翻譯中文-多功能護(hù)理床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析
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摘 要本研究開(kāi)發(fā)了一種新型的多功能護(hù)理床,可實(shí)現(xiàn)床上左右轉(zhuǎn)彎、排便等功能,供臨床使用。并利用 ADAMS 分析了旋轉(zhuǎn)板受力、接觸副摩擦力和空間位置對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響。通過(guò)對(duì)主機(jī)構(gòu)模型的動(dòng)力學(xué)分析,可以得到主機(jī)構(gòu)的曲線和扭矩的影響,這對(duì)選擇合適的電機(jī)和安裝結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞:護(hù)理床、Adams、虛擬樣機(jī)、動(dòng)態(tài)分析多功能護(hù)理床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析李宗林、宋章、胡興隆機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院華東理工大學(xué),上海1 引言病床作為醫(yī)療設(shè)備的一部分,是醫(yī)院護(hù)理的必備品,已廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等諸多領(lǐng)域。然而,優(yōu)質(zhì)護(hù)理床的價(jià)格昂貴,新的研究可以降低成本和護(hù)理難度,例如,對(duì)于長(zhǎng)期臥床的病人,他們的翻身和后撤需要護(hù)士有足夠的體力。普通床只有頭向上、腿彎曲和伸展功能,這種床根據(jù)需要增加了翻滾、在床上排便等功能[1]。2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)護(hù)理床按結(jié)構(gòu)和功能可分為四部分:床體、控制柜、活動(dòng)框架、活動(dòng)便盆。方框圖如圖 1 所示??刂乒駜?nèi)設(shè)有主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、變壓器、開(kāi)關(guān)電源等??刂乒裢ㄟ^(guò)接線與護(hù)理床相連。床體除固定機(jī)構(gòu)外,還包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和葉片機(jī)構(gòu)。活動(dòng)框架裝置具有輪子,可與護(hù)理床分離??蚣軆?nèi)有水箱、可升降的凳子和熱風(fēng)機(jī)。移動(dòng)式便盆還安裝了輪子,可以插入活動(dòng)框架中。此外,控制系統(tǒng)還包括電線操作器、液晶顯示器等。系統(tǒng)中有六臺(tái)直流電機(jī),分別完成了頭部的升降、腿部的彎曲、左右轉(zhuǎn)動(dòng)、葉片的開(kāi)閉和凳子的升降等動(dòng)作。A.床功能。床上活動(dòng)功能包括頭的升降、腿的彎曲和床體的兩側(cè),基本滿足患者的活動(dòng)要求,有利于患者改善血液循環(huán),防止褥瘡的發(fā)生。本護(hù)理床設(shè)計(jì)了符合人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的腿部屈曲。床體側(cè)彎可分為三種運(yùn)動(dòng):左側(cè)至臀部、右側(cè)至臀部和平坦一側(cè)。圖 2、圖 3、圖 4 是床體的三個(gè)運(yùn)動(dòng)。B.護(hù)理功能排便功能在其他特別適合癱瘓病人的電動(dòng)護(hù)理床上很少見(jiàn)。床體中間有一個(gè)矩形開(kāi)口,正常情況下只能看到兩個(gè)葉片。排便時(shí),風(fēng)向標(biāo)向下開(kāi),排便裝置上升。排便完畢后,風(fēng)向標(biāo)繼續(xù)向上翻,填補(bǔ)空隙。排便器由活動(dòng)架和活動(dòng)床盤組成,活動(dòng)床盤可插入機(jī)架內(nèi),整個(gè)機(jī)架可配合加載床體。護(hù)理床還具有噴水、烘干功能。在主動(dòng)框架中安裝了水箱、熱風(fēng)機(jī)和電磁閥。水箱有水泵、加熱器、溫度傳感器和水位傳感器。在控制器的控制下,可以實(shí)現(xiàn)水溫的設(shè)定、水溫的保持和水箱容積的自動(dòng)增大等功能。長(zhǎng)期臥床的病人是這張護(hù)理床的主要接受者。大便前,按遙控器上的“大便升高”鍵,兩個(gè)葉片打開(kāi),然后大便升高,大便板自動(dòng)豎起,以便盆為準(zhǔn)。這些動(dòng)作完成后,病人可以大便。排便完畢后,按相應(yīng)鍵,先進(jìn)行沖洗,然后采用熱風(fēng)干燥,體現(xiàn)了人的護(hù)理功能。沖洗用水保存在罐內(nèi),用加熱絲保持溫度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制,需要對(duì)溫度進(jìn)行采集和處理,采集由傳感器完成,過(guò)程和控制由單片機(jī)完成。由于病人的排便時(shí)間不確定,要求保持體溫不變,目的是暫時(shí)提供適當(dāng)?shù)捏w溫。3 系統(tǒng)建模A.造型護(hù)理床是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu),它由床體的機(jī)械部件、活動(dòng)框架、移動(dòng)式床盤、電子控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能組成。圖 5 是葉片的幾何建模圖[2]。i 右旋轉(zhuǎn)板 2 右旋轉(zhuǎn)板杠桿 3 右旋轉(zhuǎn)板驅(qū)動(dòng)臂 4 右旋轉(zhuǎn)板電機(jī) 5 左旋轉(zhuǎn)板電機(jī) 6 左旋轉(zhuǎn)板驅(qū)動(dòng)臂 7 左旋轉(zhuǎn)板杠桿 8 左旋轉(zhuǎn)板 9 旋轉(zhuǎn)板門軸圖 6 轉(zhuǎn)盤杠桿及驅(qū)動(dòng)臂 I 轉(zhuǎn)盤杠桿 2 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)臂b.接觸副處理圖 6 是葉片杠桿和執(zhí)行臂的幾何建模圖。其中一個(gè)葉片桿的軸端與葉片固定,另一端具有曲線槽。葉片執(zhí)行臂兩側(cè)為圓軸,軸中心平行。一軸與電機(jī)連接固定,另一軸與曲線槽配合形成接觸。電機(jī)使執(zhí)行臂反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)葉片的啟閉。4 仿真分析葉片動(dòng)力學(xué)仿真的目的是分析不同工況下對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響,指導(dǎo)改進(jìn)設(shè)計(jì),選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)[3]。左右葉片的尺寸不相等,但電機(jī)相同。選擇面積和分析力較大的右側(cè)區(qū)域[4]。選擇兩個(gè)葉片中間的作用點(diǎn),力臂為 15cm。鋼的摩擦系數(shù)為 1.2~1.4,潤(rùn)滑后為 0.02~0.05,摩擦系數(shù)取 0.05。從圖 7 和圖 8 可以看出,這些曲線并不平滑,因?yàn)閷?duì)它們的高頻分量耦合進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析,這在實(shí)際中被認(rèn)為是振動(dòng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片存在振動(dòng)現(xiàn)象,試驗(yàn)時(shí)與模擬數(shù)據(jù)吻合。振動(dòng)與應(yīng)力、材料性質(zhì)、材料剛度、剛體接觸曲線、摩擦系數(shù)等有關(guān)。仿真分析表明,應(yīng)力越大,振動(dòng)越小。在設(shè)計(jì)葉片桿的曲線槽時(shí),應(yīng)保證接觸面光滑,以減少非必要的振動(dòng)。圖 9 是應(yīng)力很快時(shí)的角速度,可以明顯觀察到振動(dòng)情況[5]。患者對(duì)葉片的實(shí)際作用不是恒定的,而是當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到附近的水平位置時(shí)逐漸增加。這樣,盡量選擇較大的電機(jī)扭矩,防止過(guò)載。b.摩擦系數(shù)對(duì)扭矩的影響 t葉片模擬共有三種約束:固定約束、鉸鏈約束和接觸約束。固定約束不能產(chǎn)生摩擦力,但鉸鏈約束和接觸約束可以。鉸鏈到鉸鏈約束裝置的鉸鏈可以作為滑動(dòng)軸承處理。滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)小?;瑒?dòng)軸承的動(dòng)摩擦系數(shù)為 3.0xl0-3,靜摩擦系數(shù)為 4.0x 10-3?雖然接觸約束也是一種滑動(dòng)摩擦,但由于接觸復(fù)雜,應(yīng)力也很大,不能簡(jiǎn)單地作為滑動(dòng)軸承處理。圖 10 為執(zhí)行臂桿軸和曲線槽受力快時(shí)的接觸力,最大可達(dá) 1800N。圖 11 和圖 12 分別表示摩擦系數(shù) 0.07 和 0.31 中的扭矩圖,以及 Soon 的應(yīng)力。與圖 11 和圖 12 相比,它看不到扭矩的變化,也看不到曲線。最大的差異是摩擦系數(shù)為 0.31 時(shí)振動(dòng)減小。摩擦系數(shù) f.i.并沒(méi)有明顯引起最大力矩的變化,只是在濾波后有增大的趨勢(shì),平滑相關(guān)值[6]。c.從空間位置到扭矩的偏差設(shè)計(jì)葉片時(shí),不僅要考慮實(shí)際安裝空間和要求尺寸,還要注意葉片杠桿旋轉(zhuǎn)軸與執(zhí)行臂旋轉(zhuǎn)軸之間的空間位置關(guān)系。因?yàn)樗鼈兊奈恢貌粌H關(guān)系到葉片能否正常工作,而且影響到最大的驅(qū)動(dòng)力。建立坐標(biāo)時(shí),使用如圖 13 所示的坐標(biāo)系。圖 14、圖 15 和圖 16 是 2010 年第二屆國(guó)際機(jī)電工程會(huì)議(ICMEE 2010)第一卷 VI-452 中不同空間位置的最大扭矩變化圖[7]。應(yīng)力很快,摩擦系數(shù)為0.03。通過(guò)比較不同工況下的數(shù)據(jù),可以看出時(shí)間和最大轉(zhuǎn)矩都發(fā)生了顯著變化。在條件 3 中,運(yùn)動(dòng)時(shí)間最小,也就是力矩。在條件 2 下,在移動(dòng)過(guò)程中,杠桿臂與驅(qū)動(dòng)軸分離。在實(shí)際確定數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、尺寸和結(jié)構(gòu)等,盡最大努力可能不是最合適的[8]。通過(guò)對(duì)葉片的動(dòng)力學(xué)模擬分析,得出:(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩小。在仿真分析過(guò)程中,對(duì)葉片施加 500N 的力,計(jì)算出電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為 25Nm,但實(shí)際轉(zhuǎn)矩為 18Nm,因此在升高時(shí)會(huì)出現(xiàn)葉片無(wú)力現(xiàn)象。這里承受 500N 的力,它只是正常情況下的平均作用尺寸。實(shí)際使用時(shí),可能大于 500N,因此必須考慮電機(jī)應(yīng)具有足夠的剩余驅(qū)動(dòng)扭矩,以滿足不同條件下的要求。(2)摩擦系數(shù)對(duì)扭矩的影響不大。結(jié)果表明,在恒定作用下,摩擦系數(shù)對(duì)扭矩的影響很小,通過(guò)采用不同的摩擦系數(shù)來(lái)計(jì)算最大扭矩。(3)旋轉(zhuǎn)軸的空間位置對(duì)扭矩影響較大,工況 1 和工況 3 相差 1 on m,運(yùn)動(dòng)時(shí)間也發(fā)生變化。5 結(jié)論通過(guò)對(duì)護(hù)理床葉片的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,探討了驅(qū)動(dòng)力矩作用、摩擦系數(shù)、空間位置等因素對(duì)護(hù)理床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響,為護(hù)理床性能評(píng)價(jià)分析提供了科學(xué)依據(jù)。該床還可以增加系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能,使其能夠自動(dòng)將信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)監(jiān)控。參考文獻(xiàn)[1]方錦波,陳紅。”護(hù)士面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自老齡化人口,《國(guó)際護(hù)理雜志》。第3 卷,2004 年 2 月,第 147-149 頁(yè)。[2]鄭嬌榮.Adams 開(kāi)始使用虛擬原型技術(shù)并進(jìn)行改進(jìn)。北京:機(jī)械工業(yè)出版社。2002。[3]彭其波,李海陽(yáng).基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)器人毛管建模與仿真”,《華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2007 年 6 月第 33 卷第 58-62 頁(yè)。[4]金鑫,什么榆林奧德劉華?!憋L(fēng)力發(fā)電機(jī)耦合振動(dòng)分析”,《振動(dòng)與沖擊雜志》,第 26 卷,2007 年 6 月,第 144-147 頁(yè)。[5]劉軍,林立松,劉小萍.亞當(dāng)斯柔性車身運(yùn)動(dòng)仿真分析研究與應(yīng)用,“現(xiàn)代汽車制造項(xiàng)目,第 5 卷,5 月。2004 年,第 53-55 頁(yè)。[6]董立剛,陳威海,奧德,張建斌.混合式電纜驅(qū)動(dòng)的貓形裝置的運(yùn)動(dòng)分析AOD 模擬,“系統(tǒng)模擬期刊,第 19 卷,2007 年 9 月,第 4007-4011 頁(yè)。[7]Waog Yeo,“多功能護(hù)理床控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”,《控制與自動(dòng)化》,第 22卷,2006 年 7 月,第 117-119 頁(yè)。[8]焦浩,沃偉,劉永平.多功能護(hù)理床的研究,“制造自動(dòng)化,2009 年 6 月 31日,第 71-73 頁(yè)。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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