新型多功能自動平衡護理床的設計與運動學分析

王 雪,林芳卉

（滄州醫學高等專科學校,061001）

新型多功能自動平衡護理床的設計與運動學分析

王 雪,林芳卉

（滄州醫學高等?？茖W校,061001）

本文主要針對多功能自動平衡護理床的模型和組成特點，對SolidWorks三維參數化的設計進行了研究與分析，然后通過對其參數化設計、裝配存在問題與運動仿真實驗、關于護理床工作空間的分析以及運動學的分析，在不斷的研究與發現后，我們可以得出多功能自動平衡護理床也可用于其他護理設備的研究工作中。

新型；多功能自動平衡護理床；設計；運動學分析

0 引言

目前，經調查發現對于長期臥床不起的病人、生活不能夠處理的老人所引起的行動不便的護理問題，成為人們越來越關注的話題。雖然現在的護理床種類繁多，但是所有的床面都不能保持平衡，對于病人的病情造成了危害。因此，本文就針對上述問題，通過一些成熟的軟件完成了電動平衡護理床設計的工作，紹：NX和SolidWorks等，以下就對SolidWorks軟件在電動平衡護理床中設計進行了分析。

1 關于SolidWorks三維設計流程

SolidWorks是一種工具，它是為設計對象進行服務的，下圖為SolidWorks中進行三維設計的技術流程圖，具體操作步驟是：首先要先了解設計方案，在方案確定后再對其進行三維造型與零件建模。在建模完成以后，在進行裝配，與此同時，還要對其進行總體的分析和進行局部的修改。在確認方案以后，再進行運動仿真，并加以分析，對在運動仿真中出現的干涉情況要進行合理修改。其次進一步確認基本尺寸后，還要對關鍵的零件進行分析，讓其滿足工作的要求，然后在此基礎上再進行結構的優化。最后，在優化后，還要對其再進行有限元的分析，直到方案確定為止。

2 關于自動調平衡系統產品模型

多功能自動平衡護理床主要有以下幾個方面構成，分別為：床身、固定支撐桿、伺服液壓缸、電動缸、行走底架和控制系統。下圖為（多功能自動平衡護理床的總休設計方案示意圖）

1）由上圖我們可見，平臺的上表面主要由4個球鉸支撐著。對于兩邊的平臺，是由固定桿與底部的底架進行連接的，其于的電伺服缸與底架連接，三者形成一條直線。液壓伺服缸9也與桿3在一笨中線上，然后與底架連接。這種結構的有效連接讓平臺在三個伺服的控制下，多功能自動平衡護理床能夠可做俯仰運動和搖擺運動，達到了底板在搖晃的同時床面還能保持水平。

2）關于體位調整的功能介紹

在多功能自動平衡護理床設計的過程中，我們按照人與機的工程學原理可以將床分為：背板1、座板2以及腿板6三個部分，在此我們可見，背板與座板通過軸的鉸接和控制電動缸的伸縮，可以將其進行0度-85度的背位調整，與此同時，還能實現腿板的角度調整。這種設計實現了床身的坐姿和臥姿之間的調整。

3 關于模型的裝配設計與運動仿真結構的驗證

1）模型的裝配設計.一是,參數化中的零件建模,在零件建模過程中參數又可分為三類:一是,不同參數之間都存在著一定的約束條件,是不可隨意進行更改.比如,電動機的外形尺寸。二是,在零件設計中,一般采用的建模方法為參數化草圖,其設計流程為:首先要根據設計的具體要求來完成結構形狀,然后對每一條曲線進行尺寸約束,按照設計者的要求對曲線進行更換, 實現草圖繪制的效果,通過這種建模,顯著提高了設計的效率.二是,工業造型與整體結構設計.在工作的開始前首先對地工業造型,然后與總體設計進行結合。在此護理床的設計過程中,與工業造型相聯系主要是床身的設計和處理,在進行床身設計時不僅要考慮所處環境,還要對造型的功能進行設計.與此同時,在三維模型建成以后,還要進行高級渲染,制作出有真實感的部件效果圖,為以后產品的推廣帶來更好的效果.

2）運動仿真的結構驗證

運動仿真的作用主要有兩個方面動態干涉和分析運動.在SolidWorks的進行運動仿真分析時,可對其運動過程和構件之間的關系進行觀察,比如,液壓缸與床身之間發生的碰撞;另外,在運動分析過程中,還可以通過移位、和加速的曲線規律來觀察是否符合設計的總體要求.

4 工作空間分析

工作空間主要是用來衡量機器人性能的指標,它一般分為兩種空間可達工作空間和靈活工作空間.所謂可達空間主要是指操作器的參考點到達任何點的集合;靈活空間主要是指操作器的參考點能夠從任何點到達點的集合.

1）影響護理床工作空間的相關因素

一是,桿件長度的限制.當桿件長度發生變化時,會受到相關結構的限制,這時每一根桿件的長度,必須滿足其最短值和最長值。這時,當某一桿件的長度達到極限值時,參考點也就達到了工作空間的邊界。

2）穩定護理床平臺工作空間的確定

通過以上流程我們可以得到工作空間，然后對其結果進行了分析：穩定平臺安全的工作區域用絕色來表示，用紅色來表示穩定平臺的危險區域。在此，還可以通過實際工程的調查，一般的綠色區域為平臺的調整范圍。

5 護理床的液壓缸設計

5.1 主要的技術指標與控制系統的設計

下圖為自動平衡護理控制系統圖.從該圖中我們可見該控制系統為雙作用液壓缸伺服控制回路系統,由電動機來帶動齒輪泵,以滿足伺服閥流量的需要,在此伺服閥主要是由比例電磁鐵來控制的,以此提高了系統的控制精度和速度,另外通過改變油液的流向方向,方便了護理床的搖擺運動,讓液壓系統的功能進一步實現了床身運動時平衡更加平衡的目的.

以下是根據護理床的實際需求提出的技術指標,根據具體指標,可以進一步算出電液伺服缸的相關結構參數和液壓控制系統的參數,以此再對伺服缸進行設計.

5.2 關于液壓缸的設計和計算

設計和計算液壓缸的目的就是為對整個系統進行分析,在工作壓力的基礎上計算出最大的負載力,因此,在進行設計前要對其結構進行確定,再按照結構的尺寸進行設計。關于工作壓力的選取和速度的計算;首先根據液壓缸的實際情況計算出負載的大小,然后根據工作壓力的確定值表,選取適當的工作壓力.在該護理床的設計中,我們要先計算出靜載荷,在計算時要以4點支撐載荷出發,并且每點的總負載為四分之一,伺服液壓缸的承載為1000N,另外,由于其伺服液壓缸在此不是垂直的,所以在計算時要除以(在此y表示伺服液壓缸與底板的夾角).其次在對活塞的慣性力進行計算,在此由于活塞的質量與靜載荷比可以忽略不計,因此活塞上的負載等資質量m=0.132KG.剛相對應的活塞速度和加速度以及慣性力的計算公式為:

Design and kinematics analysis of a new multifunctional nursing bed automatic balance

Wang Xue,Lin Fanghui
(Cangzhou Medical College,061001)

This paper mainly for multifunctional automatic balance nursing bed model and the composition characteristics,the design of SolidWorks 3D parameterization is studied,and then the parametric design, assembly of simulation experiment,and motion about nursing bed working space analysis and kinematic analysis,and found in the continuous research later,we can draw the multifunctional automatic balance nursing bed can also be used for other research work in nursing equipment.

model;multi function automatic balance nursing bed;design;kinematics analysis