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多功能护理床的机构设计与动力学分析


多功能护理床的机构设计与动力学分析
XXXX
(XXXXXX) 摘要:设计了一种能够实现左右侧翻、床上排便等多功能医疗护理床,并以护理床为研究对象,用 ADAMS 进行建模,分 析了翻板上的作用力、接触副的摩擦系数以及翻板的空间位置对电机转矩的影响。通过对床体主要机构的建模及动力学分 析,计算出转矩的变化曲线图,找出对转矩大小有影响的三个因素,对于我们选择电机

及安装结构有重要的指导作用。 关键词:护理床,ADAMS,虚拟样机,动力学分析 中图分类号:TJ765.4 文献标识码:A

Mechanism Design and Dynamics Analysis of Multifunctional Nursing Bed
XXXX
(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 contact 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 Analysis 安装有轮子,可脱离护理床床体,框架内有水箱、升降马 桶和热吹风机。可移动便盆也安装有轮子,能插入活动框 架中。此外,控制系统还包括线控操作器和液晶显示等。 系统中共有六台直流电机,分别完成头部升降、腿部屈伸、 左右侧翻、翻板开合和马桶升降等动作。 1.1 床体功能 床体活动功能包括头部升降,腿部屈伸和床体侧翻。 基本满足了病人的活动要求,利于病人改善血液循环,防 止褥疮的发生。本护理床设计了腿部屈伸的动作,更符合 人体的运动特征。床体侧翻可分为左部侧翻、右部侧翻和 侧平三个动作。图 2,图 3,图 4 为床体的三个动作。

0 引言
护理床作为医疗器械的一部分,是医院护理必须的设 备,已被广泛地应用于医院、疗养院、养老院等许多领域。 但是,质量较好的医疗护理床的价格都很高,新型医疗床 的研究可以降低护理成本;降低护理的难度;如,对长期 卧床的病人进行定时的翻身和抬背,要求护理人员有充足 的体力;常见的护理床有头部抬起、腿部屈伸等功能,本 护理床根据需要增加了左右侧翻、床上排便等功能 。
[1]

1 机构设计
本护理床从结构和功能上可分为:床体,控制柜,活 动框架,可移动便盆等四部分。结构框图如图 1。

图 2 护理床头部升起动作 Figure 2 Rising action of the anterior part 图 1 护理床结构组成 Figure 1 The composition of Medical Bed

控制柜中安装有主控制板、电机驱动板、变压器、开 关电源等,控制柜通过接口与护理床床体相连。床体除了 固定的机械结构,还包括驱动电机和翻板机构。活动框架

为:床体机械构件,活动框架,可移动便盆,电子控制系 统,电机驱动系统。图 5 是翻板机构几何建模图[2]。

图 3 护理床腿部曲起动作 Figure 3 Rising action of the rear part 图 5 翻板机构建模图 1 右翻板 2 右翻板杠杆 3 右翻板驱动臂 4 右翻板电机 5 左翻板电 机 6 左翻板驱动臂 7 左翻板杠杆 8 左翻板 9 翻板门轴 Figure 5 Model of rotated board 1 Right rotated board 2 lever of right rotated board 4 Motor of right board 6

3 Driving arm of right rotated board 图 4 护理床床体侧翻动作 Figure 4 Roll action of the bed body rotated board

5 Motor of left rotated

Driving arm of left rotated board board board 8 Left rotated board

7 lever of left rotated 9 Door axis of rotated

1.2 护理功能 排便护理功能,是其它电动护理床所少有的,这项功 能尤其适合瘫痪病人。床体中部有一长方形的开口,正常 情况下只能看到两个翻板。排便时,翻板下翻打开缺口, 排便装置上升。排便完成后,翻板上翻,继续填补缺口。 排便装置由活动框架和移动便盆组成,移动便盆能插入活 动框架中,整个框架又可以配合装入床体。护理床还配备 喷水和烘干功能。活动框架内安装有水箱、热吹风机和电 磁阀。水箱内有水泵、加热丝、温度传感器和水位传感器, 在控制器的控制下,可实现水温设置、水温保持和水箱水 量的自动添加等。 长期卧床病人是本护理床的重要护理对象,排便前, 按遥控器上的“马桶升起”键,左右两个翻板打开;然后 马桶升起,马桶上的挡板自动竖起,便盆的盖板也自动打 开,动作完成后病人就可以排便。排便完成后,再按相应 的键,先进行冲洗,再用热风烘干,这体现了人性化的护 理功能。冲洗用的水储藏在水箱中,并用加热丝保持设定 的温度。为实现水温的设定控制,需要温度的采集和处理, 温度采集由传感器完成,温度处理和控制由单片机完成。 由于病人排便时间的不确定性,还要求保持温度的恒定, 以便随时能提供合适的温度。 同时,使用的线控操作方便护理人员操作和病人自行 监护。设置完的数据被存储于内部的 EEPROM,断电后不会 丢失。

图 6 翻板杠杆和驱动臂 1 翻板杠杆 2 翻板驱动臂 Figure 6 Lever and driving arm of rotated board 1 Lever of rotated board 2 Driving arm of board

2.2 接触副的处理 图 6 是翻板杠杆和驱动臂的几何建模图。翻板杠杆一 端的轴和翻板固定,另一端有曲线槽。翻板驱动臂两端为 两个圆柱轴,轴心平行。一个轴与电机连接且固定,另一 个轴和曲线槽配合形成接触副。电机带动驱动臂正反转, 就可以实现翻板的打开和关闭。

3 仿真分析
翻板机构动力学仿真的目的是分析其在不同状态对转 矩的影响,指导改进设计和选择适当的驱动电机。 3.1 作用力对转矩的影响 左右两个翻板大小不相等但驱动电机相同,选择面积 较大也即受力较大的右翻板机构进行分析。把力的作用点 选择在两个翻板门轴的中间位置 ,力臂 15cm。钢与钢之 间的摩擦系数 ? =1.2~1.4,润滑后为 0.02~0.05,取摩 擦系数 ? =0.05。
[3]

2 系统建模
2.1 建模 护理床是一个较为复杂的结构,从结构和功能上可分

约束均可产生摩擦力,对铰链约束施加铰接副,可作为滑 动轴承处理。滑动轴承摩擦系数较小,滑动轴承动摩擦系 数为 3.0 ?10 ,静摩擦系数为 4.0 ?10
?3
?3

。接触约束虽

然也是一种滑动摩擦,但不能简单的作为滑动轴承处理, 因为这里的接触复杂,受力也大。图 10 为杠杆轴和驱动臂 曲线槽的受力 500N 时的接触力,最大处可达 1800N。

图 7 翻板 500N 受力转矩曲线 Figure 7 Torque curve of rotated board forced 500N

图 10 杠杆轴和驱动臂作用力 Figure 10 Force of lever axis and driving arm

图 8 翻板 700N 受力转矩曲线 Figure 8 Torque curve of rotated board forced 700N

图 7、图 8 可以看出曲线并非光滑,从数学上分析,是 有高频成分耦合到曲线上,实际中理解为振动。现场实验 时也发现有翻板的振动现象,与仿真数据符合。振动与受 力大小、材料性质、材料刚度、刚体接触曲线、摩擦系数 等因素有关,仿真分析中得出的趋势是受力越大,振动越 小。在设计翻板杠杆的曲线槽时,也要使接触曲面光滑, 以减少不必要的振动。图 9 是受力 500N 时的角速度,可以 明显观察到振动情况 。
[4]

图 11 摩擦系数为 0.07 时转矩 Figure 11 Torque when friction is 0.07

图 11 和 12 分别为摩擦系数是 0.07 和 0.31, 受力大小 500N 时的转矩图。

图 9 翻板 500N 受力的角速度 Figure 9 Angular velocity of rotated board forced 500N

图 12 摩擦系数为 0.31 时的转矩 Figure 12 Torque when friction is 0.31

病人对翻板机构的实际作用力并非为一恒定值,而是 在翻板到水平的附近位置时逐渐增大。应尽可能的选择转 矩较大的电机,防止过载。 3.2 摩擦系数对转矩的影响 翻板仿真机构中共有三种约束,固定约束、铰链约束 和接触约束。固定约束不会产生摩擦力,铰链约束和接触

图 13 旋转轴建模坐标系 Figure 13 Coordinate of rotating axis

图 16 空间条件 3 Figure 16 Space condition 3

比较图 11 和图 12, 不能明显的看出转矩的变化, 曲线 变化也相同。 最大的不同点是摩擦系数为 0.31 时振动减小。 作滤波平滑处理后的比较值。可以看出,摩擦系数 ? 的并 没有引起最大力矩明显的变化,只是有增大的趋势 。 3.3 空间位置对转矩的影响 翻板机构设计时,既要考虑实际的安装空间和尺寸要 求,同时也要注意翻板杠杆转轴和翻板驱动臂转轴的空间 上的位置关系。因为二者的位置关系不仅关系着翻板机构 是否能够正常运行,还影响最大驱动力。在坐标系建立上, 采用图 13 的坐标系统。图 14,图 15,图 16 为不同空间位 置时最大转矩变化图。其中受力为 500N,摩擦系数 0.03。
[5]

不同条件下数据的比较,可以看出时间和最大转矩均 有显著的变化。其中在条件 3 运动时间最小,力矩也最小; 在条件 2 下,杠杆臂和驱动轴运动过程中脱离。实际确定 数据时,我们要综合考虑电机的转矩、大小和安装结构等 因素,最省力的不一定是适合的[6]。 通过对翻板机构进行了动力学仿真分析,可知: (1)电机驱动转矩较小。仿真分析中,我们对翻板施加 500N 的力,计算出电机最大转矩为 25Nm,而实际使用的电 机转矩为 18Nm,所以会出现翻板升起乏力的现象。这里取 500 牛顿作用力, 只是正常情况下平均的作用力大小。 实际 使用时,很可能会出现大于 500 牛顿的情况,这就必须考 虑电机有充足的转矩驱动余量,来满足不同条件下的要求。 (2)摩擦系数对转矩的影响不大。在作用力恒定的条件 下,通过取不同的摩擦系数来计算最大转矩,结果表明摩 擦系数对转矩影响很小。 (3)旋转轴空间位置对转矩影响较大。条件 1 和条件 3 转矩相差 10Nm,且运动时间也有变化。

4 结束语
图 14 空间条件 1 Figure 14 Space condition 1

通过对护理床翻板机构的动力学和运动学分析,讨论 了影响驱动转矩的作用力、摩擦系数、空间位置等因素。 对改进设计医疗床的结构有了理论依据,对医疗床的性能 评价分析提供了科学的依据。该护理床还可增加系统的网 络通讯功能,使护理床能自动将被护理病人的信息传递给 上位机,实现远程病人护理监控。 参考文献 [1]方进博,陈红.人口老龄化对护理工作的挑战.中华国 际护理杂志.2004,003(2) :147-149 [2]郑建荣.ADAMS——虚拟样机技术入门与提高.北京: 机械工业出版社.2002 [3]彭祺擘,李海阳. 基于虚拟样机技术的机械臂建模与 仿真[J].华东理工大学学报,2007,33(06):58-62 [4] 金鑫, 何玉林, 刘桦等.风力发电机耦合振动分析[J]. 振动与冲击,2007,26(8):144-147

图 15 空间条件 2 Figure 15 Space condition2

[5]刘俊,林砺宗,刘小平,王刚 .ADAMS 柔性体运动仿 真分析研究及运用[J].现代制造工程,2004,(5):53-55 [6]董礼港,陈伟海,张建斌等.一种混合式绳驱动机器 人 的 运 动 学 分 析 与 仿 真 [J]. 系 统 仿 真 学 报 , 2007,19(17):4007-4011

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