董榮剛 徐家賀

（1.新松機(jī)器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.蘇州匯川技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和醫(yī)療水平的提高，人均壽命也在不斷增長，隨之而來的人口老齡化問題日益突出，因此需要大量的勞動人員從事照顧、護(hù)理工作，增加了社會和家庭的負(fù)擔(dān)。近年來，機(jī)器人技術(shù)突飛猛進(jìn)，醫(yī)療類機(jī)器人也得到了充分發(fā)展，這對于緩解未來的醫(yī)療及護(hù)理壓力有著重要意義?？紤]到醫(yī)療康復(fù)產(chǎn)品的可靠性和安全性十分重要，對相關(guān)新產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計要求也越來越高。

三維布線技術(shù)作為一種成熟的線束設(shè)計開發(fā)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、航天、家用電器等行業(yè)[1-4]。在傳統(tǒng)的布線設(shè)計與裝配流程中，布線設(shè)計是在樣機(jī)試制階段才開始的工作，布線路徑更多的是依靠工程師的裝配經(jīng)驗，而在產(chǎn)品研發(fā)前期的方案和預(yù)研以及設(shè)計過程中，機(jī)械設(shè)計與電氣設(shè)計是彼此孤立的，因為沒有相應(yīng)的三維布線設(shè)計參與到前期設(shè)計中，就不可避免地帶來了一些問題：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中更多的只是考慮電器件的固定與安裝，沒有考慮到電器件的布局和電氣插接件的安裝空間是否合理、安裝拆卸是否與結(jié)構(gòu)件干涉等問題。

（2）有些產(chǎn)品的外觀設(shè)計比如外殼的設(shè)計，沒有考慮到給線纜預(yù)留出接口或電氣設(shè)備安裝與維護(hù)的可拆卸結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計不夠合理。

（3）線纜在劃分線束時可能會存在布局上的一些問題，線束固定位置的定位孔、布線路徑上的工藝孔可能會存在設(shè)計紕漏。

（4）線束與機(jī)械結(jié)構(gòu)在安裝的工序上如果存在并行情況，線束分?jǐn)帱c插接結(jié)構(gòu)的設(shè)置可能會沒有在樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮到，導(dǎo)致現(xiàn)場機(jī)械裝配與電裝的工藝性存在問題。

（5）線纜的長度沒有在樣機(jī)裝配前精確估算出來，導(dǎo)致小批量生產(chǎn)時線纜的預(yù)留長度過長，存在浪費現(xiàn)象。

（6）樣機(jī)生產(chǎn)沒有三維布線的虛擬樣機(jī)輔助，生產(chǎn)裝配效率會大大降低，工藝文件編制的及時性也得不到保證，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)到量產(chǎn)的周期變長。

本文基于Solidworks的電氣布線模塊[5]，以站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器與智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器為布線設(shè)計對象，分析了其布線特點與流程，研究了三維布線在產(chǎn)品前期開發(fā)設(shè)計過程中機(jī)電配合時的關(guān)鍵點與注意事項，希望能為后續(xù)其他同類型產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)帶來幫助。

1 三維布線與醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)中的機(jī)電配合

1.1 醫(yī)療類機(jī)器人的特點

醫(yī)療類機(jī)器人種類很多，根據(jù)用途的不同通?？煞譃檫\送類機(jī)器人、護(hù)理類機(jī)器人、康復(fù)類機(jī)器人、臨床醫(yī)療機(jī)器人、殘疾人輔助類機(jī)器人，一般具有如下特點：

（1）使用電機(jī)或電缸對本體進(jìn)行驅(qū)動，由相應(yīng)的驅(qū)動板卡進(jìn)行控制。

（2）移動運送類有單獨的電池供電系統(tǒng)、底盤導(dǎo)航系統(tǒng)。

（3）床椅、康復(fù)類機(jī)器人一般具有多姿態(tài)，比如可以進(jìn)行伸縮、角度調(diào)整、高度調(diào)整等，一般由定位銷、軸套、滑軌、連桿結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)。

（4）多數(shù)機(jī)器人都有人機(jī)交互界面，方便功能的使用和狀態(tài)檢測及數(shù)據(jù)收集。

（5）需要有符合醫(yī)院風(fēng)格的外觀設(shè)計，對于金屬結(jié)構(gòu)件要有一定包裹及防漏電處理。

1.2 醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)中的三維布線環(huán)節(jié)

醫(yī)療產(chǎn)品在立項后，研發(fā)設(shè)計的流程如圖1所示。產(chǎn)品的方案評審階段主要是對產(chǎn)品的參數(shù)與功能進(jìn)行初步分析，需要機(jī)械、電氣、軟件、硬件研發(fā)人員達(dá)成共識。方案評審后進(jìn)入到產(chǎn)品設(shè)計階段，包括產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計、電氣選型與圖紙設(shè)計、產(chǎn)品硬件板卡的開發(fā)或修改、軟件開發(fā)，同時電氣三維布線設(shè)計也需要與機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計同步進(jìn)行，并隨著設(shè)計的調(diào)整而修改。在完成機(jī)械圖紙與電氣圖紙后，三維布線模型設(shè)計工作也基本完成，在結(jié)構(gòu)件加工的周期里，線束的預(yù)制工作也在進(jìn)行中，當(dāng)產(chǎn)品零件齊備后即可直接進(jìn)入到整機(jī)裝配流程中，同時電裝可以參照三維布線模型進(jìn)行第一臺樣機(jī)的裝配任務(wù)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。

圖1 醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計流程

因此在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計時，機(jī)電配合尤其重要，因為機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝及功能實現(xiàn)都與電氣布線密不可分，在虛擬樣機(jī)預(yù)研及設(shè)計階段通過三維布線可以更好地將機(jī)械裝配和電氣裝配聯(lián)系起來，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性和合理性，并對后續(xù)的樣機(jī)裝配進(jìn)行有效指導(dǎo)。

1.3 三維布線的設(shè)計流程

如今的三維設(shè)計軟件大多提供有電氣三維布線功能模塊，比如Creo、UG、CATIA、Eplan，還有本文實例中所應(yīng)用的Solidworks軟件。雖然軟件的功能略有差異，不過基本的三維布線流程大體相同，其基本設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 醫(yī)療機(jī)器人三維布線流程

Solidworks提供了電氣布線模塊，在布線環(huán)境下可以直接調(diào)用預(yù)先建好的庫文件，包括零部件庫和線纜庫。零部件庫保存了設(shè)計庫中多種類型的標(biāo)準(zhǔn)零部件，可以將它們簡單快捷地插入到裝配體中。軟件提供了一些基本的零件，而根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品不同和零部件廠家與型號的不同，用戶需要自己添加一些常用的零部件，包括端子、插接件、連接器等。線纜庫則定義了使用的線纜的各種規(guī)格，比如芯線數(shù)、顏色、電線直徑、最小彎折半徑等。

根據(jù)醫(yī)療機(jī)器人的產(chǎn)品特點，線束大致可以按照功能性、強(qiáng)弱電區(qū)域分布情況分為四類，分別為板卡供電線束、電缸電機(jī)線束、通信線束、傳感器及開關(guān)線束。

在圖1中可以看到，當(dāng)機(jī)械三維模型和電氣原理圖初步完成后，三維布線工作即可開始，首先需要按照設(shè)計的要求劃分線束種類與布線路徑，然后進(jìn)行相應(yīng)的三維布線設(shè)計。在三維布線設(shè)計的同時要考慮機(jī)械與電氣的配合問題，需對機(jī)械與電氣反饋布線固定點、電器件布局、接口的預(yù)留位置，共同解決設(shè)計與工藝的問題，對設(shè)計過程進(jìn)行優(yōu)化，完成最終的產(chǎn)品設(shè)計。在三維布線完成以后，根據(jù)三維模型可以編制相應(yīng)的電氣裝配工藝文件、線束預(yù)制的圖紙以及線纜預(yù)制加工所需要的數(shù)據(jù)清單。

1.4 虛擬樣機(jī)中的機(jī)電配合與三維布線注意事項

三維布線設(shè)計在樣機(jī)虛擬裝配過程中有效加強(qiáng)了機(jī)械與電氣的配合，提高了產(chǎn)品設(shè)計時的可靠性與效率，通過多個產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計，本文總結(jié)了三維布線在機(jī)電配合中的主要關(guān)注點與設(shè)計時的注意事項：

（1）干涉問題：干涉問題一般可分為兩種情況，一種是靜態(tài)干涉，另一種是動態(tài)干涉。靜態(tài)干涉包括插接件的安裝空間不夠、線纜的布線空間不夠、安裝工具沒有足夠操作空間等；動態(tài)干涉主要是在運動機(jī)構(gòu)的周圍線纜的布線路徑會與結(jié)構(gòu)件在運動過程中存在干涉。

（2）布線路徑不合理：在布線空間充足的情況下會出現(xiàn)一些布線路徑設(shè)計不合理的情況，比如布線線纜經(jīng)過熱源、風(fēng)扇的出風(fēng)口、結(jié)構(gòu)件的棱角銳利處。

（3）電磁兼容問題：布線設(shè)計中還要考慮到電磁干擾問題，強(qiáng)弱電盡量分別進(jìn)行布線和捆扎，容易受到干擾的信號可以選用雙絞線和帶屏蔽電纜，有效防止串?dāng)_的發(fā)生。

（4）裝配工序問題：不同于機(jī)柜等標(biāo)準(zhǔn)布線結(jié)構(gòu)，機(jī)器人因為種類繁多、功能復(fù)雜，在裝配結(jié)構(gòu)上會存在機(jī)械裝配與電裝工序并行的情況，比如線纜需要穿過運動的聯(lián)管或軸套時需要考慮到過孔的問題，應(yīng)盡量通過前期的設(shè)計優(yōu)化避免機(jī)電裝配工序上的沖突。

（5）維護(hù)問題：醫(yī)療類機(jī)器人大多需要設(shè)計外觀，以滿足使用場合的視覺需求，因此在外觀件裝配時需要考慮后續(xù)內(nèi)部電氣部件及線纜維護(hù)的便利性，盡量達(dá)到外觀美觀與維護(hù)方便上的平衡。

2 醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人三維布線實例

2.1 站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器的三維布線

站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器是應(yīng)用于下肢障礙患者進(jìn)行康復(fù)鍛煉的醫(yī)療康復(fù)類產(chǎn)品，能夠輔助患者進(jìn)行站立和踏步動作，進(jìn)行下肢力量康復(fù)治療訓(xùn)練。根據(jù)上文總結(jié)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和線束設(shè)計原則，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時進(jìn)行電氣三維布線設(shè)計，由于產(chǎn)品為床型結(jié)構(gòu)，床體具有翻折和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，因此線束主干需要同時滿足這兩種運動需求，線束主干布線路徑如圖3所示，即基于床體下方固定底架的方鋼結(jié)構(gòu)，通過中空管進(jìn)行布線，其余分支線束同樣需要避開運動機(jī)構(gòu)。通過本例可以看出三維布線設(shè)計參與到有運動機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計前期的重要性。

圖3 站立下肢康復(fù)訓(xùn)練器三維布線效果圖

2.2 智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器的三維布線

智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器是一種協(xié)助患者中后期康復(fù)訓(xùn)練的醫(yī)用設(shè)備，能夠?qū)颊呦轮M(jìn)行系統(tǒng)性的主動、被動訓(xùn)練，恢復(fù)腿部關(guān)節(jié)、肌肉，緩解痙攣。本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點也如同前文所述，有可調(diào)節(jié)姿態(tài)與運動的結(jié)構(gòu)，通過滑軌調(diào)節(jié)設(shè)備高度，通過軸套調(diào)節(jié)設(shè)備與病床的角度。如圖4所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)為分段式結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)件安裝時需要電裝同步進(jìn)行，因此需要三維布線在虛擬樣機(jī)階段對線束的插接位置和裝配順序進(jìn)行模擬，以便更加合理地規(guī)劃裝配順序。

圖4 床邊款下肢康復(fù)訓(xùn)練器三維布線效果圖

3 結(jié)束語

本文分析了醫(yī)療類機(jī)器人的產(chǎn)品特點，闡述了在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計流程中三維布線是如何將機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計緊密地融合到一起，實現(xiàn)并行設(shè)計的。另外，通過實例對醫(yī)療類機(jī)器人的三維布線設(shè)計流程及注意事項進(jìn)行了介紹與分析，有效論證了三維布線對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計可靠性及輔助樣機(jī)生產(chǎn)裝配的優(yōu)勢，因此對于同類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計具有一定參考價值與意義。