多功能護(hù)理床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析

1、多功能護(hù)理床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析XXXX(XXXXXX)摘要：設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)左右側(cè)翻、床上排便等多功能醫(yī)療護(hù)理床，并以護(hù)理床為研究對(duì)象，用ADAMS進(jìn)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響。通過對(duì)床體主要機(jī)構(gòu)的建模及動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出轉(zhuǎn)矩的變化曲線圖，找出對(duì)轉(zhuǎn)矩大小有影響的三個(gè)因素，對(duì)于我們選擇電機(jī)及安裝結(jié)構(gòu)有重要的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：護(hù)理床，ADAMS，虛擬樣機(jī)，動(dòng)力學(xué)分析中圖分類號(hào)：TJ765.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(hù)理床作為醫(yī)療

4、器械的一部分，是醫(yī)院護(hù)理必須的設(shè)備，已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等許多領(lǐng)域。但是，質(zhì)量較好的醫(yī)療護(hù)理床的價(jià)格都很高，新型醫(yī)療床的研究可以降低護(hù)理成本；降低護(hù)理的難度；如，對(duì)長期臥床的病人進(jìn)行定時(shí)的翻身和抬背，要求護(hù)理人員有充足的體力；常見的護(hù)理床有頭部抬起、腿部屈伸等功能，本護(hù)理床根據(jù)需要增加了左右側(cè)翻、床上排便等功能1。1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本護(hù)理床從結(jié)構(gòu)和功能上可分為：床體，控制柜，活動(dòng)框架，可移動(dòng)便盆等四部分。結(jié)構(gòu)框圖如圖1。圖1 護(hù)理床結(jié)構(gòu)組成Figure 1 The composition of Medical Bed控制柜中安裝有主控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、變壓器、開關(guān)電源等，控制柜通過接口

5、與護(hù)理床床體相連。床體除了固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，還包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和翻板機(jī)構(gòu)。活動(dòng)框架安裝有輪子，可脫離護(hù)理床床體，框架內(nèi)有水箱、升降馬桶和熱吹風(fēng)機(jī)?？梢苿?dòng)便盆也安裝有輪子，能插入活動(dòng)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(tái)直流電機(jī)，分別完成頭部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻、翻板開合和馬桶升降等動(dòng)作。1.1 床體功能床體活動(dòng)功能包括頭部升降，腿部屈伸和床體側(cè)翻。基本滿足了病人的活動(dòng)要求，利于病人改善血液循環(huán)，防止褥瘡的發(fā)生。本護(hù)理床設(shè)計(jì)了腿部屈伸的動(dòng)作，更符合人體的運(yùn)動(dòng)特征。床體側(cè)翻可分為左部側(cè)翻、右部側(cè)翻和側(cè)平三個(gè)動(dòng)作。圖2，圖3，圖4為床體的三個(gè)動(dòng)作。圖2 護(hù)理床頭部升起動(dòng)作F

6、igure 2 Rising action of the anterior part 圖3 護(hù)理床腿部曲起動(dòng)作Figure 3 Rising action of the rear part圖4 護(hù)理床床體側(cè)翻動(dòng)作 Figure 4 Roll action of the bed body 1.2護(hù)理功能排便護(hù)理功能，是其它電動(dòng)護(hù)理床所少有的，這項(xiàng)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(gè)翻板。排便時(shí)，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(bǔ)缺口。排便裝置由活動(dòng)框架和移動(dòng)便盆組成，移動(dòng)便盆能插入活動(dòng)框架中，整個(gè)框架又可以配合裝入床體。護(hù)理床還配備噴

7、水和烘干功能。活動(dòng)框架內(nèi)安裝有水箱、熱吹風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)水溫設(shè)置、水溫保持和水箱水量的自動(dòng)添加等。長期臥床病人是本護(hù)理床的重要護(hù)理對(duì)象，排便前，按遙控器上的“馬桶升起”鍵，左右兩個(gè)翻板打開；然后馬桶升起，馬桶上的擋板自動(dòng)豎起，便盆的蓋板也自動(dòng)打開，動(dòng)作完成后病人就可以排便。排便完成后，再按相應(yīng)的鍵，先進(jìn)行沖洗，再用熱風(fēng)烘干，這體現(xiàn)了人性化的護(hù)理功能。沖洗用的水儲(chǔ)藏在水箱中，并用加熱絲保持設(shè)定的溫度。為實(shí)現(xiàn)水溫的設(shè)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(jī)完成。由于病人排便時(shí)間的不確定性，還要求保

8、持溫度的恒定，以便隨時(shí)能提供合適的溫度。同時(shí)，使用的線控操作方便護(hù)理人員操作和病人自行監(jiān)護(hù)。設(shè)置完的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于內(nèi)部的EEPROM，斷電后不會(huì)丟失。2系統(tǒng)建模2.1建模護(hù)理床是一個(gè)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)和功能上可分為：床體機(jī)械構(gòu)件，活動(dòng)框架，可移動(dòng)便盆，電子控制系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖5是翻板機(jī)構(gòu)幾何建模圖2。 圖5 翻板機(jī)構(gòu)建模圖1右翻板 2右翻板杠桿 3右翻板驅(qū)動(dòng)臂 4右翻板電機(jī) 5左翻板電機(jī)6左翻板驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)臂1翻板杠桿 2翻板驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)臂兩端為兩個(gè)圓柱軸，軸心平行。一個(gè)軸與電機(jī)連接且固定，另一個(gè)軸和曲線槽配合形成接觸副。電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂正反轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)翻板的打開和關(guān)閉。3 仿真分析翻板機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真的目的是分析其在不同狀態(tài)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響，指導(dǎo)改進(jìn)設(shè)計(jì)和選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電機(jī)。3.1 作用力對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響左右兩個(gè)翻板大小不相等但驅(qū)動(dòng)電機(jī)相同，選擇面積較大也即受力較大的右翻板機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。把力的作用點(diǎn)選擇在兩個(gè)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(zhuǎn)矩曲線Figure 7 Torque curve of rotated board forced 500N圖8 翻板700N受力轉(zhuǎn)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(xué)上分析，是有高頻成分耦合到曲線上，實(shí)際中理解為振動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)有翻板的振動(dòng)現(xiàn)象，與仿真數(shù)據(jù)符合。振動(dòng)與受力大小、材料性質(zhì)、材料剛度、剛體接觸曲線、摩擦系數(shù)等因素有關(guān)，仿真分析中得出的趨勢(shì)是受力越大，振動(dòng)越小。在設(shè)計(jì)翻板杠桿的

12、曲線槽時(shí)，也要使接觸曲面光滑，以減少不必要的振動(dòng)。圖9是受力500N時(shí)的角速度，可以明顯觀察到振動(dòng)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(duì)翻板機(jī)構(gòu)的實(shí)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(shí)逐漸增大。應(yīng)盡可能的選擇轉(zhuǎn)矩較大的電機(jī)，防止過載。3.2 摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響翻板仿真機(jī)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生摩擦力，鉸鏈約束和接觸約束均可產(chǎn)生摩擦力，對(duì)鉸鏈約束施加鉸接副，可作為滑動(dòng)軸承處理。滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)較小，滑動(dòng)軸承動(dòng)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(dòng)摩擦，但不能簡單的作為滑動(dòng)軸承處理，因?yàn)檫@里的接觸復(fù)雜，受力也大。圖10為杠桿軸和驅(qū)動(dòng)臂曲線槽的受力500N時(shí)的接觸力，最大處可達(dá)1800N。圖10 杠桿軸和驅(qū)動(dòng)臂作用力Figure 10 Force of lever axis and driving arm 圖11 摩擦系數(shù)為0.07時(shí)轉(zhuǎn)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(shí)的轉(zhuǎn)矩圖。圖12 摩擦系數(shù)為0.31時(shí)的轉(zhuǎn)矩Figure 12 Torque when friction is 0.31 圖13 旋

14、轉(zhuǎn)軸建模坐標(biāo)系 Figure 13 Coordinate of rotating axis比較圖11和圖12，不能明顯的看出轉(zhuǎn)矩的變化，曲線變化也相同。最大的不同點(diǎn)是摩擦系數(shù)為0.31時(shí)振動(dòng)減小。作濾波平滑處理后的比較值?？梢钥闯觯Σ料禂?shù)的并沒有引起最大力矩明顯的變化，只是有增大的趨勢(shì)5。3.3 空間位置對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響翻板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮實(shí)際的安裝空間和尺寸要求，同時(shí)也要注意翻板杠桿轉(zhuǎn)軸和翻板驅(qū)動(dòng)臂轉(zhuǎn)軸的空間上的位置關(guān)系。因?yàn)槎叩奈恢藐P(guān)系不僅關(guān)系著翻板機(jī)構(gòu)是否能夠正常運(yùn)行，還影響最大驅(qū)動(dòng)力。在坐標(biāo)系建立上，采用圖13的坐標(biāo)系統(tǒng)。圖14，圖15，圖16為不同空間位置時(shí)最大轉(zhuǎn)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(shí)間和最大轉(zhuǎn)矩均有顯著的變化。其中在條件3運(yùn)動(dòng)時(shí)間最小，力矩也最小；在條件2下，杠桿臂和驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)過程中脫離。實(shí)際確定數(shù)據(jù)時(shí)，我們要綜合考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、大小和安裝結(jié)構(gòu)等因素，最省力的不一定是適合的6。通過對(duì)翻板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，可知：(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。仿真分析中，我們對(duì)翻板施加500N的力，計(jì)算出電機(jī)最

16、大轉(zhuǎn)矩為25Nm，而實(shí)際使用的電機(jī)轉(zhuǎn)矩為18Nm，所以會(huì)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(shí)際使用時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)大于500牛頓的情況，這就必須考慮電機(jī)有充足的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)余量，來滿足不同條件下的要求。(2)摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)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(jì)算最大轉(zhuǎn)矩，結(jié)果表明摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩影響很小。(3)旋轉(zhuǎn)軸空間位置對(duì)轉(zhuǎn)矩影響較大。條件1和條件3轉(zhuǎn)矩相差10Nm，且運(yùn)動(dòng)時(shí)間也有變化。4 結(jié)束語通過對(duì)護(hù)理床翻板機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，討論了影響驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用力、摩擦系數(shù)、空間位置等因素。對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)醫(yī)療床的結(jié)構(gòu)有了理論依據(jù)，對(duì)醫(yī)療床的性能評(píng)價(jià)分析提供了科學(xué)的依據(jù)。該護(hù)理床還可增加系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，使護(hù)理床能自動(dòng)將被護(hù)理病人的信息傳遞給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程病人護(hù)理監(jiān)控。參考文獻(xiàn)1方進(jìn)博，陳紅.人口老齡化對(duì)護(hù)理工作的挑戰(zhàn).中華國際護(hù)理雜志.2004，003（2）：147-1492鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)