智能護(hù)理床起背機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真研究

王丹 李奇林 曹宇 張?zhí)斐? 俞成濤 劉凱磊

摘? ? 要：針對如何提高智能護(hù)理床起背的舒適性問題，通過UG軟件構(gòu)建智能護(hù)理床起背機(jī)構(gòu)的模型，利用ADAMS軟件對起背運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析床板在運(yùn)動狀態(tài)下的角度、角速度、角加速度及摩擦系數(shù)對舒適度的影響。最后，通過試驗表明：角速度[Δω]為4.17[°]/s、角加速度[Δα]為1.36[°]/s2、電機(jī)推桿速度[v]為9 mm/s時，起背機(jī)構(gòu)具有較好的舒適性。

關(guān)鍵詞：智能護(hù)理床;起背機(jī)構(gòu);舒適性;動力學(xué)仿真

中圖分類號： TH122 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?文章編號： 2095-7394（2021）02-0058-07

隨著我國人口老齡化、高齡化的不斷發(fā)展，老年人慢性疾病發(fā)病率也大幅度增加[1]，有部分老人甚至生活不能自理，因此，針對生活無法自理老人的智能護(hù)理床需求不斷增加。國內(nèi)護(hù)理床的研發(fā)起步較晚，設(shè)計水平較低，多以滿足日常生活需求為主，但近幾年有了長足的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能上也有了很大提升。國外對護(hù)理床的研究起步較早，尤以日本和德國的設(shè)計及制造水平更為先進(jìn)。日本八樂夢公司的ICARE 2司馬大電動床[2]，實現(xiàn)了背部、腰部、膝部升降，以及背部和膝部的聯(lián)動，并且加入了稱重系統(tǒng)和離床報警功能，方便了病人的日常護(hù)理。但目前總體看來，國內(nèi)外對于護(hù)理床的研究存在功能單一，產(chǎn)品雷同，舒適性、柔性化、智能化水平較低等問題。因此，本研究嘗試采用動力學(xué)仿真來分析智能護(hù)理床起背機(jī)構(gòu)的受力，及其對應(yīng)角速度、角加速度及角位移的合適方案，以改善護(hù)理床運(yùn)動過程中的舒適度問題。胡紹忠等人[3]通過對護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)分析，討論了各種參數(shù)對驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響，為改進(jìn)護(hù)理床設(shè)計結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù);賴?yán)罾畹热薣4]計算并建立了人體舒適性數(shù)據(jù)表，為研究起背機(jī)構(gòu)運(yùn)動的安全性和舒適性提供了依據(jù)。

1? ? 起背機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)建模

1.1? 起背機(jī)構(gòu)幾何建模

圖1為智能護(hù)理床起背機(jī)構(gòu)示意圖。由圖可見，背板層支架與坐板層支架固定在一起，坐板層與起背層通過鉸鏈連接，起背層角度由電機(jī)推桿控制。電機(jī)安裝于固定架與背板活動架的鉸鏈處，通過控制電機(jī)推桿的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可控制背板機(jī)構(gòu)的起背、落背動作。先對起背機(jī)構(gòu)三維建模，再對模型進(jìn)行仿真，分析其在不同狀態(tài)下對轉(zhuǎn)矩的影響，以指導(dǎo)改進(jìn)設(shè)計和選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動電機(jī)。

1.2? 動力學(xué)建模方法

ADAMS是由美國機(jī)械動力公司（Mechanical Dynamics Inc）研制的，集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件[5]，是目前世界上使用范圍最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。運(yùn)用該軟件可以建立精準(zhǔn)的仿真動力學(xué)模型并進(jìn)行分析[3]，從而構(gòu)建起最佳的運(yùn)動關(guān)系。

護(hù)理床模型剛體的運(yùn)動形式分為平移與轉(zhuǎn)動，每個位置均可通過3個平移坐標(biāo)和3個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)進(jìn)行描述。將剛體的質(zhì)心分解成以[x]、[y]、[z]為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)系，方位確定方面選取它的3個歐拉角[ψ]、[θ]、[φ]，得到[q=x，y，z，ψ，θ，φT]。

構(gòu)件的平移方向動能為：

1.3? 起背機(jī)構(gòu)電機(jī)推桿選型

起背機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。圖中：O、O'兩點固定，OA表示電機(jī)推桿，AB長度為100 mm，O'B長度為400 mm，構(gòu)件2長度為900 mm，OO'為150 mm;[∠θ2]=75.0[°]，此時為起背板最大的旋轉(zhuǎn)角度。通過已知條件可求得電機(jī)推桿行程。由公式（7）求得L3長度。

由公式（9）求得起背機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置時電機(jī)推桿最大極限長度為548 mm，最小極限長度為408 mm，因而可得起背電機(jī)推桿行程[H]=548-408=140 mm。根據(jù)電機(jī)推桿型號參數(shù)所得，最終選用電機(jī)推桿行程為150 mm，可滿足設(shè)計要求。

2? ? 仿真結(jié)果與分析

將UG模型導(dǎo)入Adams-View軟件（見圖3），隨后添加相應(yīng)約束和載荷進(jìn)行運(yùn)動仿真。其中：固定位置擬為大地，通過固定連接6將底座與大地固定使其不動;坐板層通過固定連接1與底座相連;2為起背層，通過旋轉(zhuǎn)副將其與坐板層相連;起背層通過固定連接3與連桿相連;電機(jī)底座通過旋轉(zhuǎn)副5與底座連接;推桿通過旋轉(zhuǎn)副4與連桿連接;推桿芯與電機(jī)之間有相對移動，在此之間還需加入移動副連接。

起背運(yùn)動是通過電機(jī)帶動背板層運(yùn)動。給電機(jī)施加動力，控制起背板角度變化，再通過輸入不同參數(shù)得到不同的特性曲線。以背部支撐板與水平面的夾角[α]在0～75°范圍變化，載荷[F]取固定值100 kg為例分析。針對不同的摩擦系數(shù)，分析電機(jī)推桿推動背板機(jī)構(gòu)的變化。

2.1? 推桿速度對背板角速度的影響

將表1中推桿速度[v]輸入仿真軟件，得到背板角速度變化曲線圖（見圖4）。由圖4可見，推桿速度[v]在7 ～12 mm/s之間變化可得到六種不同的角速度曲線。推桿速度為7 mm/s時，對應(yīng)角速度變化范圍是1.95～5.21 [°]/s，最高與最低[Δω]為3.26[°]/s;推桿速度為8 mm/s時，對應(yīng)角速度變化范圍是2.22～5.93[°]/s，最高與最低[Δω]為3.70 [°]/s;推桿速度為9 mm/s時，對應(yīng)角速度變化范圍是2.50～6.67 [°]/s，最高與最低[Δω]為4.17 [°]/s;推桿速度為10 mm/s時，對應(yīng)角速度變化范圍是2.78～7.42 [°]/s，最高與最低[Δω]為4.64 [°]/s;推桿速度為11 mm/s時，對應(yīng)角速度變化范圍是3.05～8.15 [°]/s，最高與最低[Δω]為5.09[°]/s;推桿速度為12 mm/s時，對應(yīng)角速度變化范圍是3.33～8.88 [°]/s，最高與最低[Δω]為5.55[°]/s。賴?yán)罾畹热薣4]研究表明，[Δω]變化控制在3.30～4.40[°]之間具有較好的舒適性。據(jù)此，滿足條件的分別是推桿速度為8 mm/s 和9 mm/s所對應(yīng)的曲線。該曲線前半段角速度由2.22—3.10[°]平穩(wěn)增加，后半段角速度由3.10—5.93[°]平穩(wěn)增加，即隨著床板轉(zhuǎn)動角度增加，人體對于背板的垂直壓力逐漸減小，角速度增大以加快床板轉(zhuǎn)動過程。

2.2? 推桿速度對背板角加速度的影響

將表1中推桿速度v輸入仿真軟件進(jìn)行仿真，得到背板角加速度變化曲線（見圖5）。由圖5可知：推桿速度為7 mm/s時，對應(yīng)角加速度變化范圍是0.01～0.84[°]/s2，最高與最低[Δα]為0.82 [°]/s2;推桿速度為8 mm/s時，對應(yīng)角加速度變化范圍是0.01～1.09 [°]/s2，最高與最低[Δα]為1.07 [°]/s2;推桿速度為9 mm/s時，對應(yīng)角加速度變化范圍是0.02～1.38 [°]/s2，最高與最低[Δα]為1.36[°]/s2;推桿速度為10 mm/s時，對應(yīng)角加速度變化范圍是0.02～1.71[°]/s2，最高與最低[Δα]為1.69 [°]/s2;推桿速度為11 mm/s時，對應(yīng)角加速度變化范圍是0.03～2.06 [°]/s2，最高與最低[Δα]為2.03 [°]/s2;推桿速度為12 mm/s時，對應(yīng)角加速度變化范圍是0.03～2.44 [°]/s2，最高與最低[Δα]為2.42[°]/s2。人體工程學(xué)研究表明[4]，角加速度在1.00～2.00 [°]/s2范圍內(nèi)舒適度最佳?？梢姡茥U速度分別為8 mm/s、9 mm/s和10 mm/s時符合該標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合前文推桿速度對背板角速度的影響，得出推桿速度8 mm/s 和9 mm/s為加速度舒適性最佳。因此，取推桿速度8 mm/s和9 mm/s為本次設(shè)計的初選方案。電機(jī)推桿速度為8 mm/s時，所對應(yīng)的背板機(jī)構(gòu)運(yùn)行時間為25 s;電機(jī)推桿速度為9 mm/s時，所對應(yīng)的背板機(jī)構(gòu)運(yùn)行時間為22 s。為了保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動在滿足舒適度的同時，能夠快速完成動作，最終確定電機(jī)推桿速度9 mm/s作為本次運(yùn)動控制參數(shù)。

2.3? 推桿速度對推力的影響

以100 kg體重為例，根據(jù)重力公式[G]=[mg]（g = 9.8 N/kg）可知，所施加負(fù)載為980 N。根據(jù)推桿速度為7～12 mm/s的速度控制仿真，得到背板電機(jī)推力曲線圖（見圖6）。6條曲線中，所需推力[F]的峰值最大為1 775 N，最小為1 337 N。在起背前期，背板為滿載狀態(tài)，此時需要更大的電機(jī)推力以防過載;隨著背板角度的變化，背板所承受的重量慢慢減小，電機(jī)推力隨之降低。在整個推力曲線中，沒有推力的突變。因此，選擇2 000 N的電機(jī)推桿可以滿足整個起背運(yùn)動的需求。

2.4? 摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響

起背機(jī)構(gòu)仿真中共有三種約束，即固定約束、鉸鏈約束和接觸約束。固定約束不會產(chǎn)生摩擦力，鉸鏈約束和接觸約束均可產(chǎn)生摩擦力。其中，影響舒適性的主要是由鉸鏈約束產(chǎn)生的摩擦，因此以下重點討論該類摩擦。已知鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)[μ]為0.05～0.10，圖7是鉸鏈約束摩擦系數(shù)[μ]為0.05、0.07、0.08和0.10時對轉(zhuǎn)矩的影響。由圖7可見：[μ]為最大值0.10時，對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩為0.28 N·m;[μ]為最小值0.05時，對應(yīng)的最小轉(zhuǎn)矩是0.15 N·m。可見，摩擦系數(shù)對于轉(zhuǎn)矩的影響不是特別明顯，在鉸鏈處使用潤滑油之后，可將摩擦系數(shù)降到0.02～0.05范圍之內(nèi)。

3? ? 設(shè)計測試

圖8為護(hù)理床裝置圖。為了研究電機(jī)推桿速度對起背機(jī)構(gòu)舒適度的影響，在背板機(jī)構(gòu)上安裝了六軸姿態(tài)角度傳感器，該傳感器可將測得的背板角速度和背板角加速度數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面顯示（見圖9）。最后，將測得數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

以圖5所示的推桿速度9 mm/s作為起背機(jī)構(gòu)控制速度，結(jié)合仿真曲線與傳感器測得數(shù)據(jù)曲線對比，得到角速度曲線與仿真對比圖（見圖10）。圖10中，角速度仿真值最大為6.67[°]/s，實測值最大為6.50[°]/s，實驗測試參數(shù)與仿真參數(shù)基本吻合。圖11為角加速度曲線圖，在開始位置，實測值與仿真值有很大的差距，是因?qū)嶋H物體中存在電流、電壓以及繼電器吸合瞬間的波動干擾和一些不可避免的摩擦。在電流和電壓穩(wěn)定之后，仿真值和實測值基本吻合。

4? ? ?結(jié)論

通過對護(hù)理床起背機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析，討論了作用力、加速度、摩擦系數(shù)等因素對起背機(jī)構(gòu)舒適度的影響。經(jīng)過測試，角速度[Δω]為4.17 [°]/s，角加速度[Δα]為1.36 [°]/s2，電機(jī)推桿速度[v]為9 mm/s，摩擦系數(shù)[μ]為0.05時，起背機(jī)構(gòu)具有較好的舒適性。

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責(zé)任編輯? ? 王繼國