1-多功能医用护理床的结构设计及优化-solidworks-三维图

摘 要

需要全套设计的联系qq 945846125

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

多功能医用护理床的结构设计及优化 II

ABSTRACT

Multifunction 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

多功能医用护理床的结构设计及优化 III

目录

1 绪论......................................................................................................... 1

1.1 课题的目的及意义......................................................................................... 1 1.2 国内外研究状况及发展趋势......................................................................... 1 1.3 本文主要研究内容.......................................................................................... 6 1.4 本章小结.......................................................................................................... 6

2 护理床结构的整体方案 ........................................................................ 7

2.1 护理要求.......................................................................................................... 7 2.2 护理床的总体方案构思................................................................................. 7 2.3 本章小结.......................................................................................................... 9

3 护理床的结构设计 .............................................................................. 10

3.1 引言................................................................................................................ 10 3.2 侧翻机构........................................................................................................ 10 3.3 抬背机构........................................................................................................ 11 3.4 曲腿机构........................................................................................................ 13 3.5护理床的三维建模......................................................................................... 14 3.6 本章小结........................................................................................................ 16

4 护理床运动学优化 .............................................................................. 17

4.1 引言................................................................................................................ 17 4.2侧翻机构的运动学分析................................................................................. 17 4.3抬背机构的运动学分析................................................................................. 23 4.4曲腿机构的运动学分析................................................................................. 26 4.5本章小结......................................................................................................... 29

5 护理床动力学优化 ................................................ 错误!未定义书签。

5.1引言................................................................................... 错误!未定义书签。 5.2侧翻机构动力学分析....................................................... 错误!未定义书签。 5.3抬背机构动力学分析....................................................... 错误!未定义书签。 5.4曲腿机构动力学分析....................................................... 错误!未定义书签。 5.5本章小结........................................................................... 错误!未定义书签。

多功能医用护理床的结构设计及优化 IV

6 护理床的力学分析 ................................................ 错误!未定义书签。

6.1 引言.................................................................................. 错误!未定义书签。 6.2 力学计算.......................................................................... 错误!未定义书签。 6.3 本章小结.......................................................................... 错误!未定义书签。

7 护理床控制系统设计 ............................................ 错误!未定义书签。

7.1 引言.................................................................................. 错误!未定义书签。 7.2 直流电机控制原理.......................................................... 错误!未定义书签。 7.3 控制系统方案.................................................................. 错误!未定义书签。 7.4 控制系统的硬件设计...................................................... 错误!未定义书签。 7.5 控制系统的软件设计...................................................... 错误!未定义书签。 7.6 本章小结.......................................................................... 错误!未定义书签。

8 结论......................................................................... 错误!未定义书签。

8.1 课题结论.......................................................................... 错误!未定义书签。 8.2课题展望........................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 .................................................................... 错误!未定义书签。 致谢 ............................................................................. 错误!未定义书签。

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多功能医用护理床的结构设计及优化 1

1 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。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：

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图1-1 护理床分类状况

表1-1护理床分类概括

名称 功能基础型护理床 优点 存在问题 1、结构、生产工艺简单，1、功能比较简单，不能易于制造。2、价格便宜。 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、1、市场售价偏高。2、功能启动柔性差，衔接不连贯。3、功能一体化造成增添了辅助功能接口。4、功能浪费。4、生产技术整体造型，色彩改进，具含量低，容易被仿制。5、有一定的亲和性。 功能高级型护理床 1、护理功能完善。2、功好，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。 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

文字，图像识别功能差 1、市场售价昂贵。造成的经济成本。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。 能调整定位准确，连贯性功能浪费严重，造成额外多功能医用护理床的结构设计及优化 3

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。

如今多功能医用护理床的各种类型：

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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

多功能医用护理床的结构设计及优化 4

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。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

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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

(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10－20ms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。

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图1-5 语音信号处理过程

(2) 语音识别方式

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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、Ａ/Ｄ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。

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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。

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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。

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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：0°～75° 左/右翻身摆动角度：0°～75° 腿板摆动角度：0°～45°

(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

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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。

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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330~415mm，因此床的中间段板要尽可能

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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

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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

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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Ⅰ、曲腿连杆Ⅱ、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Ⅰ上，曲腿连杆Ⅰ又和曲腿连杆Ⅱ相铰接，曲腿连杆Ⅱ再和腿部床板铰接；曲腿连杆Ⅰ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Ⅱ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。

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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

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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

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图3-7(f) 多功能医用护理床三维模型2

3.6 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。

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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。

多功能医用护理床的结构设计及优化 18

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 O A B C D X坐标/mm 0 X1 X2 X3 X4 Y坐标/mm 0 Y1 Y2 Y3 Y4 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。

多功能医用护理床的结构设计及优化 19

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 DV_L1 DV_L2 DV_L3 DV_L4 DV_L5 DV_L6 DV_L7 DV_L8 说明 A点X方向坐标 A点Y方向坐标 B点X方向坐标 B点Y方向坐标 C点X方向坐标 C点Y方向坐标 D点X方向坐标 D点Y方向坐标 图4-2 关键点的建立

Standard value/mm 250 245 200 330 150 390 400 370

（3）在ADAMS中完成样机的建模

多功能医用护理床的结构设计及优化 20

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 0.17261 Trial O1 DV_2 Sensitivity 1 0.88928 230.50 0.12975

多功能医用护理床的结构设计及优化 21

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 0.18087 Trial 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 5 2.2446 Trial O1 1 7.4181 2 3.8649 3 2.3599 4 0.90560 5 0.34428 Trial O1 1 3.9090 2 3.1058 3 2.3599 4 1.8792 5 1.4671 Trial O1 1 2.7446 2 2.5382 3 2.3599 4 2.2525 5 2.1458 Trial O1 1 2.3599 2 2.3599 3 2.3599 4 2.3599 5 2.3599 Trial O1 1 2.3599 2 2.3599 210.00 220.00 DV_4 307.00 318.50 330.00 341.50 353.00 DV_5 127.50 138.75 150.00 161.25 172.50 DV_6 360.50 375.25 390.00 404.75 419.50 DV_7 369.00 384.50 400.00 415.50 431.00 DV_8 344.30 357.15 -0.0057652 -0.0098788 Sensitivity -0.30897 -0.21992 -0.12867 -0.087636 -0.048811 Sensitivity -0.071394 -0.068848 -0.054516 -0.039681 -0.036631 Sensitivity -0.013992 -0.013041 -0.0096869 -0.0072597 -0.0072352 Sensitivity 1.0028e-015 5.4437e-016 -4.5841e-016 -1.1460e-016 7.7357e-016 Sensitivity -1.0022e-015 -2.2680e-030

多功能医用护理床的结构设计及优化 22

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0～20﹪，DV_L7的变化范围是-20﹪～0，DV_L8的变化范围是-20﹪～0； 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0～7﹪，DV_L7的变化范围是-7﹪～0，DV_L8的变化范围是-6﹪～0； 实验研究报表为：

O1) Maximum of MARKER_1_MEA_1

多功能医用护理床的结构设计及优化 23

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

初始尺寸 优化后尺寸 B点距A点竖直距离/mm 65 48.9 BD/mm 98.4 115.1 4.3抬背机构的运动学分析

图4-7 抬背机构关键点简图

多功能医用护理床的结构设计及优化 24

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 A B C D E 坐标方向 Point_A_X Point_A_Y Point_B_X Point_B_Y Point_C_X Point_C_Y Point_D_X Point_D_Y Point_E_X Point_E_Y 变量名 DV_1 DV_2 DV_3 DV_4 DV_5 DV_6 DV_7 DV_8 初始值/mm 495 390 222 370 458 330 608 275 0 0 （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 -0.00018987 Trial 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

多功能医用护理床的结构设计及优化 25

5 3.4800 412.00 -0.00036039 Trial 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-013 Trial 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-012 Trial 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 0.00058786 Trial 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 0.0020307 Trial 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 -0.00015773 Trial 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。

多功能医用护理床的结构设计及优化 26

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

初始值 优化值 A、C点间竖直距离/mm 60 76.2 BC /mm 236 237 CD /mm 256 242 DE /mm 667 682 4.4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 A B C 坐标方向 Point_A_X Point_A_Y Point_B_X Point_B_Y Point_C_X Point_C_Y 变量名 DV_1 DV_2 DV_3 DV_4 初始值/mm 0 0 294.5 240 414.5 320 多功能医用护理床的结构设计及优化 27

D E F Point_D_X Point_D_Y Point_E_X Point_E_Y Point_F_X Point_F_Y DV_3 DV_5 DV_6 DV_7 DV_8 DV_9 414.5 405 204.5 447.5 162 370 （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-017 Trial 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 -0.030920 Trial O1 DV_4 Sensitivity 1 1.6488 290.00 -0.020929 2 2.2766 320.00 -0.023794 3 3.0764 350.00 -0.026658 Trial O1 DV_5 Sensitivity

多功能医用护理床的结构设计及优化 28

1 2.8166 397.00 0.069229 2 2.2766 405.00 0.060197 3 1.8776 413.00 0.051164 Trial 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-005 Trial 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-017 Trial 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

初始值 优化值 AB/mm 380 382 BC/mm 144.6 145.5 CD/mm 85 86.3 DE/mm 207.5 207.2 BE/mm 185.6 184.8

图4-12 曲腿机构运动学优化前后腿板角加速度曲线

多功能医用护理床的结构设计及优化 29

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。

多功能医用护理床的结构设计及优化 30