翻译中文-多功能护理床的机构设计与仿真分析

摘 要本研究开发了一种新型的多功能护理床，可实现床上左右转弯、排便等功能，供临床使用。并利用 ADAMS 分析了旋转板受力、接触副摩擦力和空间位置对电机转矩的影响。通过对主机构模型的动力学分析，可以得到主机构的曲线和扭矩的影响，这对选择合适的电机和安装结构具有重要的指导作用。关键词：护理床、Adams、虚拟样机、动态分析多功能护理床的机构设计与仿真分析李宗林、宋章、胡兴隆机械与动力工程学院华东理工大学，上海1 引言病床作为医疗设备的一部分，是医院护理的必备品，已广泛应用于医院、疗养院、养老院等诸多领域。然而，优质护理床的价格昂贵，新的研究可以降低成本和护理难度，例如，对于长期卧床的病人，他们的翻身和后撤需要护士有足够的体力。普通床只有头向上、腿弯曲和伸展功能，这种床根据需要增加了翻滚、在床上排便等功能1。2 机构设计护理床按结构和功能可分为四部分：床体、控制柜、活动框架、活动便盆。方框图如图 1 所示。控制柜内设有主控板、电机驱动板、变压器、开关电源等。控制柜通过接线与护理床相连。床体除固定机构外，还包括驱动电机和叶片机构。活动框架装置具有轮子，可与护理床分离。框架内有水箱、可升降的凳子和热风机。移动式便盆还安装了轮子，可以插入活动框架中。此外，控制系统还包括电线操作器、液晶显示器等。系统中有六台直流电机，分别完成了头部的升降、腿部的弯曲、左右转动、叶片的开闭和凳子的升降等动作。A.床功能。床上活动功能包括头的升降、腿的弯曲和床体的两侧，基本满足患者的活动要求，有利于患者改善血液循环，防止褥疮的发生。本护理床设计了符合人体运动特点的腿部屈曲。床体侧弯可分为三种运动：左侧至臀部、右侧至臀部和平坦一侧。图 2、图 3、图 4 是床体的三个运动。B.护理功能排便功能在其他特别适合瘫痪病人的电动护理床上很少见。床体中间有一个矩形开口，正常情况下只能看到两个叶片。排便时，风向标向下开，排便装置上升。排便完毕后，风向标继续向上翻，填补空隙。排便器由活动架和活动床盘组成，活动床盘可插入机架内，整个机架可配合加载床体。护理床还具有喷水、烘干功能。在主动框架中安装了水箱、热风机和电磁阀。水箱有水泵、加热器、温度传感器和水位传感器。在控制器的控制下，可以实现水温的设定、水温的保持和水箱容积的自动增大等功能。长期卧床的病人是这张护理床的主要接受者。大便前，按遥控器上的“大便升高”键，两个叶片打开，然后大便升高，大便板自动竖起，以便盆为准。这些动作完成后，病人可以大便。排便完毕后，按相应键，先进行冲洗，然后采用热风干燥，体现了人的护理功能。冲洗用水保存在罐内，用加热丝保持温度。为了实现对温度的控制，需要对温度进行采集和处理，采集由传感器完成，过程和控制由单片机完成。由于病人的排便时间不确定，要求保持体温不变，目的是暂时提供适当的体温。3 系统建模A.造型护理床是一个非常复杂的结构，它由床体的机械部件、活动框架、移动式床盘、电子控制系统和电机驱动系统的结构和功能组成。图 5 是叶片的几何建模图2。i 右旋转板 2 右旋转板杠杆 3 右旋转板驱动臂 4 右旋转板电机 5 左旋转板电机 6 左旋转板驱动臂 7 左旋转板杠杆 8 左旋转板 9 旋转板门轴图 6 转盘杠杆及驱动臂 I 转盘杠杆 2 转盘驱动臂b.接触副处理图 6 是叶片杠杆和执行臂的几何建模图。其中一个叶片杆的轴端与叶片固定，另一端具有曲线槽。叶片执行臂两侧为圆轴，轴中心平行。一轴与电机连接固定，另一轴与曲线槽配合形成接触。电机使执行臂反转，实现叶片的启闭。4 仿真分析叶片动力学仿真的目的是分析不同工况下对转矩的影响，指导改进设计，选择合适的驱动电机3。左右叶片的尺寸不相等，但电机相同。选择面积和分析力较大的右侧区域4。选择两个叶片中间的作用点，力臂为 15cm。钢的摩擦系数为 1.21.4，润滑后为 0.020.05，摩擦系数取 0.05。从图 7 和图 8 可以看出，这些曲线并不平滑，因为对它们的高频分量耦合进行了数学分析，这在实际中被认为是振动。同时发现叶片存在振动现象，试验时与模拟数据吻合。振动与应力、材料性质、材料刚度、刚体接触曲线、摩擦系数等有关。仿真分析表明，应力越大，振动越小。在设计叶片杆的曲线槽时，应保证接触面光滑，以减少非必要的振动。图 9 是应力很快时的角速度，可以明显观察到振动情况5。患者对叶片的实际作用不是恒定的，而是当叶片转到附近的水平位置时逐渐增加。这样，尽量选择较大的电机扭矩，防止过载。b.摩擦系数对扭矩的影响 t叶片模拟共有三种约束：固定约束、铰链约束和接触约束。固定约束不能产生摩擦力，但铰链约束和接触约束可以。铰链到铰链约束装置的铰链可以作为滑动轴承处理。滑动轴承摩擦系数小。滑动轴承的动摩擦系数为 3.0xl0-3，静摩擦系数为 4.0x 10-3虽然接触约束也是一种滑动摩擦，但由于接触复杂，应力也很大，不能简单地作为滑动轴承处理。图 10 为执行臂杆轴和曲线槽受力快时的接触力，最大可达 1800N。图 11 和图 12 分别表示摩擦系数 0.07 和 0.31 中的扭矩图，以及 Soon 的应力。与图 11 和图 12 相比，它看不到扭矩的变化，也看不到曲线。最大的差异是摩擦系数为 0.31 时振动减小。摩擦系数 f.i.并没有明显引起最大力矩的变化，只是在滤波后有增大的趋势，平滑相关值6。c.从空间位置到扭矩的偏差设计叶片时，不仅要考虑实际安装空间和要求尺寸，还要注意叶片杠杆旋转轴与执行臂旋转轴之间的空间位置关系。因为它们的位置不仅关系到叶片能否正常工作，而且影响到最大的驱动力。建立坐标时，使用如图 13 所示的坐标系。图 14、图 15 和图 16 是 2010 年第二届国际机电工程会议（ICMEE 2010）第一卷 VI-452 中不同空间位置的最大扭矩变化图7。应力很快，摩擦系数为0.03。通过比较不同工况下的数据，可以看出时间和最大转矩都发生了显著变化。在条件 3 中，运动时间最小，也就是力矩。在条件 2 下，在移动过程中，杠杆臂与驱动轴分离。在实际确定数据时，应考虑电机的转矩、尺寸和结构等，尽最大努力可能不是最合适的8。通过对叶片的动力学模拟分析，得出：(1)电机驱动力矩小。在仿真分析过程中，对叶片施加 500N 的力，计算出电机的最大转矩为 25Nm，但实际转矩为 18Nm，因此在升高时会出现叶片无力现象。这里承受 500N 的力，它只是正常情况下的平均作用尺寸。实际使用时，可能大于 500N，因此必须考虑电机应具有足够的剩余驱动扭矩，以满足不同条件下的要求。(2)摩擦系数对扭矩的影响不大。结果表明，在恒定作用下，摩擦系数对扭矩的影响很小，通过采用不同的摩擦系数来计算最大扭矩。(3)旋转轴的空间位置对扭矩影响较大，工况 1 和工况 3 相差 1 on m，运动时间也发生变化。5 结论通过对护理床叶片的动力学和运动学分析，探讨了驱动力矩作用、摩擦系数、空间位置等因素对护理床结构设计的影响，为护理床性能评价分析提供了科学依据。该床还可以增加系统的网络通信功能，使其能够自动将信息传输到上位机，实现远程病人监护监控。参考文献1方锦波，陈红。”护士面临的挑战来自老龄化人口，国际护理杂志。第3 卷，2004 年 2 月，第 147-149 页。2郑娇荣.Adams 开始使用虚拟原型技术并进行改进。北京：机械工业出版社。2002。3彭其波，李海阳.基于虚拟样机技术的机器人毛管建模与仿真”，华东理工大学学报2007 年 6 月第 33 卷第 58-62 页。4金鑫，什么榆林奥德刘华。”风力发电机耦合振动分析”，振动与冲击杂志，第 26 卷，2007 年 6 月，第 144-147 页。5刘军，林立松，刘小萍.亚当斯柔性车身运动仿真分析研究与应用，“现代汽车制造项目，第 5 卷，5 月。2004 年，第 53-55 页。6董立刚，陈威海，奥德，张建斌.混合式电缆驱动的猫形装置的运动分析AOD 模拟，“系统模拟期刊，第 19 卷，2007 年 9 月，第 4007-4011 页。7Waog Yeo，“多功能护理床控制系统的开发”，控制与自动化，第 22卷，2006 年 7 月，第 117-119 页。8焦浩，沃伟，刘永平.多功能护理床的研究，“制造自动化，2009 年 6 月 31日，第 71-73 页。