新型多功能自动平衡护理床的设计与运动学分析

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1、新型多功能自动平衡护理床的设计与运动学分析 对长期卧床不起的病人、电动护理床生活不能自理的老年人和由突发事故引起行动不便患者的护理已成为当今人们广泛关注的问题之一。据有关资料统计，仅国内需要康复护理器械的患者就有1500多万人，尤其是对护理床的需求。护理床经历了由手动机械式向电动化、自动化、智能化发展的过程，目前国内外比较受欢迎的护理床是五功能电动床，它能实现背板升降、腿部弯曲、高低升降和床头尾倾斜。虽然现在护理床功能繁多，但不能完全满足病人的需求。如，救护车上的救护床会随着救护车的颠簸而晃动、护理床在上坡或下坡时床面会随着斜面的坡度而倾斜、大型

2、船只上的手术床会随着船的左右摇摆和俯仰运动而晃动，这些都会使床面不能够保持水平状态。而床面的晃动和倾斜对于病人的病情是很不利的。本文针对以上情况，在深入研究现有护理床和稳定平台知识的基础上，设计了一款新型的多功能自动平衡护理床。   采用新结构和新材料，利用现代设计技术和先进制造技术，是保证和提高电动护理床性能的重要途径。以前通过大量的样机和试验方式验证产品可靠性和稳定性的方法，正在逐渐被虚拟样机和虚拟试验方式所取代。这些技术既能缩短产品的设计和制造周期，同时又能提高产品的质量。国内医疗器械行业近年虽有较大发展，但与发达国家相比仍存在许多不足，其

3、原因除了国内医疗器械加工水平落后之外，设计水平与发达国家相比也有较大差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多研究人员和单位对多功能护理床设计进行了不少研究，也开发了相应的设计软件，但基本上局限于解决某些局部问题，缺少通用性，远远达不到工业化设计的要求。实际上，很多较为成熟的软件都可以完成电动护理床的大部分设计工作，如Pro/ENGINEER、NX和SolidWorks等.本文将对多功能自动调平衡护理床设计过程中的一些关键问题进行阐述，而对于目前相关文献集中介绍的参数化建模等方面的内容则不再赘述。   二、SolidWorks三维设计流程

4、   目前关于SolidWorks在医疗床、护理床设计方面的文章较多，大多集中在零件建模、虚拟装配、运动仿真与零件的有限元分析等方面，只突出了SolidWorks软件的特点，或者是某个护理床的局部功能，尚未有以多功能护理床设计为核心的系统性研究。SolidWorks只是一种工具，而工具必须服务于设计对象，这也是我们在设计过程中强调的一点。图1是在SolidWorks中进行三维设计的技术流程图，这个流程主体是一个并行设计的过程。在此过程中，首先确定设计方案，随后进行三维造型与建模，且主要集中在零件建模方面。建模完成后进行装配，并进行静态干涉分析与局

5、部修改。当确认方案后，进行运动仿真分析，对运动过程中出现的动态干涉情况进行修改。确认基本尺寸后，可对关键零部件进行有限元分析，确定其力学特性是否满足工作要求，并在此基础上进行结构优化。优化后需重新进行有限元分析，直到确定最终方案。二维出图和加工则为一些后续工作，在此略过。   三、产品模型分析和功能简介多功能自动平衡护理床的总体方案如图2所示，由床身、固定支撑杆、伺服液压缸、电动缸、行走底架和控制系统等部分构成。   1.自动调平衡系统的结构组成及功能由图2可见，平台的上表面，即平台的稳定面由4个球铰支撑。对两自由度平台，固定杆3与底架固定连接，

6、电液伺服缸4、5关于杆3对称、与底架铰链连接，三者在一条直线上。液压伺服缸9与杆3在一条中线上，与底架也是铰链连接。平台在三个伺服缸的控制下，可做绕通过固定支撑点水平轴的俯仰运动和绕固定支撑点与约束支撑点纵轴的摇摆运动，以达到底板摇晃时稳定面保持水平之目的。  2.体位调整功能  按照人机工程学的原理，将床身分成背板1、座板2和腿板6三部分，背板和座板通过轴铰接，通过控制电动缸的伸缩可实现0°～85°背位调整，同理可实现腿板的角度调整。这样就实现了床身坐姿与卧姿间的连续体位调整功能，如图3所示。   3.床身直立功能   整床的支撑杆系主要由固定

7、杆3和电液伺服缸9两部分组成，控制电液伺服缸9的伸缩量使床体绕固定杆3的球铰转动，从而实现床身在0°～80°范围内的角度调整.四、模型装配设计中的关键问题在三维建模中，多功能护理床基本是标准的模型构建，在复杂曲面方面应用较少。需要考虑的问题包括参数化设计与处理、工业造型与整体处理和零件系列化的问题。   1.参数化问题   在护理床的设计中，参数化主要体现在两个方面，即零件建模与装配。对于零件建模而言，参数可分为三类：  （1）相互之间存在一定约束条件，不可随意更改参数，如电动机的外形尺寸参数就是如此，必须通过查阅相关技术参数得到。  （2）查阅

8、相关手册取得，但是可以根据实际情况修改。  （3）根据具体情况自行确定。   在零件设计过程中，应该采用参数化草图建模方法。首先根据设计