雙差動電動床設計說明書

1、具有下肢康復訓練功能的電動床及控制系統(tǒng)設計 56摘 要具有下肢康復訓練功能的電動床是一種針對癱瘓病人的特殊需要而設計的，康復者可通過床邊的控制器進行操作，完成床身傾斜，下肢曲伸訓練等動作調節(jié)床的整體和腿部的角度，使患者萎縮的肌肉得以訓練，減輕護理人員的工作強度。本文針對上述情況，根據(jù)人體工學，采用雙電動推桿配合曲柄滑塊機構，解決了病人在日常有效的重力狀態(tài)下進行自我康復仿真訓練。患者不僅可以進行單腿訓練，還可進行雙腿異步訓練和雙腿同步訓練；背部的傾斜機構不會導致使用時人體有擠壓的感覺，使患者在使用時，更加舒適。考據(jù)現(xiàn)有電動床尺寸及人體各因素數(shù)據(jù)，得到初始設計尺寸，采用三維數(shù)字化設計軟件UG對其進

2、行建模、裝配及干涉檢查，利用機械分析軟件Adams對其進行運動學及動力學分析優(yōu)化，研究分析并優(yōu)化各床板在各運動狀況下的角加速度對患者舒適度的影響及各支點在各機構運動下的受力狀況，得到滿足設計要求的機構參數(shù)。本課題的研究內容主要包括下肢康復電動床的機構設計和仿真，控制系統(tǒng)設計和實驗研究。實驗結果證明了本文設計的下肢康復電動床達到了設計要求。關鍵詞：下肢康復訓練電動床，運動學，參數(shù)優(yōu)化，干涉檢查，優(yōu)化仿真，單片機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 國內外發(fā)展的基本概況21.5 本文主要研究內容21.

8、6 本章小結42電動床機械結構總體構思52.1 引言52.2 護理要求52.3 電動床的人體參數(shù)分析62.4 床身傾斜機構72.5 下肢屈伸訓練機構82.6 康復電動床的三維模建112.7 本章小結143 電動床運動學優(yōu)化設計153.1 引言153.2 多功能醫(yī)用電動床的運動學分析153.3 屈腿訓練機構動力學優(yōu)化153.4 傾斜機構運動學分析233.5 本章小結314 電動床的設計計算324.1 引言324.2 傾斜機構力學計算324.3 電機選型384.4 同步帶選型404.5 本章小結435 下肢康復訓練功能電動床的控制系統(tǒng)設計445.1 引言445.2 控制系統(tǒng)總體設計445.3 控制

9、系統(tǒng)的硬件設計465.4 控制系統(tǒng)的軟件設計475.5 本章小結536 結論546.1課題結論54參考文獻55致 謝56 1 緒 論1.1 課題來源本課題來源于企業(yè)項目“下肢康復訓練電動床”。課題源于社會需要和企業(yè)委托課題，是設計改進一種具有下肢康復功能的電動床。課題設計是基于曲柄滑塊機構，實現(xiàn)單電機驅動同步帶，樣機結構簡潔，工作性能可靠，能滿足訓練者的日?？祻托枰?。1.2 課題目的 面對人口老齡化日益嚴峻的形式，開發(fā)適合老年人需求的產品顯得尤為緊迫，因此，發(fā)展康復助殘器械行業(yè)已經成為經濟社會發(fā)展的新契機。富有人性化的下肢康復訓練的電動電動床由此應運而生，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，癱瘓肢體主動運動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節(jié)僵硬等多種并發(fā)癥。下肢訓練可以幫助病人減少各種并發(fā)癥的發(fā)生，維持脊柱，骨盆以及下肢的應力負荷，是促進病人功能恢復的有效手段。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，人口老齡化已經成為世界范圍內的社會問題。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”結果表明，65歲及以上人口達到8811萬人，占總人口的6.96%。我國已經進入了人口老齡化社會。據(jù)有關專家預測（中方案），到2050年我國65歲以上老年人口將達到3.2億以上，約占我國總人口的1/5，占世界老年人口的1/4。與此同時，我國老年人口中的高齡化趨勢也日益明顯，預計到2040年80歲以上人口將達到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，在生理上會出現(xiàn)一些與年齡相關的特征。隨著年齡的不斷增長，生理機能日趨衰退，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,對家庭、社區(qū)、政府依賴程度加大。據(jù)調查,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”也已成為社會發(fā)展趨勢，家庭式護理對老年人的關照也日趨減弱，客觀上增加了老年人、殘疾人護理的困難6。此外，護理人員開始出現(xiàn)人數(shù)不足的情況，并且護理人員也面臨著老齡化的問題。據(jù)日本統(tǒng)計局的一份資料表明，日本護理人員的數(shù)量正在急劇減少，并且年輕人從事對護理行業(yè)并不熱心，造成了后繼不足的情況7-8。具有下肢康復功能的電動床正是一種針對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計的，通過遙控器能隨意調節(jié)腿部以及整體傾斜的角度。即使不能自理者，護理人員也可通過床邊的控制器進行操

13、作，減輕了護理人員的負擔。本課題來自社會需要和企業(yè)新產品開發(fā)，基于服務機器人系統(tǒng)技術的具有下肢康復訓練的電動床是滿足偏癱病人下肢康復訓練，恢復健康和減少痛苦的機電一體化產品，對于促進助老/助殘系列化服務機器人產品的發(fā)展所必需的。通過電動機帶動機械執(zhí)行機構，實現(xiàn)電動床的傾斜，下肢曲伸，簡化了結構，增加了可控性，可實現(xiàn)原地整體傾斜，腿部康復鍛煉等功能，為下肢康復訓練提供相適應的平臺，滿足了使用者身體和生理方面的需要，也減輕護理人員的負擔。經過設計調查，病人對康復床的要求不僅是位姿的移動，側翻，更需要能結合下肢康復訓練的訓練器來鍛煉下肢功能的康復床，如今這種電動床在國內、外無相關產品，也未見相關產品

14、報道。為此利用機械設計理論、自動控制技術設計滿足偏癱病人下肢康復訓練的電動床具有重要的意義。具有下肢康復訓練功能的電動床及控制系統(tǒng)關鍵是以機械自動化為核心，采用先進的設計方法，整機結構簡單，所占空間小，可靠性高，操作靈活方便等優(yōu)點。1.4 國內外發(fā)展的基本概況由于各種災難和疾病造成的殘障人士逐年增加，隨著世界老齡化進程的加快，照顧老人的問題即將成為一個嚴重的社會問題。癱瘓病人的特點既要保證安逸的休息，又要保證適當?shù)目祻陀柧殻虼司邆渲悄芑南轮祻陀柧氹妱哟矊⑹俏磥黹_發(fā)的重點對象，尤其是具備簡單操作，高級智能，同時又考慮病人心理和情緒問題的康復電動床如今無論是國內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，隨著我國綜合實力的增強，社會對癱瘓病人的投入也逐年在增多，市場對癱瘓病人用品的種類，檔次，質量和數(shù)量也提出了更高的要求。而我國癱瘓病人用品的設計生產水平還停留在初級階段，其產品多為一些科技含量較低，功能單一，價格低廉的產品；許多性能優(yōu)越，功能多樣，技術含量高的醫(yī)療器材，如電腦控制的翻身床，自動升降的電動翻身床，理療床等產品與國外同類產品相比有很大差距。1.5本文主要研究內容1.5.1.研究課題的步驟(1)通過資料查閱與分析，了解技術的國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（對國內外技術及 現(xiàn)有產品進行對比分析）；(2)分析設計要求，比較幾種可行的傳動方案

16、性能；(3)按所需要求，對電動床進行整體規(guī)劃（包括智電動床的傳動方式、模塊化設計 等）；(4)確定各個機構的類型并進行具體設計（包括零件尺寸設計、零件材料選擇）；(5)進行總體方案結構設計和優(yōu)化；(6)完成電氣控制部分設計（包括供電方式、控制順序、單片機程序及接線圖 ）；(7)繪制圖紙；完成設計說明書。圖1-4設計流程圖1.5.2. 參數(shù)化問題在電動床的設計中，參數(shù)化主要體現(xiàn)在兩個方面，即零件建模與裝配。對于零件建模而言，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)，如電動機的外形尺寸參 數(shù)就是如此，必須通過查閱相關技術參數(shù)得到。 （2）查閱相關手冊取得，但是可以更具實

17、際情況修改。 （3）根據(jù)情況自行確定。1.5.3 工業(yè)造型與整體設計在電動床設計中，與工業(yè)造型密切相關的就是床身的設計和渲染處理。床身的設計不但要考慮人機環(huán)境，而且要考慮材料選用和流線設計，這里采用solid works的曲面造型功能完成床身設計。另外，三維實體模型建立后，還需要通過高級渲染制作出具有真實感得電動床產品和部件效果圖，一個好的渲染會對產品的推廣帶來良好的效果。1.5.4 仿真分析利用ADAMS機械系統(tǒng)動力學仿真軟件，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和

18、反作用力曲線。對于運動仿真而言，作用有兩個：即動態(tài)干涉分析和分析運動規(guī)律，從而觀察在運動過程中構件之間的干涉關系。在運動分析中，可以通過位移，速度以及加速度曲線觀察運動規(guī)律是否符合設計要求。1.5.5 裝配中的關鍵問題（1）裝配模式。在多功能電動床的裝配中，采用Top-down或者Down-top方式都可以，二者并不對立，實際上他們是一個并行過程，經?；煊?。（2）干涉檢查。對于電動床而言，在各個部件中，都必須進行零件的干涉分析，以避免在試生產中發(fā)生干涉碰撞。由于該機器產品復雜，零件數(shù)量多，不可能通過反復生產樣機解決問題，而需要在設計間斷就盡量減少這種錯誤。Solid works裝配模塊中的干涉

19、功能可以解決整機的靜態(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，這在實際工作環(huán)境中參考價值不大，因為加工出來的零件都是帶有偏差的。因此，還需要考慮不同公差情況對零件裝配的影響。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模塊對零件和裝配的全過程進行公差分析與綜合，從而分析零件公差對產品精度造成的影響，以及裝配模型是否符合精度要求。確定影響裝配關系和裝配精度的關鍵尺寸公差的約束及其敏感度，性能和技術指標要求的前提下放寬公差指標，使尺寸在較寬松的公差范圍內滿足產品的預期精度要求，降低制造成本。1.6 本章小結本章主要介紹了課題的目

20、的和意義，目前醫(yī)用電動床在國內外的發(fā)展趨勢，介紹了各個國家目前電動床的發(fā)展情況，最后根據(jù)研究分析國外尚未開發(fā)的電動床的技術空白，確定了自己課題的研究內容。2電動床機械結構總體構思2.1引言具有下肢康復訓練功能的電動床是對下肢具有運動障礙的患者進行主動康復訓練的自動化機械裝置，它可以幫助因中風等疾病或因外傷引起的腿部運動障礙進行運動機能恢復性訓練，有助于恢復肢體功能，防止肌肉萎縮。通過自動控制模擬正常人的仰臥時屈伸腿的運動狀態(tài)，使病腿的運動功能得到訓練；同時也可以用病人的一條好腿來帶動病腿進行訓練。本課題的研究主要任務是完成下肢康復功能電動床的下肢往復機構，大小腿屈伸機構和床體傾斜機構的設計與控

21、制，作為幫助有下肢運動障礙的病人進行康復訓練的電動床，首先應該具有合理的結構，能夠模擬正常人仰臥時的屈伸腿運動，為病人進行下肢機能恢復訓練提供幫助，其次，考慮到電動床的工作對象是行動不便的病人，需要提高電動床的可靠性，安全性和舒適性，最后，該電動床屬于康復電動床，應該保證無污染和清潔，以利于病人的康復。下肢康復電動床為了實現(xiàn)下肢異步，同步屈伸，床身整體傾斜等動作主要有：床體傾斜機構以及曲腿機構。具有下肢康復功能的電動床的各個機構在設計計算的時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構參數(shù)，使用AUTUOCAD軟件在滿足機構設計要求的條件下，采用AUTOCAD軟件得

22、到滿足機構運動要求的初始機構各桿件尺寸。2.2護理要求2.2.1電動床的工作環(huán)境電動床多數(shù)是應用于病房和家庭居室，考慮到上述環(huán)境對噪聲的限制，故設計時電機類型及型號的選取應滿足工作噪音低于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 康復電動床的性能指標下肢康復電動床是對下肢具有運動障礙的患者進行主動康復訓練的自動化機械裝置，它可以幫助因中風等疾病或因外傷引起的腿部運動障礙進行運動機能恢復性訓練。下肢康復訓練電動床的整體性能應達到如下主要技術指標：（1）4自由度；（2）承載能力10Kg屈伸機構和100Kg的床體傾斜機構；（3）腿最高屈伸頻率20次/分

23、；（4）機構能使病人模仿正常人仰臥時屈伸腿運動（5）機構既具有主動特性又具有被動特性；（6）各個活動構件的擺動角度范圍應參照有關醫(yī)療護理要求16以及人體的舒適 感，各機構擺動角度及標準如下：背板傾斜角度：0°20°左/右腿部屈伸機構與平面角度：0°60°（7）電動床床體的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要符合醫(yī)護要求。（8）床體的結構尺寸有一定的空間范圍限制。2.3 電動床的人體參數(shù)分析根據(jù)我國成年人人體比例尺寸關系（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系圖2-2 仰臥時活動空間正常人在仰臥時屈伸腿的運動情況如圖2-2所示，圖2-2（a）為正視圖，零點位于正中中垂平面上，圖2-2（b）為側視圖，零點位于經頭頂?shù)拇怪鼻芯€上，垂直切線與仰臥平面的交點作為零點。腿由伸直狀態(tài)到完全彎曲狀態(tài)時腳的運動范圍為500mm。大腿與水平面的夾角約為60度。針對成年人的身體狀況，特別針對有運動障礙的中老年患者恢復正常行走功能，按身高175cm左右，在設計康復電動床時，合理尺寸大致設定為：大腿長：35mm小腿長：46mm兩腿間距：24cm2.4床身傾斜機構為了使病人在下肢康復的訓練過程中有更為模擬仿真走路的效果，設計讓整

25、體床身在下肢訓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的訓練環(huán)境下進行下肢訓練，同時根據(jù)患者的需要和舒適度，可以隨意更改傾斜角度。2.4.1側翻機構的結構和工作原理床身前后傾斜運動較為簡單，但支起角度要達到20度，且可以任意角度停留。確定采用雙電動缸進行傳動。雙電動缸同時伸長，縮進，通過直角連桿帶動床身向下傾斜。如圖2-3。圖2-3 側翻機構工作原理圖在整體傾斜的過程中，兩個平行于床面的電動推桿同時向左伸出，最大伸長量為100mm，最終使床面和水平面夾角為20度，根據(jù)圖解法設計，A與B點水平距離為420mm（電動缸未伸出時），D與E的水平距離為360mm，C與E

26、的豎直距離為260mm。2.5下肢屈伸訓練機構下肢訓練功能由直流電機給同步帶驅動力,同步帶帶動腿部機構進行往返屈伸運動。首先由直流電機通過減速裝置輸出適用于主運動的合理轉速，通過主動輪來帶動同步帶進行運動。在同步帶的外側各設有一條平行于同步帶的光滑導軌（起到引導作用），導軌上安置移動滑塊，將曲腿訓練機構安裝在滑塊上，由此隨著同步帶的帶動下沿著導軌進行往返運動。為了使病人能夠在病床上得到有效的鍛煉，本方案設計了2種運動模式，一種為雙腿差動屈伸運動，如圖2-4，另一種為雙腿同步屈伸運動，如圖2-5。前一種方案由同步帶帶動兩個滑塊自然往復運動，首先將兩個滑塊置于同步帶的異側兩端，當皮帶輪順時針運動時

27、，兩滑塊逆向滑動，從而帶動曲腿裝置進行差動運動；到規(guī)定位置時，皮帶輪逆時針旋轉，從而使雙腿運動改變原有的運動方向。皮帶輪第二種方案是在同步帶的一側內增加一列導軌，用來放置另外一個滑塊，當病人需要雙腿同步運動時，可以將準備好的固連裝置將一側內的滑塊和另一側與同步帶同步的滑塊相連，由此以同步帶運動的一側滑塊來帶動另一側的滑塊沿著導軌進行往復運動，這樣就能使雙腿進行同步屈伸運動。圖2-4 差動曲腿方案 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方式，如圖2-6。仍然以運動機構連接雙滑塊，滾珠絲杠的傳動方式使傳動更精確，更穩(wěn)定，但需要由兩個電機來分別驅動，從造價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練方案。圖2-6 滾珠絲杠腿部傳動方案2.5.1下肢訓練機構的設計（圖解法）下肢康復電動床的下肢屈伸康復機構采用曲柄滑塊機構，屈伸的初始高度為和床平面平行，大腿版與滑動導軌豎直距離（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時（0.1m/s）下，大腿板在連桿BC的推動下漸漸抬起，最后達到設計要求和平面成60度角停止。這樣得到了初始狀態(tài)下的屈伸機構的尺寸，但由于機構需要滿足運動要求，根據(jù)設計要求，機構做屈伸運動，將腿板翻60°之后，利用偏移命令，找到連桿的所在位置，得出大腿版和導軌終了安裝位置，這樣就可

29、以得到滑塊導軌的行程，其行程為500mm，此時大腿版角度為60度，正好滿足了設計要求范圍?？梢灾苯硬捎脧S家提供的導軌滑塊。圖解法下肢屈伸機構如圖2-7所示。圖 2-7 圖解法下肢屈伸機構在確定了連桿L的結構尺寸后曲柄連桿機構就確定了。圖中標出了曲柄連桿機構的關鍵尺寸（如圖2-8），其中曲柄長（腿支架）R，基座高H（300mm）踏板高h（320mm），并已知腿由伸直狀態(tài)到完全彎曲的狀態(tài)時腳的運動范圍約為500mm，大腿與水平面的夾角約為60度。尺寸C在運動中要求盡量保持不變。有了這些條件，應用幾何知識求出連桿L長約為600mm，取L=600mm。圖2-8 外形尺寸圖2.6康復電動床的三維模建以上

30、通過圖解法的方法得到了康復電動床的初始設計數(shù)據(jù)，這些是對電動床進行建模的基礎，根據(jù)上述初始設計數(shù)據(jù)，在UG軟件對其進行建模，得到的模型如圖2-9，2 -10和2-11所示。圖2-9 下肢康復電動床整體三維圖圖2-10 下肢康復電動床整體三維俯視圖圖2-11 下肢康復電動床整體三維正視圖 以上三幅三維UG截圖大致表達了床體外形的整體機構，其中包括任意角度下肢康復電動床整體三維整體圖2-9，俯視圖2-10和正視圖2-11。在圖中可以看出，本康復電動床除了由主要運動：下肢康復訓練機構和床整體傾斜機構之外，還具有一些人性化的機構。例如在床的兩側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、時候起到一定的保護作用，也可以方便病人起身下床；在下肢康復機構中，還加入了一個框架，這樣增加了結構的密封性和外觀的客觀性。 在下肢康復訓練機構中，如圖2-12所示，引入了雙導軌系統(tǒng)，配合直接連接力矩電機的同步帶輪來帶動導軌上的滑塊進行來回滑動。在兩條腿板的當中同時還可以架構一根連桿，在需要雙腿作同步屈伸運動時可以自由的進行切換，節(jié)省了操作的時間，非常的簡便。 圖2-12下肢康復訓練機構1 在床體傾斜的機構中，如圖2-13所示，為了加強傾斜過程中的穩(wěn)定性和可靠性，采用雙電動推桿同步伸縮，從而加大了對床板施加的作用力，利用近似直角的推力來推動固定在床架上的連桿，使電動桿施加的力可以最小化。圖2-1

32、3下肢康復訓練機構22.7本章小結本章綜合介紹了具有下肢康復功能電動床的總體結構以及系統(tǒng)的尺寸，詳細研究和設計了下肢康復訓練床的下肢康復訓練機構以及傾斜機構。下肢康復訓練機構可以配合病人的屈伸運動達到雙腿同步，雙腿異步，單腿訓練以及主動訓練的目的。床身整體傾斜機構使床體在一定的角度內使患者達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訓練更為真實。3 電動床運動學優(yōu)化設計3.1引言運動學23是理論力學的一個分支學科，它是運用幾何學的方法來研究物體的運動，通常不考慮力和質量等因素的影響。至于物體的運動和力的關系，則是動力學的研究課題。本章利用ADAMS軟件分別對下肢康復運動機

33、構和床體傾斜機構建模以及仿真，找出適合正常人屈伸和傾斜時的軌跡的機構參數(shù)，優(yōu)化由于加速度使人體背部以及腿部感覺不適，實現(xiàn)了對運動學的仿真和分析。3.2多功能醫(yī)用電動床的運動學分析 多功能醫(yī)用電動床的運動學分析，主要是為了進一步確定各機構的桿件尺寸，在滿足各機構運動要求的前提下，保證在運動的時候各機構之間不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，使得機構之間產生破壞；同時多功能醫(yī)用電動床的運動學分析也時為了在滿足機構運動的條件下，使機構在運行的過程中從各個機構的功能出發(fā)，達到機構運動的優(yōu)良的運動學狀態(tài)，得到優(yōu)化后的設計數(shù)據(jù)及桿件尺寸數(shù)據(jù)。3.3 屈腿訓練機構動力學優(yōu)化圖3-1 曲腿訓練機構關鍵點簡圖3.3.1設置操作環(huán)

34、境表3-1 設置操作環(huán)境坐標坐標點X坐標/mmY坐標/mmO00AL10BL1L2CL3L4在建立模型前，首先應該設置操作環(huán)境，以方便模型的建立：(1) 設置單位在菜單Setting中選擇Uints，出現(xiàn)單位設置對話框，選擇MMKS。(2) 定義地面坐標系選擇默認狀態(tài)下的笛卡爾坐標系作為地面坐標系。(3) 定義重力選擇默認狀態(tài)下大小為1G的重力加速度，方向為-Y方向。(4) 設置工作柵格在菜單Setting中選擇Working Grid，出現(xiàn)柵格設置對話框，X，Y方向的柵格范圍分別設置為750和500，按OK確定。3.3.2建立基礎設計變量和關鍵點根據(jù)屈腿訓練機構簡圖及運動分析，首先建立基礎設

35、計變量。其中包括設計變量和關鍵點變量。由于機構的驅動器采用線性推桿，其具有一定的安裝尺寸要求，同時床椅的曲腿訓練調節(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。這些設計數(shù)據(jù)對應于設計變量的取值范圍，定義好后的設計變量如表3-2所示。表3-2 初始設計變量變量名變量說明Standard value/mmDV_L1A點X方向坐標250DV_L2B點Y方向坐標-25DV_L3C點X方向坐標630DV_L4C點Y方向坐標-200按照上面的數(shù)據(jù)定義初始設計變量，這些設計變量是建模的基礎。在曲腿訓練機構的機構簡圖上有四個關鍵點，分別是Point_1, Point_2, Poin

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

37、or for Points的對話框中，點擊Create,在出現(xiàn)的點創(chuàng)建窗口中，依次建立如下設計點，如表3-3.表3-3 各個點的設計變量坐標 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中完成樣機的建模(1) 在主工具箱中選擇圖標；(2) 在底部對話框中選擇

38、New part; 選中Width=20,Depth=10；(3) 分別點取Point_1和Point_2；完成Part2的建模；(4) 重命名Part2為曲腿訓練平臺，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 曲腿訓練機構在ADAMS中的建模3.3.6對樣機進行驗證在進行動力學分析前應首先對樣機進行驗證，檢驗是否有沒有被約束的構件、是否有沒有質量的構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定義測量和施加傳感器(1) 定義曲腿訓練平臺的垂直位移測量為.model_1.FUNCTION_MEA_1，依次選擇：Bulide、Measure、Angle、New分別選擇3個Marker點，依次為：邊、頂點、邊。(2)根據(jù)設計要求，當曲腿訓

40、練平臺角度為60°時，電機停止工作，達到垂直抬升的最大極限位置，停止仿真。此時需要施加位移傳感器，由于樣機建立的時候采用的坐標系，添加傳感器。如圖3-5進行填寫。圖3-5 施加角度傳感器進行運動學仿真，仿真的時間為5秒，步數(shù)為50步，當曲腿訓練平臺旋轉60°的時候，此時仿真的時間為3.747秒，樣機停止了仿真。如圖3-6所示。圖3-6 施加傳感器之后的仿真，在曲腿訓練平臺旋轉60°的時候停止了仿真圖3-7 滑塊推力，最大為236N3.3.8樣機的參數(shù)化過程ADAMS提供了強大的參數(shù)化分析功能，主要有設計研究（Design study）、試驗設計（design of

41、 experiment）、自動優(yōu)化三個環(huán)節(jié)。設計研究主要研究樣機的某一個參數(shù)發(fā)生變化時對整個樣機性能的影響，試驗設計則是在樣機的多個參數(shù)同時發(fā)生變化時對樣機性能的影響。設計研究過程就是讓樣機的某一個參數(shù)在一定范圍內取不同的值，然后樣機會自動的依次取此參數(shù)的這些值進行一系列的仿真，所有仿真完成后報告每次分析的結果，這些結果主要包括：(1) 此參數(shù)變化對樣機性能的影響；(2) 該參數(shù)在不同值時對樣機性能變化的敏感度；(3) 提示出在該范圍內該參數(shù)的最佳設計值。由于屈腿機構中有四個參數(shù)，由于設計研究只能取一個變量來研究，這就決定了在這個階段不易使研究變量在各個取值范圍內同時變化，使樣機仿真失敗。設計

42、研究階段各個變量的變化范圍如表3-4所示。表3-4 設計研究時各個變量的取值范圍變量名Stangard value/mmRangeDV_L1350±15DV_L2250±10DV_L3775±10DV_L4220±103.3.9 分析各個設計變量的大小變化對背板角加速度的影響通過ADAMS提供的設計研究，對各個設計變量進行設計研究得到報表如下：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背板轉動到終了位置時刻，背板應轉過18°，在優(yōu)化時設立一個優(yōu)化約束函數(shù)，確保背板轉過18°之后停止。設計時，線性推桿有100mm和150mm兩種行程可選，所以再設立一個優(yōu)化約束，抱枕推桿優(yōu)化時最大行程不會超過150mm。首先建立第一個優(yōu)化約束來保證轉角為60°；步驟如下：(1) 定義一個函數(shù)測量；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)，此時滿足了約束條件。(2) 用剛定義的測量定義一個優(yōu)化約束，步驟如下：依次選擇SimulateDesign ConstraintNew,在出現(xiàn)的對話框中定義如下：Constraint Name：OPT-CONSTRAINT-1；Measure：FUNCTION_MEA_AZ；Design Constraints value：minimum value during simulation；該約束條件監(jiān)控輸出點為定義測量的最小值。通過上述的設計研究發(fā)現(xiàn)DV_L1、DV_L3和DV_L4的敏感度最大，所以在實驗研究的時候著重對這三個

47、點進行研究，改變三個設計變量的變化范圍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；實驗研究報表為：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、前后角加速度對比通過圖3-8對比，我們很容易發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后角加速度明顯減小，圖4-8中實線為初始角加速度曲線，虛線為優(yōu)化后曲線。經過優(yōu)化，可以確定三個變量的值分別為DV_L1為199.87、DV_L3為107.63、DV_L4為181.09，此時可以滿足設計要求，即背板翻轉角度為18°，角加速度減小到機構滿足的范圍之內。優(yōu)化之后主要變動的為A點的安裝尺寸及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點距O點豎直距離/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

49、構運動學分析圖 3-9 床身傾斜機構關鍵點簡圖坐標點X坐標/mmY坐標/mmO00AL1L2BL3L43.4.1設置操作環(huán)境在建立模型前，首先應該設置操作環(huán)境，以方便模型的建立：(1) 設置單位在菜單Setting中選擇Uints，出現(xiàn)單位設置對話框，選擇MMKS。(2) 定義地面坐標系選擇默認狀態(tài)下的笛卡爾坐標系作為地面坐標系。(3) 定義重力選擇默認狀態(tài)下大小為1G的重力加速度，方向為-Y方向。(4) 設置工作柵格在菜單Setting中選擇Working Grid，出現(xiàn)柵格設置對話框，X，Y方向的柵格范圍分別設置為750和500，按OK確定。3.4.2建立基礎設計變量和關鍵點根據(jù)床身傾斜機

50、構簡圖及運動分析，首先建立基礎設計變量。其中包括設計變量和關鍵點變量。由于機構的驅動器采用線性推桿，其具有一定的安裝尺寸要求，同時床身的傾斜調節(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。這些設計數(shù)據(jù)對應于設計變量的取值范圍，定義好后的設計變量如表3-6所示。表3-6 初始設計變量變量名變量說明Standard value/mmDV_L1A點X方向坐標-776DV_L2A點Y方向坐標-260DV_L3B點X方向坐標-360DV_L4B點Y方向坐標-260按照上面的數(shù)據(jù)定義初始設計變量，這些設計變量是建模的基礎。在傾斜機構的機構簡圖上有四個關鍵點，分別是Point_1

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

52、) 在出現(xiàn)的Table Editor for Points的對話框中，點擊Create,在出現(xiàn)的點創(chuàng)建窗口中，依次建立如下設計點，如表3-7。表3-7 各個點的設計變量坐標 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中完成樣機的建模(1) 在主工具箱中選擇

53、圖標；(2) 在底部對話框中選擇New part; 選中Width=20,Depth=10；(3) 分別點取Point_2和Point_2；完成Part2的建模；(4) 重命名Part2為電動推桿，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 床身傾斜機構在ADAMS中的建模3.4.6對樣機進行驗證在進行動力學分析前應首先對樣機進行驗證，檢驗是否有沒有被約束的構件、是否有沒有質量的構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