連桿機(jī)構(gòu)在五官科治療椅中的應(yīng)用

【作 者】張意彬，程云章

1 上海理工大學(xué)，上海市，200093

2 上海醫(yī)療器械高等專科學(xué)校，上海市，200093

0 引言

五官科治療椅是耳鼻喉科室的重要治療設(shè)備，見圖1。它可以根據(jù)治療的需要，隨時(shí)改變治療體位的變化。目前，國(guó)內(nèi)醫(yī)院大多配備歐美產(chǎn)品，由于歐美人群身高較長(zhǎng)，平均180 cm，治療椅最小高度(Height_min)一般在558 mm(22 inch)左右，對(duì)于國(guó)人，平均身高170 cm，并不適合，因此適當(dāng)降低座椅的最小高度，更加符合我國(guó)的實(shí)際使用情況。

圖1 五官科治療椅Fig.1 Otolaryngology chair

1 五官科治療椅的參數(shù)確定

根據(jù)五官科醫(yī)生檢查的需要，五官科可治療椅必須能夠完成三個(gè)基本動(dòng)作，即升降動(dòng)作，靠背彎折動(dòng)作和座椅旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。座椅升降和靠背彎折采用電動(dòng)控制，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作由人工推動(dòng)控制。具體要求為：(1)治療椅最小高度（Height_min）為450 mm，最大高度（Height_max）為650 mm；(2)治療椅靠背彎折角度最小為110o，最大角度為175o；(3)治療椅旋轉(zhuǎn)范圍為0o～340o，且?guī)в袆x車機(jī)構(gòu)。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上大多五官科治療椅采用液壓機(jī)構(gòu)完成以上三種動(dòng)作的調(diào)整，液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的優(yōu)點(diǎn)：輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩、無(wú)極調(diào)速、傳動(dòng)穩(wěn)定和過(guò)載保護(hù)等。但同時(shí)也存在諸多缺點(diǎn)：成本較高、維護(hù)繁瑣和油污污染等。

電動(dòng)推桿(Linear Actuator)，又稱推桿電機(jī)，見圖2。它可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、維護(hù)方便、無(wú)污染、斷電自鎖、位置記憶等優(yōu)點(diǎn)，在近些年的發(fā)展中，技術(shù)日漸成熟可靠。其具體機(jī)械性能參數(shù)可參看表1。利用電動(dòng)推桿組成的連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既可以大幅降低生產(chǎn)和維護(hù)成本，又解決了液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的油污污染問(wèn)題。

圖2 電動(dòng)推桿Fig.2 Electric linear actuator

表1 電動(dòng)推桿機(jī)械性能參數(shù)表Tab.1 Mechanical performance parameters of electric linear actuator

2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

連桿機(jī)構(gòu)[1]由于采用低副，接觸面積大、承載重、便于潤(rùn)滑、不易磨損，形狀簡(jiǎn)單、易于加工、容易獲得較高的加工精度，所以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車、醫(yī)療器械等制造領(lǐng)域。

連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要有兩種 ，即解析法和作圖法[2]。在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中我們采用作圖法，利用CATIA 的草圖功能，添加尺寸和行為約束，完成原理圖設(shè)計(jì)，見圖3。

圖3 原理圖設(shè)計(jì)Fig.3 Schematic design

治療椅行程S1=Height_max－Height_min=200 mm，經(jīng)過(guò)原理圖仿真分析，確定電動(dòng)推桿的行程S2=120 mm。參照表1，選擇較為合適的電動(dòng)推桿（L=150 mm）。在完成整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)原理圖設(shè)計(jì)之后，采用自頂向下[3]的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合力學(xué)分析，逐一完成各個(gè)零部件的單體設(shè)計(jì)。最后，完成整個(gè)設(shè)備的組裝，構(gòu)建虛擬電子樣機(jī)。零部件的組裝要遵循實(shí)際裝配原則，使用真實(shí)約束[4]，在此機(jī)構(gòu)中，主要使用鉸鏈約束（11個(gè)）和共軸約束（1個(gè)），其均屬于低副（PL），見圖4。

在零部件組裝完成后，應(yīng)檢查自由度是否符合要求。F=3n-2PL-PH(n=K-1，K為活動(dòng)部件個(gè)數(shù)，PL為低副個(gè)數(shù)，PH為高副個(gè)數(shù))。根據(jù)計(jì)算，n=10-1=9；PL=13； F=3*9－2*13=1。模擬結(jié)果顯示，在電動(dòng)推桿存在斷電自鎖的情況下，該機(jī)構(gòu)的DOF=0，符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 虛擬組裝圖Fig.4 Virtual assembly drawing

經(jīng)仿真分析，該機(jī)構(gòu)存在一定的側(cè)向偏移。在座椅行程(S1)內(nèi)，最大偏移量Offset_max=135－105=30 mm，見圖5。由此帶來(lái)的問(wèn)題是整個(gè)治療椅在上升或下降過(guò)程中，重心位置會(huì)發(fā)生偏移，為了保證使用過(guò)程中不發(fā)生傾倒現(xiàn)象，必須適當(dāng)調(diào)整底盤的配重，加強(qiáng)其平衡性。

3 速度及加速度分析

由于此次設(shè)計(jì)的五官科治療椅的升降機(jī)構(gòu)采用的是連桿機(jī)構(gòu)，在運(yùn)行的過(guò)程中，上升下降的連貫性，平穩(wěn)性是必須要考慮的因素。連貫性主要是指在整個(gè)過(guò)程中不存在斷點(diǎn)，可連續(xù)運(yùn)行，而平穩(wěn)性主要是指速度較恒定且加速度不大。經(jīng)仿真分析，電動(dòng)推桿速度[V]為20 mm/s的速度運(yùn)行時(shí)，座椅的速度平均維持在35 mm/s，見表1。升降機(jī)構(gòu)完成整個(gè)上升行程[S1]中，所需時(shí)間為8 s，數(shù)據(jù)顯示升降速度快速且平穩(wěn)，見圖6。

加速度的大小，直接決定病人治療過(guò)程中人體的舒適性，根據(jù)加速度曲線分析，整個(gè)上升過(guò)程中，其最大加速度不超過(guò)8 mm/s2，適合人體的加速度范圍，見圖7。

圖6 座椅速度曲線Fig.6 Speed curve of chair

圖7 座椅加速度曲線Fig.7 Acceleration curve of chair

4 結(jié)束語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)中采用的連桿機(jī)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如成本大幅度減低，最低高度明顯降低至450 mm，更適合亞洲成人和兒童使用，擴(kuò)大了使用范圍。縱觀五官科椅的發(fā)展，我們不難看出，簡(jiǎn)潔、美觀、實(shí)用是其發(fā)展的主線，新的控制技術(shù)和材料的發(fā)展，推動(dòng)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們會(huì)看到更加智能的五官科治療椅，為病人帶來(lái)更加舒適的治療體驗(yàn)。

[1]熊濱生 編.現(xiàn)代連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2]孫桓 編.機(jī)械原理[ M].北京: 高等教育出版社,2001.

[3]毛春升.基于CATIA 的零件參數(shù)化建模技術(shù)研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué),2007.

[4]陳國(guó)華,程本松,楊敏.基于CATIA的機(jī)械零件虛擬裝配方法[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2006,19(1): 113-114.