智能护理床起背机构动力学仿真研究.docx

?

?

智能护理床起背机构动力学仿真研究

?

?

王丹李奇林曹宇张天成俞成涛刘凯磊

摘??要：针对如何提高智能护理床起背的舒适性问题，通过UG软件构建智能护理床起背机构的模型，利用ADAMS软件对起背运动状态进行仿真，分析床板在运动状态下的角度、角速度、角加速度及摩擦系数对舒适度的影响。最后，通过试验表明：角速度[Δω]为4.17[°]/s、角加速度[Δα]为1.36[°]/s2、电机推杆速度[v]为9mm/s时，起背机构具有较好的舒适性。

关键词：智能护理床;起背机构;舒适性;动力学仿真

：TH122?????：A??：2095-7394（2021）02-0058-07

随着我国人口老龄化、高龄化的不断发展，老年人慢性疾病发病率也大幅度增加[1]，有部分老人甚至生活不能自理，因此，针对生活无法自理老人的智能护理床需求不断增加。国内护理床的研发起步较晚，设计水平较低，多以满足日常生活需求为主，但近几年有了长足的发展，在结构设计和功能上也有了很大提升。国外对护理床的研究起步较早，尤以日本和德国的设计及制造水平更为先进。日本八乐梦公司的ICARE2司马大电动床[2]，实现了背部、腰部、膝部升降，以及背部和膝部的联动，并且加入了称重系统和离床报警功能，方便了病人的日常护理。但目前总体看来，国内外对于护理床的研究存在功能单一，产品雷同，舒适性、柔性化、智能化水平较低等问题。因此，本研究尝试采用动力学仿真来分析智能护理床起背机构的受力，及其对应角速度、角加速度及角位移的合适方案，以改善护理床运动过程中的舒适度问题。胡绍忠等人[3]通过对护理床的结构设计及动力学分析，讨论了各种参数对驱动转矩的影响，为改进护理床设计结构提供了理论依据;赖李李等人[4]计算并建立了人体舒适性数据表，为研究起背机构运动的安全性和舒适性提供了依据。

1??起背机构的运动学建模

1.1?起背机构几何建模

图1为智能护理床起背机构示意图。由图可见，背板层支架与坐板层支架固定在一起，坐板层与起背层通过铰链连接，起背层角度由电机推杆控制。电机安装于固定架与背板活动架的铰链处，通过控制电机推杆的正转和反转可控制背板机构的起背、落背动作。先对起背机构三维建模，再对模型进行仿真，分析其在不同状态下对转矩的影响，以指导改进设计和选择适当的驱动电机。

1.2?动力学建模方法

ADAMS是由美国机械动力公司（MechanicalDynamicsInc）研制的，集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件[5]，是目前世界上使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。运用该软件可以建立精准的仿真动力学模型并进行分析[3]，从而构建起最佳的运动关系。

护理床模型刚体的运动形式分为平移与转动，每个位置均可通过3个平移坐标和3个转动坐标进行描述。将刚体的质心分解成以[x]、[y]、[z]为坐标轴的坐标系，方位确定方面选取它的3个欧拉角[ψ]、[θ]、[φ]，得到[q=x，y，z，ψ，θ，φT]。

构件的平移方向动能为：

1.3?起背机构电机推杆选型

起背机构简图如图2所示。图中：O、O两点固定，OA表示电机推杆，AB长度为100mm，OB长度为400mm，构件2长度为900mm，OO为150mm;[∠θ2]=75.0[°]，此时为起背板最大的旋转角度。通过已知条件可求得电机推杆行程。由公式（7）求得L3长度。

由公式（9）求得起背机构达到极限位置时电机推杆最大极限长度为548mm，最小极限长度为408mm，因而可得起背电机推杆行程[H]=548-408=140mm。根据电机推杆型号参数所得，最终选用电机推杆行程为150mm，可满足设计要求。

2??仿真结果与分析

将UG模型导入Adams-View软件（见图3），随后添加相应约束和载荷进行运动仿真。其中：固定位置拟为大地，通过固定连接6将底座与大地固定使其不动;坐板层通过固定连接1与底座相连;2为起背层，通过旋转副将其与坐板层相连;起背层通过固定连接3与连杆相连;电机底座通过旋转副5与底座连接;推杆通过旋转副4与连杆连接;推杆芯与电机之间有相对移动，在此之间还需加入移动副连接。

起背运动是通过电机带动背板层运动。给电机施加动力，控制起背板角度变化，再通过输入不同参数得到不同的特性曲线。以背部支撑板与水平面的夹角[α]在0～75°范围变化，载荷[F]取固定值100kg为例分析。针对不同的摩擦系数，分析电机推杆推动背板机构的变化。

2.1?推杆速度对背板角速度的影响

将表1中推杆速度[v]输入仿真软件，得到背板角速度变化曲线图（见图4）。由图4可见，推杆速度[v]在7～12mm/s之间变化可得到六种不同的角速度曲线。推杆速度为7mm/s时，对应角速度变