平行运动机构分析和构型设计说明书

充值购买-下载设计文档后，加Q1459919609或1969043202免费领取图纸目录摘要2ABSTRACT31绪论41.1选题的来源与背景41.2选题的目的和意义51.3相关产品研究现状61.4文章主要研究内容82平行运动机构的总体方案设计102.1 设计要求102.2 总体方案设计102.3 控制系统方案112.4 驱动方案122.5 章末小结133平行运动机构设计及运动分析143.1 平行运动机构设计及分析的目标143.2 平行机构的设计及运动学和动力学分析153.2.1 平行机构的运动学分析183.2.2 平行机构的动力学分析193.3 章末小结204 平行运动机构结构设计214.1平行运动机构的机械结构设计214.2 平行运动机构的具体驱动方案254.3章末小结275装配调试与强度校核285.1 生产加工中的注意事项285.2平行运动机构的装配调试295.3平行运动机构的强度校核305.4 章末小结316总结326.1全文总结336.2后续研究的展望34参考文献36附录38 摘 要本次题目大背景主要来自人口老龄化以及行动不变的病人占老年人的大部分，因此为他们设计一款多功能护理床具有很大的意义，从目前市面上已经存在的护理床类型来看他们大多功能性比较单一，因此多功能护理床具有比较大的发展前景，平行运动机构作为多功能护理床的核心部分也显得尤为重要。首先要对平行运动机构的功能性进行分析，然后根据各个部位的零部件功能性的不同进行总体设计，并且对机构进行动力学分析和运动学分析，验证平行运动机构的设计是否具有可行性，随后对平行运动机构的结构进行详尽的分析并利用SolidWorks软件进行三维建模并装配，另外控制系统的选择和驱动动力的选择也是重要的一步，最后选择丝杠控制，选用PKP268D28A-L型步进电动机。论文的最后一步是进行机构的装配和强度校核，通过SolidWorks软件中的simulation插件可以最终确定机构运行的平稳性和合理性。关键词：平行运动机构，三维建模，构型设计，机构分析Mechanism Analysis and Configuration Design of Parallel Motion MechanismABSTRACTThe background of this topic mainly comes from the aging population and the invariable patients account for the majority of the elderly, so it is of great significance to design a multi-functional nursing bed for them. From the existing types of nursing beds on the market, most of them have a single function, so the multi-functional nursing bed has a greater development prospects. Parallel sports institutions are multi-functional. The core part of the nursing bed is also particularly important.Firstly, the function of parallel motion mechanism should be analyzed, then the overall design should be carried out according to the functional differences of parts and components of each part, and the dynamics and kinematics analysis of the mechanism should be carried out to verify the feasibility of the design of parallel motion mechanism. Then, the structure of parallel motion mechanism should be analyzed in detail and the three-dimensional modeling of parallel motion mechanism should be carried out by using SolidWorks software. Assembly, in addition, the choice of control system and driving power is also an important step. Finally, we choose the lead screw control, choose the PKP268D28A-L stepper motor. The last step of the paper is to assemble and check the strength of the mechanism. The simulation plug-in in SolidWorks software can ultimately determine the stability and rationality of the operation of the mechanism.Key words：parallel motion mechanism, three-dimensional modeling, configuration design, mechanism analysis3平行运动机构的机构分析与构型设计王淼 011115105 1 绪论1.1选题的来源与背景平行运动机构广泛运用在日常生活中，用来实现机械之间的平行运动，在本文中主要介绍平行机构在多功能护理床中所起到的作用，在多功能护理床的机构中，平行运动机构起到核心作用，其中的坐便器模块以及曲腿模块都广泛运用到了平行运动机构。假如一个国家60岁以上的老年人口占到国家总人数的百分之十，或者一个国家65岁以上的老年人口占到国家总人数的百分之七，那就说明此国家已经处在了老龄化的路上，如今来看看现在的中国老年人口比例，以此来了解国家的老龄化情况。下面是近年来的数据。早在2015年时，中国的六十岁以上的老年人就已经占中国人数的16个点，高达2亿人，有专家预测，到了2020年，也就是四年后，六十岁以上的老人一定会大于2.6亿，到了那个时候老年人数将会占到17个点。再往后推测，我国在2025年时，中国老年人数定会突破3亿人，这就意味着中国会成为超老型国家。显然老年化情况问题已经超出了我们的预料，六十岁以上人数数量已经超过了健康数量。中国作为世界上经济发展前列的国家，人口老龄化问题已经成为发展的累赘。一般来说，六十五岁老人所占总人数比超过7个点，就已经是老龄化社会了，如果超过了14个点，就被叫做老龄社会。我国早在2005年时就已经达到了7.6，所以应该也能猜测到，其实我们国家在2001年时就开始步入老龄化社会了。有数据显示，从老龄化社会跨进老龄社会，法国用时最长，高达100年，英国用了不到50年，而德国不到40年，日本只用了20年，这些发达国家用时非常的少，速度之快令人震惊。我国预计在2025年左右进入老龄社会，速度比日本还快。下图1.1为目前中国老龄化趋势曲线图.1.1中国老龄化趋势曲线图由此看来，养老问题正逐渐走进我们的视线。养老除了保证老人们的正常生活以外，更需要的则是保证老人们心理和身体的专业护理服务。从中国发展的大趋势来看，养老问题正逐渐往社会养老转变，政府主要占大头。从大家目前的生活转变应该也能看出一些端倪，政府养老所占的比重正在逐渐扩大，目前所起到的作用也不可忽视。随着经济的发展，老龄化问题的逐渐加深，人们对于养老措施的需求将逐渐增大，可从目前的护理措施来看还有所欠缺。目前我国脑瘫发病率为1.84，老人脑病患者占老人总数的10，总人口目前有14.5亿，也就是说大约有五六百万的患者会丧失肌肉使用能力，进入医院最需要的就是护理床。而一般护理床的功能比较简单并且需要耗费很大的人员力量，实用性比较低，但是在多功能护理床中，具有方便的自动上下升降坐便器，排泄物处理起来变得更加简单，甚至病人可以自行操作，有效减少人员的消耗。从另一方面看多功能护理床也有效减小了空间的浪费，旨在以最小的空间占用多种不同的机械结构，使多种不同的机械机构协作运行来实习其多种多样的功能。平行运动机构的系统设计理念就是使坐便器在多功能护理床中做稳定的升降运动和曲腿模块在多功能护理床中正常实现其功能，使其在多功能护理床中的协作正常运行。1.2选题的目的和意义其实多功能护理床的适用人群不止脑瘫患者，年长人群同样适合。如今独生儿女家庭越来越普遍，养老问题却扑面而来，大多数老人年老后遇到了无人照料的尴尬局面，在身体情况越来越差的时候，他们急需要一种可以照顾他们日常起居的多功能护理床，床要具有可以自动升降的坐便器，可以减免老人因行动不便而大小便困难的局面，甚至可以很舒服的大小便，以及味道的处理，排泄物的处理。另外可以让老人在床上进行伸展运动，包括曲腿，侧躺，翻身等等。如此看来，坐便器模块与曲腿模块就显得格外重要。对于行动困难的病人来讲，都需要一些可以让他们生活更加方便的护理床，这种床一定要可以帮助他们做一些翻身的动作，以防止伤口化脓，这一点对于肌肉丧失能力的病人来说很重要。在很多时候，缺乏照料的患者往往会在床上动弹不得，在任何时候一个微小的动作都需要护工的帮忙，这一点使得病人很不方便，同时也给护工们带来不少麻烦，所以一个灵活的曲腿装置就很容易地解决了这个问题，使得人力物力的损失减小到了最低，也使资源得到了合理的分配。而且在护理床上的灵活性也使病人更加容易的配合护工的工作，病人的治理环境有时候并不单一，同时也需要病人以不同的姿势，不同的角度加以配合，以此看来，曲腿装置就显得更加重要且有意义。行动困难的病人的排泄问题一直是个大难题，具有平行运动机构的自动坐便器有效地解决了这个问题。可以看到，在医院的病人胳膊上永远连着点滴，这使得病人想去厕所解手变成了奢侈。排泄物如果在病床下面长时间放置会导致整个医务室气味难闻，影响病人们和护工的心情，而这种坐便器会在病人解手结束后烘干排泄物并妥善保存，保证气味不外漏，排泄物也更加容易处理。病人只需控制开关，坐便器就会自动升上来供其使用，待排泄结束后坐便器自带冲洗功能，然后自动下降，整个过程卫生且简单。省去了大量的人力物力，也使得资源得到了合理的配置，病人也不用那么依赖看护者，身体和心情双愉悦。1.3相关产品研究现状上文中提到过，世界卫生组织规定过，如果60岁以上的老人人数占总人口的百分之十或者65岁以上老人人数占到百分之七，就可以称之为人口老龄化。据有效数据统计，现在全世界超过60岁的老人数已经高达6亿，将近60个国家和地区已经人口老龄化。且观我国人口老龄化情况居世界最高，在如此大背景之下，丧失肌肉行动能力的病人和脑瘫患者也逐年递增，由此看来，多功能护理床的地位就显得尤为重要，而其中的关键装置，具有平行运动机构的坐便器的曲腿装置的作用也不容忽视。且看目前国内外多功能护理床的研究现状。护理床由其其功能不同可以分为手动护理床和电动护理床，电动护理床兴起于大约1980年，通过用电机代替人力劳力对床体功能的操纵能够有效提高病人的恢复情况并有效减小护工的工作强度。由于中国技术开始阶段比较靠后，多功能护理床的技术水平较发达国家还有一些距离，下面是一些发达国家的护理床市场份额数据。早在2010年美国多功能护理床的市场份额就高达50亿美金，日本机械人协会预测到2025年，日本护理床市场份额将高至70亿美金。美国的护理产业中Stryker公司是美国医疗护理器械公司的龙头企业，所生产的医疗护理器械几乎包括了所有的医疗器械种类。如图1.2所示为Stryker公司生产的S3型医疗护理床，他仅仅通过简单地运动机构实现支背功能。并通过内置机构的工作实现四个轮子的制动与止动。图1.2 Stryker生产的S3型医疗护理床再观日本，日本的医疗器械领域的发展同样十分巨大，日本最大的医疗器械公司是八乐梦公司，他们公司的产品会销往全球各地，如图1.3所示是八乐梦公司生产的ICARE PLUS四马达电动床，该床的直线运动依靠电动推杆，支背功能依靠曲柄滑块等内部机构。图1.3 ICARE PLUS四马达电动床我国目前医疗器械发展较好的有北京康健宜佰医疗器械有限公司，如图1.4所示，产品具有背部支起功能，床体可以与床椅分离，摆脱了传统观念，可以推动老人，吹风，晒太阳。它所拥有的功能和国内大部分护理床类似，转动导杆机构完成了支背功能，双曲柄摇杆机构的运行原理使得床体可以完成升降功能。 图1.4 永辉轮椅护理床1.4文章主要研究内容本文主要研究以多功能护理床坐便器和曲腿装置为设计目标下的平行运动机构的设计与构建。首先，对平行运动机构在多功能护理床中功能的可行性进行分析并理清思路，然后对平行运动机构进行设计和布局，从不同的功能角度来进行三维建模和分析。本文所研究的内容大概分为以下几个步骤：平行运动机构的总体方案设计。内容包含平行运动机构的设计要求，设计指标，需要实现的功能，以及控制系统的选择和驱动方案。主要为对设计目标的一些设想和需求。平行运动机构的详细设计和动力学分析。在这一部分文章将会对平行运动机构做一些详细的设计，并将需要实现的功能都体现在设计里，并对平行运动机构做运动学和动力学分析，分析关键位置的受力情况，以便之后对目标的建模和电机的选择。并将结构图在A0图纸上画出来。平行运动机构结构的设计。在此步骤将会对平行运动机构的结构进行具体的设计，包括机构的各个部位在内，同样需要考虑其各个部位需要实现的功能，同时考虑各个部位装配的可行性，通过受力仿真分析，确定具体的结构设计。然后要确定电机的选择及安装方式，通过电机所要驱动的力的大小，同时考虑实际经验来基本确定电机的选择。平行运动机构结构调试和强度的校核。对前面设计出来的平行运动机构进行调试，确定其可行性，对目标进行强度校核，确定装置是否承受得住受力要求，不会发生破坏且能正常运行。对研究课题时遇到的问题进行总结经验，以及对自己的成果进行总结，并对以后的研究进行后续展望，研究永无止境。2平行运动机构的总体方案设计本课题所研究的平行运动机构所适用的人群是丧失肌肉行动能力的病人，所以要根据病人的需求，考虑病人的生活环境来确定平行运动机构的功能，分析各个功能来进行平行运动机构的总体方案设计。2.1 设计要求以平行运动机构为核心的坐便器装置及曲腿装置主要对应人群为行动不变的病人，所以设计要求即病人的要求。从适用对象来看，我认为它应该满足下面几点要求：对病人的安全做出保障。这是作为一个医疗器械装置最基本的要求，坐便器装置作为护理床的一部分，它首先要保证病人的使用安全，丧失肌肉行动能力的病人在面对困难时的应对是很微弱的，假使装置不牢固或者打滑都会对病人造成不可挽回的影响，这点是第一点也是最重要的一点。它应该实现它应该有的功能。功能性也是坐便器装置本身重要的一点要求，他要做到使瘫痪病人能够正常的大小便及后续封口处理而不出意外。曲腿模块也要使病人在肌肉僵硬时可以调整姿势，锻炼身体。它要使病人的生活更加方便。既然这个装置要设计出来，它的意义就是要病人的生活更加方便，可以在行动不便时不必艰难的走进卫生间，而是只在病床上就可以解决问题，并且对排泄物的烘干和封存也有效减小了人力的耗费，确定了他的方便性。它应该遵守行业要求。坐便器装置的设计应该遵守国家相关标准。2.2 总体方案设计坐便器装置对于丧失肌肉行动能力的病人来说非常关键，它可以帮助病人收集排泄物，加以烘干，防止气味外露的功能，所以从其功能性考虑，基本确定了坐便装置的机构。平行运动机构总体方案大致按照下图所示进行设计，由丝杠驱动滑块，滑块带动图示右边平行四边形杆机构进行运动，利用平行四边形机构特点，保证了左下方平台不倾斜的上下运动，并且带动与平行四边形机构串联的连杆即束口装置运动，实现垃圾袋的开口和收口。图2.1 平行运动机构简图同时在设计的时候我们对设计时可能会发生的问题进行了猜测，平行四边形机构和串联连杆机构中一定会用到大量的运动副，而运动副的大量使用可能会导致整个机构的不稳定，更加严重时可能会导致机构卡死。解决方法：关键在于结构的铰接点，如果能够保证铰接点的灵活运行，就能够有效保证结构的稳定性。2.3控制系统方案 控制系统为平行运动机构功能得以实现的关键一环，要能够有效控制平行运动机构的功能，保证其功能得以正常运行。上面基本确定了平行运动机构的类型，同时在多功能护理床中还有其他很多装置，如曲腿装置，翻身装置等等，不但要确定装置单独运行时不会出现错误，而且要保证各个装置共同运行时不会相互作用，互相扰乱，甚至停止工作。通常用传感器，电器开关来了解平行运动机构的运行情况和后续可能会发生的状况。这里采用STM32控制系统，因为它有比较多的串口。而且STM32控制系统性能较高，所消耗的成本比较低。2.4驱动方案一般来说，所有装置的驱动动力一般分为三种，液压，气压和电机。首先来讲电机，电动机可以提供从毫瓦到千瓦不同等级的人功率，范围很大；电机的控制使用功能优良，可以起动，加速，反转，能够满足很多要求；电机的工作效率在驱动动力中占高位，对环境没有污染，也基本没有什么噪音，无烟无味；最后电机的运行很稳定，性价比也很高，这些优点让电机在生活中得到了广泛的运用。驱动电机又分为直流电机，步进电机，减速电机。直流电动机的优点是采用的是PWM控制，对电动机的速度控制非常精准平滑。直流电动机调节速度的性能比较好，即使在有很大负载的情况下，仍然可以均匀的，平滑的调节速度，调速范围也比较大。直流电机的起动力矩比较大，能够节约的进行转速调节，所以，一旦是在有高负载或者是要求均匀调速的机械，都会选择直流电机。直流电动机的缺点是它只能够使用交流电的整流或者直流电电源。步进电机的优点是由单片机控制，控制的信号是数字信号，不再需要数/模转换；步进电动机采用脉冲驱动，可以控制转速和方向，可以根据实际测量来转变步进电动机的方向。步进电动机的脉冲数与旋转角度成正比，误差不会累积并且精度比较高。步进电动机还有另外一个比较显著的优点就是可以很快的起动和停止运行并且精度比较高，正反方向控制也很灵活。步进电动机可以在没有传感器的情况下精确定位。步进电机的缺点是其驱动的能力十分有限，不太适合驱动比较小的车子。最后是减速电机，减速电机具有结构紧凑，本身体积比较小，承载能力比较强，能耗低，性能好，效率高，振动小的优点。缺点是因为机械效率的存在，使得减速电机输出扭矩的增加与电机功率不成正比，容易死区，不好控制。下图即为典型的步进电动机。图2.2 步进电动机示意图然后是液压，顾名思义，液压传动是用液体的压力来传递动力，一般分为液压开关控制和液压闭环控制。液压闭环控制也叫做液压伺服控制，包含电器液压伺服系统和机械液压伺服系统。一个完整的液压系统由五部分组成，执行装置，能源装置，控制调节装置，液体介质，辅助装置。液压的传递动力比较大，在工业中运用十分广泛。与电机，气压驱动相比，液压有下面几条优点：液压驱动十分灵活，所有零件可以根据实际情况需要自由布置；液压本身质量比较轻，体积比较小，所以它的反应速度可以很快，运动的惯性也比较小；液压比较容易操纵，可以用来运行大范围的无级调速；可以自动实现过载保护；很适合机械的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可以使自动控制程度更深，甚至可以实现远程遥控。液压传动的缺点是由于液体传动受到的阻力比较大，也有可能会出现泄漏，其工作效率比较低，液体泄漏还有可能会对环境造成污染，甚至出现爆炸。液压传动也不能在比较极端的温度下运作，高温容易爆炸，低温液体容易结冰。液压元件的制作精细很高，造价昂贵。并且故障时很不容易查出原因，对维修和施工都造成了很大的困难。图2.3 液压扳手气压传动是以压缩空气为工作介质进行能量的传递和控制的一种传动形式。除了和液压传动一样操作简单，容易自动控制，过载保护，中远程控制之外，还有工作介质比较容易处理，介质造价较低，不会因为泄漏污染环境等优势。但是由于介质是空气压缩得到的，使它的传递效率较低，一般在0.3-1MPa，总输出力不能大于10-40KN，并且稳定性较差。应用同样十分广泛，尤其在轻工业，食品工业等。气动系统一般由气源装置，执行元件，控制元件，气动辅件构成。下图中的气压泵为气压驱动的典型运用。图2.4 气压泵而平行运动机构由于是多功能护理床的一部分，对噪音，安全性的要求比较高。考虑到这一点选取机构的动力元件为步进电机，步进电机能够调节运行速度，并且使整个过程的稳定性得到了保证。2.5本章小结本章主要对所研究机构的设计要求作出了具体的阐述，并且大致描述了平行运动机构的设计思路和功能，以机构原理图的形式一目了然的表现了出来，最后对坐便器装置的控制系统和驱动电机做出了选择，最终选择坐便器装置的驱动动力为步进电机，为以后的运动分析和结构设计坐下铺垫。 3 平行运动机构设计及运动分析在对文章描述的平行运动机构进行设计的时候要充分考虑平行运动机构的设计理念，从他的功能性，安全性，方便性等各方面进行结构设计。在进行平行运动机构结构设计的时候，大概需要从下面几个方面来进行要求，平行运动机构要具有创新的特性，平行运动机构的安全性，平行运动机构的严谨性，平行运动机构占用空间的合理性。从这几个方面综合考虑，从而设计出真正适合坐便器装置的病人，让它为医疗机械设备的发展确确实实地做出一份贡献，而不是徒有其表。平行运动机构要具有创新的特性。可以看到目前国内外的医疗器械设备的发展情况，确实是没有出现一个护理床上是同时存在如此多的功能装置，像上下曲腿装置，坐便器装置等等，他们大多结构简单并且功能单一，严重者相互模仿，相互借鉴，缺乏了一定的创新性。所以在研发的时候要保持自己的初心，确确实实为行业的发展做出一份自己的努力，不随波逐流，做出自己的创新。平行运动机构要具有安全的特性。前文中已经多次强调，即便是在其他所有的领域，安全都是第一位的，假使安全因素没有考虑周全，损失的就不仅仅是金钱，更何况产品面对的还是广大病人患者，如果忽视了安全因素，造成的后果不堪设想。平行运动机构的每一个部件都必须安全可靠，每个地方的机构都应该安装机械限位装置，这种装置可以有效避免装置的破坏以及造成的人力损失。而且机构的设计也要考虑零件的材料和强度是否达到要求，强度校核一定要过关，最后控制系统也是关键的一环，电机驱动的运动装置都会伴随着行程限位开关，它的作用主要是限制机构的运行范围。后期在进行调试的过程中按照国际按照国家相关标准严格执行，确保机构的安全性。平行运动机构的严谨性。在设计平行运动机构时，要保证每个零件的尺寸和角度不发生偏差，测量的数据也要准确，比如在坐便器装置随着平行四边形机构转动时，平台应该永远保持水平，从这一点就能考察出机构设计的是否严谨，一旦有某个角度没有测量装配好，零件的尺寸发生偏差，平台就有可能会产生偏斜，平台在实际情况中一般都装着病人的粪便，后果可想而知。所以在设计过程中，数据都要经过科学的测量和计算，秉承着科学实验的严谨性。平行运动机构占用空间的合理性。之所以提到装置占用空间的合理性，是因为平行运动机构仅仅是整个多功能护理床中的一环，他们装置与装置之间环环相扣，相互协同工作，因此每个装置都应该在各自的运行路线中存在，不应该占据过大的空间，否则会对整个床的功能造成威胁，实际上这是一件十分具有挑战性的工作，既要发挥各个装置的功能，而又让他们之间互不冲突，甚至相互协同，难度可想而知。3.1平行运动机构设计及分析的目标在对平行运动机构进行设计时，第一步是要确定在前一章所提到的平行机构运动形式，第二步是由平行运动机构要起到的作用和功能来确定机构各部位零件的尺寸，第三步是对平行运动机构进行动力学分析。在对平行运动机构进行运动学分析时，首先要分析平行运动机构在运动过程中各个点的运动速度和加速度，以及各个杆件的运动情况，然后了解驱动动力的形式和效率，对这些数据进行分析和计算，审核他们是否通过了设计时的要求，主要由速度曲线来判断装置运行是否合理。在确定以上数据无误后，再借用软件来分析机构各个部位在受载时的力学性能，再次验证他们是否满足需求。通常用SolidWorks和Adams来操作。3.2平行运动机构的设计与运动学和动力学分析平行运动机构在多功能护理床中主要起一个可上下移动的坐便器的功能，实际上在医疗器械装置中是一个比较具有创新性的设计，是多功能护理床中不可缺少的一部分，在目前国内的多功能护理床中鲜有这样的设计。可想而知，排泄问题对于肌肉丧失行动能力的病人或者脑瘫患者一直是一个重大问题，在身体被输入大量葡萄糖的同时，病人上厕所的频率也会比平时更加频繁，而一个依靠自己个人能力无法正常行走的病人如果想去一趟卫生间，需要耗费的体力，以及护工需要耗费的精力都不在少数，对病人的身体和心理都是一种考验。自动坐便器可以在病人需要的时候操纵开关，然后护理床中间的盖口会打开，坐便器在平行机构的运动下水平上升，待病人解决完毕之后会自动下降，然后将排泄物烘干处理，过程中不会有气味露出，方便舒适。以上所提到的都是自动坐便器的设计要求。放眼市面上大多数护理床，无论是中端的护理床还是高端的护理床，他们多多少少都带有一些坐便处理方法，但是他们的处理方法往往都是比较简陋的，要么是只有一个可以防止便盆的凹槽，要么是只能上下移动，他们都忽视了一个很重要的问题，那就是对排泄物的处理，做好了这最后一步也是关键性的一步，才算是把护理床中坐便器功能画上一个句号。中高端的护理床中都几乎没有这种功能，只有一种顶级的护理床中用真空压缩的方法处理排泄物，但是这种方法虽然有效处理了异味，却使得造价成本太过高昂，并且占用了太大的空间，使得护理床的其他功能得到了限制，因此我们的设计观念就是用较小的代价设计出实用，方便，功能性强的坐便装置。对排泄物的处理工作采用在坐便盆的外层套一层用来盛放排泄物的塑料袋，然后利用串联连杆机构将坐便盆收口以此来完成密封。前面提到过，如何用较小空间完成这个设计是一个大难题，由于增加驱动这一方案太过消耗空间，只能设想利用原本的平行运动机构来完成这一设计，并且保证装置的平稳进行。要使这一设想合理且成功实施具有不小的难度，在设计和审核过程中都要慎之又慎。从设计的功能角度出发，整个机构分成两部分，一部分是双边平行四边形机构，双边为护理床的左右两边，由连杆机构构成，另一部分是塑料袋束口机构，也是由连杆机构构成。图3.1 坐便器模块机构简图上图中左边一块是塑料袋收口机构，右边一块为平行四边形运动机构，右上角两个O点为固定铰链，左下角平台GDHB是一个可以活动的机架，D点和G点是铰接点，H,CE,AC,EF,FG均为连杆，显然ADHF四点是跨接铰链，以图中标注的XY轴方向为正方向。如图所示图中右边一部分平行四边形HB为平行四边形机构，左下角可以活动的机架GDHB可以随着B的转动而上升，由于平行四边形两对边平行，而平台永远保持和HB垂直，所以平台在上升下降过程中会一直保持水平。GF,FE,EC,CA,是连杆机构，与平行四边形机构串联，可以随着平行四边形机构的运动而运动，此连杆机构即可以完成塑料袋的收口动作。在这个图中显示的仅仅是简单地机构简图，而且为单边的，实际上床的两边都有一个这种结构，即双平行四边形机构，每个机构的边上都有同样的驱动力，带动着连杆机构进行运动，如此就完成了两个机构之间的协同运动，就像上面所提到的那样，这样设计既实现了原来设计的功能，又节省了空间和驱动装置，使整个设计看起来更加精巧，符合我们原本的设计理念。3.2.1平行运动机构的运动学分析以图可以得知该机构的自由度为F=3n-2Pl-Ph=3*7-2*10-0=1。故该机构的自动度为1。（1）角位移分析由公式得出复数形式：（3.1）在利用欧拉公式展开，并且使得虚部和实部相等，得出：+=+=+ （3.2）将上面的方程组联立可以得出：=+（3.3）同理+=+得出复数形式：+=+ （3.4）在利用欧拉公式展开，并且使得虚部和实部相等，得出：+=+=+（3.5）将上面的方程组联立可以得出：=+ （3.6）由于上面的式子中1是输入角，它只能够被平行运动机构的驱动方式决定，是已经得出的，5是输出角，是要通过运算求出来的，将式（3-5）和式（3-8）相联立后，消除3后就可以得出1和5之间的速度变化规律。 （2）角速度与角加速度计算将式（3-3）和式（3-6）各自进行求导后得出：（3.7）（3.8）再将上面两个式子进行联立求解后就可以得出杆GF围绕G点进行转动时的角速度，从式子中可以看出GF运动时唯一受到杆BO的影响，如果可以给出杆件BO的速度就可以通过上述式子求出杆件GF的速度。再次对上面两个式子进行求导就同理可以得出杆件GF与杆件BO之间的角加速度变化规律。3.2.2平行运动机构的动力学分析使用ADAMS软件可以很直观的分析机构运行的合理性。第一步，将所要分析的机构简单化，只保留最直观的主体驱动原理和框架，第二步，将简化后的模型转换成适当的格式导入ADAMS中，然后配置各个运动副，第三步，完成后再根据实际试验情况添加驱动。完成后即可开始仿真。平行机构模块由丝杠和光轴以及滑块构成的结构驱动的，滑块与一个连杆通过一个铰接点连在一起，然后连杆的另一端与图中所示的P点连在一起，丝杠驱动滑块运动，滑块再拉动平行四边形机构运动。这与第二章简要介绍平行运动机构设计时相呼应。平行四边形机构的动力学仿真分析的作用主要是检测关键点受载时机构是否合理运行，将滑块的速度配置成0.02m/s，再使得平行运动机构运行。从仿真结果中可以看出机构的运行符合设计初期时的要求，达到了预期的水准。随后选取上图所示的P点进行受力分析，由于P点处于驱动与机构的连接处，所以P点是个很重要的受力点，如果P点的受力情况符合我们的标准，则认为机构运行可靠安全。其xyz方向的受力情况如下图所示。图3.2 铰接点P的受力分析图此图中可以看出P点在单一方向的最大受力在17.6N，所有的合力最大为22.7N，铰链选取的是普通碳钢作为原材料，故P点收到的力远小于普通碳钢的屈服极限，故在P点的受载情况来看，机构的运行是安全可靠的。3.3本章小结本章主要对平行运动机构的运行做出了简单的介绍，并且对平行运动机构做了运动学分析和动力学分析，最终确定平行运动机构的设计是安全可靠的，达到了理想的设计要求。对坐便器模块的平行运动机构原理和机构图进行了简单的了解，从比较专业的角度解释了如何使平行四边形机构和塑料袋收口机构协同运行，并且使平行四边形机构带动着收口机构运行，从机构简图来看设计精巧简单却合理的完成了设计要求，极大节省了安装空间，优化了护理床的整体结构。此外对平行运动机构进行了运动学分析和动力学分析，验证了机构的可靠性。也使我对Adams软件的使用更上一层楼。4 平行运动机构的结构设计前面已经介绍了平行运动机构的总体设计方案和功能布局分配，对每个部位所行使得功能都做出了比较详细的规定，随后对平行运动机构进行了运动学分析和动力学分析，确定了机构运动的合理性和可行性，然后对实验数据做出了统计，为这一章的平行运动机构的具体运动和三维建模奠定了基础。本次章节主要介绍平行运动机构在多功能护理床中的具体运动形式和实现方法，主要包含对每个运动副的设计和选择，对驱动装置的设计和选择，对平行运动机构杆件的尺寸，厚度的设计，以及平行运动机构中每个零件的操作方法和表现形式做出详细的介绍，随后运用SolidWorks软件对平行运动机构进行三维建模，其中主要包括每个零件的制作和零件之间的装配。本次章节对平行运动机构进行设计时应当考虑每个零件连接的地方是否可行和合理，实际上就是铰接的连接，应该对于不同功能的铰接做出不同的处理和设计。然后在设计过程中应当注意设计成本和制作成本，这是一个非常实际的问题，应该使产品的性价比尽量的高，使得设计精巧才是关键。另外也要考虑零件加工的难度，这里同样涉及成本问题。在最后，要考虑材料的选择，避免出现材料价格过于昂贵或者在市面上找不到相关材料的情况。下面将对平行运动机构的结构设计以及驱动装置的选择作出详细的介绍。4.1 平行运动机构的机械结构设计在第二章和第三章已经对平行运动机构进行了简要设计和动力学分析，在本次章节主要再对平行运动机构的实际机械结构再次进行详细的设计。首先从他的功能性出发，平行运动机构主要帮助目标实现便盆的上下平稳运动并且保持便盆不倾斜，这点主要得益于平行四边形机构两对边始终平行的特性。其次另外一个塑料袋束口机构的设计可以使病人在需要坐便器的时候，便盆自动上升，在上升的过程中塑料袋束口机构自动张开，随后在排便结束后，便盆自动下落的过程中束口机构在自动收紧。另外考虑到空间的狭小使得两个机构不得占用太大空间，只能使两个机构共用同一个驱动装置，这就要使两个机构巧妙的地结合在一起，所以拿出了下面的方案。早在第二章的时候就提出了平行运动机构在设计过程中可能出现的问题，其中就有因为是将平行四边形机构和串联连杆机构结合在一起形成一个机构组，在这个机构组中必然会用到大量的转动副，而大量转动副的使用必然会使得整个机构的平稳性下降。这是从以往的实验经验得来的结果：使用转动副会使机构运动的稳定性下降。甚至还会出现机构运行卡死的现象。对此我们想到了对应的解决方法：必须使得每个转动铰接的接点运动足够流畅，每个铰接点都可以自由灵活的转动，只有这样才能使得整个机构运行起来得以稳定。不仅如此，还要通过电脑对平行运动机构进行数次运行仿真，不断对其中发生的问题进行改正，对机构的模型改正，也要利用自己手中所有的资源对平行运动机构进行样品制作，在样品制作的工程中不断吸取失败经验，总结成功经验，对平行运动机构进行修改，最终得出下面设计方案。 图4.1 平行运动机构模块设计示意图其中1坐便器盖板转轴；2、坐便器盖板小连杆；3、坐便运动机构从动滑块；4、螺母滑块；5、坐便运动机构长连杆；6、坐便器盖板从动滑块；7、丝杠；8、串联连杆机构组；9、光轴；10、塑料袋袋口压紧皮带（1）；11、塑料袋袋口压紧皮带（2）；12、平行四边形杆件（1）；13、平行四边形杆件（2）；14、双边传动轴上图中介绍了平行运动机构的形式和驱动形式，可以看到选用的是丝杠和光轴以及滑块来驱动平行运动机构，在下一模块我们具体介绍为什么选用这种驱动方式和步进电机型号的选择。上面提到过转动副的使用会导致机构整体的稳定性下滑，解决方案是使得保持铰接点运行流畅，可以灵活转动，因此这里所有铰接点选用圆柱销的形式连接，以圆柱销的形式铰接形式表现出了优良的的转动性能，使得铰接的转动可以灵活光滑。下面对平行运动机构的结构设计进行详细的介绍。在病人需要排便时，打开开关，会使得控制系统控制步进电动机正向转动，会导致丝杠上的中间位置的滑块-螺母滑块（如图4位置）以及丝杠上靠右的坐便器盖板从动滑块（如图6位置）以图中方向向左移动，这样会导致坐便器盖板转轴（如图1位置）顺时针转动，即坐便器盖板向下打开，打开护理床中间位置排泄口，然后螺母滑块（如图4位置）继续向左滑动，螺母滑块会带动坐便器运动机构从动滑块（如图3）位置随之向左滑动，可以看到有一根长连杆和坐便器运动机构从动滑块相铰接，滑块的移动会导致坐便运动机构长连杆（如图5位置）拉动坐便运动机构即平行四边形运动机构（如图12,13位置）运动，平行四边形机构运动会导致两条塑料袋束口压紧皮带（如图10,11位置）张开，实现塑料袋的开口，此刻整个机构的运动状态如下图所示。图4.2 平行运动机构模块打开状态 与打开过程相反，当病人排便结束后，控制开关使得平行运动机构，控制系统会控制步进电动机反向转动，随后丝杠上的三个滑块，螺母滑块（如图4位置），坐便器盖板冲动滑块（如图6位置），坐便器运动机构从动滑块（如图3）都会沿着丝杠水平向右移动，带动坐便器的盖板逆时针转动，使得坐便器盖口关闭，平行运动机构也会带动便盆向下移动，塑料袋束口机构也因为串联连杆机构的转动而收口，塑料袋袋口会随着两条压紧皮带束口，并且会因为皮带上的密封条而密封，有效防止了气味的泄露。图4.3 平行运动机构机构示意图之前提到过坐便器装置的设计与目前国内坐便器结构的突出特点是会对排泄物进行保险处理，以减少对相关人力物力的损失，从而达到资源的合理分配。所以除了上述的基础结构的设计以外，平行运动机构模块还设计有喷气喷水的管道，可以用来对病人排泄物的处理，包括冲洗和烘干。喷水管和喷气管的制作同样是个小难题。是通过SolidWorks先完成三维建模后再使用光敏树脂3D打印机得来，然后分别使喷水管和喷气管接入水泵和气泵上，水泵被安置在一个水箱中，水箱中有一个贮水槽，同时安装有电加热模块，可以将水温调整在合适的温度，即使是在冬天也能够保证使用者在冲洗时有一个良好的体验。下面介绍喷水和喷气的详细过程，首先选用丝杠驱动，在一根丝杠上有一个小型的直线滑台，滑台通过一个小型的步进电机驱动，而喷水管和喷气管的喷头就固定在小型的直线滑台上面的滑块上，滑块可以沿着滑台左右滑动。当装置行使冲洗和烘干功能时，控制系统会控制滑台上的滑块做往复运动，从而达到冲洗和烘干的目的，滑块做往复运动的目的是增大冲洗的烘干的面积，使需要清洗的地方能够得到完全的处理，确保清洁的彻底，防止细菌的滋生，也有效的减少气味的泄露，对于丧失肌肉行动能力的病人来说具有很大的作用。通过后期对平行运动机构模块的实验和调试，过程中平行运动机构展现出了良好的平稳性，比较好的实现了它的设计功能上下的平稳运行以及塑料袋的束口功能，后续喷气和喷水装置也能够达到了预期要求。4.2 平行运动机构的具体驱动方案驱动电动机的选择对于平行运动机构来说是关键的一环，最终选用的电机的保持转矩不能够低于平行运动机构模块承受最大压力下丝杠所需要的驱动扭矩，这是电机型号选择的关键也是标准。首先选择丝杠的理由。丝杠的主要功能是把回转运动转化为直线运动或者是反过来转化。丝杠是精密机械中最经常被用到的传动元件，他可以将旋转运动转化为直线运动，或将扭矩转化为轴向反复作用力【引用于百度百科】，并且具有精度很高，可逆和运行效率很高的优点，并且在实际运用中有很小的摩擦阻力，传动效率很高，定位也十分的准确。从这些功能性的角度来看，丝杠是非常适合平行运动机构的。图4.4即为丝杠的示意图。图4.4 丝杠示意图早在第二章就已经介绍过为什么会选用步进电机作为驱动，这里再简单说明一下，驱动装置分三种选择，电机驱动，液压驱动和气压驱动。电动机可以提供从毫瓦到千瓦不同等级的功率，范围很大；电机的控制使用功能优良，可以起动，加速，反转，能够满足很多要求；电机的工作效率在驱动动力中占高位，对环境没有污染，也基本没有什么噪音，无烟无味；最后电机的运行很稳定，性价比也很高，这些优点让电机在生活中得到了广泛的运用。步进电机的优点是由单片机控制，控制的信号是数字信号，不再需要数/模转换；步进电动机采用脉冲驱动，可以控制转速和方向，可以根据实际测量来转变步进电动机的方向。步进电动机的脉冲数与旋转角度成正比，误差不会累积并且精度比较高。步进电动机还有另外一个比较显著的优点就是可以很快的起动和停止运行并且精度比较高，正反方向控制也很灵活。步进电动机可以在没有传感器的情况下精确定位。考虑到步进电机的工作效率较高，以及无噪音，无烟无味，卫生环保，非常适合在病人身边使用，步进电机还可以调节平行运动机构的运行速度，确保机构得平稳运行，因此驱动的选择定位到步进电动机。最终驱动模型如下图所示。中间的一根柱子即为丝杠，上下两根为光柱，右侧下方是电机。图4.5驱动装置