雙差動(dòng)電動(dòng)床設(shè)計(jì)說明書

1、具有下肢康復(fù)訓(xùn)練功能的電動(dòng)床及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 56摘 要具有下肢康復(fù)訓(xùn)練功能的電動(dòng)床是一種針對(duì)癱瘓病人的特殊需要而設(shè)計(jì)的，康復(fù)者可通過床邊的控制器進(jìn)行操作，完成床身傾斜，下肢曲伸訓(xùn)練等動(dòng)作調(diào)節(jié)床的整體和腿部的角度，使患者萎縮的肌肉得以訓(xùn)練，減輕護(hù)理人員的工作強(qiáng)度。本文針對(duì)上述情況，根據(jù)人體工學(xué)，采用雙電動(dòng)推桿配合曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，解決了病人在日常有效的重力狀態(tài)下進(jìn)行自我康復(fù)仿真訓(xùn)練?；颊卟粌H可以進(jìn)行單腿訓(xùn)練，還可進(jìn)行雙腿異步訓(xùn)練和雙腿同步訓(xùn)練；背部的傾斜機(jī)構(gòu)不會(huì)導(dǎo)致使用時(shí)人體有擠壓的感覺，使患者在使用時(shí)，更加舒適。考據(jù)現(xiàn)有電動(dòng)床尺寸及人體各因素?cái)?shù)據(jù)，得到初始設(shè)計(jì)尺寸，采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件UG對(duì)其進(jìn)

2、行建模、裝配及干涉檢查，利用機(jī)械分析軟件Adams對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析優(yōu)化，研究分析并優(yōu)化各床板在各運(yùn)動(dòng)狀況下的角加速度對(duì)患者舒適度的影響及各支點(diǎn)在各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)下的受力狀況，得到滿足設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。本課題的研究內(nèi)容主要包括下肢康復(fù)電動(dòng)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)電動(dòng)床達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)訓(xùn)練電動(dòng)床，運(yùn)動(dòng)學(xué)，參數(shù)優(yōu)化，干涉檢查，優(yōu)化仿真，單片機(jī)ABSTRACTThe lower limb rehabilitation training bed is designed for the special needs of the pa

3、ralytic. Patient can operate the bedside controller to complete the bed tilted and the action of the lower limb flexion-extension training to adjust the angle of the bed and legs, Training in patients with atrophy of the muscles , reduce the intensity of the nursing work. This paper is based on the

4、ergonomic, using motorized faders and slider-crank mechanism to solve the patient self- rehabilitation in the daily simulation training under effective gravity. Patients can not only one leg training , but also asynchronous training and legs synchronous training. Tilt of the back will not lead to th

5、e squeezed feeling , making patients more comfortable in use. Test bed, according to the existing size and body care factors are obtained for the initial design size, three-dimensional digital design using UG to model its assembly and interference detection, mechanical analysis software Adams kinema

6、tics and dynamics of its optimization , analysis and optimization of the bed board in the exercise conditions of acceleration effects on patient comfort and the fulcrum of movement in all agencies under the stress condition and design requirements are met institutional parameters. The experiment res

7、ults prove that horizontal lower limbs rehabilitative robots design requirements.Key words: Lower limb rehabilitation training care beds, dynamics, parameter optimization, interference checking, optimization simulation, microcontroller目錄1 緒 論11.1 課題來源11.2 課題目的11.3 課題意義11.4 國內(nèi)外發(fā)展的基本概況21.5 本文主要研究內(nèi)容21.

8、6 本章小結(jié)42電動(dòng)床機(jī)械結(jié)構(gòu)總體構(gòu)思52.1 引言52.2 護(hù)理要求52.3 電動(dòng)床的人體參數(shù)分析62.4 床身傾斜機(jī)構(gòu)72.5 下肢屈伸訓(xùn)練機(jī)構(gòu)82.6 康復(fù)電動(dòng)床的三維模建112.7 本章小結(jié)143 電動(dòng)床運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)153.1 引言153.2 多功能醫(yī)用電動(dòng)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析153.3 屈腿訓(xùn)練機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化153.4 傾斜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析233.5 本章小結(jié)314 電動(dòng)床的設(shè)計(jì)計(jì)算324.1 引言324.2 傾斜機(jī)構(gòu)力學(xué)計(jì)算324.3 電機(jī)選型384.4 同步帶選型404.5 本章小結(jié)435 下肢康復(fù)訓(xùn)練功能電動(dòng)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)445.1 引言445.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)445.3 控制

9、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)465.4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)475.5 本章小結(jié)536 結(jié)論546.1課題結(jié)論54參考文獻(xiàn)55致 謝56 1 緒 論1.1 課題來源本課題來源于企業(yè)項(xiàng)目“下肢康復(fù)訓(xùn)練電動(dòng)床”。課題源于社會(huì)需要和企業(yè)委托課題，是設(shè)計(jì)改進(jìn)一種具有下肢康復(fù)功能的電動(dòng)床。課題設(shè)計(jì)是基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶，樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡潔，工作性能可靠，能滿足訓(xùn)練者的日?？祻?fù)需要。1.2 課題目的 面對(duì)人口老齡化日益嚴(yán)峻的形式，開發(fā)適合老年人需求的產(chǎn)品顯得尤為緊迫，因此，發(fā)展康復(fù)助殘器械行業(yè)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新契機(jī)。富有人性化的下肢康復(fù)訓(xùn)練的電動(dòng)電動(dòng)床由此應(yīng)運(yùn)而生，它不僅可以解決臥床病患最基本的需求：自

10、己翻身，解大小便等，還能夠通過床上下肢鍛煉來逐漸減輕下肢無力癱瘓的病狀。癱瘓病人（包括截癱，偏癱和四肢癱）由于體能脆弱，癱瘓肢體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)不足以及肌張力異常而長期臥床，從而引起全身肌肉萎縮和關(guān)節(jié)僵硬等多種并發(fā)癥。下肢訓(xùn)練可以幫助病人減少各種并發(fā)癥的發(fā)生，維持脊柱，骨盆以及下肢的應(yīng)力負(fù)荷，是促進(jìn)病人功能恢復(fù)的有效手段。1.3 課題意義隨著人民生活水平的提高，死亡率下降、出生率大幅下跌和平均預(yù)期壽命延長。此外,還有晚婚、單身男性人數(shù)增加以及1990年以來隨著女性工作積極性提高和養(yǎng)育后代成本上升出現(xiàn)的已婚夫婦生育率下降等原因，人口老齡化已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的社會(huì)問題。中國是世界上老年人口最多、增長最快的

11、國家。1980年以來，我國60歲以上的老年人口以年均3%的速度持續(xù)增長。 “五普”結(jié)果表明，65歲及以上人口達(dá)到8811萬人，占總?cè)丝诘?.96%。我國已經(jīng)進(jìn)入了人口老齡化社會(huì)。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)（中方案），到2050年我國65歲以上老年人口將達(dá)到3.2億以上，約占我國總?cè)丝诘?/5，占世界老年人口的1/4。與此同時(shí)，我國老年人口中的高齡化趨勢(shì)也日益明顯，預(yù)計(jì)到2040年80歲以上人口將達(dá)到0.56億5。 老年人健康狀況不容樂觀。老年人口同非老年人口相比，在生理上會(huì)出現(xiàn)一些與年齡相關(guān)的特征。隨著年齡的不斷增長，生理機(jī)能日趨衰退，抵抗能力不斷降低，健康狀況下降。突出的現(xiàn)象就是高齡老年人自我照料能力減

12、弱,對(duì)家庭、社區(qū)、政府依賴程度加大。據(jù)調(diào)查,在80歲以上男性老人中,能自我照料的只占35.7%。目前“空巢家庭”也已成為社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，家庭式護(hù)理對(duì)老年人的關(guān)照也日趨減弱，客觀上增加了老年人、殘疾人護(hù)理的困難6。此外，護(hù)理人員開始出現(xiàn)人數(shù)不足的情況，并且護(hù)理人員也面臨著老齡化的問題。據(jù)日本統(tǒng)計(jì)局的一份資料表明，日本護(hù)理人員的數(shù)量正在急劇減少，并且年輕人從事對(duì)護(hù)理行業(yè)并不熱心，造成了后繼不足的情況7-8。具有下肢康復(fù)功能的電動(dòng)床正是一種針對(duì)長期臥床不起的老年人、病人、危重病人和癱瘓病人的特殊需要而設(shè)計(jì)的，通過遙控器能隨意調(diào)節(jié)腿部以及整體傾斜的角度。即使不能自理者，護(hù)理人員也可通過床邊的控制器進(jìn)行操

13、作，減輕了護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。本課題來自社會(huì)需要和企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)，基于服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)的具有下肢康復(fù)訓(xùn)練的電動(dòng)床是滿足偏癱病人下肢康復(fù)訓(xùn)練，恢復(fù)健康和減少痛苦的機(jī)電一體化產(chǎn)品，對(duì)于促進(jìn)助老/助殘系列化服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品的發(fā)展所必需的。通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)床的傾斜，下肢曲伸，簡化了結(jié)構(gòu)，增加了可控性，可實(shí)現(xiàn)原地整體傾斜，腿部康復(fù)鍛煉等功能，為下肢康復(fù)訓(xùn)練提供相適應(yīng)的平臺(tái)，滿足了使用者身體和生理方面的需要，也減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。經(jīng)過設(shè)計(jì)調(diào)查，病人對(duì)康復(fù)床的要求不僅是位姿的移動(dòng)，側(cè)翻，更需要能結(jié)合下肢康復(fù)訓(xùn)練的訓(xùn)練器來鍛煉下肢功能的康復(fù)床，如今這種電動(dòng)床在國內(nèi)、外無相關(guān)產(chǎn)品，也未見相關(guān)產(chǎn)品

14、報(bào)道。為此利用機(jī)械設(shè)計(jì)理論、自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)滿足偏癱病人下肢康復(fù)訓(xùn)練的電動(dòng)床具有重要的意義。具有下肢康復(fù)訓(xùn)練功能的電動(dòng)床及控制系統(tǒng)關(guān)鍵是以機(jī)械自動(dòng)化為核心，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，所占空間小，可靠性高，操作靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。1.4 國內(nèi)外發(fā)展的基本概況由于各種災(zāi)難和疾病造成的殘障人士逐年增加，隨著世界老齡化進(jìn)程的加快，照顧老人的問題即將成為一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問題。癱瘓病人的特點(diǎn)既要保證安逸的休息，又要保證適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練，因此具備智能化的下肢康復(fù)訓(xùn)練電動(dòng)床將是未來開發(fā)的重點(diǎn)對(duì)象，尤其是具備簡單操作，高級(jí)智能，同時(shí)又考慮病人心理和情緒問題的康復(fù)電動(dòng)床如今無論是國內(nèi)還是國外都是一片空白。目前，全

15、世界大約有700萬癱瘓斌人，而中國大約有140萬癱瘓病人，隨著我國綜合實(shí)力的增強(qiáng)，社會(huì)對(duì)癱瘓病人的投入也逐年在增多，市場(chǎng)對(duì)癱瘓病人用品的種類，檔次，質(zhì)量和數(shù)量也提出了更高的要求。而我國癱瘓病人用品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平還停留在初級(jí)階段，其產(chǎn)品多為一些科技含量較低，功能單一，價(jià)格低廉的產(chǎn)品；許多性能優(yōu)越，功能多樣，技術(shù)含量高的醫(yī)療器材，如電腦控制的翻身床，自動(dòng)升降的電動(dòng)翻身床，理療床等產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品相比有很大差距。1.5本文主要研究內(nèi)容1.5.1.研究課題的步驟(1)通過資料查閱與分析，了解技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)（對(duì)國內(nèi)外技術(shù)及 現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析）；(2)分析設(shè)計(jì)要求，比較幾種可行的傳動(dòng)方案

16、性能；(3)按所需要求，對(duì)電動(dòng)床進(jìn)行整體規(guī)劃（包括智電動(dòng)床的傳動(dòng)方式、模塊化設(shè)計(jì) 等）；(4)確定各個(gè)機(jī)構(gòu)的類型并進(jìn)行具體設(shè)計(jì)（包括零件尺寸設(shè)計(jì)、零件材料選擇）；(5)進(jìn)行總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化；(6)完成電氣控制部分設(shè)計(jì)（包括供電方式、控制順序、單片機(jī)程序及接線圖 ）；(7)繪制圖紙；完成設(shè)計(jì)說明書。圖1-4設(shè)計(jì)流程圖1.5.2. 參數(shù)化問題在電動(dòng)床的設(shè)計(jì)中，參數(shù)化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即零件建模與裝配。對(duì)于零件建模而言，參數(shù)可分為三類： (1) 相互之間存在一定約束條件，不可隨意更改參數(shù)，如電動(dòng)機(jī)的外形尺寸參 數(shù)就是如此，必須通過查閱相關(guān)技術(shù)參數(shù)得到。 （2）查閱相關(guān)手冊(cè)取得，但是可以更具實(shí)

17、際情況修改。 （3）根據(jù)情況自行確定。1.5.3 工業(yè)造型與整體設(shè)計(jì)在電動(dòng)床設(shè)計(jì)中，與工業(yè)造型密切相關(guān)的就是床身的設(shè)計(jì)和渲染處理。床身的設(shè)計(jì)不但要考慮人機(jī)環(huán)境，而且要考慮材料選用和流線設(shè)計(jì)，這里采用solid works的曲面造型功能完成床身設(shè)計(jì)。另外，三維實(shí)體模型建立后，還需要通過高級(jí)渲染制作出具有真實(shí)感得電動(dòng)床產(chǎn)品和部件效果圖，一個(gè)好的渲染會(huì)對(duì)產(chǎn)品的推廣帶來良好的效果。1.5.4 仿真分析利用ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和

18、反作用力曲線。對(duì)于運(yùn)動(dòng)仿真而言，作用有兩個(gè)：即動(dòng)態(tài)干涉分析和分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而觀察在運(yùn)動(dòng)過程中構(gòu)件之間的干涉關(guān)系。在運(yùn)動(dòng)分析中，可以通過位移，速度以及加速度曲線觀察運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否符合設(shè)計(jì)要求。1.5.5 裝配中的關(guān)鍵問題（1）裝配模式。在多功能電動(dòng)床的裝配中，采用Top-down或者Down-top方式都可以，二者并不對(duì)立，實(shí)際上他們是一個(gè)并行過程，經(jīng)?；煊?。（2）干涉檢查。對(duì)于電動(dòng)床而言，在各個(gè)部件中，都必須進(jìn)行零件的干涉分析，以避免在試生產(chǎn)中發(fā)生干涉碰撞。由于該機(jī)器產(chǎn)品復(fù)雜，零件數(shù)量多，不可能通過反復(fù)生產(chǎn)樣機(jī)解決問題，而需要在設(shè)計(jì)間斷就盡量減少這種錯(cuò)誤。Solid works裝配模塊中的干涉

19、功能可以解決整機(jī)的靜態(tài)干涉分析。（3）公差問題。靜態(tài)裝配的三維模型都是處于理想狀態(tài)下，也就是無公差模型，這在實(shí)際工作環(huán)境中參考價(jià)值不大，因?yàn)榧庸こ鰜淼牧慵际菐в衅畹?。因此，還需要考慮不同公差情況對(duì)零件裝配的影響。相比之下，干涉檢查只是檢查理想尺寸與碰撞情況。采用Solid works模塊對(duì)零件和裝配的全過程進(jìn)行公差分析與綜合，從而分析零件公差對(duì)產(chǎn)品精度造成的影響，以及裝配模型是否符合精度要求。確定影響裝配關(guān)系和裝配精度的關(guān)鍵尺寸公差的約束及其敏感度，性能和技術(shù)指標(biāo)要求的前提下放寬公差指標(biāo)，使尺寸在較寬松的公差范圍內(nèi)滿足產(chǎn)品的預(yù)期精度要求，降低制造成本。1.6 本章小結(jié)本章主要介紹了課題的目

20、的和意義，目前醫(yī)用電動(dòng)床在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了各個(gè)國家目前電動(dòng)床的發(fā)展情況，最后根據(jù)研究分析國外尚未開發(fā)的電動(dòng)床的技術(shù)空白，確定了自己課題的研究內(nèi)容。2電動(dòng)床機(jī)械結(jié)構(gòu)總體構(gòu)思2.1引言具有下肢康復(fù)訓(xùn)練功能的電動(dòng)床是對(duì)下肢具有運(yùn)動(dòng)障礙的患者進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化機(jī)械裝置，它可以幫助因中風(fēng)等疾病或因外傷引起的腿部運(yùn)動(dòng)障礙進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練，有助于恢復(fù)肢體功能，防止肌肉萎縮。通過自動(dòng)控制模擬正常人的仰臥時(shí)屈伸腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使病腿的運(yùn)動(dòng)功能得到訓(xùn)練；同時(shí)也可以用病人的一條好腿來帶動(dòng)病腿進(jìn)行訓(xùn)練。本課題的研究主要任務(wù)是完成下肢康復(fù)功能電動(dòng)床的下肢往復(fù)機(jī)構(gòu)，大小腿屈伸機(jī)構(gòu)和床體傾斜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控

21、制，作為幫助有下肢運(yùn)動(dòng)障礙的病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的電動(dòng)床，首先應(yīng)該具有合理的結(jié)構(gòu)，能夠模擬正常人仰臥時(shí)的屈伸腿運(yùn)動(dòng)，為病人進(jìn)行下肢機(jī)能恢復(fù)訓(xùn)練提供幫助，其次，考慮到電動(dòng)床的工作對(duì)象是行動(dòng)不便的病人，需要提高電動(dòng)床的可靠性，安全性和舒適性，最后，該電動(dòng)床屬于康復(fù)電動(dòng)床，應(yīng)該保證無污染和清潔，以利于病人的康復(fù)。下肢康復(fù)電動(dòng)床為了實(shí)現(xiàn)下肢異步，同步屈伸，床身整體傾斜等動(dòng)作主要有：床體傾斜機(jī)構(gòu)以及曲腿機(jī)構(gòu)。具有下肢康復(fù)功能的電動(dòng)床的各個(gè)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)候大多采用利用連桿曲線圖譜選出合適的連桿曲線，然后利用幾何作圖法確定機(jī)構(gòu)參數(shù)，使用AUTUOCAD軟件在滿足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的條件下，采用AUTOCAD軟件得

22、到滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的初始機(jī)構(gòu)各桿件尺寸。2.2護(hù)理要求2.2.1電動(dòng)床的工作環(huán)境電動(dòng)床多數(shù)是應(yīng)用于病房和家庭居室，考慮到上述環(huán)境對(duì)噪聲的限制，故設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)類型及型號(hào)的選取應(yīng)滿足工作噪音低于20分貝，并且在床體上附加一些必要的減震降音材料，如橡膠墊片、彈簧墊圈等15。2.2.2 康復(fù)電動(dòng)床的性能指標(biāo)下肢康復(fù)電動(dòng)床是對(duì)下肢具有運(yùn)動(dòng)障礙的患者進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化機(jī)械裝置，它可以幫助因中風(fēng)等疾病或因外傷引起的腿部運(yùn)動(dòng)障礙進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)能恢復(fù)性訓(xùn)練。下肢康復(fù)訓(xùn)練電動(dòng)床的整體性能應(yīng)達(dá)到如下主要技術(shù)指標(biāo)：（1）4自由度；（2）承載能力10Kg屈伸機(jī)構(gòu)和100Kg的床體傾斜機(jī)構(gòu)；（3）腿最高屈伸頻率20次/分

23、；（4）機(jī)構(gòu)能使病人模仿正常人仰臥時(shí)屈伸腿運(yùn)動(dòng)（5）機(jī)構(gòu)既具有主動(dòng)特性又具有被動(dòng)特性；（6）各個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的擺動(dòng)角度范圍應(yīng)參照有關(guān)醫(yī)療護(hù)理要求16以及人體的舒適 感，各機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度及標(biāo)準(zhǔn)如下：背板傾斜角度：0°20°左/右腿部屈伸機(jī)構(gòu)與平面角度：0°60°（7）電動(dòng)床床體的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要符合醫(yī)護(hù)要求。（8）床體的結(jié)構(gòu)尺寸有一定的空間范圍限制。2.3 電動(dòng)床的人體參數(shù)分析根據(jù)我國成年人人體比例尺寸關(guān)系（如圖2-1）可知：大腿長約占人體總高度的0.47；小腿長約占人體總高度的0.26-0.265；髖關(guān)節(jié)寬度約占人體總高度的0.2；腳長約占人體總高度的

24、0.15。圖2-1 我國成年人人體比例尺寸關(guān)系圖2-2 仰臥時(shí)活動(dòng)空間正常人在仰臥時(shí)屈伸腿的運(yùn)動(dòng)情況如圖2-2所示，圖2-2（a）為正視圖，零點(diǎn)位于正中中垂平面上，圖2-2（b）為側(cè)視圖，零點(diǎn)位于經(jīng)頭頂?shù)拇怪鼻芯€上，垂直切線與仰臥平面的交點(diǎn)作為零點(diǎn)。腿由伸直狀態(tài)到完全彎曲狀態(tài)時(shí)腳的運(yùn)動(dòng)范圍為500mm。大腿與水平面的夾角約為60度。針對(duì)成年人的身體狀況，特別針對(duì)有運(yùn)動(dòng)障礙的中老年患者恢復(fù)正常行走功能，按身高175cm左右，在設(shè)計(jì)康復(fù)電動(dòng)床時(shí)，合理尺寸大致設(shè)定為：大腿長：35mm小腿長：46mm兩腿間距：24cm2.4床身傾斜機(jī)構(gòu)為了使病人在下肢康復(fù)的訓(xùn)練過程中有更為模擬仿真走路的效果，設(shè)計(jì)讓整

25、體床身在下肢訓(xùn)練前傾斜至一定的角度，使下肢有略微向下的重力作用，這樣能使病人在較為真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境下進(jìn)行下肢訓(xùn)練，同時(shí)根據(jù)患者的需要和舒適度，可以隨意更改傾斜角度。2.4.1側(cè)翻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理床身前后傾斜運(yùn)動(dòng)較為簡單，但支起角度要達(dá)到20度，且可以任意角度停留。確定采用雙電動(dòng)缸進(jìn)行傳動(dòng)。雙電動(dòng)缸同時(shí)伸長，縮進(jìn)，通過直角連桿帶動(dòng)床身向下傾斜。如圖2-3。圖2-3 側(cè)翻機(jī)構(gòu)工作原理圖在整體傾斜的過程中，兩個(gè)平行于床面的電動(dòng)推桿同時(shí)向左伸出，最大伸長量為100mm，最終使床面和水平面夾角為20度，根據(jù)圖解法設(shè)計(jì)，A與B點(diǎn)水平距離為420mm（電動(dòng)缸未伸出時(shí)），D與E的水平距離為360mm，C與E

26、的豎直距離為260mm。2.5下肢屈伸訓(xùn)練機(jī)構(gòu)下肢訓(xùn)練功能由直流電機(jī)給同步帶驅(qū)動(dòng)力,同步帶帶動(dòng)腿部機(jī)構(gòu)進(jìn)行往返屈伸運(yùn)動(dòng)。首先由直流電機(jī)通過減速裝置輸出適用于主運(yùn)動(dòng)的合理轉(zhuǎn)速，通過主動(dòng)輪來帶動(dòng)同步帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在同步帶的外側(cè)各設(shè)有一條平行于同步帶的光滑導(dǎo)軌（起到引導(dǎo)作用），導(dǎo)軌上安置移動(dòng)滑塊，將曲腿訓(xùn)練機(jī)構(gòu)安裝在滑塊上，由此隨著同步帶的帶動(dòng)下沿著導(dǎo)軌進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。為了使病人能夠在病床上得到有效的鍛煉，本方案設(shè)計(jì)了2種運(yùn)動(dòng)模式，一種為雙腿差動(dòng)屈伸運(yùn)動(dòng)，如圖2-4，另一種為雙腿同步屈伸運(yùn)動(dòng)，如圖2-5。前一種方案由同步帶帶動(dòng)兩個(gè)滑塊自然往復(fù)運(yùn)動(dòng)，首先將兩個(gè)滑塊置于同步帶的異側(cè)兩端，當(dāng)皮帶輪順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)

27、，兩滑塊逆向滑動(dòng)，從而帶動(dòng)曲腿裝置進(jìn)行差動(dòng)運(yùn)動(dòng)；到規(guī)定位置時(shí)，皮帶輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而使雙腿運(yùn)動(dòng)改變?cè)械倪\(yùn)動(dòng)方向。皮帶輪第二種方案是在同步帶的一側(cè)內(nèi)增加一列導(dǎo)軌，用來放置另外一個(gè)滑塊，當(dāng)病人需要雙腿同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以將準(zhǔn)備好的固連裝置將一側(cè)內(nèi)的滑塊和另一側(cè)與同步帶同步的滑塊相連，由此以同步帶運(yùn)動(dòng)的一側(cè)滑塊來帶動(dòng)另一側(cè)的滑塊沿著導(dǎo)軌進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就能使雙腿進(jìn)行同步屈伸運(yùn)動(dòng)。圖2-4 差動(dòng)曲腿方案 圖2-5 同步屈腿方案比較方案二： 另一種方案為滾珠絲杠傳動(dòng)方式，如圖2-6。仍然以運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接雙滑塊，滾珠絲杠的傳動(dòng)方式使傳動(dòng)更精確，更穩(wěn)定，但需要由兩個(gè)電機(jī)來分別驅(qū)動(dòng)，從造價(jià)和控制上面來說比較昂貴

28、和繁瑣，故采用第一種方案作為腿部訓(xùn)練方案。圖2-6 滾珠絲杠腿部傳動(dòng)方案2.5.1下肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法）下肢康復(fù)電動(dòng)床的下肢屈伸康復(fù)機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，屈伸的初始高度為和床平面平行，大腿版與滑動(dòng)導(dǎo)軌豎直距離（ABD）為186mm；AB桿長度為250mm，BC桿長度為420mm。在床下滑塊向左勻速滑動(dòng)時(shí)（0.1m/s）下，大腿板在連桿BC的推動(dòng)下漸漸抬起，最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求和平面成60度角停止。這樣得到了初始狀態(tài)下的屈伸機(jī)構(gòu)的尺寸，但由于機(jī)構(gòu)需要滿足運(yùn)動(dòng)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)做屈伸運(yùn)動(dòng)，將腿板翻60°之后，利用偏移命令，找到連桿的所在位置，得出大腿版和導(dǎo)軌終了安裝位置，這樣就可

29、以得到滑塊導(dǎo)軌的行程，其行程為500mm，此時(shí)大腿版角度為60度，正好滿足了設(shè)計(jì)要求范圍。可以直接采用廠家提供的導(dǎo)軌滑塊。圖解法下肢屈伸機(jī)構(gòu)如圖2-7所示。圖 2-7 圖解法下肢屈伸機(jī)構(gòu)在確定了連桿L的結(jié)構(gòu)尺寸后曲柄連桿機(jī)構(gòu)就確定了。圖中標(biāo)出了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸（如圖2-8），其中曲柄長（腿支架）R，基座高H（300mm）踏板高h(yuǎn)（320mm），并已知腿由伸直狀態(tài)到完全彎曲的狀態(tài)時(shí)腳的運(yùn)動(dòng)范圍約為500mm，大腿與水平面的夾角約為60度。尺寸C在運(yùn)動(dòng)中要求盡量保持不變。有了這些條件，應(yīng)用幾何知識(shí)求出連桿L長約為600mm，取L=600mm。圖2-8 外形尺寸圖2.6康復(fù)電動(dòng)床的三維模建以上

30、通過圖解法的方法得到了康復(fù)電動(dòng)床的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，這些是對(duì)電動(dòng)床進(jìn)行建模的基礎(chǔ)，根據(jù)上述初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在UG軟件對(duì)其進(jìn)行建模，得到的模型如圖2-9，2 -10和2-11所示。圖2-9 下肢康復(fù)電動(dòng)床整體三維圖圖2-10 下肢康復(fù)電動(dòng)床整體三維俯視圖圖2-11 下肢康復(fù)電動(dòng)床整體三維正視圖 以上三幅三維UG截圖大致表達(dá)了床體外形的整體機(jī)構(gòu)，其中包括任意角度下肢康復(fù)電動(dòng)床整體三維整體圖2-9，俯視圖2-10和正視圖2-11。在圖中可以看出，本康復(fù)電動(dòng)床除了由主要運(yùn)動(dòng)：下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)和床整體傾斜機(jī)構(gòu)之外，還具有一些人性化的機(jī)構(gòu)。例如在床的兩側(cè)各自分布了一組可壓收式的扶手架，這樣既可以在病人臥床鍛煉的

31、時(shí)候起到一定的保護(hù)作用，也可以方便病人起身下床；在下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)中，還加入了一個(gè)框架，這樣增加了結(jié)構(gòu)的密封性和外觀的客觀性。 在下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)中，如圖2-12所示，引入了雙導(dǎo)軌系統(tǒng)，配合直接連接力矩電機(jī)的同步帶輪來帶動(dòng)導(dǎo)軌上的滑塊進(jìn)行來回滑動(dòng)。在兩條腿板的當(dāng)中同時(shí)還可以架構(gòu)一根連桿，在需要雙腿作同步屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)可以自由的進(jìn)行切換，節(jié)省了操作的時(shí)間，非常的簡便。 圖2-12下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)1 在床體傾斜的機(jī)構(gòu)中，如圖2-13所示，為了加強(qiáng)傾斜過程中的穩(wěn)定性和可靠性，采用雙電動(dòng)推桿同步伸縮，從而加大了對(duì)床板施加的作用力，利用近似直角的推力來推動(dòng)固定在床架上的連桿，使電動(dòng)桿施加的力可以最小化。圖2-1

32、3下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)22.7本章小結(jié)本章綜合介紹了具有下肢康復(fù)功能電動(dòng)床的總體結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的尺寸，詳細(xì)研究和設(shè)計(jì)了下肢康復(fù)訓(xùn)練床的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)以及傾斜機(jī)構(gòu)。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)可以配合病人的屈伸運(yùn)動(dòng)達(dá)到雙腿同步，雙腿異步，單腿訓(xùn)練以及主動(dòng)訓(xùn)練的目的。床身整體傾斜機(jī)構(gòu)使床體在一定的角度內(nèi)使患者達(dá)到自己最舒適的仿真位置，從而可以利用人體略微向下的重力讓下肢康復(fù)訓(xùn)練更為真實(shí)。3 電動(dòng)床運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1引言運(yùn)動(dòng)學(xué)23是理論力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它是運(yùn)用幾何學(xué)的方法來研究物體的運(yùn)動(dòng)，通常不考慮力和質(zhì)量等因素的影響。至于物體的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，則是動(dòng)力學(xué)的研究課題。本章利用ADAMS軟件分別對(duì)下肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)

33、構(gòu)和床體傾斜機(jī)構(gòu)建模以及仿真，找出適合正常人屈伸和傾斜時(shí)的軌跡的機(jī)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化由于加速度使人體背部以及腿部感覺不適，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真和分析。3.2多功能醫(yī)用電動(dòng)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 多功能醫(yī)用電動(dòng)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，主要是為了進(jìn)一步確定各機(jī)構(gòu)的桿件尺寸，在滿足各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的前提下，保證在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候各機(jī)構(gòu)之間不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，使得機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生破壞；同時(shí)多功能醫(yī)用電動(dòng)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析也時(shí)為了在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的條件下，使機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中從各個(gè)機(jī)構(gòu)的功能出發(fā)，達(dá)到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)，得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及桿件尺寸數(shù)據(jù)。3.3 屈腿訓(xùn)練機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化圖3-1 曲腿訓(xùn)練機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡圖3.3.1設(shè)置操作環(huán)

34、境表3-1 設(shè)置操作環(huán)境坐標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)X坐標(biāo)/mmY坐標(biāo)/mmO00AL10BL1L2CL3L4在建立模型前，首先應(yīng)該設(shè)置操作環(huán)境，以方便模型的建立：(1) 設(shè)置單位在菜單Setting中選擇Uints，出現(xiàn)單位設(shè)置對(duì)話框，選擇MMKS。(2) 定義地面坐標(biāo)系選擇默認(rèn)狀態(tài)下的笛卡爾坐標(biāo)系作為地面坐標(biāo)系。(3) 定義重力選擇默認(rèn)狀態(tài)下大小為1G的重力加速度，方向?yàn)?Y方向。(4) 設(shè)置工作柵格在菜單Setting中選擇Working Grid，出現(xiàn)柵格設(shè)置對(duì)話框，X，Y方向的柵格范圍分別設(shè)置為750和500，按OK確定。3.3.2建立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)變量和關(guān)鍵點(diǎn)根據(jù)屈腿訓(xùn)練機(jī)構(gòu)簡圖及運(yùn)動(dòng)分析，首先建立基礎(chǔ)設(shè)

35、計(jì)變量。其中包括設(shè)計(jì)變量和關(guān)鍵點(diǎn)變量。由于機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用線性推桿，其具有一定的安裝尺寸要求，同時(shí)床椅的曲腿訓(xùn)練調(diào)節(jié)范圍有一定的要求。選擇的線性推桿的初始長度為338mm，行程150mm。這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的取值范圍，定義好后的設(shè)計(jì)變量如表3-2所示。表3-2 初始設(shè)計(jì)變量變量名變量說明Standard value/mmDV_L1A點(diǎn)X方向坐標(biāo)250DV_L2B點(diǎn)Y方向坐標(biāo)-25DV_L3C點(diǎn)X方向坐標(biāo)630DV_L4C點(diǎn)Y方向坐標(biāo)-200按照上面的數(shù)據(jù)定義初始設(shè)計(jì)變量，這些設(shè)計(jì)變量是建模的基礎(chǔ)。在曲腿訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖上有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分別是Point_1, Point_2, Poin

36、t_3, Point_4。圖3-2 模型中的關(guān)鍵點(diǎn)3.3.3 在ADAMS中建立設(shè)計(jì)變量(1) 在菜單Build中，選擇Design Variable，然后選擇New；(2) 在設(shè)計(jì)變量對(duì)話框的Name中輸入變量名“DV_L1”；(3) 在Standard Value中輸入476.31，點(diǎn)擊Apply。如圖3-3所示。按照上面的方法定義其它初始設(shè)計(jì)變量如表3-2所示圖3-3設(shè)計(jì)變量對(duì)話框3.3.4 在ADAMS中建立關(guān)鍵點(diǎn)(1) 在主工具箱中選擇圖標(biāo)；(2) 在底部對(duì)話框中選擇Add Ground和Dont attach；(3) 點(diǎn)擊Point Table；(4) 在出現(xiàn)的Table Edit

37、or for Points的對(duì)話框中，點(diǎn)擊Create,在出現(xiàn)的點(diǎn)創(chuàng)建窗口中，依次建立如下設(shè)計(jì)點(diǎn)，如表3-3.表3-3 各個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量坐標(biāo) 變量名Standard valuePoint_2_xDV_L1Point_2_yDV_L2Point_3_x0Point_3_yDV_L2Point_4_xDV_L1Point_4_y0Point_5_xDV_L1/2Point_5_yDV_L2/2Point_6_xDV_L3Point_6_yDV_L4Point_7_yDV_L5Point_7_yDV_L63.3.5.在ADAMS中完成樣機(jī)的建模(1) 在主工具箱中選擇圖標(biāo)；(2) 在底部對(duì)話框中選擇

38、New part; 選中Width=20,Depth=10；(3) 分別點(diǎn)取Point_1和Point_2；完成Part2的建模；(4) 重命名Part2為曲腿訓(xùn)練平臺(tái)，依次完成其余的建模；(5) 完成線性推桿的建模如圖3-4所示；圖3-4 曲腿訓(xùn)練機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模3.3.6對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析前應(yīng)首先對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)是否有沒有被約束的構(gòu)件、是否有沒有質(zhì)量的構(gòu)件以及自由度是否符合要求。菜單Tools中，選擇Model Vertify：提示如下：VERIFY MODEL: .MODEL_1 -4 Gruebler Count (approximate degrees of

39、freedom) 3 Moving Parts (not including ground) 2 Revolute Joints 1 Translational Joints 1 Fixed Joints 1 Motions 0 Degrees of Freedom for .MODEL_1Model verified successfully3.3.7定義測(cè)量和施加傳感器(1) 定義曲腿訓(xùn)練平臺(tái)的垂直位移測(cè)量為.model_1.FUNCTION_MEA_1，依次選擇：Bulide、Measure、Angle、New分別選擇3個(gè)Marker點(diǎn)，依次為：邊、頂點(diǎn)、邊。(2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)曲腿訓(xùn)

40、練平臺(tái)角度為60°時(shí)，電機(jī)停止工作，達(dá)到垂直抬升的最大極限位置，停止仿真。此時(shí)需要施加位移傳感器，由于樣機(jī)建立的時(shí)候采用的坐標(biāo)系，添加傳感器。如圖3-5進(jìn)行填寫。圖3-5 施加角度傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真的時(shí)間為5秒，步數(shù)為50步，當(dāng)曲腿訓(xùn)練平臺(tái)旋轉(zhuǎn)60°的時(shí)候，此時(shí)仿真的時(shí)間為3.747秒，樣機(jī)停止了仿真。如圖3-6所示。圖3-6 施加傳感器之后的仿真，在曲腿訓(xùn)練平臺(tái)旋轉(zhuǎn)60°的時(shí)候停止了仿真圖3-7 滑塊推力，最大為236N3.3.8樣機(jī)的參數(shù)化過程ADAMS提供了強(qiáng)大的參數(shù)化分析功能，主要有設(shè)計(jì)研究（Design study）、試驗(yàn)設(shè)計(jì)（design of

41、 experiment）、自動(dòng)優(yōu)化三個(gè)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)研究主要研究樣機(jī)的某一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)對(duì)整個(gè)樣機(jī)性能的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)則是在樣機(jī)的多個(gè)參數(shù)同時(shí)發(fā)生變化時(shí)對(duì)樣機(jī)性能的影響。設(shè)計(jì)研究過程就是讓樣機(jī)的某一個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)取不同的值，然后樣機(jī)會(huì)自動(dòng)的依次取此參數(shù)的這些值進(jìn)行一系列的仿真，所有仿真完成后報(bào)告每次分析的結(jié)果，這些結(jié)果主要包括：(1) 此參數(shù)變化對(duì)樣機(jī)性能的影響；(2) 該參數(shù)在不同值時(shí)對(duì)樣機(jī)性能變化的敏感度；(3) 提示出在該范圍內(nèi)該參數(shù)的最佳設(shè)計(jì)值。由于屈腿機(jī)構(gòu)中有四個(gè)參數(shù)，由于設(shè)計(jì)研究只能取一個(gè)變量來研究，這就決定了在這個(gè)階段不易使研究變量在各個(gè)取值范圍內(nèi)同時(shí)變化，使樣機(jī)仿真失敗。設(shè)計(jì)

42、研究階段各個(gè)變量的變化范圍如表3-4所示。表3-4 設(shè)計(jì)研究時(shí)各個(gè)變量的取值范圍變量名Stangard value/mmRangeDV_L1350±15DV_L2250±10DV_L3775±10DV_L4220±103.3.9 分析各個(gè)設(shè)計(jì)變量的大小變化對(duì)背板角加速度的影響通過ADAMS提供的設(shè)計(jì)研究，對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究得到報(bào)表如下：Trial O1 DV_L1 Sensitivity 1 0.00017211 336.50 -3.5750 2 0.00019181 344.75 -3.4290 3 0.00034091 350.00 -3.1

43、541 4 0.00019247 364.25 -2.9107 5 0.00035484 373.50 -2.7962Trial O1 DV_L2 Sensitivity 1 0.0045644 134.05 0.00077323 2 0.00012564 244.77 0.00024623 3 0.00031051 250.00 5.3564e-006 4 0.00037219 264.23 0.0064323 5 0.025890 273.95 0.0034516Trial O1 DV_L3 Sensitivity 1 0.00014121 754.20 -1.1298e-005 2 0.

44、00029437 761.10 -6.7420e-006 3 0.00034311 775.00 -1.3252e-006 4 0.00022458 784.90 -5.9345e-006 5 0.00064321 791.80 -7.1210e-006Trial O1 DV_L4 Sensitivity 1 2.7216e-005 200.55 1.9427e-005 2 0.00079550 211.52 1.2848e-005 3 0.00013451 220.00 7.4320e-006 4 7.7343e-005 239.48 0.00031614 5 0.0072133 249.4

45、5 0.00076120 3.3.10 優(yōu)化分析中優(yōu)化約束的分析及建立當(dāng)背板轉(zhuǎn)動(dòng)到終了位置時(shí)刻，背板應(yīng)轉(zhuǎn)過18°，在優(yōu)化時(shí)設(shè)立一個(gè)優(yōu)化約束函數(shù)，確保背板轉(zhuǎn)過18°之后停止。設(shè)計(jì)時(shí)，線性推桿有100mm和150mm兩種行程可選，所以再設(shè)立一個(gè)優(yōu)化約束，抱枕推桿優(yōu)化時(shí)最大行程不會(huì)超過150mm。首先建立第一個(gè)優(yōu)化約束來保證轉(zhuǎn)角為60°；步驟如下：(1) 定義一個(gè)函數(shù)測(cè)量；依次選擇BuildMeasureFunctionNew,在出現(xiàn)的Function Bulider中定義如下:Measure Name：FUNCTION_MEA_AZ;Function：(18d-AZ(

46、.model_1.PART_2.MARKER_1)*180/pi)，此時(shí)滿足了約束條件。(2) 用剛定義的測(cè)量定義一個(gè)優(yōu)化約束，步驟如下：依次選擇SimulateDesign ConstraintNew,在出現(xiàn)的對(duì)話框中定義如下：Constraint Name：OPT-CONSTRAINT-1；Measure：FUNCTION_MEA_AZ；Design Constraints value：minimum value during simulation；該約束條件監(jiān)控輸出點(diǎn)為定義測(cè)量的最小值。通過上述的設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)DV_L1、DV_L3和DV_L4的敏感度最大，所以在實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)候著重對(duì)這三個(gè)

47、點(diǎn)進(jìn)行研究，改變?nèi)齻€(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍DV_L2的變化范圍是015，DV_L3的變化范圍是010，DV_L9的變化范圍是010；實(shí)驗(yàn)研究報(bào)表為：O1) Maximum of MARKER_1_MEA_1 Units : deg/sec*2 Initial Value: 3.15199 Final Value : 1.5548 (-50.7%)Iter. O1 C1 C2 DV_L1 DV_L3 DV_L4 0 3.1520 -35.174 51.814 194.50 90.000 177.091 1.5548 -35.240 34.612 199.87 107.63 181.09圖3-8 優(yōu)化

48、前后角加速度對(duì)比通過圖3-8對(duì)比，我們很容易發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后角加速度明顯減小，圖4-8中實(shí)線為初始角加速度曲線，虛線為優(yōu)化后曲線。經(jīng)過優(yōu)化，可以確定三個(gè)變量的值分別為DV_L1為199.87、DV_L3為107.63、DV_L4為181.09，此時(shí)可以滿足設(shè)計(jì)要求，即背板翻轉(zhuǎn)角度為18°，角加速度減小到機(jī)構(gòu)滿足的范圍之內(nèi)。優(yōu)化之后主要變動(dòng)的為A點(diǎn)的安裝尺寸及DE桿的長度及于CD桿的夾角，具體變化詳見表3-5。表3-5 桿件尺寸變化表A點(diǎn)距O點(diǎn)豎直距離/mmAB/mmA0桿與床板夾角初始尺寸290.5416.0058°優(yōu)化后尺寸250.00420.0060°3.4 傾斜機(jī)

49、構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖 3-9 床身傾斜機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)簡圖坐標(biāo)點(diǎn)X坐標(biāo)/mmY坐標(biāo)/mmO00AL1L2BL3L43.4.1設(shè)置操作環(huán)境在建立模型前，首先應(yīng)該設(shè)置操作環(huán)境，以方便模型的建立：(1) 設(shè)置單位在菜單Setting中選擇Uints，出現(xiàn)單位設(shè)置對(duì)話框，選擇MMKS。(2) 定義地面坐標(biāo)系選擇默認(rèn)狀態(tài)下的笛卡爾坐標(biāo)系作為地面坐標(biāo)系。(3) 定義重力選擇默認(rèn)狀態(tài)下大小為1G的重力加速度，方向?yàn)?Y方向。(4) 設(shè)置工作柵格在菜單Setting中選擇Working Grid，出現(xiàn)柵格設(shè)置對(duì)話框，X，Y方向的柵格范圍分別設(shè)置為750和500，按OK確定。3.4.2建立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)變量和關(guān)鍵點(diǎn)根據(jù)床身傾斜機(jī)

50、構(gòu)簡圖及運(yùn)動(dòng)分析，首先建立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)變量。其中包括設(shè)計(jì)變量和關(guān)鍵點(diǎn)變量。由于機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用線性推桿，其具有一定的安裝尺寸要求，同時(shí)床身的傾斜調(diào)節(jié)范圍有一定的要求。選擇的線性推桿的初始長度為338mm，行程150mm。這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的取值范圍，定義好后的設(shè)計(jì)變量如表3-6所示。表3-6 初始設(shè)計(jì)變量變量名變量說明Standard value/mmDV_L1A點(diǎn)X方向坐標(biāo)-776DV_L2A點(diǎn)Y方向坐標(biāo)-260DV_L3B點(diǎn)X方向坐標(biāo)-360DV_L4B點(diǎn)Y方向坐標(biāo)-260按照上面的數(shù)據(jù)定義初始設(shè)計(jì)變量，這些設(shè)計(jì)變量是建模的基礎(chǔ)。在傾斜機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖上有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分別是Point_1

51、, Point_2, Point_3, Point_4。圖3-10 模型中的關(guān)鍵點(diǎn)3.4.3在ADAMS中建立設(shè)計(jì)變量(1) 在菜單Build中，選擇Design Variable，然后選擇New；(2) 在設(shè)計(jì)變量對(duì)話框的Name中輸入變量名“DV_L1”；(3) 在Standard Value中輸入-776.0，點(diǎn)擊Apply。如圖3-11所示。按照上面的方法定義其它初始設(shè)計(jì)變量如表3-6所示圖3-11設(shè)計(jì)變量對(duì)話框3.4.4在ADAMS中建立關(guān)鍵點(diǎn)(1) 在主工具箱中選擇圖標(biāo)；(2) 在底部對(duì)話框中選擇Add Ground和Dont attach；(3) 點(diǎn)擊Point Table；(4

52、) 在出現(xiàn)的Table Editor for Points的對(duì)話框中，點(diǎn)擊Create,在出現(xiàn)的點(diǎn)創(chuàng)建窗口中，依次建立如下設(shè)計(jì)點(diǎn)，如表3-7。表3-7 各個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量坐標(biāo) 變量名Standard valuePoint_2_xDV_L1Point_2_yDV_L2Point_3_x0Point_3_yDV_L2Point_4_xDV_L1Point_4_y0Point_5_xDV_L1/2Point_5_yDV_L2/2Point_6_xDV_L3Point_6_yDV_L4Point_7_yDV_L5Point_7_yDV_L63.4.5.在ADAMS中完成樣機(jī)的建模(1) 在主工具箱中選擇

53、圖標(biāo)；(2) 在底部對(duì)話框中選擇New part; 選中Width=20,Depth=10；(3) 分別點(diǎn)取Point_2和Point_2；完成Part2的建模；(4) 重命名Part2為電動(dòng)推桿，依次完成其余的建模；(5) 完成線性推桿的建模如圖3-12所示；圖3-12 床身傾斜機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模3.4.6對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析前應(yīng)首先對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)是否有沒有被約束的構(gòu)件、是否有沒有質(zhì)量的構(gòu)件以及自由度是否符合要求。菜單Tools中，選擇Model Vertify：提示如下：VERIFY MODEL: .chuangti -11 Gruebler Count (approximate degrees of freedom) 5 Moving Parts