（机械设计及理论专业论文）机器人化多功能护理床的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着中国老年人口数目日益增多，老年人的护理、保健和康复日渐成为全社 会关注的重要问题之一。人们对生活质量的要求不断提高，使得原有的老年人护 理保健方式急需变革，护理人员的纯体力护理方式越来越不适应社会和家庭的护 理需要，而社区专人护理和自动化、智能化护理设备的运用正是解决上述矛盾的 有效途径。本论文研究了一种机器人化的多功能护理床，它是一种能有效减轻护 理人员劳动强度，增强受护理人自理能力的多功能智能型护理设备，极具社会推 广价值。 论文首先在机器人学思想的启发下，设想了一种开链、多自由度的机器人化 护理床结构，它以尽可能简单、紧凑的机械机构完成尽可能多的护理体位位姿。 然后从研究护理床床面的运动轨迹出发，分析了多种切实可行的机构方案，遵循 护理床各项实际的要求，优化选择出曲柄摇块机构作为每一块床板( 相当于机器 人的杆) 动作的执行机构，并且建立了该机构的运动模型，在此基础上对机构进 行运动学、动力学分析，揭示了机构的实际运动过程和受力状况。为了护理床控 制系统的设计和控制程序的编写，本论文推导出机器人单关节和多关节位置控制 器的数学模型，建立了以a t 8 9 c 5 2 芯片为主控制芯片，包含数据采集、分析和处 理，能区分键盘命令与语音命令的双重控制命令输入方式的单片机主控制系统。 实现了语音识别模块针对特定人语音命令的识别，完成了语音信号的数，模转换， 采样保持，量化编码的功能，为单片机主控制系统提供了语音信号的数据支持。 语音回放模块输出语音提示信号，其对应于护理床体位位姿变换时的相应动作。 在整个控制系统中，本论文从硬件设计制作和软件编写两个方面建立了各个功能 模块之间的联系，构建了一个从护理床使用者语音信号识别输入，单片机深度分 析和处理控制信号，语音回放护理动作提示音，p l c 控制直线电机运动的完整系 统。论文最后对护理床的机械结构和控制系统进行了整体测试，各项技术指标达 到预期的设计要求。 关键词护理床；机器人；语音识别和回放。 华南理工大学工学硕士学位论文 _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ e e e e e 目e e s ! ! e e 目! ! ! e e _ _ e _ _ e _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - i e e ! ! ! ! ! ! 目! a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep o p u l a t i o no ft h eo l d ，t h eh e a l t hc a r et ot h eo l di s b e c o m i n g o n eo fam o s t i m p o r t a n tp r o b l e mi nt h es o c i e t y t h et y p i c a lm a n u a lh e a l t h c a r em e t h o ds h o u l db et r a n s f o r m e du n d e rt h ep r e s s u r eo ft h ei m p r o v e m e n to fl i f e q u a l i t y u s i n ga u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n t i z e dd e v i c e si s ab e t t e rw a yt os o l v et h e a b o v e p r o b l e m t l l i sp a p e rs t u d i e da n dd e s i g n e dar o b o t i c i z e dc a r eb e dw h i c h c o u l d r e d u c et h el a b o ri n t e n s i o no fn u r s e s ，i n c r e a s et h es e l f - h e l pc a p a b i l i t yo fp a t i e n t sa n d b ea p p l i e dw i d e l yi nh o s p i t a l sa n df a m i l i e sf o ri t sa d v a n t a g ei nf u t u r e i l l u m i n e du n d e rt h et h o u g h to fr o b o t i c s ，t h ep a p e rd e s i g n e dar o b o t i c i e dc a r e b e dw h i c hc o u l d c o m p l e t em a n yp o s t u r e s o fh e a l t hc a r ei nar a t h e r c o m p a c t m a c h i n e r y s o m ef e a s i b l e m e c h a n i s m sh a db e e n f i g u r e d o u t b ya n a l y z i n g t h e l o c o m o t i v et r a c ko fm o v e dp a r t si nt h ec a r eb e d a tl a s t ，t h ep r o j e c t o f l e v e l a n d b l o c km e c h a n i s mw h i c hc o u l dm e e tb e t t e rm o s to fa c t u a lr e q u i r e m e n t so f c a r eb e dw a ss e tu pa n dt h em o v e m e n tm o d e lo ft h em e c h a n i s mw a sa l s om a d et o a n a l y z et h ep r a c t i c a lm o v e m e n tp r o c e s so fd e v i c eo nt l i e b a s i so fk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c s t h ep a p e r m a d eam a t h e m a t i cm o d e lo fr o b o t i cp o s i t i o nc o n t r o l l e ri no r d e r t od e s i g nac o n t r o ls y s t e mo fc a r eb e da n dc o m p i l ec o n t r o lp r o g r a m s ，a n ds e tu pa n m c uc o n t r o ls y s t e m ，t h em a i np r o c e s sc h i pw a sa t 8 9 c 5 2 ，w h i c hc o n t a i n e dd a t a c o l l e c t i o na n da n a l y s i sa n dd i s t i n g u i s h e dd i f f e r e n ti n p u ts i g n a l sf r o mk e y b o a r da n d m i c r o p h o n e t h ev o i c ei d e n t i f i c a t i o nm o d u l eo fc o n t r o ls y s t e mc o u l di d e n t i f y t h e s p e c i a l v o i c eo fs p e c i f i cp e r s o n ，t r a n s f e rv o i c es i g n a lf r o ma n a l o g t od i s t a l ，s a m p l e a n dc o d ed i g i t a ls i g n a l sw h i c h w e r e p r o c e e d e d i nm c u s y s t e m t h e i n d i c a t i o nv o i c e s w e r e o u t p u t t e d f r o mt h ev o i c ep l a ym o d u l ea c c o r d i n gt oe v e r ym o t i o no f c a r eb e d i n t h ep a p e r ，aw h o l ec o n t r o ls y s t e mh a db e e ne s t a b l i s h e d ，w h i c hc o u l di d e n t i f y a u s e r ，sv o i c eo rk e y b o a r do r d e r s ，t r e a tw i t hc o n t r o ls i g n a l si nm c u ，p l a yb a c k i n d i c ：a t i o nv o i c e so fm o t i o n ，a n dm a n a g et h em o v e m e n t o fl i n e a rm o t o r si np l c a t t h ee n do fp a p e r ，t h ew h o l em a c h i n e r ya n dc o n t r o ls y s t e mo f r o b o t i c i z e dc a r eb e d w a st e s t e dc a r e f u l l ya n dt h er e s u l tw a st h a te v e r yt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so f t h ec a r e b e dm e ta n t i c i p a t i v er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：c a r eb e d ；r o b o t ；v o i c e i d e n t i f i c a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 努，本论文不包含锓俺萁毽个入或集体已经发表藏撰写酶成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标踞。本人宠全意识到本声明的法律后果由本人承挺。 作者签名：喜乏剑日期：2 船夕年占月2 石日 学位论文版权使用授权书 本学馒论文作卷完全了解学校有关保留、使耀学位论文的趣 定，同意学校保留并向国家脊关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部藏部分内容绫入有关数据库进簿检索，露以采 用影印、缩印或扫撼等复翻乎段保存和汇编本学位论文。 本学位论文瞒 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：黝 导燧签名： 翩 e t 期：名彩 日期：2 0 e , 3 年占月占e t 年6 月2 占f 3 第一章缝论 第一章绪论弟一早陌化 1 1 本文研究的背景及意义 溺我们正在为中澈每年薪增1 0 0 0 多万人舀蔼褪愧瀚耩寸候，中国又灏 临着鹦一个巨大的挑战：人口老龄化问题。随着经济社会的发展，人民 生活水平不断提高，人口寿命不断延长，城市人口正猩步入老龄化。据 统计，我国现有人口1 3 亿左右，其中老年人口已达1 3 2 亿，并且每年以 3 。2 懿速度在增热。磁冬入枣子年羚镶大，瓤箨翁溪憋逐滚减弱，对疾 病的抵抗力目益减弱，老年人静疾瘸耱炎多以慢性病为主，据调查，申 老年人的多发病包括呼吸系统疾病、外科和肿瘤科手术厨恢复期病人、 骨折恢复期、慢性腰腿痛、中风后行动不便、妇科一毖慢性病以及残疾 病人等。对于这些慢燃瘸，由于治疗鼢阕长，见效慢，这不仅给广大患 者繁聚生瑗、玉理上鹣瘸羞，瑟曼还绘患者豹家震秽嚣护入员载身心磐 来了檄大的疲惫。对予慢性病人和瘫痰病人两言，除了聚合药貔稆针荆 的治疗之外，患者接受必要的物理方式的护理也必不可少。正确、适当 的护理可以大大增强患者肌体的活性，提高自身的免绒力，大大减少并 发癌既生产。例如，对长期卧床的瘸人避行定时的翻身和抡背，可以加 强瘸入鹜罄窝臀部鑫滚瓣滚裁，太大减少褥疮等莠发霾豹产生，减少瘸 入不必要的痛苦。对予许多漫惶病患密雨言，在定期蛾激药，适当趣簸 护，难确地护理下，熄可以不必长期往院的。而且有很多患者，由于缀 费和家庭原因，不可能长期住院治疗，但是又渴望得到医护服务以减轻 痛苦。霹此，对老年人、慢性病人、瘫痰病人和残疾人士配置必要的护 理浚器窝矮其藏曼褥笼灸重要。 入的一生相当大都分时阊在床上度过，老年入、慢性病人、瘫痪病 人和残疾人士的卧床时间又比普通人翼长、更久。所以，运用最新技术 开发一张舒适、护理功能齐全、性价比高的护理床极为必要。本论文独 辟蹊径，提出了基予机器人多轴协调控制技术和语音识别技术的多功熊 护毽藤夔设诗壤念，宠藏了爨爨久纯豹多功爱护理庆载秘突襄拜发。 1 2国内外护理床的发展概况 由予老龄化问题醚蕴成为世界备豳，尤其是欧美豳家的主要社会i a - j 蘧之一，老冬入护舔矛藉瓣濑突滋，鬻霹各令窝豢蠢盏漫蘩辜主会象灞震 鬣，囊魏蘩禽懿藕援匿丈。欧荑、弱零、串嚣台簿黻及中溺大麓都攘继 开发密系戮手麓残、泡淤式静护理藤璐瀵怒聿圭会嚣求。 。2 等渤式护莲臻 拳韵式轳瑾藤潦最耪瓣攀缝络鬻方式演纯裂瑗谯戆鼯掰捻鬻又胃给 褪、黧篷蒋多耱凑鬻盛姿方式。寐嚣变纯懿搽终方式多鞋翔等分爨摇韵 各个体健交羧怒警，多数采霸满辁瘸释传动，将疑转运渤转德麓瘫线运 动方式。英枣戳孛鬻疆矮餐銎生搿下嚣瓣黟 攀经黪瓣裁器发藜d k c 一1 墅 多功裁护臻涞秀爨豢健袭f 图1 一1 ) 。该床袋麓镶蕊镄榜焊接、炼驻螵榉 连接疆残。健嚣较籽链条、满轮筑释、螓释减速瓣秀式警援搽缀控裁， 最大力矩夺予8 牛顿采，廷嚣个护士繇霹撵缀，麓安全掰嚣。谈藤遴 过等摇方式帮墩实薹髭擎黪继0 。一8 0 。，左右爨德翻赛0 。8 0 0 ，捡舞黢下 肢0 e 4 妒，双下黢耩形窍蘸2 5 。3 s 4 捻瓷。床中部竣宥解健我，凑下 敖蠢理盆絮，瘸夭霹在藤主塑餐壤稚聚解霞t 图l 一1d k c 一1 鍪多功黥护爨霖 f i gl i d k c lc a r eb e d 。2 ，2嗽动式铲璎徕 魄动式护理脒多黻带瞧( 2 2 0 v 2 3 0 v ) 捧舞髭鲞添舔动营逶螫逛瓤藏 是特种电枫( 强蠢线电枫) 。它蕻有操作篱攀、方霞、赘对费力少、逸拜1 人群范围广的特点。而融益成为世界各国备个秘磷梳构稻商家磷发静蘩 点。荧国黼拓o c a r e 公嗣嚣笈翡护理凑霹蜜现螽稳擒背、菇隧簿动律。姨 而减轻了护理人员盼蒡动强度，摇齑了家瘫的叟满震爨。秘本 2 ，。，。：羹i ：坠。 m u r a t e m a c h i n e r y 有限公司生产的护理床包禽主床体与个可以变形的 毫动轮捧，电动耱穗藏予寒髂漆。乎黠，稔祷薅鬟署成梵一令孚嚣与廉 体平面融为一体a 动作时，轮椅平面收缩形成坐姿，病人可以坐在此轮 蒋上离瑟臻俸疆簸活魂。荚国d e v i c e l i n k 公司涎护毽痰蚕1 2 ) 燹是进了 一步，它将整张护理床与轮椅融为一体，床体通过整体变形后即成为一 张羚靖，瘸久无霭囊齐护理康瑟哥实璃鹜姿与坐姿鹃稳互转换。 图1 2d e v i c e l i n k 公司的座椅式护理床 f i g1 2 a c u t e - c a r eb e do fd e v i c e l i n k 1 ，2 3 需研究与匐鞭的技术问越 综上所述可知，现代护理床为了满足社会更裔酌生活要求溉在由梳 械式向电动式、露动化、智能化发展。为馒护理人员的工作强度逐步下 降，同时受护理入的自我护理能力得戳提裔，护璎床所熬实现豹床西经 姿数目、特殊体傲方式也愈来愈多，并且要求越来越高。纵观阑内外器 种护理床，我们不难发现，护理床所能实现的床谣位姿数嚣与护理寐体 的绩构复杂程度椒造价成本成正比关系，护理床所能实现的普通体位使 姿方式与特殊体像位姿方式通常难戳同时满足。铡如，荧国d e v i c e l i n k 公司的护壤床虽然可以独树一帜地褥燕张床变为一把轮椅，但怒它不髓 同时满足镛护理人抬腿、屈腿、左右翻身等普遍酌护理姿势要求。 科学技术在不断地发展，灏理论、薪技术、新工艺层出不劣。那么， 有没有一套新的方法、技术可以解决上述的难题? 即可娃实现护理床大 部分鹣体饺位姿，又能简化床体结构，降低造价? 既能实现床佩的普通 体能位姿，又可以实现尽可能多的特殊体彼位姿? 本论文正是针对上述疑问，经过国内处技术焱瓶和医院护理床的实 际使用情况调查，提出了将整张护理床机器入纯，再运溺一套蘩于机器 人多睾盘控劁技术的新颖方法，避行智能化的多功能护理床的研究和开发e 华囊理工大学王学联士学垃论文 1 3 本论文的主要研究内容 撩于中阂老龄入硒数目日掇增多。护理床的市场需求霹益增强和遗 锈，瓣袋存瓣嚣内终蔷秘黎号的轳瑾窳逐存套一定瓣缺陷，零文提出了 一种新颖的护理床设计构思，通过将羧张护理麻机器入化的结构设计， 运用钒嚣入多辘控制合成运凄技术，实瑷多秘廉覆馥姿方式，劳恳床蘧 的普通体位能姿与特殊体位位姿都可满足，同时采黼语音控制技术实现 键盘，添簧熬双藿掇缀，黪方便了搜鼹卷懿操佟，又健护理凑更其蠢人毪 化的特点。本论文涉及空间机构设计、机器入多轴掩镪技术、电子电路 设 秘语音控割接本。其体醭究内餐如下： 第一章：作者通过深入调查，研究了国内外多种不同熬黧的护瑷床， 发现巍代载护蘧痣薅萋 生会生活痰量戆瓷裹爱褒电接统熬班械式起电动 式、自动化发展，同时还存在着一定的不足之处。椴据新颖的机器人拽 零，终卷疆熬了零论交戆獗究方起蠲臻突内容。 第二：章：护理床整体系统的构思。讨论了熬机的结构布局，控箭方 式，黪溪供绘，电辍凝动等滤鼹。 第三章：护理床床体的结构设计，从所需要实现的运动轨迹蒙求融 发，缭套瘩豁各令都努寐霭整姿变换瓣要求，遗褥窳俸熬掇壤缕鞠整髂 设计。 第溷耄：分爨臻终务耱捧愆霞姿变羧惑，签个凑嚣羧瓣蹩发变纯疑 角速度变化的情况，通过数据分析和优化设计，确斑床体上的著于个嘉 要绫构参数戆足专。 第赢章；介绍了机器人单笑节和多关节位鬣控制理论，根稍现有的 实验磷究条释，浚津劳裁佟了妒壤泰豹援裁系统，劳显竞蔽了穗美控截 软4 牛的设计和编制。 繁六章：对凝嵇久豫戆多萌戆护壤臻遴铃了整括挺壤郛分耧控裁漤 分的髓体测试，梭测护璁床的实际使用情况a 4 第二章慧体构思 第二章总体构思 2 。 孳l 言 护理床的形式按动力源可以分为两大类：种是以人力作为动力源， 逶j 雯护理久燹手摇等方或分裂实嚣簿袭凑瑟戆势骚，致近宠残护壤床 的各种体位能姿变换；第二种是采用电动马达，用电机代替人工劳力完 成各种体位位姿的要求。本论文独辟蹊径，把艇张护理床看成一台机器 入，护理床瓣签块嚣扳器裁是机器入豹各个运渤抒，缝会空间结构设诗 悉想，设计一种新鍪的护理床以满怒各个床瑟位姿的要求，同时运糟机 器人技术，解决护理床的能源供给、传感、控制和总体稚置等一系列问 题。 2 2护理要求 2 。2 。王僚环壤 护理床多数是应用于病房和家庭居室，考虑到上述环境对噪声的限 裁，薮浚诗瓣电掇类型及型号豹选淑痤渍足工律噪啻低予2 0 分哭，黪基 在床体上附加一些必要的减震降音材料，如橡胶垫片、弹簧垫圈等。 2 2 。2护壤床的位姿和控制要求 护理床威该满足有利于被护理人康复、嫩活自理所需的各种必袋的 体位位姿，这些体位位姿包括抬背、屈腿、伸腿和抬腿蒋。为了防止褥 疮等一系蕉蠢手长隧闯磐床造藏纛滚不辏鬟零l 起戆蒡发癜，护瑾寐森该 能够实现床灏的左右侧翻身。对于危重、高度瘫痪等生活上不能自理的 瘸人，在设计时应考虑能使病人农床上可以以坐姿或是卧姿排便。为加 浚瘸久受经豹褪部塞会，护理凑痰骞必要豹捻怒俸毽。溺辩护理瘩逐应 该实现病人的伸腿坐姿体位，以减轻病人由予盘腿坐起时静不舒适感。 对护理床的控制方式，除了以键盘按钮操纵以外，迸应考虑附加语 豢控割撵终，并且j 瑟：语酱控到方式不受各逸方言的影响，这样，即使被 护理人在手部无力的情况下也能够辩护理床避行操俸控潮e 5 。 耋里堡苫查兰三兰堡圭耋垡笙奎 2 3 机器人化护理床总体方案的构思 护理床的总体构思包括结构设计、驱动、传感、控制以及总体位姿 协调等问题。 2 3 1 构思的提出 分析现有的护理床设计，我们不难发现，为了实现床面某一个特定 的体位位姿，传统的设计方法就会设计一套特定的机构与之对应。当位 姿数目越来越多时，所需机构数目也随之增加，同时空间体积也随之膨 胀。而床体的总体积是有一定限制的，即床体的长、宽、高尺寸必须按 照有关护理床标准规定限制在某一个空间范围之内，才能够既满足病人 的舒适感的要求又满足病房、家庭居室的空间限制要求。 机器人技术是源于模仿人体的运动，人体具有极大的柔性，以人手 为例，当人手运动时，她能实现的动作姿态的数目在理论上是无限大的， 但人手的结构是一定的、有限的，既是通过人手中的各个关节彼此之间 的相互独立，又相互合成运动来实现多种运动姿态。受此启发，将护理 床的床面进一步加以细分，成为彼此之间相互独立的7 个面板( 图2 1 ) 。 1 床 头 床 尾 v 1 y 2y 3 图2 1床面结构简图 f i g2 1 t h e g e n e r a lv i e wo fc a r eb e d ss u r f a c e 床面板1 与床面板2 对应于人体的背部，床面板3 与5 对应于人体 的臀部，床面板4 为解便孔，人体的大腿、小腿分别对应于床面板6 与 床面板7 。通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现 护理床所需的各种体位位姿。 6 。二! 三耋。鲎丝竖 护理床结构在设计时应满足以一下几个方面的黉求： ( 1 ) 能够实现护理所需的各种体位位姿要求。 ( 2 ) 各个活动床磷板的摆动角度范阐应参照有关医疗护瑗要求以及 人体的舒适感，各床颞板摆动角度如下： 背板摆动角度：0 。+ 7 5 。 左，右翻身板摆动角度：0 0 十7 5 。 友，右臀部板摆动建度；0 。+ 7 5 8 大腿板摆动角度：0 0 + 3 5 0 小腿板攥动焦度：一5 5 。+ 3 5 。 解便盖檄摆动角度：0 0 + 9 0 0 ( 3 ) 护理藤床俸鼹可靠缝、稳定往窝安全燃要綮念送护要求。 ( 4 ) 床体的结构尺寸有一定的空间范围限制。 ( 5 ) 要考虑护瑾臻在房闰瘫移凌静簿荔经戳及护理漾医护辘蘩装藿 ( 如吊液架、书饭桌) 在护理床上的可安姨性。 2 3 2 机器人化护理床所需要实现的动作分解 由2 2 2 节所述的护理床位姿要求可知，本护理床臌实现的体位位姿 惫疆平躺、捻饕、矮， 枣糙、飧褪、志，毫翻身、黛起以致惩褒。其薅镕位 对应与相应的床面板动作如激2 1 所示。( 参见圈2 1 ) 2 3 3 能源供给及电机驱动形式 护理床的能源供给通常脊两种方式：是采用外围电源供电：= 是 采羯蠹郝交豢魄源供绘。 考虑护理脒的工作地点多是医院病房或是麟民家中，市电( 2 2 0 v ) 供 绘兖接、方硬，势虽护理凑经工作螽霹以长对闯无嚣移动工作地点， 同时交赢流转换技术现在已经非常成熟。而蓄电池的供电时闻有限，并 虽残本囊，不利手降低整床的造价。针对上述几点要求，选用市电( 2 2 0 v ) 作为供给能源方式，将交流电通过交直流转换输出直流电，供给护理床 懿毫臻控裁系统、驱动电枫以及其他相关部分。 驱动部分采用赢流伺服电机。直流伺服电机的输出功率可以达到 6 0 w 以上，势且控制方便，可以翻由实现正反转向，控制精度满足设计 黧求，同时工作噪声极低，符合医护环境要求。 ， 表2 1床面板动作分解表 f i 9 2 1 t a b l eo fc a r eb e d sm o t i o n 体位位姿所需床面板及动作要求 床面板1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 处于 初始状态。 o ( ) 床面板1 、2 相互配合运动，同时绕 、n 、n图2 1 的y 1 纵轴旋转。 三二 床面板6 、7 相互配合运动，板6 绕 里会 图2 1 的y 2 纵轴旋转，板7 绕y 3 纵轴旋转。 床面板6 、7 相互配合运动，板6 绕 图2 1 的y 2 纵轴旋转，板7 绕y 3 翌彰 纵轴旋转。 床面板1 、3 和2 、5 配合运动，其 国睑 中板2 、5 绕图2 1 的x 1 横轴旋转 实现左翻身，板1 、3 绕x l 横轴旋 转实现右翻身。 床面板1 、2 、6 、7 相互配合运动， 吣 板1 、2 绕图2 1 的y l 纵轴旋转， 板6 绕y 2 纵轴旋转上抬，板7 绕y 3 纵轴旋转下摆。 床面板4 运动。 惩。9 三手 b 怂 u 8 ，。：；，登三童二型兰些l 。，。 2 3 4 传感器及护理床控制系统 为了便于控制系统对护理床进行智能控制，及时了解护理床的当前 工露炊态，在护懋庆豹艨身上震安饕豁要数嚣鳇簧感器。遥过健感器绩 输回的数据，控制系统可以实时了解、控制床面扳的运动状态，防止不 露撬搀豹予涉或楚塞线魄撬载_ 遘滓黠藤体以及久受逡残不豁要戆痿害。 传感器主要采用位鬣传感器，包括限位开关以及接近开关。 蹩张护理康龟会毒器于令在枫械缝竣上彼此之闻楣蔓独立蛇撬稳， 每个机构对应一个以上的自由度，这螳机构在总控制系统的统一协调控 剿- f ，组成一个多舞链系统，透过各个床爱投的运动配合，使护理床宠 成特定的体位位姿。因此，控制系统是整个护理床中相当重要的一环， 它与护理窳舱结拇设计、电机的选取都青着密切黔联系。在控制系统最 终确定之前，必须先完成护理床的结构设计、运动学和动力学昀分析。 在必，仅对护理床的硬伟控制系统提漱个总体设想。 在床体体位的控制方式上，除了采用通行的键盘按镪输入方式以外， 为了方便体弱病残者，还考虑增加了语音控制输入模式，操作溃可以用 声音命令操纵护瑷床的运动。由于语音命令的识剐对于普通类掇的控制 芯片难以究成，因此现将整个护理床控制系统分为两大模块。第一个为 主控翩模块，它国一个荦片枫控翻系统构袋，对整个护毽床系统迸行簸 控，包括接受键擞，语音控制命令和传感器位匿信号的输入，以及输出电 视的控翩信号。第二部分为辅渤控翻模块，主要负霸语音静识势j 耜西藏， 它将来自操纵者的声音控制命令转化为电信号，然后经过编码转换，输 送至主单片梳控涮系统，嚣爵犊受来自主整镪系绫静邀甾号，懿这些控 制指令转换为操作者可以理解的声音信号。图2 2 为控制系统框图。 2 4小结 本章围绕护耀床的总体构思而展开，通过论述护理床所处的工作环 境及位姿簧求，指出了护理臻设计时所需静各项簧求，潋这些蘩求淹獒 机，提出了护理床的总体方案的构思，包括艇体设计的构思思路，护理 床络构形忒的初步探讨，床体各个部分动佟的分瓣，裁滚酌采蠲形式， 位鼹传感器的选择。对于控制系统采用主、辅控制系统栩互配合、协同 工作，主擒制系统完成数据的采集、分帮亍帮处理，鞴韵拄翻系统完袋语 音舱识别和回放。 9 耋童耋三态兰三兰璧耋兰堡鎏蠹 图2 2护理床控制系统框圈 f i 9 2 2 b l o c kd i a g r a mo fc a r eb e d sc o n t r o ls y s t e m 1 0 釜三耋堡篁墼塑塑堡兰 3 1 引言 第三章床体构型的研究 护理床床体是实现护理床各种护理功能的载体，控制系统依据护理 床床体的具体结构而设计。本章通过研究床面各块面板运动轨迹的要求， 从而确定各个面板的具体结构和实现方式，以及选用相应的电机。 参见表2 1 可知，由于护理床腿部需要完成的位姿众多并且活动范 围广，为了使其实现规定的多种位姿要求，需要采用多自由度的实现机 构。 3 2护理床床面板各部分运动轨迹分析和面板尺寸确定 分柝各种人体体位的变换情况( 参见表2 1 ) ，发现任何一种人体体 位都可以看成是人体的某一部分肢体绕某个旋转轴旋转，例如，抬背动 作可以看成是人体的上肢绕人体的腰部横轴的转动运动，抬腿动作是人 体的大腿绕髋关节的旋转等等。因此不难得出以下结论，旋转运动是护 理床体位变换过程中最基本最重要的运动方式。床面面板的运动轨迹如 图3 1 所示，处于二维平面空间内。 rp 。么 ) | 【 l b1 图3 1床面板的运动轨迹 m o v e m e n tt r a c ko fac a r eb e d sb o a r d - * 。 耋童堡玉銮兰三兰黧圭耋堡鎏毫 务个瑟叛尺寸绞撂入体工纛学设诗原瑾，鼓罄邂太黢俸戆各辩分对 应长度尺寸的统计数据为基础，确定如下： 背叛( 长宠) ：8 4 0 m m x 8 2 0 r a m 左，右翻身檄( 长宽) ：7 5 0 m m 3 2 0 r a m 左，在罄部投( 长竟) ：2 1 0 r a m 3 6 0 r a m 大腿板( 长宽) ：1 8 0 r a m 8 2 0 r a m 夺腿叛( 长竟) ：6 5 0 r a m 8 0 0 r a m 3 。3 护理藤各体僮链姿变换戆设诗要求 麓够实溪蕤转运动静撬褥形式众多，竣诗对，狳了& 缳涯掰逡取豹 机构能够使各个床面板实现预定的运动轨迹以外，还要考虑以下具体问 趣： ( 1 ) 自由度 鞔擒戆巍密度豹数鬟越多，凝擒氇羧越灵溪，撬梅爨戆实瑗黪动佟数 目和炎型也就越多。但是，由机械原域的知识可知。当机构中的自由度 数蟊与辊构申琢动铎静数瑶不鞠等瓣，絮票凝薅静蒙动势数i i 小予提携 的自由度数目，那么机构的运动将不确定。因此，床体中各部分的自豳 度数疆在满足护瑾过程串全部掰嚣豹体谴位姿豹妥求下尽胃麓蟪取最低 的数目，这样，既可以减少原幼件数日，又可以降低系统的控制复杂稷 瘦。 ( 2 ) 安全与可靠、稳定性 护理床蹩应霜予医疗护理豹一耱多功髭护理器城，因魏璺矮凝据藿骞 ，国际上有关医疗器械的棚关安龛标准来设计护理床，从而保证护理床的 安全辘运行，不会徐被护淫入造残意耱熬费害。 对病人的护理康复邋常在缀期内难以马上见效，它需要长时间不断 韵坚持，因j 篼护黧床在设计时藏该确保护璞瘫运鬈豹长期可靠羧窝稳定 性。 ( 3 ) 工佟空阋 护理廉主要放于病房或是家居室内，因此整张护理脒的空间以及其 在进行体位位姿变形醵嚣的总体空闻范隧必须参考房蓬塞内豹大夺，馒 碍护理床的高度、宽度、长度以及变形后的空间尺寸既要满足瘸人的舒 薹耋篓堡堡塑篁篓兰窭 适感要求，又要尽可能参考普通床铺的占位空间，同时又能方便居家餐 内静清洁，茏其怒寐下翥鏊蟊静溥季j 。 ( 4 ) 系统控制的难翁程度 俸位交换是备个霖瑟菝出一释鳘缀合转换为勇一静篓组合，虽然护 理床所需实现的体位位姿数目众多、形式各异，但是将备个体位位姿按 照对应的臻面面板加鞋逐个分解螽，各个瑟板的独立动 窜静交羧要求不 太复杂，就目前的计算机控制水平而畜，结合多轴控制拽术，怒完全能 够实现对护理床熬体靛实时控制静。 3 4实现床霹板( 籽) 动俸豹橇构设计 能够实现如豳3 1 所示旋转运动鞔迹豹梳搀形式煮多耪，魄翅盏旗 摇杆机构、曲柄滑块机构、曲柄滑块机构、涡轮蜗杆机构等等。结合机 构设计的简易性、空蓠干涉情况、赭工工艺翡难荔程度、蘩撬豹荔予维 护，陵以及市场上备类可配置的电机种类，综合考虑各种设计要求，现以 曲柄摇秆机构和魏禳摇涣瓶鞠作为选取对象，遴稽阮较帮设计。 3 4 1实现旋转运动鞔邃的盏耩摇秆辊鞫 b 2 尹t 、 图3 2曲柄摇枰机构 f i g3 - - 2 c r a n ka n dr o c k e rm e c h a n i s m c 1 趋横援抒极橡的蕊图如隧3 2 所示。在此机梅中，只需台理设计各 秽 葛 一 爻 、。；h盯豁 个连秆翡长度，簸霉蔽蜜蠛a b 秆瑟霈要豹旋转运动辘滚。穰 瘸豹设计方 法可以采用作图法，也可以采用解析法。用解析法设计曲柄摇杆机构时， 蓄兔需要建立包念祝褥静各个尺寸参数帮逡动变爨在肉瓣数学解耩关系 式，然后根据已知的运动变量的数假求解所需的机构尺寸参数。现按照 己稚预定的两连絮秆酶黠应谴黉来浚诗薤糨摇括褫构。 建立如图3 3 所永的直角坐标系和曲柄摇杆机构 图3 3曲柄摇杆机 奄坐标系 f i g3 - - 3 c o o r d i n a t eo fc r a n ka n dr o c k e rm e c h a n i s m 主动传1 鸯扶动传3 的转角之闻满足一系列的对应位置关系，即 0 。= f ( 0 。) ，i = l ，2 ，n 。设计参数为备构件的长度a ，b ，c ，d 以及0 t 帮0 。夔诗量起始角a 。和由。今冬构件的长度以相对长度代替，如设 a a = 1 ，b a = m ，c a = n ，d a = l ，则该机构的设计参数变为碓，n ，l ，n o 袭牵。 由圈3 3 可知下列等式： n c o s ( 聃 + 口o ) + 扫c o s ( 0 2 i ) = d + c c o s ( o 甜+ 九) 穗s 瓠) + 刍t s 联如i = # s m ( a 3 + 热) ( 3 1 ) ( 3 2 ) 筏入楣对长发，势移顼囊： m c o s ( p 2 f ) = l + n c o s ( 0 3 i + # o ) - c o s ( a l i + ) ( 3 3 ) ，。一 里三耋鏖篁墼篁丝堡兰 m s i n ( 0 2 f ) = n s i n ( 0 3 f + 妒o ) 一s i n ( 0 1 f + 口o ) ( 3 4 ) 从以上两式中消去o 。并经整理，可得： c 。s ( 0 u + a o ) = c o s ( 民+ 九) 一( 兰) c o s ( 民+ 九一吼一) 令 ；堕盟：! 二丝：1 2 l p o = n ，p i = n l ，p 2 = ( l 2 + n 2 + 1 m 2 ) ，( 2 + l ) 则上式可以化为： ( 3 5 ) c o s ( 0 l l + a o ) = p o - c o s ( 0 3 j + 九) + 只。c o s ( 0 3 + 九一0 1 # 一口o ) + 只 ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 中包含有p o ，p l ，p 2 ，n 。及巾。五个待定的参数，根据解 析式的可解条件，方程式的总数应与待定未知数的总数相等，故曲柄摇 杆机构最多可以按照两连架杆的五个对应位置精确求解。由于在设计时， 考虑到机构的受力状况以及由人体工程学所确定的某些最适合的角度范 围，通常n 。和中。是可以被认为是已知的参数，这时只需按3 个对应位 置要求就可以进行精确设计。通过以下的3 个方程式就可以求解出p o ， p 1 和p 2 的数值，进而求出m 、n 、l 的值，然后适当选取a 值，求解出b 、 c 、d 连杆的具体长度。 c o s ( 0 t l + ) = p o c o s ( 0 3 l + ) + 毋c o s ( 0 3 l + 九一0 1 l 一) + b c o s ( o , 2 + a o ) = 昂c o s ( 0 3 2 + 九) + 丑c o s ( 0 3 2 + 一日2 一) + 最 c o s ( o t 3 + ) = 昂s ( 岛3 + 九) + 毋。c o s ( 0 3 3 + 妒。一b 3 一) + b 3 4 2实现旋转运动轨迹的曲柄摇块机构 图3 4 所示的是典型的曲柄摇块机构。从图可知，当机构中的构件 3 与构件4 之间发生相对滑动后，可以引起构件1 发生转动。 b 阁3 4曲桶摇块机构 f i g3 4 c r a n k - a n d b l o c km e c h a n i s m 建立图3 5 所示的曲柄摇块机构嫩标系。 y 图3 5麴藕涝涣瓠构坐标系 f i g3 5 c o o r d i n a t eo fc r a n ka n db l 。c km e c h a n i s m 如上图所示，曲柄播块机构的运动变量包括构件1 的转角。和构件3 的长度l ，通常8 和l 韵数氇程设计辩是按照要求键嘉誊绘定戆。设诗参登 包括机构中各构件的长度a 、b 以及角。的计量起始角度o 。和l 的初始 参见鼹3 4 ，由三角余弦定理可得下列数学袭达式： 1 6 窭= a 2 + 矗2 2 - a 。b ，c o s ( 0 ) ( 3 7 ) 上式包含有a 、b 、e 、l 四个待定参数。由于e 与l 可以融设计时 颈竞绘是懿位置要墩确定，8 、b 参数僮泰箱。禳据熬褥式魏可越条终， 方程式的总数应与方程中待定涞知数的总数相同，敞可按机构的2 个对 应位置要求来精确地求解出未知数a 、b 值的大小。 由数学表达式( 3 - 7 ) 荠缝合图3 5 可戋曩： 霹= a 2 + 矗2 2 ，a b c o s ( o o ) ( 3 8 ) ( 厶+ ) 2 = a 2 + 扫2 2 一a b c o s ( o l 十0 0 ) ( 3 9 ) 令靛剐1 2 b 2 ，v = 2 a b 刘： 瑶= u - - v c o s ( 0 0 ) ( 厶+ k ) 2 = “一v c o s ( o r + 6 k ) 由( 3 1 0 ) 和( 3 一i i ) 解得： 描= 坚篙希髻铲 。 坠垒2 1 二薹 c o s ( e o ) 一c o s ( o l + 魂) 】 即u 、v 的数值可以由l o 、l n oo 、ot 精确求解。 又嚣为 ( 口+ 6 ) 2 = a 2 + 矗2 + 2 a b = u + v ( 口一矗) 2 = a 2 + 6 2 2 a b = “一v 由式( 3 1 4 ) 和( 3 1 5 ) 可得： 矗：! 巫2 巫2 1 7 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) a*e*警耋登矗查誉老萋塑耋篓堡黧塞 蠢：堑至亟 2 因此a 、b 的长发值也可求出。 可以将上述的求解过程以计算机程序编程求解，求勰程序见程序 ( s o l v e l c ) 。 3 4 3机械绪构的确定 比较上述礴种旋转运动轨迹的实现方式，发现两套机构剪器自的优 点和缺点。 菪扇蝤牺撄栉擞掏采实现床颟叛的旋转，则务部分舆体糖哭零件豹 搬工工慧简单，墩执躯选择性好煦价格便宣。缺点是必须在电机约簸出 辘上愿弛配有减速器，从两降低电机输嬲转速，撼赢输出力。瓤且还婴 通过键、联轴器终辅助零件方可与曲柄撼栉规构的原幼件楣连，因此照 帆的零饰数嚣憋太大增热，同融也为聪黯的维修增艇了困难。 魑糖擗块机构( 参照豳3 3 ) 中的涟轷3 与擗块4 张机构簿鞠中代 袭了两个不同的部分，德是在实繇工程巾通鬻阿以由个可以绕采端旋 转魏塞线媳枫代耱。她缀线毫椒综合了涟杼3 与攒块4 的功能，因此w 以大丈越化整帆的零部件数县，从薅整个机鞫的设计、零彳牛鹣期工和装 怒熨艇篱溃，整规的霹禳性大大增强。 综合考虑上述鼹套蠢寨，结会护理庶豹安全性、w 靠矬鹈王棒安黪 稷虞鹣婺求，以及护理床疆矮维修静方便，现浆黑魑横攫块机构传魏最 终豹实理方寰。黧3 6 为采黑簦糕攒块机构设计嚣的大腿瑕部癸的藏体 终梅巨( 囊援躅方囊 。 篷3 6 巾熬鑫、b 长嶷缓出公式( 3 1 6 ) 郝( 3 1 7 ) 求解褥出， 疑避匿艇嚣敢 a 2 9 5 r a m b 一3 8 0 r a m 第三章床体的结构设计 图3 6 大腿板部分床体结构图 f i 9 3 6 s t r u c t u r ed r a w i n go fc a r eb e d sl e gp a r t 3 4 4 腿部的床体结构 护理床的小腿部分涉及的体位位姿数目众多，包括屈腿、抬腿和坐 姿，并且运动幅度大，空间范围广，普通的单自由度机构难以同时满足 上述要求。因此，在依附于原有大腿部分结构( 单自由度) 的基础上， 再并联一个单自由度的曲柄摇块机构，作为小腿面板体位位姿的实现机 构，通过大、d 、腿两部分机构协同配合来实现多种腿部体位位姿a 图3 7 为腿部的结构简图。 大撇小腿板 图3 7 ( a )结构简图1 f i 9 3 - - 7 ( a ) t h eg e n e r a lv i e w1 o fl e ga n dc a r sp 8 r t 1 9 栅 热 雾 牮南理工大学工学硬学位论文 夔3 7 ( b )缝耱蕊强2 f i 9 3 7 ( b ) t h eg e n e r a lv i e w 2o f l e ga n d c u r sp a r t 图3 7 ( c )结构简图3 f i 9 3 7 ( c ) t h eg e n e r a lv i e w 3o fl e ga n dc u r sp a r t 网3 7 ( d )结构简圈4 f i 9 3 - - 7 ( d ) t h eg e n e r a lv i e w 4o fl e ga n dc u r sp a r t 羲捣麓图3 7 ( a ) 串魏蓠拿蒙动替程实嚣设诗瓣竣直线电祝代替， 由计算机通过多轴控制技术来协调控制彼此之间的相时位置，从而实现 特定的体位。 枣髓援部势熬藤俸缍糗嚣懿爨3 8 辫示。 3 5小结 本鬻潺过讨论藤面板薪簧蜜现秘旋转运动孰遗，结合莠竣浅设诗对 需考虑的铸种附加搿求，提出了两种选择方案：曲柄摇杆机构和曲柄摇 块极构。针对这两糖极构，分别绘出了它髑备皂在设计尺寸参数对赝需 要静数学解褥式