连杆机构在五官科治疗椅中的应用

【作 者】张意彬，程云章

1 上海理工大学，上海市，200093

2 上海医疗器械高等专科学校，上海市，200093

0 引言

五官科治疗椅是耳鼻喉科室的重要治疗设备，见图1。它可以根据治疗的需要，随时改变治疗体位的变化。目前，国内医院大多配备欧美产品，由于欧美人群身高较长，平均180 cm，治疗椅最小高度(Height_min)一般在558 mm(22 inch)左右，对于国人，平均身高170 cm，并不适合，因此适当降低座椅的最小高度，更加符合我国的实际使用情况。

图1 五官科治疗椅Fig.1 Otolaryngology chair

1 五官科治疗椅的参数确定

根据五官科医生检查的需要，五官科可治疗椅必须能够完成三个基本动作，即升降动作，靠背弯折动作和座椅旋转动作。座椅升降和靠背弯折采用电动控制，旋转动作由人工推动控制。具体要求为：(1)治疗椅最小高度（Height_min）为450 mm，最大高度（Height_max）为650 mm；(2)治疗椅靠背弯折角度最小为110o，最大角度为175o；(3)治疗椅旋转范围为0o～340o，且带有刹车机构。

经调研发现，市场上大多五官科治疗椅采用液压机构完成以上三种动作的调整，液压传动机构有一定的优点：输出大的推力或大转矩、无极调速、传动稳定和过载保护等。但同时也存在诸多缺点：成本较高、维护繁琐和油污污染等。

电动推杆(Linear Actuator)，又称推杆电机，见图2。它可以实现往复式运动，具有运动平稳、维护方便、无污染、断电自锁、位置记忆等优点，在近些年的发展中，技术日渐成熟可靠。其具体机械性能参数可参看表1。利用电动推杆组成的连杆传动机构，既可以大幅降低生产和维护成本，又解决了液压传动机构的油污污染问题。

图2 电动推杆Fig.2 Electric linear actuator

表1 电动推杆机械性能参数表Tab.1 Mechanical performance parameters of electric linear actuator

2 升降机构设计

连杆机构[1]由于采用低副，接触面积大、承载重、便于润滑、不易磨损，形状简单、易于加工、容易获得较高的加工精度，所以广泛应用于工业、汽车、医疗器械等制造领域。

连杆机构的设计方法主要有两种 ，即解析法和作图法[2]。在此次设计过程中我们采用作图法，利用CATIA 的草图功能，添加尺寸和行为约束，完成原理图设计，见图3。

图3 原理图设计Fig.3 Schematic design

治疗椅行程S1=Height_max－Height_min=200 mm，经过原理图仿真分析，确定电动推杆的行程S2=120 mm。参照表1，选择较为合适的电动推杆（L=150 mm）。在完成整个连杆机构原理图设计之后，采用自顶向下[3]的设计思路，结合力学分析，逐一完成各个零部件的单体设计。最后，完成整个设备的组装，构建虚拟电子样机。零部件的组装要遵循实际装配原则，使用真实约束[4]，在此机构中，主要使用铰链约束（11个）和共轴约束（1个），其均属于低副（PL），见图4。

在零部件组装完成后，应检查自由度是否符合要求。F=3n-2PL-PH(n=K-1，K为活动部件个数，PL为低副个数，PH为高副个数)。根据计算，n=10-1=9；PL=13； F=3*9－2*13=1。模拟结果显示，在电动推杆存在断电自锁的情况下，该机构的DOF=0，符合实际运行状态。

图4 虚拟组装图Fig.4 Virtual assembly drawing

经仿真分析，该机构存在一定的侧向偏移。在座椅行程(S1)内，最大偏移量Offset_max=135－105=30 mm，见图5。由此带来的问题是整个治疗椅在上升或下降过程中，重心位置会发生偏移，为了保证使用过程中不发生倾倒现象，必须适当调整底盘的配重，加强其平衡性。

3 速度及加速度分析

由于此次设计的五官科治疗椅的升降机构采用的是连杆机构，在运行的过程中，上升下降的连贯性，平稳性是必须要考虑的因素。连贯性主要是指在整个过程中不存在断点，可连续运行，而平稳性主要是指速度较恒定且加速度不大。经仿真分析，电动推杆速度[V]为20 mm/s的速度运行时，座椅的速度平均维持在35 mm/s，见表1。升降机构完成整个上升行程[S1]中，所需时间为8 s，数据显示升降速度快速且平稳，见图6。

加速度的大小，直接决定病人治疗过程中人体的舒适性，根据加速度曲线分析，整个上升过程中，其最大加速度不超过8 mm/s2，适合人体的加速度范围，见图7。

图6 座椅速度曲线Fig.6 Speed curve of chair

图7 座椅加速度曲线Fig.7 Acceleration curve of chair

4 结束语

此次设计中采用的连杆机构有诸多优点，例如成本大幅度减低，最低高度明显降低至450 mm，更适合亚洲成人和儿童使用，扩大了使用范围。纵观五官科椅的发展，我们不难看出，简洁、美观、实用是其发展的主线，新的控制技术和材料的发展，推动了产品的更新换代。在不远的将来，我们会看到更加智能的五官科治疗椅，为病人带来更加舒适的治疗体验。

[1]熊滨生 编.现代连杆机构设计[M].北京: 化学工业出版社,2006.

[2]孙桓 编.机械原理[ M].北京: 高等教育出版社,2001.

[3]毛春升.基于CATIA 的零件参数化建模技术研究与系统实现[D].武汉理工大学,2007.

[4]陈国华,程本松,杨敏.基于CATIA的机械零件虚拟装配方法[J].机械研究与应用,2006,19(1): 113-114.