dāng)今多功能醫(yī)用護理床護理床各個模塊的發(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內(nèi)容。
2 護理床結(jié)構(gòu)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(yīng)用于病房和家庭居室，室內(nèi)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(shè)計時電機類型及型號的選取應(yīng)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(yīng)該滿足有利于被護理人康復(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時間臥床造成血流不暢所引起的并發(fā)癥，護理床應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)床面的左右側(cè)翻身。對于危重、高度癱瘓等生活上不能自理的病人，在設(shè)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(yīng)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(gòu)思
護理床的總體構(gòu)思包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機驅(qū)動、傳感、控制運動以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題。
2.2.1 構(gòu)思的提出
通過分析現(xiàn)有的護理床設(shè)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(shè)計方法就會設(shè)計一套特定的機構(gòu)與之對應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時，所需機構(gòu)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(guān)護理床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制在某一個空間范圍之內(nèi)，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(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)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(yīng)于人體的背部，床面板4、床面板5和床面板6對應(yīng)于人體的臀部，人體的腿與腳分別對應(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。通過各個床面板之間的協(xié)調(diào)運動，采用單動或聯(lián)動方式來實現(xiàn)護理床所需的各種體位位姿。
圖2-1 多功能醫(yī)用護理床床面板圖
2.2.2 相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn)
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(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)滿足以下幾個方面的要求:
(1) 能夠?qū)崿F(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(yīng)參照有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和功能上分為：床框架、平面連桿機構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。
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(gòu)以外，還包括各個電機安裝模塊。平面連桿機構(gòu)包括：側(cè)翻機構(gòu)、抬背機構(gòu)、曲腿機構(gòu)。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(cè)翻等動作。本課題工作重點在平面連桿機構(gòu)部分，包括機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，運動方案的設(shè)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(xué)與動力學(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、控制線路布置、連接，各種傳感器設(shè)計安裝，編程以及調(diào)試。
2.3 本章小結(jié)
本章圍繞護理床的總體構(gòu)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(shè)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(gòu)思，包括整體設(shè)計的構(gòu)思思路，護理床結(jié)構(gòu)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。
3 護理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 引言
多功能醫(yī)用護理床為了實現(xiàn)側(cè)翻、抬背和曲腿等動作主要有以下幾個機構(gòu)組成：抬背機構(gòu)，側(cè)翻機構(gòu)和曲腿機構(gòu)。在設(shè)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(gòu)，在滿足機構(gòu)設(shè)計要求的條件下，采用AUTOCAD軟件輔助得到滿足機構(gòu)運動要求的初始機構(gòu)各桿件尺寸。
3.2 側(cè)翻機構(gòu)
側(cè)翻機構(gòu)是多功能醫(yī)用護理床中的一個關(guān)鍵機構(gòu)，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(chǎn)生褥瘡，同時減輕護理人員的護理強度。
3.2.1 側(cè)翻機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理
多功能醫(yī)用護理床的側(cè)翻機構(gòu)采用兩個對稱的四桿機構(gòu)，由兩個直線驅(qū)動器驅(qū)動。通過電氣控制，實現(xiàn)護理床的左右側(cè)翻功能。簡圖如圖3-1所示。
左側(cè)翻示意圖 右側(cè)翻示意圖
圖3-1 側(cè)翻機構(gòu)
多功能醫(yī)用護理床的側(cè)翻機構(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，另一端通過滾子與床側(cè)板連接，床側(cè)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(dāng)機架作用，線性推桿的推動使得側(cè)翻構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過滾子的作用，使得背部側(cè)板繞著它與中部床板的鉸接點為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。
3.2.2 側(cè)翻機構(gòu)的設(shè)計（圖解法）
側(cè)翻機構(gòu)由左右兩個四桿機構(gòu)組成，兩個機構(gòu)承對稱，因此設(shè)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(shè)計中背板中部設(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(zhuǎn)軸距離根據(jù)機構(gòu)的始末位置把電機的行程范圍定為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)得到電機前端的安裝點，這樣就可以得到了側(cè)翻機構(gòu)在水平狀態(tài)時的機構(gòu)的各點的參數(shù)，根據(jù)設(shè)計要求側(cè)翻的翻轉(zhuǎn)最大角度為75°，所以將背板旋轉(zhuǎn)75°之后，又得到了一個新的機構(gòu)的位置，通過觀察發(fā)現(xiàn)，機構(gòu)在終了位置時，桿件并沒有發(fā)生碰撞干涉，符合機構(gòu)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(nèi)，滿足了推桿的選用行程，至此側(cè)翻機構(gòu)的圖解法設(shè)計結(jié)束，各點的安裝位置及初步設(shè)計尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 側(cè)翻機構(gòu)初始設(shè)計尺寸圖
3.3 抬背機構(gòu)
抬背機構(gòu)是多功能醫(yī)用護理床上的一個關(guān)鍵機構(gòu)，其主要的功能實現(xiàn)患者在護理床上的抬背及端坐功能。
3.3.1 抬背機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理
多功能醫(yī)用護理床的臺北機構(gòu)類似于側(cè)翻機構(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)機架作用，線性推桿的推動使得抬背構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。簡圖如圖3-3所示。
圖3-3 抬背機構(gòu)
3.3.2 抬背機構(gòu)的設(shè)計（圖解法）
多功能醫(yī)用護理床的抬背機構(gòu)采用一個四桿機構(gòu)，用單個線性推桿驅(qū)動。查閱手冊得人體的坐高大約為800mm左右，所以本機構(gòu)中背板的長度為860mm，滾子的直徑為20mm，與側(cè)翻機構(gòu)相似，圖解法設(shè)計，設(shè)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(gòu)的尺寸，但由于機構(gòu)需要滿足運動要求，根據(jù)設(shè)計要求，將背板向上翻轉(zhuǎn)75°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)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(shè)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。
圖3-4 抬背機構(gòu)初始設(shè)計尺寸圖
3.4 曲腿機構(gòu)
曲腿機構(gòu)是醫(yī)用護理床上的一個關(guān)鍵機構(gòu)，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(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理
多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構(gòu)是一個五桿機構(gòu)，由單線性推桿驅(qū)動，實現(xiàn)曲腿的動作。簡圖如圖3-5所示。
圖3-5 曲腿機構(gòu)
多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構(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(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過曲腿連桿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為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。
3.4.2 曲腿機構(gòu)的設(shè)計（圖解法）
多功能醫(yī)用護理床的曲腿機構(gòu)采用一個五桿機構(gòu)，設(shè)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(gòu)的尺寸，但由于機構(gòu)需要滿足運動要求，根據(jù)設(shè)計要求，機構(gòu)做拉動，將腿板向下翻轉(zhuǎn)45°之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)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(shè)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(gòu)初始設(shè)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(dāng)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(shè)計數(shù)據(jù)，這些是對護理床進行建模的基礎(chǔ)，根據(jù)上述初始設(shè)計數(shù)據(jù)，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(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，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)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)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(cè)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
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
3.6 本章小結(jié)
本章通過對多功能醫(yī)用護理床的各個機構(gòu)經(jīng)過論證討論，初步確定了各個機構(gòu)的方案，并用圖解法的方法，得到了各個機構(gòu)的初始設(shè)計參數(shù)，為下一步進行運動學(xué)、動力學(xué)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。
4 護理床運動學(xué)優(yōu)化
4.1 引言
運動學(xué)是理論力學(xué)的一個分支學(xué)科，它是運用幾何學(xué)的方法來研究物體的運動，通常不考慮力和質(zhì)量等因素的影響。至于物體的運動和力的關(guān)系，則是動力學(xué)的研究課題。
運動學(xué)主要研究點和剛體的運動規(guī)律。點是指沒有大小和質(zhì)量、在空間占據(jù)一定位置的幾何點。剛體是沒有質(zhì)量、不變形、但有一定形狀、占據(jù)空間一定位置的形體。運動學(xué)包括點的運動學(xué)和剛體運動學(xué)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(yīng)變分開。點的運動學(xué)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(xué)還要研究剛體本身的轉(zhuǎn)動過程、角速度、角加速度等更復(fù)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(zhuǎn)動、剛體平面運動、剛體定點轉(zhuǎn)動和剛體一般運動。
多功能醫(yī)用護理床的運動學(xué)分析，主要是為了進一步確定各機構(gòu)的桿件尺寸，在滿足各機構(gòu)運動要求的前提下，保證在運動的時候各機構(gòu)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(xué)分析也時為了在滿足機構(gòu)運動的條件下，使機構(gòu)在運行的過程中達到機構(gòu)運動的優(yōu)良的運動學(xué)狀態(tài)，得到優(yōu)化后的設(shè)計數(shù)據(jù)及桿件尺寸數(shù)據(jù)。
多功能醫(yī)用護理床的運動學(xué)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(fù)雜機械系統(tǒng)設(shè)計的運動性能。
4.2側(cè)翻機構(gòu)的運動學(xué)分析
多功能醫(yī)用護理床的側(cè)翻機構(gòu)運動學(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)，建立運動學(xué)方程，基于ADAMS機械分析軟件，得到滿足機構(gòu)要求的機構(gòu)參數(shù)。
側(cè)翻機構(gòu)的左右兩部分相同，只研究右半部分的側(cè)翻機構(gòu)。
圖4-1 側(cè)翻機構(gòu)關(guān)鍵點簡圖
過O點建立坐標(biāo)系，以水平方向為X方向，以豎直方向為Y方向。
表4-1 坐標(biāo)系中各點位置
坐標(biāo)點
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，其長度可以變化，最短長度為348mm。側(cè)翻所轉(zhuǎn)過的角度與各個點的坐標(biāo)有關(guān)。
4.2.1 側(cè)翻機構(gòu)在ADAMS中的建模
當(dāng)機構(gòu)的各個關(guān)鍵的位置確立好之后，機構(gòu)就能運行。因此只要合理的選取各個機構(gòu)點的位置，就能實現(xiàn)醫(yī)療床的側(cè)翻功能。
在機構(gòu)的初始位置沒有要求的情況下，應(yīng)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(gòu)的初始位 置。由于醫(yī)療床側(cè)翻機構(gòu)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(cè)翻機構(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)化的樣機模型。利用該樣機模型可以進行動力學(xué)及運動學(xué)仿真，通過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，并可以對曲線進行數(shù)學(xué)操作。ADAMS還以可通過自身所具有的模塊對機構(gòu)進行優(yōu)化，得到理想的機構(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)置對話框，選擇MMKS。
b. 定義地面坐標(biāo)系選擇默認狀態(tài)下的笛卡爾坐標(biāo)系作為地面坐標(biāo)系。
c. 定義重力選擇默認狀態(tài)下大小為1G的重力加速度，方向為-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)計變量及關(guān)鍵點
根據(jù)醫(yī)療床的機構(gòu)簡圖及運動分析，首先建立基礎(chǔ)設(shè)計變量。其中包括設(shè)計變量和關(guān)鍵點變量。
由于機構(gòu)的驅(qū)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(cè)翻機構(gòu)的側(cè)翻角度也有一定的要求，所以設(shè)計的時候由一定的尺寸要求，設(shè)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(shè)計數(shù)據(jù)對應(yīng)于設(shè)計變量的取值范圍，定義好后的設(shè)計變量如表4-2所示：
表4-2 初始設(shè)計變量
變量名
說明
Standard value/mm
DV_L1
A點X方向坐標(biāo)
250
DV_L2
A點Y方向坐標(biāo)
245
DV_L3
B點X方向坐標(biāo)
200
DV_L4
B點Y方向坐標(biāo)
330
DV_L5
C點X方向坐標(biāo)
150
DV_L6
C點Y方向坐標(biāo)
390
DV_L7
D點X方向坐標(biāo)
400
DV_L8
D點Y方向坐標(biāo)
370
圖4-2 關(guān)鍵點的建立
（3）在ADAMS中完成樣機的建模
圖4-3 側(cè)翻機構(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 樣機的參數(shù)化
（1）設(shè)計研究
通過ADAMS提供的設(shè)計研究，對各個設(shè)計變量進行設(shè)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
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(shè)計
通過上述的設(shè)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?nèi)齻€設(shè)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
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
在實驗研究的時候著重對這三個點進行研究，改變?nèi)齻€設(shè)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。
經(jīng)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(shè)計要求，即背板翻轉(zhuǎn)角度為75°，角加速度減小到機構(gòu)滿足的范圍之內(nèi)。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(gòu)的運動學(xué)分析
圖4-7 抬背機構(gòu)關(guān)鍵點簡圖
4.3.1 抬背機構(gòu)在ADAMS中的建模
（1） 建立設(shè)計變量
表4-4 關(guān)鍵點設(shè)計變量及初始值
關(guān)鍵點
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 抬背機構(gòu)在ADAMS中的建模
4.3.2 樣機的參數(shù)化
（1）設(shè)計研究
運動學(xué)設(shè)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