多功能医用护理床的结构设计及优化【病床医疗床】【三维SW】【6张CAD图纸】
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多功能医用护理床的结构设计及优化 56摘 要多功能医用护理床是一种针对危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。本文针对上述情况，提出了一种新型的多功能医用护理床，采用三维数字化设计软件soliderworks对其进行建模和装配，然后导出到CAD进行修改。利用机械分析软件ADAMS对其进行运动学及动力学分析，研究了床板在各种运动状况下的角加速度对患者舒适度的影响及线性推杆在各姿态下的受力状况，并利用ADAMS提供的优化功能对其分别进行了运动学和动力学优化；以角加速度最大值的最小化作为优化目标函数进行运动学优化，以线性推杆受力的最大值最小化作为动力学优化目标函数，得到满足设计要求的机构参数。采用力学理论分别对多功能医用护理床的主要零件进行力学计算，保证了机构运动的安全性及稳定性。控制系统采用单片机控制，通过单片机控制，实现各个机构的运动，安装传感器来控制机构所转过的角度。利用单片机为主的控制系统，达到控制要求。关键词：多功能医用护理床，干涉检验，运动学优化，动力学优化，控制系统ABSTRACTMultifunction Nursing-bed is designed for those critically ill patients and the special needs of paralyzed patients designed bed is able to adjust the angle of the back and feet. Even if we can not take care of themselves, the nursing staff can also be operated bedside controller to reduce the care of sick and disabled patients with the labor intensity. In this paper, the above situation, a new type of multi-functional medical care beds, the use of digital three-dimensional design software for modeling and soliderworks its assembly, then export to CAD and correct it. the mechanical analysis software ADAMS kinematics and dynamics of its analysis, research of the bed board in the under a wide variety of sports on the angular acceleration of the impact of patient comfort and linear putter in the posture of the force, and provided the use of optimization ADAMS conducted its kinematic and dynamic optimization; to angular acceleration The minimum value of objective function as for kinematic optimization, linear putting maximum stress as a dynamic optimization to minimize the objective function. Have to meet the design requirements of the body parameters. Finite calibration methods of mechanics of materials, respectively, of multi-bed medical care for the mechanical parts of the main check to ensure the safety of the movement and stability. Control system adopts microcomputer control, through MCU control, to achieve the movement of various agencies, to install sensors to control the body turn angle. Use of microcomputer-based control system to control demand.Key words: Multifunction Nursing-bed, interfere check, kinematics optimization, dynamics optimization, control system目录1 绪论11.1 课题的目的及意义11.2 国内外研究状况及发展趋势11.3 本文主要研究内容61.4 本章小结62 护理床结构的整体方案72.1 护理要求72.2 护理床的总体方案构思72.3 本章小结93 护理床的结构设计103.1 引言103.2 侧翻机构103.3 抬背机构113.4 曲腿机构133.5护理床的三维建模143.6 本章小结164 护理床运动学优化174.1 引言174.2侧翻机构的运动学分析174.3抬背机构的运动学分析234.4曲腿机构的运动学分析264.5本章小结295 护理床动力学优化305.1引言305.2侧翻机构动力学分析305.3抬背机构动力学分析325.4曲腿机构动力学分析345.5本章小结366 护理床的力学分析376.1 引言376.2 力学计算376.3 本章小结407 护理床控制系统设计417.1 引言417.2 直流电机控制原理417.3 控制系统方案417.4 控制系统的硬件设计437.5 控制系统的软件设计487.6 本章小结528 结论538.1 课题结论538.2课题展望53参考文献54致谢561 绪论1.1 课题的目的及意义多功能医用护理床是针对生活不能自理的病人、危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。课题根据国家和上海市中长期发展纲要确定的研究方向和企业的具体需要，设计一种用于医院重症病人用的多功能床，解决病人身体和生理方面的需要（抬背、翻身等），也减轻护理人员的劳动强度。针对市场需求开发设计一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能护理床并进行动态仿真，对于产品的产业化具有重要的意义。1.2 国内外研究状况及发展趋势随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人口寿命不断延长，思想的进步，城市人口正逐步进入老龄化,人口老龄化已成为世界范围内的社会问题。据统计，欧洲发达国家和日本的老年人独居率已高达40%，如此之高的比例迫使社会采取措施解决老年人的护理服务问题。如果完全依靠家庭人工照料，与西方国家子女与老年人分居、家庭规模小型化的观念有抵触之处。我国60 岁及其以上老年人口已达1.32 亿, 占全国总人口的10%, 并以年均3.32%的速度持续增长。其中“空巢家庭”占所有老龄家庭总数的25.8%,在一些大城市中该比例更大，解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护问题是人口老龄化国家所面临的共同问题1。为此, 国家也大力加强了对护理机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或长期使用病床的病人提供一个集护理和排泄等各功能于一体的多功能护理床。现在家庭需求护理床的潜力日益增加,以前是简易的记理床,后来加上护栏,餐桌;再后来加上大便孔,轮子;现在产生了很多集多功能为一体的多功能,电动护理床,极大的提高了患者的康复护理水平,也为护理人员提供了极大的方便,所以操作简单,功能强大的护理产品越来越受到追捧。护理床在国内的设计研究尚处于初级阶段，产品的功能、结构、造型有待进一步的完善。国外护理床的研究以德国、日本为代表，各种护理功能正在逐步完善，成熟。但因其价格昂贵（一般售价在20 万人民币以上），很难为一般的消费者所接受。护理床的基本分类情况如下1：图1-1 护理床分类状况表1-1护理床分类概括名称优点存在问题功能基础型护理床1、结构、生产工艺简单，易于制造。2、价格便宜。1、功能比较简单，不能实现使用者的护理要求。2、手动为主，操作繁琐。3、造型传统，舒适性差。4、应用范围窄。功能普通型护理床1、一般为电动，用户可简单操作控制。2、能完成基本的护理功能。3、增添了辅助功能接口。4、整体造型，色彩改进，具有一定的亲和性。1、市场售价偏高。2、功能启动柔性差，衔接不连贯。3、功能一体化造成功能浪费。4、生产技术含量低，容易被仿制。5、文字，图像识别功能差功能高级型护理床1、护理功能完善。2、功能调整定位准确，连贯性好，基本无噪音。3、结构设计合理，安全。4、造型新颖，有较强的亲和力。5、文字，标志容易识别。1、市场售价昂贵。造成功能浪费严重，造成额外的经济成本。2、整体可拆性差，运输、组装繁琐。3、对患者康复功能的考虑较少。从近年来的发展来看，国内的发展迅速，各种结构、功能等等各异的护理床层出不穷。发展方向主要向机器人模块化的自动控制方向发展。1.2.1 结构的发展结构功能单一的护理床已经逐渐隐退。如今护理床床体本身的构件要实现多种功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左侧翻、右侧翻、洁便门开关装置及冲洗马桶和冲洗身体的装置, 另外还有烘干和抽风的设备。各个部分可以独立的运行来完成相应的动作, 同时将单个功能组合起实现复杂的功能。譬如病人躺在床上排泄问题的解决, 改变靠背板的仰角或者左右的侧翻以取得舒适的姿态, 护理人员对洁便池的清洗等2。如今多功能医用护理床的各种类型： 图1-2 多功能医用护理床的各种类型 多功能护理床实现的各种动作： 侧翻 抬背和曲腿 另一种侧翻1.2.2 测量系统的发展临床上被称为生命体征参数的血压、心率和体温是衡量人体机能状况的重要指标,这些参数的测量是日常护理的重要组成部分。传统的方式是由医护人员以通用的测量装置对各参数逐一进行测量,这无疑给医护人员增加了很大工作量。在多功能护理床中,利用单片机系统能很方便地实现对血压、心率和体温等的采集、处理,并将采集数据传送给医护人员,提高了护理工作的品质和效率。多功能护理床除了完成基本的肢体动作功能以外,根据临床护理的需要,还对生命体征参数进行测量。为实现此目的所搭建的系统硬件主要由参数转换传感元件、处理电路、单片机、液晶显示器、数据传输等部分组成, 为了测得所需的数据,选择合适的传感器是至关重要的。人体的血压、心率和体温分别由压力传感器、脉搏传感器和温度传感器进行采集并转换为电信号。在多功能护理床中,通过传感器采集人体血压、心率和体温信号,送入单片机处理,处理结果通过网络传入上位机,可根据设定值,判断是否超出规定值,发出报警信号,方便医护人员及时作出相应处理。此测量系统增加了护理床的功能,提高了性能价格比,适合大中型医院、疗养院以及普通家庭使用。整个系统使用方便,操作简单,扩展功能强,在普通护理床基础上增加了测量病人血压、心率和体温的功能,为医疗护理行业提供了新的测量方法。图1-3血压、心率和体温测量系统1.2.3 控制系统的发展可编程控制器(PLC) 作为新一代的工业控制装置, 由于具有结构简单、组合灵活、性能优良、通用性强、简单易用等特点, 特别是它的高可靠性和适应性, 深受广大用户的欢迎, 已在工业控制中得到了广泛的应用4。现在的PLC 可管理高达5000 多点的I/O 口，并有很高的指令执行速度和高可靠性，使它能满足多轴运动控制系统的控制要求。PLC对护理病床多轴运动控制主要的优势表现为有足够容量的存储单元和大量高速运算指令，能够进行各种接口、通信、数据逻辑运算及复杂的逻辑控制。然而PLC 的高可靠性、灵活高速的运算指令并不能弥补其昂贵的造价和有限的扩展性。而MS51 系列单片机系统却以其低成本、高集成、速度快、易扩展被广泛地应用于工业生产的方方面面。图1-4 一种嵌入式控制器控制框图1.2.4 机器人化智能语音系统语音作为当前控制方法中最自然的控制命令, 随着计算机和语音处理技术的发展 ,语音识别系统的实用性不断提高。语音识别控制技术将是今后一段时期语音技术的发展方向。将语音识别技术引入到护理床控制，将为丧失自理能力的使用者带来极大的便利。护理床的语音控制系统包含语音识别模块和语音回放模块，从而使护理床不但能实现语音控制操作，而且通过语音回放模块可以为使用者提供语音反馈，更有亲和力，更具人性化。语音控制技术是现有各种控制方式中的一种高级控制方式,它具有控制方式自然、方便,亲和力好,适用范围广的特点. 将语音控制技术引入到护理床的控制之中,将极大地方便使用者,尤其对于那些丧失或部分丧失活动、自理能力的患者而言,语音控制可以帮助他们增强自信心,减轻对他人的依赖,增添生活的勇气和信心13。 (1) 语音信号的采集处理过程语音信号是一种典型非平稳信号，但常常可假定为短时平稳的，既在1020ms内其频谱特性可近似看作不变，可采用平稳过程的分析处理方法来处理，即语音信号的时域处理方法。图1-5 语音信号处理过程(2) 语音识别方式语音识别分为特定人识别系统和非特定人识别系统，由于使用者的语音以及地方语言存在很大差异性，我们使用可不依赖于对地方语言识别的特定人识别系统，即每一位使用者都必须在使用前建立自己专用的参考模式库，然后说话人的语音数字流与一套公用的参考模式库啮合，进行少量的训练修改，使之能自动适应用户的语音特性。(3) 语音回放方式在现有语音识别技术的基础上再增加与识别技术相对应的语音回放技术，将为使用者提供更友善的提示语句和更便利的操作性能。该语音回放模块采用了高音质单晶片语言录放IC，芯片内部集成语音信号放大、滤波、采样、/转换等模块，可选择2、4、8等长分段或自动或手动录音。电路所需外围零部件少，线路简单可靠，更改录放内容简便、灵活、易操作、成本低6。1.3 本文主要研究内容鉴于人口老龄化的发展、医疗和护理费用的不断增加以及国内外市场需求的不断扩大，本文提出了一种新型的多功能医用护理床，提出几种新型的护理床侧翻机构、抬背机构以及曲腿机构，以单片机为主控制芯片，控制多台直流电机驱动整台护理床工作。实现床面的多种姿态的切换，达到满足护理要求的多功能医用护理床。主要研究内容如下：(1) 设计各种护理床的运动机构，并用图解法的方法得到初始设计尺寸。(2) 利用三维设计软件，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计，并对其进行干涉检查，然后导出CAD图。(3) 根据初始设计数据在ADAMS中建模，利用优化功能对其进行运动学和动力学优化仿真，得到优化后的设计数据。(4) 根据优化数据修改三维模型，并同时检查模型中是否存在干涉，得到满足设计要求的护理床。(5) 对护理床的主要零件进行受力校核，检验整台护理床使用的安全性及稳定性。(6) 设计护理床的整体控制方案。设计控制流程框图，用PROTEL软件完成单片机接线图，以及外部接线图，编写单片机主要程序。1.4 本章小结本章主要介绍了课题的目的和意义，目前医用护理床在国内外的发展趋势和各类护理床的比较，在多个方面表明了当今多功能医用护理床护理床各个模块的发展情况，最后根据研究分析确定了自己所需完成的研究内容。2 护理床结构的整体方案2.1 护理要求2.1.1 护理床的工作环境多功能医用护理床多数是应用于病房和家庭居室，室内温度变化不大无需特别考虑，但是需要考虑到环境对噪声的限制，故设计时电机类型及型号的选取应满足工作噪音低于20分贝，床体材料也需要得到考虑，并且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。2.1.2 护理床的位姿和控制要求护理床应该满足有利于被护理人康复、生活自理所需的各种必要的体位位姿，这些体位位姿包括抬背、侧翻、屈腿等。为了防止褥疮等一系列由于长时间卧床造成血流不畅所引起的并发症，护理床应该能够实现床面的左右侧翻身。对于危重、高度瘫痪等生活上不能自理的病人，在设计时还可以考虑能使病人在床上可以以坐姿或是卧姿排便。同时护理床还应该实现病人的抬腿坐姿体位，以减轻病人由于盘腿坐起时的不舒适感。对护理床的控制方式，可以采用键盘按钮操纵，方便护理人员或病人自己进行控制。2.2 护理床的总体方案构思护理床的总体构思包括机械结构设计、电机驱动、传感、控制运动以及总体位姿协调等问题。2.2.1 构思的提出通过分析现有的护理床设计，我们很容易发现，为了实现床面某一个特定的体位姿态，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空间限制要求。多机构协调的技术是源于模仿人体的运动，人体的运动具有极大的柔性。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12个面板。如图2-1所示。图2-1中，床面板1、床面板2与床面板3对应于人体的背部，床面板4、床面板5和床面板6对应于人体的臀部，人体的腿与脚分别对应于床面板7、床面板8、床面板9和床面板10、床面板11、床面板12。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。图2-1 多功能医用护理床床面板图2.2.2 相关要求与标准为了满足患者在使用护理床时的舒适程度以及有效的减缓护理人员的护理强度。护理床结构在设计时应满足以下几个方面的要求:(1) 能够实现护理所需的各种体位位姿要求。(2) 各个活动床面板的摆动角度范围应参照有关医疗护理要求以及人体的舒适感，各床面板摆动角度及标准如下：背板摆动角度：075左/右翻身摆动角度：075腿板摆动角度：045(3) 护理床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合医护要求。(4) 床体的结构尺寸有一定的空间范围限制。2.2.3 护理床的组成多功能医用护理床从结构和功能上分为：床框架、平面连杆机构、床板、控制系统组成。图2-2 多功能医用护理床系统框图床框架除了固定的机械机构以外，还包括各个电机安装模块。平面连杆机构包括：侧翻机构、抬背机构、曲腿机构。床板由床板框架和床板面板组成，整台多功能医用护理床中共有四台直流电机，分别完成头部升降、腿部屈伸、左右侧翻等动作。本课题工作重点在平面连杆机构部分，包括机构结构的设计，运动方案的设计，整个多功能医用护理床三维虚拟样机的建立，虚拟样机运动学与动力学优化，整床的装配及调试；控制方案确定，电路板设计、控制线路布置、连接，各种传感器设计安装，编程以及调试。2.3 本章小结本章围绕护理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要求，指出了护理床设计时所需的各项要求，以这些要求为契机，提出了护理床的总体方案的构思，包括整体设计的构思思路，护理床结构形式的初步探讨，护理床的各个组成部分。对于控制系统采用单片机为主控制芯片，控制多台电机实现联动控制，完成护理床的各项功能。3 护理床的结构设计3.1 引言多功能医用护理床为了实现侧翻、抬背和曲腿等动作主要有以下几个机构组成：抬背机构，侧翻机构和曲腿机构。在设计计算的时候大多采用图解法计算多功能医用护理床的各个机构，在满足机构设计要求的条件下，采用AUTOCAD软件辅助得到满足机构运动要求的初始机构各杆件尺寸。3.2 侧翻机构侧翻机构是多功能医用护理床中的一个关键机构，其主要的功能是实现患者在护理床上的左右翻身，避免因患者背部长期接触被褥而产生褥疮，同时减轻护理人员的护理强度。3.2.1 侧翻机构的结构和工作原理多功能医用护理床的侧翻机构采用两个对称的四杆机构，由两个直线驱动器驱动。通过电气控制，实现护理床的左右侧翻功能。简图如图3-1所示。 左侧翻示意图 右侧翻示意图图3-1 侧翻机构多功能医用护理床的侧翻机构由线性推杆、侧翻连杆、侧翻滚子、两侧床板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于侧翻构件上，侧翻构件的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与床侧板连接，床侧板通过螺栓与中部床板铰接，中部床板通过固定器将中部床板固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得侧翻构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背部侧板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。3.2.2 侧翻机构的设计（图解法）侧翻机构由左右两个四杆机构组成，两个机构承对称，因此设计其中之一即可。通过查阅手册人体的肩宽大约为330415mm，因此床的中间段板要尽可能的窄，使患者能实现翻身这一动作。在此设计中背板中部设为180mm；两侧板设为320mm；床板的厚度设为35mm；支承滚子的直径设为20mm，床的高度根据普通床的高度做调整，过高不方便患者上下床，过低影响安装空间。线性推杆的底部安装点到床板转轴距离根据机构的始末位置把电机的行程范围定为115mm。利用AUTOCAD的旋转功能，将一侧床板翻转75，利用偏移指令，找到侧翻构件翻转后的位置，再次旋转得到电机前端的安装点，这样就可以得到了侧翻机构在水平状态时的机构的各点的参数，根据设计要求侧翻的翻转最大角度为75，所以将背板旋转75之后，又得到了一个新的机构的位置，通过观察发现，机构在终了位置时，杆件并没有发生碰撞干涉，符合机构的运动要求，测量线性推杆在终了位置时的伸长长度，推杆在许用选用范围之内，满足了推杆的选用行程，至此侧翻机构的图解法设计结束，各点的安装位置及初步设计尺寸如图3-2所示。图3-2 侧翻机构初始设计尺寸图3.3 抬背机构抬背机构是多功能医用护理床上的一个关键机构，其主要的功能实现患者在护理床上的抬背及端坐功能。3.3.1 抬背机构的结构和工作原理多功能医用护理床的台北机构类似于侧翻机构，由线性推杆、抬背连杆、抬背滚子、背板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于抬背构件上，抬背构件的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与背板连接，中部床板焊接固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得抬背构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。简图如图3-3所示。图3-3 抬背机构3.3.2 抬背机构的设计（图解法）多功能医用护理床的抬背机构采用一个四杆机构，用单个线性推杆驱动。查阅手册得人体的坐高大约为800mm左右，所以本机构中背板的长度为860mm，滚子的直径为20mm，与侧翻机构相似，图解法设计，设臀部床板的长度为400mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为608mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的抬背机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，将背板向上翻转75之后，利用偏移命令，找到转动摆杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为190mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。初步设计完成之后的尺寸图如图3-4所示，各点安装位置也如图所示。图3-4 抬背机构初始设计尺寸图3.4 曲腿机构曲腿机构是医用护理床上的一个关键机构，主要实现腿部床板的向下弯曲。在向下弯曲的时候，脚板必须处于水平位置。3.4.1 曲腿机构的结构和工作原理多功能医用护理床的曲腿机构是一个五杆机构，由单线性推杆驱动，实现曲腿的动作。简图如图3-5所示。图3-5 曲腿机构多功能医用护理床的曲腿机构包括：线性推杆、曲腿连杆、曲腿连杆、腿部床板和部分床架。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于曲腿连杆上，曲腿连杆又和曲腿连杆相铰接，曲腿连杆再和腿部床板铰接；曲腿连杆和腿部床板通过不同的铰接分别固定于床架上，线性推杆的推动使得曲腿构件绕着床架发生转动，通过曲腿连杆与腿部床板相铰接，使得腿部床板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。3.4.2 曲腿机构的设计（图解法）多功能医用护理床的曲腿机构采用一个五杆机构，设大腿板的长度为445mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为380mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的曲腿机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，机构做拉动，将腿板向下翻转45之后，利用偏移命令，找到转动连杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为101mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。初步设计完成之后的尺寸图如图3-6所示，各点安装位置也如图所示。图3-6 曲腿机构初始设计尺寸图在大腿板和脚板的连接处添加两处支撑滚子，在曲腿没有或初进行时，滚子起支撑脚板的作用。在床架下框架再添加两处支撑滚子。当曲腿运动进行时，脚板碰到床下框架的滚子，使得小腿板弯曲变为接近水平位置，起到支撑脚的作用。而腿板与脚板连接处的滚子由于曲腿动作失去支撑作用。3.5护理床的三维建模通过图解法的方法得到了护理床的初始设计数据，这些是对护理床进行建模的基础，根据上述初始设计数据，通过soliderworks软件对其进行建模，Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。得到的模型如图3-7所示。图3-7(a) 护理床床架三维模型图3-7(b) 护理床侧翻（左）连杆三维模型图3-7(c) 护理床抬背连杆三维模型图3-7(d) 护理床曲腿连杆三维模型图3-7(e) 多功能医用护理床三维模型1图3-7(f) 多功能医用护理床三维模型23.6 本章小结本章通过对多功能医用护理床的各个机构经过论证讨论，初步确定了各个机构的方案，并用图解法的方法，得到了各个机构的初始设计参数，为下一步进行运动学、动力学优化打下了基础。4 护理床运动学优化4.1 引言运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。在变形体研究中，须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选的参考系不同而异；而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为：刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。多功能医用护理床的运动学分析，主要是为了进一步确定各机构的杆件尺寸，在满足各机构运动要求的前提下，保证在运动的时候各机构之间不能发生干涉现象，同时多功能医用护理床的运动学分析也时为了在满足机构运动的条件下，使机构在运行的过程中达到机构运动的优良的运动学状态，得到优化后的设计数据及杆件尺寸数据。多功能医用护理床的运动学分析基于ADAMS机械分析软件。ADAMS是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用ADAMS在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。4.2侧翻机构的运动学分析多功能医用护理床的侧翻机构运动学分析，是以侧翻背板的角加速度的最大值最小化为目标函数，建立运动学方程，基于ADAMS机械分析软件，得到满足机构要求的机构参数。侧翻机构的左右两部分相同，只研究右半部分的侧翻机构。图4-1 侧翻机构关键点简图过O点建立坐标系，以水平方向为X方向，以竖直方向为Y方向。表4-1 坐标系中各点位置坐标点X坐标/mmY坐标/mmO00AX1Y1BX2Y2CX3Y3DX4Y4把所有零部件视为刚体，OA为线性推杆，其长度可以变化，最短长度为348mm。侧翻所转过的角度与各个点的坐标有关。4.2.1 侧翻机构在ADAMS中的建模当机构的各个关键的位置确立好之后，机构就能运行。因此只要合理的选取各个机构点的位置，就能实现医疗床的侧翻功能。在机构的初始位置没有要求的情况下，应该选择一个方便于建模的位置，在进行ADAMS分析时，此位置就是机构的初始位 置。由于医疗床侧翻机构的模型比较简单，利用ADAMS自身提供的建模工具，就可以建立侧翻机构的模型。使用ADAMS view提供的参数化的方法可以方便的建立参数化的样机模型。利用该样机模型可以进行动力学及运动学仿真，通过其自身提供的后处理功能，可以将所得的数据绘制成数据曲线图，并可以对曲线进行数学操作。ADAMS还以可通过自身所具有的模块对机构进行优化，得到理想的机构模型。（1）设置操作环境在建立模型前，首先应该设置操作环境，以方便模型的建立：a. 设置单位在菜单Setting中选择Uints，出现单位设置对话框，选择MMKS。b. 定义地面坐标系选择默认状态下的笛卡尔坐标系作为地面坐标系。c. 定义重力选择默认状态下大小为1G的重力加速度，方向为-Y方向。d. 设置工作栅格在菜单Setting中选择Working Grid，出现栅格设置对话框，X，Y方向的栅格范围分别设置为750和500，按OK确定。（2）建立设计变量及关键点根据医疗床的机构简图及运动分析，首先建立基础设计变量。其中包括设计变量和关键点变量。由于机构的驱动器采用为线性推杆，其具有一定的安装尺寸要求。医疗床的床面高度，以及侧翻机构的侧翻角度也有一定的要求，所以设计的时候由一定的尺寸要求，设计成形后要求线性推杆的初始长度为348mm，机架的最大高度340mm左右。这些设计数据对应于设计变量的取值范围，定义好后的设计变量如表4-2所示：表4-2 初始设计变量变量名说明Standard value/mmDV_L1A点X方向坐标250DV_L2A点Y方向坐标245DV_L3B点X方向坐标200DV_L4B点Y方向坐标330DV_L5C点X方向坐标150DV_L6C点Y方向坐标390DV_L7D点X方向坐标400DV_L8D点Y方向坐标370图4-2 关键点的建立（3）在ADAMS中完成样机的建模图4-3 侧翻机构在ADAMS中的建模（4）添加传感器后的仿真图4-4 添加传感器后的仿真4.2.2 样机的参数化（1）设计研究通过ADAMS提供的设计研究，对各个设计变量进行设计研究得到报表如下：Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 1.0564 225.00 0.042129 2 1.5831 237.50 0.052139 3 2.3599 250.00 0.083120 4 3.6610 262.50 0.13835 5 5.8187 275.00 0.17261Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 0.88928 230.50 0.12975 2 1.8300 237.75 0.10142 3 2.3599 245.00 0.092223 4 3.1672 252.25 0.14611 5 4.4785 259.50 0.18087Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 2.1741 180.00 0.013888 2 2.3130 190.00 0.0092903 3 2.3599 200.00 0.0015204 4 2.3434 210.00 -0.0057652 5 2.2446 220.00 -0.0098788Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 7.4181 307.00 -0.30897 2 3.8649 318.50 -0.21992 3 2.3599 330.00 -0.12867 4 0.90560 341.50 -0.087636 5 0.34428 353.00 -0.048811Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 3.9090 127.50 -0.071394 2 3.1058 138.75 -0.068848 3 2.3599 150.00 -0.054516 4 1.8792 161.25 -0.039681 5 1.4671 172.50 -0.036631Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 2.7446 360.50 -0.013992 2 2.5382 375.25 -0.013041 3 2.3599 390.00 -0.0096869 4 2.2525 404.75 -0.0072597 5 2.1458 419.50 -0.0072352Trial O1 DV_7 Sensitivity 1 2.3599 369.00 1.0028e-015 2 2.3599 384.50 5.4437e-016 3 2.3599 400.00 -4.5841e-016 4 2.3599 415.50 -1.1460e-016 5 2.3599 431.00 7.7357e-016Trial O1 DV_8 Sensitivity 1 2.3599 344.30 -1.0022e-015 2 2.3599 357.15 -2.2680e-030 3 2.3599 370.00 3.8015e-016 4 2.3599 382.85 -6.9119e-017 5 2.3599 395.70 1.0368e-016（2）试验设计通过上述的设计研究发现DV_L4、DV_L7和DV_L8的敏感度最大，所以在实验研究的时候着重对这三个点进行研究，改变三个设计变量的变化范围DV_L4的变化范围是020，DV_L7的变化范围是-200，DV_L8的变化范围是-200；实验研究报表为： O1) Minimum of MARKER_1_MEA_1 Units : deg/sec*2 Maximum Value: 0.069022 (trial 4) Minimum Value: 4.95551e-005 (trial 7)Trial O1 DV_4 DV_7 DV_8 1 0.00010396 330.00 200.00 216.00 2 0.00055848 330.00 200.00 245.00 3 0.041170 330.00 250.00 216.00 4 0.069022 330.00 250.00 245.00 5 5.8272e-005 376.00 200.00 216.00 6 5.8768e-005 376.00 200.00 245.00 7 4.9555e-005 376.00 250.00 216.00 8 7.6250e-005 376.00 250.00 245.00图4-5 各数据下的角加速度曲线（3）优化分析在实验研究的时候着重对这三个点进行研究，改变三个设计变量的变化范围DV_L4的变化范围是07，DV_L7的变化范围是-70，DV_L8的变化范围是-60；实验研究报表为： O1) Maximum of MARKER_1_MEA_1 Units : deg/sec*2 Initial Value: 2.39011 Final Value : 0.897772 (-62.4%)Iter. O1 DV_4 DV_7 DV_8 0 2.3901 330.00 250.00 245.00 1 0.89740 346.10 240.28 236.30 2 0.89777 346.10 240.28 236.30图4-6 优化前后角加速度对比通过对比，我们很容易发现优化后角加速度明显减小，图4-9中实线为初始角加速度曲线，虚线为优化后曲线。经过优化，可以确定三个变量的值分别为DV_L4为346.10、DV_L7为240.28、DV_L8为236.30，此时可以满足设计要求，即背板翻转角度为75，角加速度减小到机构满足的范围之内。优化之后主要变动的为B点的安装尺寸及BD杆的长度，具体变化详见表4-3。表4-3 杆件尺寸变化B点距A点竖直距离/mmBD/mm初始尺寸65 98.4优化后尺寸48.9115.14.3抬背机构的运动学分析图4-7 抬背机构关键点简图4.3.1 抬背机构在ADAMS中的建模（1） 建立设计变量表4-4 关键点设计变量及初始值关键点坐标方向变量名初始值/mmAPoint_A_XDV_1495Point_A_YDV_2390BPoint_B_XDV_3222Point_B_YDV_4370CPoint_C_XDV_5458Point_C_YDV_6330DPoint_D_XDV_7608Point_D_YDV_8275EPoint_E_X0Point_E_Y0（2） 建模图4-8 抬背机构在ADAMS中的建模4.3.2 样机的参数化（1）设计研究运动学设计研究报表如下所示。Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 3.4761 483.00 -0.00021592 2 3.4725 490.00 -0.00021155 3 3.4689 495.00 -0.00020283 4 3.4655 501.00 -0.00019416 5 3.4623 512.00 -0.00018987Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 3.4556 372.00 -0.00047451 2 3.4626 383.00 -0.00045328 3 3.4689 390.00 -0.00041312 4 3.4747 401.00 -0.00037729 5 3.4800 412.00 -0.00036039Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 3.4689 1769.00 4.4144e-012 2 3.4689 199.50 5.6664e-012 3 3.4689 222.00 -1.0909e-012 4 3.4689 240.50 -4.4672e-012 5 3.4689 261.00 1.6574e-013Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 3.4689 353.000 -6.8425e-012 2 3.4689 361.000 -9.2588e-012 3 3.4689 370.000 4.5511e-012 4 3.4689 379.000 1.2169e-011 5 3.4689 388.000 3.5609e-012Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 3.4637 448.000 0.00050460 2 3.4662 453.000 0.00052487 3 3.4689 458.00 0.00055844 4 3.4718 463.00 0.00057980 5 3.4747 468.00 0.00058786Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 3.4864 314.000 0.0012730 2 3.4783 321.000 0.0013766 3 3.4689 330.000 0.0016050 4 3.4579 333.000 0.0018802 5 3.4450 340.000 0.0020307Trial O1 DV_7 Sensitivity 1 3.4683 601.000 -6.4020e-005 2 3.4685 604. 000 -8.3627e-005 3 3.4689 608.000 -0.00011856 4 3.4695 612.000 -0.00014581 5 3.4701 616.000 -0.00015773Trial O1 DV_8 Sensitivity 1 3.4483 263.00 -0.0017700 2 3.4592 269.00 -0.0016691 3 3.4689 275.00 -0.0014786 4 3.4775 281.00 -0.0013096 5 3.4851 287.00 -0.0012302通过上述报表，对比发现DV_2、DV_5、DV_6、DV_8的敏感度最大，所以在优化设计的时候选取上述四个设计变量作为优化的变量值。（2） 优化设计以背板角加速度的最大值最小化作为优化目标，进行优化设计，期望在满足机构运动条件的情况下，得到最优的机构数据。图4-9 抬背机构运动学优化前后背板角加速度曲线表4-5 优化前后机构杆件尺寸表A、C点间竖直距离/mmBC /mmCD /mmDE /mm初始值60236256667优化值76.22372426824.4曲腿机构的运动学分析图4-10 曲腿机构关键点简图4.4.1 曲腿机构在ADAMS中的建模（1） 建立设计变量表4-6 关键点设计变量及初始值关键点坐标方向变量名初始值/mmAPoint_A_X0Point_A_Y0BPoint_B_XDV_1294.5Point_B_YDV_2240CPoint_C_XDV_3414.5Point_C_YDV_4320DPoint_D_XDV_3414.5Point_D_YDV_5405EPoint_E_XDV_6204.5Point_E_YDV_7447.5FPoint_F_XDV_8162Point_F_YDV_9370（2） 建模图4-11 曲腿机构在ADAMS中的建模4.4.2 样机的参数化经过设计研究之后，各个设计变量的敏感度如下所示： Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 2.2766 264.50 -1.4803e-017 2 2.2766 294.50 -1.4803e-017 3 2.2766 324.50 -1.4803e-017Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 2.1242 233.000 -0.021783 2 2.2766 240.000 -0.023690 3 2.4558 247.000 -0.025598 Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 3.0273 399.50 -0.050044 2 2.2766 414.50 -0.040482 3 1.8128 429.50 -0.030920Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 1.6488 290.00 -0.020929 2 2.2766 320.00 -0.023794 3 3.0764 350.00 -0.026658Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 2.8166 397.00 0.069229 2 2.2766 405.00 0.060197 3 1.8776 413.00 0.051164Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 2.2724 197.50 -6.4222e-005 2 2.2766 204.50 -5.9733e-005 3 2.2803 212.50 -5.5244e-005Trial O1 DV_7 Sensitivity 1 2.2766 432.50 -1.4803e-017 2 2.2766 447.50 -1.4803e-017 3 2.2766 459.50 -1.4803e-017Trial O1 DV_8 Sensitivity 1 2.1242 153.000 -0.021783 2 2.2766 162.000 -0.023690 3 2.4558 172.000 -0.025598 Trial O1 DV_9 Sensitivity 1 3.0273 360.00 -0.050044 2 2.2766 370.00 -0.040482 3 1.8128 382.00 -0.030920分别选择DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_7、DV_9四个设计变量作为优化时的设计变量，进行优化设计，优化目标函数为小腿板转动角加速度最大值的最小化，优化后设计如表4-7。表4-7 优化前后曲腿机构杆件尺寸变化表AB/mmBC/mmCD/mmDE/mmBE/mm初始值380144.685207.5185.6优化值382145.586.3207.2184.8图4-12 曲腿机构运动学优化前后腿板角加速度曲线观察图4-12，可以知道曲腿机构经过运动学优化之后，机构的运动学性能得到了显著的改善，其角加速度的最大值由原来的1.0deg/s2减小为优化后的0.46 deg/s2由此可知，经过运动学优化之后，机构的整体的运动学特性得到了改善。4.5本章小结根据图解法得到的初始设计数据，建立了虚拟样机模型，经过运动学优化之后，得到了满足机构运动要求的参数及尺寸。但这样的虚拟样机优化与实际样机还存在着一定的距离，所以，本文作者通过运动学优化之后的数据，作为动力学优化的初始数据，再对机构进行动力学优化，真正满足机构在运动过程中的安全性及可靠性。本章是动力学优化的基础。5 护理床动力学优化5.1引言动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。动力学以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。牛顿首先引入了质量的概念，而把它和物体的重力区分开来，说明物体的重力只是地球对物体的引力。多功能医用护理床的运动学分析是基于ADAMS建立于在运动学分析的基础之上的，根据先前的运动学分析，以运动学分析结果作为动力学分析的初始值，综合考虑线性推杆的推、拉力的限制以及机架各支点的受力状况，主要对线性推杆的受力状况及各床架支点的受力状况进行动力学分析。5.2侧翻机构动力学分析5.2.1为机构添加外力侧翻机构在运行的过程中，会有以下几个方面对机构运动产生影响。它们是机构自身质量，患者体重以及各个运动副之间的摩擦力。由于摩擦力很小，在此忽略不计，只考虑机构的重量及患者的体重。通过solidworks软件对虚拟样机进行质量测量，测得背板质量为20kg，通过设计手册查得我国身高1.85m的成年人平均体重为83kg左右。为了真实的模拟虚拟样机的性能，本文采用背板质量为20kg，人体背部重量为50kg。对机构添加力之后，运行一次动力学仿真。测量各个点的受力以及电机的受力。仿真时间为25s，步数为500步。添加力测量，测得的各点受力曲线如图5-1所示。图5-1 各点受力曲线5.2.2侧翻机构动力学优化仿真从图5-1中，得知MAKER_5点的受力最大，机构的受力优化就从MARKER_5着入。首先，测试各个设计变量对MARKER_5的受力变化的敏感度。运行一次动力学仿真，时间为25s，步数为500步，线性推杆移动速度为5.5mm/s，背板质心处加力500N，背板自重20kg。运行优化设计，优化的目标为将MARLKER_5点的受力的最大值进行最小化，仿真后优化数据如下：Model Name : model_1Date Run : 2009-04-14 17:13:51Objectives O1) Maximum of MARKER_5_MEA_1 Units : newton Initial Value: 1444.34 Final Value : 1130.2 (-21.7%)Iter. O1 DV_1 DV_2 DV_8 0 1444.3 150.00 295.00 136.30 1 1133.7 165.00 265.50 135.83 2 1130.2 165.00 265.50 134.94 3 1130.2 165.00 265.50 134.945-4 MARKER_21点优化前后受力曲线 5-5各参数下的翻转角度值5-2 MARKER_5点优化前后受力曲线 5-3 MARKER_1点优化前后受力曲线从图5-2至5-4中，可以发现经过动力学优化之后，各支点受力均有明显的改善，其中图5-2中MARKER_5点受力从1443N减至1133N，从图5-5中，背板的转动角度在角度约束的范围之内。5.2.3样机的实际结构通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表5-1所示表5-1各关键点实际取值DV_L1/mmDV_L2/mmDV_L4/mmDV_L7/mmDV_L8/mm初始值250245330400370优化值265215346.1390.28359.94此时，样机的背板转动角加速度最小且各支点的受力也达到了最小化、满足了机构的设计要求。动力学优化前后机构构件尺寸表如表5-2所示：表5-2 优化前后杆件尺寸对比A、B水平距离/mmA、B竖直距离/mmBD/mm初始值506598.4优化值35191185.3抬背机构动力学分析5.3.1为机构添加力为了较为真实的模拟人体的质量，以及考虑背板的推、拉力的限制，在抬背机构的背部添加竖直向下的均布力，大小为400N，在臀部床板添加400N的力，运行一次动力学优化仿真。5.3.2抬背机构动力学优化仿真为了进一步研究线性推杆的受力状况，以及机架上各支点的受力状况，使得机构工作得更安全及更可靠，以抬背机构运动学优化数据为动力学优化的初始数据，优化目标函数为抬背过程中线性推杆受力的最大值最小化，进行动力学优化仿真，已得到满足机构设计要求的最优化参数。通过设计研究对各个设计变量进行敏感度测试。根据设计研究对各设计变量的测试，得到的数据报表如下：Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 1914.3 369.00 10.740 2 2134.5 389.50 -0.021580 3 1913.4 410.00 -2.5693 4 2029.1 430.50 -0.019588 5 1912.6 451.00 -5.6838Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 1913.3 -18.000 0.0037970 2 1913.3 -27.000 -0.0031447 3 1913.4 -36.000 -11.532 4 2120.9 -45.000 -0.0029932 5 1913.5 -54.000 23.048Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 1925.6 90.000 22.755 2 2039.4 95.000 -1.2229 3 1913.4 100.00 -12.825 4 1911.2 105.00 -0.42287 5 1909.2 110.00 -0.39627Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 1912.8 -50.800 -0.079290 2 1913.3 -57.150 -0.044021 3 1913.4 -63.500 -0.042952 4 1913.9 -69.850 -0.069998 5 1914.3 -76.200 -0.062845Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 1913.5 3.9200 0.011536 2 1913.4 0.00000 0.0081747 3 1913.4 -3.9200 -0.012181 4 1913.5 -7.8400 -3.5109 5 1940.9 -11.760 -6.9926Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238 3 1913.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777Trial O1 DV_7 Sensitivity 1 1985.6 306.74 -4.2359 2 1913.4 323.78 -2.1180 3 1913.4 340.82 6.3905 4 2131.2 357.86 0.0011642 5 1913.4 374.90 -12.779Trial O1 DV_8 Sensitivity 1 2163.3 -111.15 40.476 2 1913.4 -117.32 20.238 3 1913.4 -123.50 -15.895 4 2109.7 -129.68 -0.0067767 5 1913.5 -135.85 31.777通过设计研究，观察计算结果，可以发现实际变量DV_3、DV_4、DV_6、DV_8的敏感度最大，所以在优化设计的时候着重考虑上述几个设计变量，对它们进行优化设计，以期望得到满足设计要求的机构最优化参数。5.3.3样机的实际结构通过以上的分析，在实际设计中，各关键点的坐标取值为如表5-3所示表5-3各关键点实际取值DV_2/mmDV_5/mmDV_6/mmDV_8/mm初始值390458330275优化值381452.60332317278.8优化前后杆件尺寸变化如表5-4所示。表5-4 优化前后杆件尺寸变化表A、C竖直距离/mmBC /mmCD /mmDE/mm初始值60236256667优化值62228248659图5-6 抬背机构动力学优化前后电机受力曲线观察图5-6可以得知在机构动力学仿真之后，机构表现出了良好的动力学性能，机构的受力状况得到了有效的改善，达到了预期的效果，即电机受力的最大值最小化。5.4曲腿机构动力学分析为了真实的模拟曲腿机构在运行过程中的受力性能，以及线性推杆的受力状况，所以对曲腿机构在运动学仿真的基础之上进行一次动力学仿真，为了得到较为真实的机构运行状况，并进行优化仿真，得到理想机构设计参数。5.4.1为机构添加外力综合考虑人体的自身重量以及床板的重量，在小腿板的质心处及脚板的质心处各添加竖直向下的力，大小为500N。5.4.2曲腿机构动力学仿真以运动学优化的数据作为动力学优化的初始数据，进行动力学优化，优化的目标函数为电机受力最大值的最小化。首先，对各个设计变量进行设计研究，设计研究的报表如下：Trial O1 DV_1 Sensitivity 1 4229.0 270.00 10.633 2 4548.0 300.00 10.659 3 4868.5 330.00 10.686Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 4435.8 -56.700 -17.645 2 4519.2 -61.425 -18.141 3 4607.2 -66.150 -18.637Trial O1 DV_3 Sensitivity 1 4833.0 156.75 -32.756 2 4427.7 169.12 -28.017 3 4139.6 181.50 -23.278Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 3850.1 -243.00 -25.573 2 4367.9 -263.25 -26.353 3 4917.4 -283.50 -27.134Trial O1 DV_5 Sensitivity 1 4792.4 -81.498 55.604 2 4434.7 -87.932 51.809 3 4125.8 -94.366 48.013Trial O1 DV_6 Sensitivity 1 4541.0 -597.60 -0.10561 2 4548.0 -664.00 -0.098506 3 4554.0 -730.40 -0.091406根据上述的设计研究的结果对DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5、DV_7、DV_9七变量，作为优化设计时的设计变量，进行动力学优化仿真。图5-7 曲腿机构动力学优化前后电机受力曲线图观察图5-7可以得知，经过动力学优化后的电机受力的最大值由原来的4550N减小为优化后的2850N，电机的受力大大的减小，从而保证了机构运行的安全性及运行的稳定性。5.4.3 样机的实际结构 通过以上的分析，在优化设计时选取上述设计变量作为优化设计时的设计变量，进行动力学优化，经过动力学优化之后，各关键点的坐标取值为如表5.5所示表5-5各关键点实际取值DV_1/mmDV_2/mmDV_3/mmDV_4/mmDV_5/mm初始值300-63165-270-85.788优化值270-56.7181.5-243-94.36此时，样机的线性推杆的受力最小且各支点的受力也达到了最小化、满足了机构的设计要求。优化前后机构杆件尺寸变化见表5-6。表5-6 优化前后构件尺寸变化表AB/mmBC/mmCD/mmDE/mmBE/mm初始值380144.685207.5185.6优化值350136.783.6209.35192.85.5本章小结本章在运动学分析的基础之上的，利用运动学分析的数据作为动力学分析的初始数据，对机构进行动力学分析；在满足机构运动学要求的基础上改善机构的动力学性能及机架的受力性能。使得样机的运动性能及受力性能达到最好，满足人体工学以及机构在工作过程中的稳定性及安全性。本章是进行样机物理设计的依据。6 护理床的力学分析6.1 引言多功能医用护理床在满足运动学及动力学性能要求的基础上，需要对其中的一些主要零件进行强度校核，以便在设计的时候合理的选材，在保证多功能医用护理床安全性和稳定型以及尽可能的降低生产成本。6.2 力学计算护理床各主要部件及连杆材料均选用Q235A钢6.2.1床底架杆校核考虑到由于多功能医用护理床内的机构角度，不可避免的会使床的质量增加。由于整床的重量将全部压在床底架长杆上，所以底架长杆将会是受力最大的杆件，根据设计尺寸，底架长杆的长度为1440mm，床底架长杆上有两个支撑点，假设床身的质量为400kg，人体的质量为150kg，总重为550kg。具体计算如下所示：图6-1 床底架受力示意图根据solidworks的称重功能，测得床的质量为365kg，假设床身的质量为400kg，人体的质量为150kg，总重为550kg。所以F2=F3=2750N，=1440mm，=1020mm, =70mm。根据力矩平衡公式：F1=F2+F3得：F1=2215.3N=F1+F4=F2+F3得F4=3284.7N通过上述已知条件，计算杆各段所受的剪力及弯矩：以A为原点，在AB端内：剪力 F=F1=2215.3N，方向向下弯矩 M=F1x 得：M=0775.355NM，方向为逆时针方向在BC段内：剪力F=F2-F1=534.7N，方向向上弯矩 M=F1x-F2（x-0.35） 得：M=229.9775.355NM，方向为逆时针方向在CD段内：剪力F=F4=3284.7N，方向向上弯矩 M=F4x 得：M=0229.9NM，方向为逆时针方向所以，根据计算分析，得出的结果为B点的受力最大且弯矩也最大，所以B点所在在截面为危险截面。计算后的剪力图及弯矩图如图6-2所示。图6-2 床底架剪力及弯矩图根据剪力及弯矩图说明了床底架杆在整体上的受力并没有发生突变，同时也不存在在某段的力值特别大的现象，所以从整体上而言，床框架的力学性能良好，受力情况满足了机构的设计要求。6.2.2 抬背杆校核多功能医用护理床在抬背的时候，其抬背摆杆将是受力较大的杆件，由于人的背部质量较大，所以其将会时比较危险的杆件，对其的力学计算如下。图6-3抬背杆受力示意图按照人体的质量及床板的质量均分，则圆整后的数据为F1=500N，方向向上。F3x=950N，F3y=2039N，=830mm，=680mm, =54mm。F2x=F3x=950N，F2y=F1+F3y=500+2039=2539N在AB段剪力 F=F1=500N，方向向上弯矩 M=Fx，得：M=0340NM，方向为顺时针方向在BC段剪力 F= F3y=2039N，方向向下弯矩 M=F2y（x-0.68）-F1x (0.68x0.734) 得：M=229.9340NM，方向逆时针方向M= F2y（x-0.68）+F2x-F1x （0.734x0.83）得：M=-18.5229.9 NM，方向逆时针方向所以，根据上述计算结果，得知B点的剪力最大且所受的弯矩也是最大，综上所述，B点所在的截面为危险截面。根据计算结果画出的剪力图及弯矩图如图6-4所示。图6-4 抬背杆所受剪力及弯矩图根据剪力及弯矩图说明了抬背杆在AB段的受力最大，前后两端均受到压力使之变形，中部的受力变形则是由于前后两端分别受到向下的压力，所以导致了中部产生了拱起现象的受力。由于抬背杆整体上的受力并没有发生突变不存在在某段的力值特别大的现象，所以从整体上而言，床框架的力学性能良好，受力情况满足了机构的设计要求。抬背杆在三种机构中最危险，因为抬背杆满足了设计要求，所以侧翻和曲腿杆满足设计要求。6.3 本章小结本章通过材料力学分析的方法，检验了多功能医用护理床中主要零件的受力性能，从用户使用的安全性及可靠性出发，保证机构运行的安全性。本章是检验机构运行安全的一个重要环节，是保证机构运行的安全的基础。7 护理床控制系统设计7.1 引言为了实现多功能医用护理床各个机构的运动，对护理床进行控制部分的设计。控制系统由单片机构成主控制以及各个辅助模块，对运动的控制，实质是对四台直流电机正反转和速度的控制。将控制系统分为几个模块进行设计，采用PROTEL软件绘制电路图。7.2 直流电机控制原理直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。直流电机调速基本原理是改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。因此最常用的一定是PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。电机调速一般分为三个级，控制级，驱动级和反馈级。单片机属于前端的控制级，只需要能够产生可调的PWM波形就可以（很多单片机都有专用PWM输出功能，有定时器就能做到）。驱动级，在控制级后。因为单片机弱电不能直接驱动电机这样的强电，所以需要用功率开关器件来驱动电机。基本思路就是通过弱点控制强电。通常，驱动级和控制级还需要电气隔离（光耦器件）保证安全。反馈级是为了实现精确调速的。一般是电流反馈，也有用转速反馈的，也有电流转速双闭环反馈控制的。PWM输出的占空比具体是多少由单片机通过反馈的信息综合运算得到（是负反馈控制）。具体的原理图要根据具体的电机。7.3 控制系统方案控制部分采用模块化，控制系统方案框图如图7-1所示图7-1 控制系统框图7.3.1 控制模块的方案控制系统的主控制CPU采用AT89S51单片机，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大。7.3.2 电机驱动模块方案采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。7.3.3 限位模块当连杆机构运动到设计要求的角度时，通过传感器使机构运动停止，同时反馈位置信息到单片机进行调节。7.3.4 显示模块采用12864LCD液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较复杂，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。7.3.5 键盘模块采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需m根行线和n根列线就可组成mn个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。但此种键盘的软件结构较为复杂。7.3.6 电源模块通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如7812、7805等），此方案可靠性、安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。综上所述：（1）控制模块： 采用AT89S51单片机；（2）电机驱动模块： 采用直流电机驱动芯片L298N实现；（3）限位模块： 采用传感器；（4）显示模块： 采用12864LCD液晶显示模块；（5）键盘模块： 采用标准的矩阵式键盘；（6）电源模块： 采用7805、7812芯片实现。7.4 控制系统的硬件设计7.4.1 电源电路设计电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机需要24V电源，而单片机、显示模块等其它电路需要5V的电源，因此电路中选用7805和7812两种稳压芯片，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图7-2所示。图7-2 电源电路7.4.2 电机驱动电路设计驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用L298N电机驱动芯片驱动电机，该芯片是由四个大功率晶体管组成的H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。其中输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻，Vss接逻辑控制的电源。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL 逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。其电路如图3.3所示，利用两个光电耦合器将单片机的I/O与驱动电路进行隔离，保证电路安全可靠。这样单片机产生的PWM脉冲控制L298N的选通端，使电机在PWM脉冲的控制下正常运行，其中四个二极管对芯片起保护作用。其电路如图7-3所示。图7-3 电机驱动电路7.4.3 显示电路设计根据设计要求要对系统各项参数和电机运行状态进行显示，因此在电路中加入显示模块是非常必要的。在系统运行过程中需要显示的数据比较多，而且需要汉字显示，在这里选用12864液晶显示器比较适合，它是一种图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成，可完成汉字（1616）显示和图形显示共有20个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图7-4，引脚功能如表7-1所示。图7-4 12864LCD引脚分布表7-1 12864液晶显示模块引脚功能引脚符 号引 脚 功 能引脚符 号引 脚 功 能1VSS电源地15CS1CS1=1芯片选择左边64*64点2VDD电源正+5V16CS2CS2=1芯片选择右边64*64点3VO液晶显示驱动电源17/RST复位（低电平有效）4RSH：数据输入；L：指令码输入18VEELCD驱动负电源5R/WH：数据读取；L：数据写入19A背光电源（+）6E使能信号。20K背光电源（-）7-14DB0-DB7数据线有些型号的模块19、20脚为空脚12864液晶显示器与单片机的连接电路如图7-5所示：图7-5 显示模块电路7.4.4 键盘电路设计根据设计需求，本系统中使用了44键盘用以实现对护理床各个动作的控制，其电路原理图如图7-6所示。图中L0L3为44键盘的列信号，H0H3为44键盘的行信号。在本系统中，用P1.0P1.3连接键盘的列信号L0L3；用P1.4P1.7连接键盘的行信号H0H3。按照要求设计操作面板如图7-6所示：图7-6 键盘电路键盘操作说明：在系统开始运行时，12864LCD将显示开机界面，若按下设置键显示屏进入参数设置界面，此时按1、2、3、4进入相应参数的设置的状态，输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正/反控制键设置正反转，最后按启动键启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停止运行的控制。7.4.5 限位反馈电路设计根据设计要求，当各个运动到达特定角度时，各个运动就要停止。因此要在指定角度出添加限位。这里使用传感器作为限位，同时反馈到单片机，达到更加精确地角度。图7-7 限位电路7.5 控制系统的软件设计7.5.1 程序流程图7-8 主程序流程 图7-9 键盘流程 图7-10 系统主函数流程 图7-11 子程序流程7.5.2 显示程序流程显示模块是实现人机对话的重要部分，在这里选用12864LCD显示器可实现对汉字和字符的显示，该显示器的引脚功能在上面已经做了说明，下面介绍12864LCD的相关指令。（1）读取状态字D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BUSY0ONOFFRST0000当R/W=1，D/I=0时，在E信号为高的作用下，状态分别输出到数据总线上。状态字是了解模块当前工作状态的唯一的信息渠道，在每次对模块操作之前，都要读出状态字判断BUSY是否为“0”。若不为“0”，则计算机需要等待，直至BUSY =0为止。（2）显示开关设置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111DD=1：开显示；D=0关显示。（3）显示起始行设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011显示起始行（063）指令表中DB5DB0为显示起始行的地址，取值在03FH（164行）范围内，它规定了显示屏上最顶一行所对应的显示存储器的行地址。（4）页面地址设置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page（07）页面地址是DDRAM的行地址。8行为一页，DDRAM共64行即8页，DB2-DB0表示0-7页。（5）列地址设置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00001Yaddress（063）列地址是DDRAM的列地址。共64列，DB5-DB0取不同值得到0-3FH（1-64），代表某一页面上的某一单元地址，列地址计数器在每一次读写数据后它将自动加一。（6）写显示数据 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010显 示 数 据该操作将8位数据写入先前已确定的显示存储器的单元内。操作完成后列地址计数器自动加一。 （7）读显示数据 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB011显 示 数 据该操作将12864模
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