多功能護理床的機構設計與動力學分析

1、多功能護理床的機構設計與動力學分析XXXX(XXXXXX)摘要：設計了一種能夠實現(xiàn)左右側翻、床上排便等多功能醫(yī)療護理床，并以護理床為研究對象，用ADAMS進行建模，分析了翻板上的作用力、接觸副的摩擦系數(shù)以及翻板的空間位置對電機轉矩的影響。通過對床體主要機構的建模及動力學分析，計算出轉矩的變化曲線圖，找出對轉矩大小有影響的三個因素，對于我們選擇電機及安裝結構有重要的指導作用。關鍵詞：護理床，ADAMS，虛擬樣機，動力學分析中圖分類號：TJ765.4 文獻標識碼：A Mechanism Design and Dynamics Analysis of Multifunctional Nursing

2、BedXXXX(XXXX)Abstract：The research develops a new multifunctional nursing bed that can realize the movements of left and right side turning and stool on the bed for clinical use. And use the ADAMS to analysis the effect to the motor torque according to the force on the rotated board, friction of con

3、tact pair and space position. Get the curve and the influence of torque by dynamic analysis on the model of the main mechanism, which has an important guiding role in selecting appropriate motor and installation structure. Keywords: Nursing Bed, ADAMS, Virtual Prototyping, Dynamic Analysis0引言護理床作為醫(yī)療

4、器械的一部分，是醫(yī)院護理必須的設備，已被廣泛地應用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等許多領域。但是，質量較好的醫(yī)療護理床的價格都很高，新型醫(yī)療床的研究可以降低護理成本；降低護理的難度；如，對長期臥床的病人進行定時的翻身和抬背，要求護理人員有充足的體力；常見的護理床有頭部抬起、腿部屈伸等功能，本護理床根據(jù)需要增加了左右側翻、床上排便等功能1。1機構設計本護理床從結構和功能上可分為：床體，控制柜，活動框架，可移動便盆等四部分。結構框圖如圖1。圖1 護理床結構組成Figure 1 The composition of Medical Bed控制柜中安裝有主控制板、電機驅動板、變壓器、開關電源等，控制柜通過接口

5、與護理床床體相連。床體除了固定的機械結構，還包括驅動電機和翻板機構?；顒涌蚣馨惭b有輪子，可脫離護理床床體，框架內(nèi)有水箱、升降馬桶和熱吹風機?？梢苿颖闩枰舶惭b有輪子，能插入活動框架中。此外，控制系統(tǒng)還包括線控操作器和液晶顯示等。系統(tǒng)中共有六臺直流電機，分別完成頭部升降、腿部屈伸、左右側翻、翻板開合和馬桶升降等動作。1.1 床體功能床體活動功能包括頭部升降，腿部屈伸和床體側翻?；緷M足了病人的活動要求，利于病人改善血液循環(huán)，防止褥瘡的發(fā)生。本護理床設計了腿部屈伸的動作，更符合人體的運動特征。床體側翻可分為左部側翻、右部側翻和側平三個動作。圖2，圖3，圖4為床體的三個動作。圖2 護理床頭部升起動作F

6、igure 2 Rising action of the anterior part 圖3 護理床腿部曲起動作Figure 3 Rising action of the rear part圖4 護理床床體側翻動作 Figure 4 Roll action of the bed body 1.2護理功能排便護理功能，是其它電動護理床所少有的，這項功能尤其適合癱瘓病人。床體中部有一長方形的開口，正常情況下只能看到兩個翻板。排便時，翻板下翻打開缺口，排便裝置上升。排便完成后，翻板上翻，繼續(xù)填補缺口。排便裝置由活動框架和移動便盆組成，移動便盆能插入活動框架中，整個框架又可以配合裝入床體。護理床還配備噴

7、水和烘干功能?；顒涌蚣軆?nèi)安裝有水箱、熱吹風機和電磁閥。水箱內(nèi)有水泵、加熱絲、溫度傳感器和水位傳感器，在控制器的控制下，可實現(xiàn)水溫設置、水溫保持和水箱水量的自動添加等。長期臥床病人是本護理床的重要護理對象，排便前，按遙控器上的“馬桶升起”鍵，左右兩個翻板打開；然后馬桶升起，馬桶上的擋板自動豎起，便盆的蓋板也自動打開，動作完成后病人就可以排便。排便完成后，再按相應的鍵，先進行沖洗，再用熱風烘干，這體現(xiàn)了人性化的護理功能。沖洗用的水儲藏在水箱中，并用加熱絲保持設定的溫度。為實現(xiàn)水溫的設定控制，需要溫度的采集和處理，溫度采集由傳感器完成，溫度處理和控制由單片機完成。由于病人排便時間的不確定性，還要求保

8、持溫度的恒定，以便隨時能提供合適的溫度。同時，使用的線控操作方便護理人員操作和病人自行監(jiān)護。設置完的數(shù)據(jù)被存儲于內(nèi)部的EEPROM，斷電后不會丟失。2系統(tǒng)建模2.1建模護理床是一個較為復雜的結構，從結構和功能上可分為：床體機械構件，活動框架，可移動便盆，電子控制系統(tǒng)，電機驅動系統(tǒng)。圖5是翻板機構幾何建模圖2。 圖5 翻板機構建模圖1右翻板 2右翻板杠桿 3右翻板驅動臂 4右翻板電機 5左翻板電機6左翻板驅動臂7左翻板杠桿 8左翻板9翻板門軸Figure 5 Model of rotated board1 Right rotated board 2 lever of right rotated

9、board 3 Driving arm of right rotated board 4 Motor of right rotated board 5 Motor of left rotated board 6 Driving arm of left rotated board 7 lever of left rotated board 8 Left rotated board 9 Door axis of rotated board 圖6 翻板杠桿和驅動臂1翻板杠桿 2翻板驅動臂Figure 6 Lever and driving arm of rotated board1 Lever of

10、 rotated board 2 Driving arm of board2.2 接觸副的處理圖6是翻板杠桿和驅動臂的幾何建模圖。翻板杠桿一端的軸和翻板固定，另一端有曲線槽。翻板驅動臂兩端為兩個圓柱軸，軸心平行。一個軸與電機連接且固定，另一個軸和曲線槽配合形成接觸副。電機帶動驅動臂正反轉，就可以實現(xiàn)翻板的打開和關閉。3 仿真分析翻板機構動力學仿真的目的是分析其在不同狀態(tài)對轉矩的影響，指導改進設計和選擇適當?shù)尿寗与姍C。3.1 作用力對轉矩的影響左右兩個翻板大小不相等但驅動電機相同，選擇面積較大也即受力較大的右翻板機構進行分析。把力的作用點選擇在兩個翻板門軸的中間位置3，力臂15cm。鋼與鋼之間的

11、摩擦系數(shù)1.21.4，潤滑后為0.020.05，取摩擦系數(shù)0.05。 圖7 翻板500N受力轉矩曲線Figure 7 Torque curve of rotated board forced 500N圖8 翻板700N受力轉矩曲線 Figure 8 Torque curve of rotated board forced 700N圖7、圖8可以看出曲線并非光滑,從數(shù)學上分析，是有高頻成分耦合到曲線上，實際中理解為振動?，F(xiàn)場實驗時也發(fā)現(xiàn)有翻板的振動現(xiàn)象，與仿真數(shù)據(jù)符合。振動與受力大小、材料性質、材料剛度、剛體接觸曲線、摩擦系數(shù)等因素有關，仿真分析中得出的趨勢是受力越大，振動越小。在設計翻板杠桿的

12、曲線槽時，也要使接觸曲面光滑，以減少不必要的振動。圖9是受力500N時的角速度，可以明顯觀察到振動情況4。圖9 翻板500N受力的角速度Figure 9 Angular velocity of rotated board forced 500N病人對翻板機構的實際作用力并非為一恒定值，而是在翻板到水平的附近位置時逐漸增大。應盡可能的選擇轉矩較大的電機，防止過載。3.2 摩擦系數(shù)對轉矩的影響翻板仿真機構中共有三種約束，固定約束、鉸鏈約束和接觸約束。固定約束不會產(chǎn)生摩擦力，鉸鏈約束和接觸約束均可產(chǎn)生摩擦力，對鉸鏈約束施加鉸接副，可作為滑動軸承處理。滑動軸承摩擦系數(shù)較小，滑動軸承動摩擦系數(shù)為，靜摩擦

13、系數(shù)為。接觸約束雖然也是一種滑動摩擦，但不能簡單的作為滑動軸承處理，因為這里的接觸復雜，受力也大。圖10為杠桿軸和驅動臂曲線槽的受力500N時的接觸力，最大處可達1800N。圖10 杠桿軸和驅動臂作用力Figure 10 Force of lever axis and driving arm 圖11 摩擦系數(shù)為0.07時轉矩Figure 11 Torque when friction is 0.07圖11和12分別為摩擦系數(shù)是0.07和0.31，受力大小500N時的轉矩圖。圖12 摩擦系數(shù)為0.31時的轉矩Figure 12 Torque when friction is 0.31 圖13 旋

14、轉軸建模坐標系 Figure 13 Coordinate of rotating axis比較圖11和圖12，不能明顯的看出轉矩的變化，曲線變化也相同。最大的不同點是摩擦系數(shù)為0.31時振動減小。作濾波平滑處理后的比較值。可以看出，摩擦系數(shù)的并沒有引起最大力矩明顯的變化，只是有增大的趨勢5。3.3 空間位置對轉矩的影響翻板機構設計時，既要考慮實際的安裝空間和尺寸要求，同時也要注意翻板杠桿轉軸和翻板驅動臂轉軸的空間上的位置關系。因為二者的位置關系不僅關系著翻板機構是否能夠正常運行，還影響最大驅動力。在坐標系建立上，采用圖13的坐標系統(tǒng)。圖14，圖15，圖16為不同空間位置時最大轉矩變化圖。其中受

15、力為500N，摩擦系數(shù)0.03。圖14 空間條件1 Figure 14 Space condition 1圖15 空間條件2 Figure 15 Space condition2 圖16 空間條件3Figure 16 Space condition 3不同條件下數(shù)據(jù)的比較，可以看出時間和最大轉矩均有顯著的變化。其中在條件3運動時間最小，力矩也最??；在條件2下，杠桿臂和驅動軸運動過程中脫離。實際確定數(shù)據(jù)時，我們要綜合考慮電機的轉矩、大小和安裝結構等因素，最省力的不一定是適合的6。通過對翻板機構進行了動力學仿真分析，可知：(1)電機驅動轉矩較小。仿真分析中，我們對翻板施加500N的力，計算出電機最

16、大轉矩為25Nm，而實際使用的電機轉矩為18Nm，所以會出現(xiàn)翻板升起乏力的現(xiàn)象。這里取500牛頓作用力，只是正常情況下平均的作用力大小。實際使用時，很可能會出現(xiàn)大于500牛頓的情況，這就必須考慮電機有充足的轉矩驅動余量，來滿足不同條件下的要求。(2)摩擦系數(shù)對轉矩的影響不大。在作用力恒定的條件下，通過取不同的摩擦系數(shù)來計算最大轉矩，結果表明摩擦系數(shù)對轉矩影響很小。(3)旋轉軸空間位置對轉矩影響較大。條件1和條件3轉矩相差10Nm，且運動時間也有變化。4 結束語通過對護理床翻板機構的動力學和運動學分析，討論了影響驅動轉矩的作用力、摩擦系數(shù)、空間位置等因素。對改進設計醫(yī)療床的結構有了理論依據(jù)，對醫(yī)療床的性能評價分析提供了科學的依據(jù)。該護理床還可增加系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊功能，使護理床能自動將被護理病人的信息傳遞給上位機，實現(xiàn)遠程病人護理監(jiān)控。參考文獻1方進博，陳紅.人口老齡化對護理工作的挑戰(zhàn).中華國際護理雜志.2004，003（2）：147-1492鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術