張大然，蕫克權(quán)，李冬青，黃柱凱

（肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

隨著人們生活水平的提高，嬰兒的成長(zhǎng)受到家長(zhǎng)越來(lái)越多的關(guān)注.中國(guó)每年新生嬰兒1 000多萬(wàn)，嬰兒床等嬰幼產(chǎn)品擁有巨大的市場(chǎng)前景[1].現(xiàn)在很多家庭對(duì)嬰兒床的要求越來(lái)越高，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)嬰兒床的相關(guān)研究尚不多見(jiàn)，尤其是有關(guān)仿生類(lèi)嬰兒床的研究更為罕見(jiàn).市面上嬰兒床的質(zhì)量良莠不齊，設(shè)計(jì)者通常只從購(gòu)買(mǎi)者——家長(zhǎng)的角度考慮設(shè)計(jì)，忽略了使用者——嬰兒的需求.設(shè)計(jì)任何產(chǎn)品都應(yīng)該從使用者的角度出發(fā)[2]，嬰兒床的設(shè)計(jì)首先應(yīng)從安全角度和讓嬰兒睡得舒適為出發(fā)點(diǎn).新生嬰兒對(duì)于剛來(lái)到的這個(gè)世界充滿好奇，同時(shí)也充滿恐慌，只有在母親的懷抱里嬰兒才會(huì)感到安全，他們?cè)谀赣H的懷抱里才睡得最安心、最舒適.

設(shè)計(jì)一款能讓嬰兒睡得舒適的嬰兒床是當(dāng)前嬰兒產(chǎn)品的研發(fā)熱點(diǎn).現(xiàn)有的各種多功能嬰兒床，雖然功能比較齊全，但據(jù)很多使用者的反饋，其許多功能根本用不上，一些使用者自始至終都未能了解所用嬰兒床的大部分功能.由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)嬰兒床應(yīng)著重突出其主要功能.調(diào)查研究表明，目前市面上的仿生嬰兒床，在仿生技術(shù)方面存在缺陷，主要體現(xiàn)在嬰兒床的搖擺過(guò)于生硬，不適合嬰兒稚嫩的身體，嬰兒睡在其中缺乏舒適感，不但易醒且易導(dǎo)致煩躁哭鬧，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)對(duì)嬰兒造成傷害.一些專(zhuān)家甚至認(rèn)為使用這類(lèi)嬰兒床是在“虐待嬰兒”.長(zhǎng)期使用這類(lèi)嬰兒床會(huì)使嬰兒得“搖籃綜合癥”，延緩其智力和身體發(fā)育，而且其造成的損傷是不可逆轉(zhuǎn)的.本文中，筆者以提高嬰兒床的仿生技術(shù)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款能模仿成人抱著嬰兒輕緩搖擺并使其睡感舒適的仿生嬰兒床的搖擺機(jī)構(gòu).

1 原型設(shè)計(jì)

本研究以成人抱著嬰兒并緩慢搖擺為仿生原型，設(shè)計(jì)了嬰兒床的整體結(jié)構(gòu)，其模型如圖1 所示.電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速后以0.5 r/s 的角速度輸入機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為搖臂的擺動(dòng)輸出.搖床位置可沿?fù)u臂長(zhǎng)度方向適當(dāng)調(diào)整，從而確定擺動(dòng)幅度.

搖擺機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)搖床平緩搖擺的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)采用三維建模，并對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了模擬仿真.根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改，直到獲得更符合仿生特性的搖擺機(jī)構(gòu).搖擺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下2點(diǎn)：1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)搖擺的軌跡與成人哄抱嬰兒時(shí)雙手的運(yùn)動(dòng)軌跡基本吻合；2）搖床搖擺平緩柔和，能讓嬰兒感到舒適、安全.

圖1 嬰兒床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程

首先測(cè)量成人懷抱嬰兒并哄其入睡的搖擺軌跡，根據(jù)動(dòng)作特征提取相關(guān)參數(shù)，得出成人懷抱嬰兒搖擺的一系列運(yùn)動(dòng)參數(shù)；然后，選擇設(shè)計(jì)的幾種機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合運(yùn)動(dòng)仿真，提取各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，選用吻合程度較高的機(jī)構(gòu)；最后，以成人懷抱小孩的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)一步完善機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).

2.1 成人懷抱小孩運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量

成人抱著嬰兒哄其入睡的方式很多，但萬(wàn)變不離其宗，主要還是通過(guò)搖擺嬰兒使其感到舒適從而促其盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài).多數(shù)人搖擺嬰兒時(shí)是以腰部微微轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的，這樣的搖擺才能使嬰兒感到舒適、安穩(wěn).

為了簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程并提高測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用了相關(guān)傳感器進(jìn)行測(cè)量[3]，測(cè)得成人懷抱嬰兒搖擺時(shí)手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù).筆者分別對(duì)常見(jiàn)的搖擺運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行測(cè)量，并記錄嬰兒躺位的速度和位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，通過(guò)求平均值的方法計(jì)算出嬰兒躺位的速度和位移參數(shù)，并將之描繪成曲線圖.

2.2 搖擺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)原理的構(gòu)思與分析，選擇參鑒無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)及設(shè)計(jì)[4-5]，力求保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性.

機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案種類(lèi)繁多，筆者根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難易程度、制造成本等，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行評(píng)判和選擇，結(jié)合可行性和實(shí)用性，設(shè)計(jì)出2種機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示.其桿長(zhǎng)參數(shù)依據(jù)無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)設(shè)計(jì)，當(dāng)B′E′與FG 垂直的時(shí)候，B′D′=43.3 mm，其他桿長(zhǎng)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 2個(gè)機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng) mm

機(jī)構(gòu)1是最常見(jiàn)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄AC 繞C 點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，搖桿BE 繞E 點(diǎn)作往復(fù)運(yùn)動(dòng).機(jī)構(gòu)2在連桿C′D′的D′點(diǎn)連上一個(gè)滑塊1，該滑塊沿著導(dǎo)軌FG 運(yùn)動(dòng)；滑塊2沿著搖桿B′E′運(yùn)動(dòng)，滑塊1與滑塊2用鉸鏈連接.曲柄A′C′繞A′點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，搖桿B′D′繞B′點(diǎn)作往復(fù)運(yùn)動(dòng).

2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的分析

在機(jī)構(gòu)1和機(jī)構(gòu)2的模型中，曲柄為原動(dòng)件，角速度為0.5 r/s（即2 s轉(zhuǎn)動(dòng)1次），用ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分別導(dǎo)出2個(gè)機(jī)構(gòu)的速度和位移數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)描繪成曲線圖.

圖3～6是機(jī)構(gòu)1和機(jī)構(gòu)2的仿真運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與成人懷抱小孩搖擺時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，包括x,y 方向的位移變化和速度變化.

圖3 x 方向速度

圖4 y 方向速度

圖5 x 方向位移

圖6 y 方向位移

由圖3～6可見(jiàn)，取機(jī)構(gòu)1和機(jī)構(gòu)2各運(yùn)動(dòng)參數(shù)的峰值和到達(dá)峰值的時(shí)間差，將其與實(shí)際測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2和表3所示.

表2 速度變化情況

表3 位移變化情況

通過(guò)分析表2和表3可知，速度的變化曲線影響搖籃的加速度.速度變化越平緩，加速度越小，嬰兒在搖擺過(guò)程中受到的離心力也隨之減小，因此機(jī)構(gòu)2比機(jī)構(gòu)1更適合嬰兒.位移變化曲線影響搖擺過(guò)程中擺幅的大小，擺幅大會(huì)增加機(jī)構(gòu)制造成本，占用的空間比較大；而擺幅小則會(huì)使嬰兒受到的沖擊更頻繁，從這個(gè)角度說(shuō)，機(jī)構(gòu)2也優(yōu)于機(jī)構(gòu)1.“峰值差”和“到達(dá)峰值的時(shí)間差”，能直接反映2種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡同實(shí)際測(cè)量運(yùn)動(dòng)軌跡的相似度.在峰值差對(duì)比中，機(jī)構(gòu)2 的各項(xiàng)數(shù)據(jù)峰值更接近實(shí)際測(cè)量的各數(shù)據(jù)峰值.在“到達(dá)峰值時(shí)間差”對(duì)比中，機(jī)構(gòu)2的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)吻合度很高.由此可見(jiàn)機(jī)構(gòu)2比機(jī)構(gòu)1更適用于嬰兒床的傳動(dòng)系統(tǒng)，且機(jī)構(gòu)2的運(yùn)動(dòng)特征與成人哄抱嬰兒搖擺的運(yùn)動(dòng)特征非常接近.

通過(guò)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可知2種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與成人哄抱嬰兒的實(shí)際動(dòng)作都存在一定差距，但是機(jī)構(gòu)2的吻合程度明顯高于機(jī)構(gòu)1.

3 結(jié)束語(yǔ)

1）根據(jù)成人懷抱嬰兒緩慢搖擺哄其入睡的動(dòng)作特征，構(gòu)思了一種新穎的嬰兒床搖擺方式，并對(duì)該搖擺方式進(jìn)行了分析.根據(jù)分析設(shè)計(jì)出2種嬰兒床的搖擺機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)2種機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，提取了其運(yùn)動(dòng)速度和位移參數(shù).

2）使用傳感器測(cè)量成人懷抱嬰兒緩慢搖擺的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將2種機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選用了吻合程度較高的機(jī)構(gòu).

3）文中所述的2種機(jī)構(gòu)并非最優(yōu)的搖擺機(jī)構(gòu)，隨著科學(xué)技術(shù)和生活水平的日趨提高，人們對(duì)嬰兒床搖擺仿生程度的要求也將越來(lái)越高，仿生嬰兒床必將擁有廣闊的應(yīng)用前景，而仿生嬰兒床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化等方面尚有待深入研究和不斷完善.

[1]延海霞.嬰兒搖籃產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2010(4):84-86.

[2]張龍,鄭傳昊.淺析多功能嬰兒床的設(shè)計(jì)[J].大眾文藝,2012(11):87.

[3]常宗瑜,張召遷,姚冰川,等.基于無(wú)線加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量研究[C]//第二十七屆中國(guó)（天津）2013IT、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、電子、儀器儀表創(chuàng)新學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2013:32-36.

[4]馬漩,馬英,高英敏.無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)及設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2003,11(22):152-153.

[5]楊帆,林鈺珍,岑思燕.一種無(wú)急回特性的兒童床設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2013(3):88-89.