王 雪,林芳卉

（滄州醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校,061001）

新型多功能自動平衡護理床的設(shè)計與運動學(xué)分析

王 雪,林芳卉

（滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)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(shù)化的設(shè)計進行了研究與分析，然后通過對其參數(shù)化設(shè)計、裝配存在問題與運動仿真實驗、關(guān)于護理床工作空間的分析以及運動學(xué)的分析，在不斷的研究與發(fā)現(xiàn)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(shè)備的研究工作中。

新型；多功能自動平衡護理床；設(shè)計；運動學(xué)分析

0 引言

目前，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)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(guān)注的話題。雖然現(xiàn)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(shè)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(shè)計進行了分析。

1 關(guān)于SolidWorks三維設(shè)計流程

SolidWorks是一種工具，它是為設(shè)計對象進行服務(wù)的，下圖為SolidWorks中進行三維設(shè)計的技術(shù)流程圖，具體操作步驟是：首先要先了解設(shè)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(rèn)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(xiàn)的干涉情況要進行合理修改。其次進一步確認(rèn)基本尺寸后，還要對關(guān)鍵的零件進行分析，讓其滿足工作的要求，然后在此基礎(chǔ)上再進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。最后，在優(yōu)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(guān)于自動調(diào)平衡系統(tǒng)產(chǎn)品模型

多功能自動平衡護理床主要有以下幾個方面構(gòu)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(tǒng)。下圖為（多功能自動平衡護理床的總休設(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)于體位調(diào)整的功能介紹

在多功能自動平衡護理床設(shè)計的過程中，我們按照人與機的工程學(xué)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(diào)整，與此同時，還能實現(xiàn)腿板的角度調(diào)整。這種設(shè)計實現(xiàn)了床身的坐姿和臥姿之間的調(diào)整。

3 關(guān)于模型的裝配設(shè)計與運動仿真結(jié)構(gòu)的驗證

1）模型的裝配設(shè)計.一是,參數(shù)化中的零件建模,在零件建模過程中參數(shù)又可分為三類:一是,不同參數(shù)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(shè)計中,一般采用的建模方法為參數(shù)化草圖,其設(shè)計流程為:首先要根據(jù)設(shè)計的具體要求來完成結(jié)構(gòu)形狀,然后對每一條曲線進行尺寸約束,按照設(shè)計者的要求對曲線進行更換, 實現(xiàn)草圖繪制的效果,通過這種建模,顯著提高了設(shè)計的效率.二是,工業(yè)造型與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計.在工作的開始前首先對地工業(yè)造型,然后與總體設(shè)計進行結(jié)合。在此護理床的設(shè)計過程中,與工業(yè)造型相聯(lián)系主要是床身的設(shè)計和處理,在進行床身設(shè)計時不僅要考慮所處環(huán)境,還要對造型的功能進行設(shè)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(chǎn)品的推廣帶來更好的效果.

2）運動仿真的結(jié)構(gòu)驗證

運動仿真的作用主要有兩個方面動態(tài)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(gòu)件之間的關(guān)系進行觀察,比如,液壓缸與床身之間發(fā)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(guī)律來觀察是否符合設(shè)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(biāo),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(guān)因素

一是,桿件長度的限制.當(dāng)桿件長度發(fā)生變化時,會受到相關(guān)結(jié)構(gòu)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(dāng)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(wěn)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(jié)果進行了分析：穩(wěn)定平臺安全的工作區(qū)域用絕色來表示，用紅色來表示穩(wěn)定平臺的危險區(qū)域。在此，還可以通過實際工程的調(diào)查，一般的綠色區(qū)域為平臺的調(diào)整范圍。

5 護理床的液壓缸設(shè)計

5.1 主要的技術(shù)指標(biāo)與控制系統(tǒng)的設(shè)計

下圖為自動平衡護理控制系統(tǒng)圖.從該圖中我們可見該控制系統(tǒng)為雙作用液壓缸伺服控制回路系統(tǒng),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(tǒng)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(tǒng)的功能進一步實現(xiàn)了床身運動時平衡更加平衡的目的.

以下是根據(jù)護理床的實際需求提出的技術(shù)指標(biāo),根據(jù)具體指標(biāo),可以進一步算出電液伺服缸的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和液壓控制系統(tǒng)的參數(shù),以此再對伺服缸進行設(shè)計.

5.2 關(guān)于液壓缸的設(shè)計和計算

設(shè)計和計算液壓缸的目的就是為對整個系統(tǒng)進行分析,在工作壓力的基礎(chǔ)上計算出最大的負(fù)載力,因此,在進行設(shè)計前要對其結(jié)構(gòu)進行確定,再按照結(jié)構(gòu)的尺寸進行設(shè)計。關(guān)于工作壓力的選取和速度的計算;首先根據(jù)液壓缸的實際情況計算出負(fù)載的大小,然后根據(jù)工作壓力的確定值表,選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?在該護理床的設(shè)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(fā),并且每點的總負(fù)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(zhì)量與靜載荷比可以忽略不計,因此活塞上的負(fù)載等資質(zhì)量m=0.132KG.剛相對應(yīng)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