新型多功能自动平衡护理床的设计与运动学分析

王 雪,林芳卉

（沧州医学高等专科学校,061001）

新型多功能自动平衡护理床的设计与运动学分析

王 雪,林芳卉

（沧州医学高等专科学校,061001）

本文主要针对多功能自动平衡护理床的模型和组成特点，对SolidWorks三维参数化的设计进行了研究与分析，然后通过对其参数化设计、装配存在问题与运动仿真实验、关于护理床工作空间的分析以及运动学的分析，在不断的研究与发现后，我们可以得出多功能自动平衡护理床也可用于其他护理设备的研究工作中。

新型；多功能自动平衡护理床；设计；运动学分析

0 引言

目前，经调查发现对于长期卧床不起的病人、生活不能够处理的老人所引起的行动不便的护理问题，成为人们越来越关注的话题。虽然现在的护理床种类繁多，但是所有的床面都不能保持平衡，对于病人的病情造成了危害。因此，本文就针对上述问题，通过一些成熟的软件完成了电动平衡护理床设计的工作，绍：NX和SolidWorks等，以下就对SolidWorks软件在电动平衡护理床中设计进行了分析。

1 关于SolidWorks三维设计流程

SolidWorks是一种工具，它是为设计对象进行服务的，下图为SolidWorks中进行三维设计的技术流程图，具体操作步骤是：首先要先了解设计方案，在方案确定后再对其进行三维造型与零件建模。在建模完成以后，在进行装配，与此同时，还要对其进行总体的分析和进行局部的修改。在确认方案以后，再进行运动仿真，并加以分析，对在运动仿真中出现的干涉情况要进行合理修改。其次进一步确认基本尺寸后，还要对关键的零件进行分析，让其满足工作的要求，然后在此基础上再进行结构的优化。最后，在优化后，还要对其再进行有限元的分析，直到方案确定为止。

2 关于自动调平衡系统产品模型

多功能自动平衡护理床主要有以下几个方面构成，分别为：床身、固定支撑杆、伺服液压缸、电动缸、行走底架和控制系统。下图为（多功能自动平衡护理床的总休设计方案示意图）

1）由上图我们可见，平台的上表面主要由4个球铰支撑着。对于两边的平台，是由固定杆与底部的底架进行连接的，其于的电伺服缸与底架连接，三者形成一条直线。液压伺服缸9也与杆3在一笨中线上，然后与底架连接。这种结构的有效连接让平台在三个伺服的控制下，多功能自动平衡护理床能够可做俯仰运动和摇摆运动，达到了底板在摇晃的同时床面还能保持水平。

2）关于体位调整的功能介绍

在多功能自动平衡护理床设计的过程中，我们按照人与机的工程学原理可以将床分为：背板1、座板2以及腿板6三个部分，在此我们可见，背板与座板通过轴的铰接和控制电动缸的伸缩，可以将其进行0度-85度的背位调整，与此同时，还能实现腿板的角度调整。这种设计实现了床身的坐姿和卧姿之间的调整。

3 关于模型的装配设计与运动仿真结构的验证

1）模型的装配设计.一是,参数化中的零件建模,在零件建模过程中参数又可分为三类:一是,不同参数之间都存在着一定的约束条件,是不可随意进行更改.比如,电动机的外形尺寸。二是,在零件设计中,一般采用的建模方法为参数化草图,其设计流程为:首先要根据设计的具体要求来完成结构形状,然后对每一条曲线进行尺寸约束,按照设计者的要求对曲线进行更换, 实现草图绘制的效果,通过这种建模,显著提高了设计的效率.二是,工业造型与整体结构设计.在工作的开始前首先对地工业造型,然后与总体设计进行结合。在此护理床的设计过程中,与工业造型相联系主要是床身的设计和处理,在进行床身设计时不仅要考虑所处环境,还要对造型的功能进行设计.与此同时,在三维模型建成以后,还要进行高级渲染,制作出有真实感的部件效果图,为以后产品的推广带来更好的效果.

2）运动仿真的结构验证

运动仿真的作用主要有两个方面动态干涉和分析运动.在SolidWorks的进行运动仿真分析时,可对其运动过程和构件之间的关系进行观察,比如,液压缸与床身之间发生的碰撞;另外,在运动分析过程中,还可以通过移位、和加速的曲线规律来观察是否符合设计的总体要求.

4 工作空间分析

工作空间主要是用来衡量机器人性能的指标,它一般分为两种空间可达工作空间和灵活工作空间.所谓可达空间主要是指操作器的参考点到达任何点的集合;灵活空间主要是指操作器的参考点能够从任何点到达点的集合.

1）影响护理床工作空间的相关因素

一是,杆件长度的限制.当杆件长度发生变化时,会受到相关结构的限制,这时每一根杆件的长度,必须满足其最短值和最长值。这时,当某一杆件的长度达到极限值时,参考点也就达到了工作空间的边界。

2）稳定护理床平台工作空间的确定

通过以上流程我们可以得到工作空间，然后对其结果进行了分析：稳定平台安全的工作区域用绝色来表示，用红色来表示稳定平台的危险区域。在此，还可以通过实际工程的调查，一般的绿色区域为平台的调整范围。

5 护理床的液压缸设计

5.1 主要的技术指标与控制系统的设计

下图为自动平衡护理控制系统图.从该图中我们可见该控制系统为双作用液压缸伺服控制回路系统,由电动机来带动齿轮泵,以满足伺服阀流量的需要,在此伺服阀主要是由比例电磁铁来控制的,以此提高了系统的控制精度和速度,另外通过改变油液的流向方向,方便了护理床的摇摆运动,让液压系统的功能进一步实现了床身运动时平衡更加平衡的目的.

以下是根据护理床的实际需求提出的技术指标,根据具体指标,可以进一步算出电液伺服缸的相关结构参数和液压控制系统的参数,以此再对伺服缸进行设计.

5.2 关于液压缸的设计和计算

设计和计算液压缸的目的就是为对整个系统进行分析,在工作压力的基础上计算出最大的负载力,因此,在进行设计前要对其结构进行确定,再按照结构的尺寸进行设计。关于工作压力的选取和速度的计算;首先根据液压缸的实际情况计算出负载的大小,然后根据工作压力的确定值表,选取适当的工作压力.在该护理床的设计中,我们要先计算出静载荷,在计算时要以4点支撑载荷出发,并且每点的总负载为四分之一,伺服液压缸的承载为1000N,另外,由于其伺服液压缸在此不是垂直的,所以在计算时要除以(在此y表示伺服液压缸与底板的夹角).其次在对活塞的惯性力进行计算,在此由于活塞的质量与静载荷比可以忽略不计,因此活塞上的负载等资质量m=0.132KG.刚相对应的活塞速度和加速度以及惯性力的计算公式为:

Design and kinematics analysis of a new multifunctional nursing bed automatic balance

Wang Xue,Lin Fanghui
(Cangzhou Medical College,061001)

This paper mainly for multifunctional automatic balance nursing bed model and the composition characteristics,the design of SolidWorks 3D parameterization is studied,and then the parametric design, assembly of simulation experiment,and motion about nursing bed working space analysis and kinematic analysis,and found in the continuous research later,we can draw the multifunctional automatic balance nursing bed can also be used for other research work in nursing equipment.

model;multi function automatic balance nursing bed;design;kinematics analysis