高 蓬，孫大剛，梁培根，沈 毅

（太原科技大學 機械工程學院，太原 030024）.

急救車擔架的振動舒適性對于病人尤其是危重病人來說具有重要意義。目前很多急救車擔架都是直接與車體相連，因此有必要對擔架進行“二次隔振”，以提高病人的乘臥舒適性[1,2]。本文將氣動人工肌肉應(yīng)用于急救車擔架緩沖裝置上，建立仿生緩沖隔振平臺，隔振平臺直接與車廂底板固定相連，擔架上車后，用固定裝置可將其快速鎖定到隔振平臺上，以此來緩沖傳遞給病人的振動。緩沖擔架在車廂內(nèi)的布置和人工肌肉在擔架隔振平臺的布置如圖1和圖2所示。

圖1 急救車緩沖擔架車廂布置

圖2 PAM在緩沖擔架的結(jié)構(gòu)

氣動人工肌肉(Pneumatic artificial muscle簡稱PAM)是由一段外部包裹著特殊纖維編織網(wǎng)的橡膠套筒和兩端的接頭連接組成的仿生學元件，如同生物肌肉那樣可產(chǎn)生很強的收縮力，可制成一種新型仿生氣動執(zhí)行機構(gòu)。其工作原理是：運用控制方法，控制執(zhí)行機構(gòu)對PAM充氣，此時PAM因充氣而膨脹，產(chǎn)生主動軸向拉力，而放氣時則幾乎無軸向力的產(chǎn)生，故PAM為一種單向主動力執(zhí)行器，因此可利用其對振動進行主動控制。與其他緩沖機構(gòu)相比，該機構(gòu)具有以下優(yōu)點[3—7]:構(gòu)造簡單；輸出力/重量比大（收縮力為同直徑氣缸的10倍）；無粘著、爬行現(xiàn)象；剛度可變、響應(yīng)快、動作平滑；通過調(diào)節(jié)壓力可實現(xiàn)中間定位。本文以PAM作為急救車仿生擔架隔振平臺的緩沖執(zhí)行器，采用模糊PID控制方法，對車載擔架的減振特性進行了研究。

1 PPAAMM力學特性

本文采用Wickramatunge的實驗?zāi)Ｐ蚚8]，將PAM視為變剛度的彈簧，充氣收縮過程為硬剛度的彈簧，放氣伸長過程為軟剛度的彈簧。PAM軸向收縮力Fe和氣壓p、伸長量ls以及剛度k的函數(shù)關(guān)系式為

式中k為PAM剛度，N/m；ls為PAM伸長量，m；p為PAM充氣壓力，MPa。c0、c1、c2、c3為k與p和ls函數(shù)關(guān)系的系數(shù)。

考慮橡膠套筒的彈性力作用，彈性力Fs為

式中D0、l0、θ0分別為PAM的初始直徑，mm；初始長度，mm；初始纖維角度，°。E為橡膠筒彈性模量，MPa；t為 PAM 橡 膠 筒 壁 厚 ，mm；，ε=1-l/l0為PAM收縮率，l0為PAM自由長度。單個PAM輸出力為

2 PPAAMM擔架及模型建立

2.1 PPAAMM擔架結(jié)構(gòu)及緩沖減振機理

圖3 PAM收縮舒張示意圖

急救車的行駛路面絕不限于城市的街道，尤其在偏遠山區(qū)的道路上行駛將會對病人的身體造成更大影響；不僅要在城市街道上經(jīng)歷多次減速帶的顛簸，更要承受山區(qū)不可預(yù)知的路況。有關(guān)資料表明，車身俯仰角振動比側(cè)傾角振動大得多，對軸距小、車身剛度較高的車輛來說，車身的扭轉(zhuǎn)和彎曲振動影響不大，因此本文僅考慮車身及擔架的垂向振動和俯仰角振動。由于PAM只產(chǎn)生收縮力而無軸向伸張力，因此采用PAM機構(gòu)在擔架平臺上下對稱布置的對拉形式。

隨著從地面?zhèn)髦翐艿募钭饔?，擔架臺上的加速度傳感器將實時測量質(zhì)心加速度的變化，角加速度傳感器測量俯仰角加速度的變化，將垂向加速度和俯仰加速度的變化傳至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過執(zhí)行機構(gòu)控制指定的PAM或充氣收縮或放氣伸長。床中部的上下兩組PAM充氣或放氣產(chǎn)生主動力F1來控制垂向加速度的變化，床尾上下兩組PAM充氣或放氣產(chǎn)生主動力F2來控制俯仰角加速度的變化，圖3為PAM收縮舒張示意圖。由于質(zhì)心垂向加速度和俯仰角加速度的同時存在，床中部和床尾的PAM會同時工作，故通過床頭和床尾的PAM聯(lián)合作用，會有效緩沖擔架質(zhì)心的垂向振動和俯仰角振動，提高病人的舒適度。

2.2 PPAAMM緩沖擔架模型的建立

假設(shè)：

1)PAM膨脹后的形狀為理想圓柱體；

2)忽略橡膠層厚度的影響；

3)氣體流動過程為等熵絕熱過程；4）擔架系統(tǒng)是一個對稱于縱向平面的線性系統(tǒng)；

5）急救車其他人員及設(shè)備質(zhì)量均歸為車身質(zhì)量上；

6）車架、擔架等均為剛體，人體與擔架一起運動?；谝陨霞僭O(shè)，建立了PAM擔架—車輛振動二分之一模型（見圖4）。

圖中，m1、m2為非簧載質(zhì)量，m3為簧載質(zhì)量，m4為擔架與人體質(zhì)量；k1、k2為輪胎剛度，k3、k4為懸架剛度，k5、k6為擔架剛度；c1、c2為懸架阻尼，c3、c4為擔架阻尼；q1、q2為路面激勵；z1、z2分別為前后車輪位移，z3為車身位移，z4為擔架位移；θ1、θ2分別為車身及擔架俯仰角；F1和F2為PAM主動輸出力；a、b為車身質(zhì)心距前后支承的距離，a'、b'為擔架質(zhì)心距其前后支承距離，l1、l2為車身質(zhì)心距擔架前后支承的距離，l3為車身質(zhì)心和擔架質(zhì)心的距離。

圖4 PAM擔架力學模型

根據(jù)模型得振動微分方程為

式中[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣。

3 仿真及分析

3.1 模糊PPIIDD自適應(yīng)控制

考慮到PAM的非線性，本文采用模糊自整定PID算法對其進行控制[9]。在設(shè)計急救車擔架緩沖裝置控制器時，為提高傷病員受振舒適性，應(yīng)盡量使傷病員承受垂直振動負荷較??；同時，由于病人為臥姿狀態(tài)，故應(yīng)盡量保證人體承受俯仰振動沖擊較小。因此，設(shè)計了兩個模糊控制器，一個是將擔架質(zhì)心處垂向速度Z'4及其變化率Z"4作為輸入，kp1、ki1、kd1為輸出；另一個是以擔架俯仰角速度θ'2及其變化率θ"2作為輸入，kp2、ki2、kd2作為控制器輸出。模糊控制器的輸入誤差量e、誤差變化量ec和模糊控制器輸出均取7個語言值，即負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（Z0）、正小（PS）、正中（PM）、正大(PB)。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)選為高斯型隸屬度函數(shù)，其表達式為

式中σ取為0.6。

第一個模糊控制力為

第二個模糊控制力為式中a為擔架垂向加速度，a0為理想擔架垂向加速度，取值為0；α為擔架俯仰角加速度，α0為理想擔架俯仰角加速度，取值也為 0；kp1、ki1、kd1、kp2、ki2、kd2為PID最終控制參數(shù)；kp0、ki0、kd0為初始設(shè)定參數(shù)，為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)試湊法，分別取600、120、3；μ1、μ2為模糊控制器輸出量；λp1、λi1、λd1、λp2、λi2、λd2為修正系數(shù)。模糊推理使用Mamdani法，解模糊判決用bisector法，控制規(guī)則采用專家經(jīng)驗。

3.2 路面激勵

以白噪聲產(chǎn)生的路面譜作為車輛行駛時的路面輸入[10]，則

式中q-路面位移；f0-下截止頻率；U0-測量車速；G0-路面不平度系數(shù)；W(t)-均值為零的高斯白噪聲。

根據(jù)路面功率譜密度，GB7031-1987《車輛振動輸入-路面不平度表示方法》將路面分為8個等級，用Matlab/Simulink仿真軟件可以構(gòu)造出積分白噪聲模型。

3.3 仿真系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

選用Festo公司MAS-20-N300-AA-MCHK型氣動肌肉為仿生擔架所用PAM機構(gòu)。其主要參數(shù)為:l0=0.3 m,D0=0.02 m,θ0=20°,最大工作載荷為 1 500 N,最大收縮率為額定長度的25%.擔架及車輛參數(shù)為：m1=60 kg，m2=72 kg，m3=1.6×103kg，m4=95 kg，k1=1.6×105N/m，k2=1.5×105N/m，k3=3.2×104N/m，k4=2.6×104N/m，k5=5×103N/m，k6=1×104N/m，c1=1×104N·s/m，c2=1×104N·s/m，c3=500 N·s/m，c4=500 N·s/m，j1=9 060 kg·m2，j2=98 kg·m2，a=2.1 m，b=2.4 m，a'=0.8 m，b'=1.3 m，l1=0.2 m，l2=1.9 m，l3=0.6 m。

根據(jù)急救車的實際工作狀況，選擇B級路面，D級路面，B級路面過減速帶作為車輛行駛路面，對應(yīng)車速分別為65、36、18 km/h，代表急救車城市行駛、山區(qū)行駛以及特殊路況行駛3種典型工況。分析加裝PAM后與被動情況下?lián)艿拇瓜蚣铀俣群透┭鼋羌铀俣鹊臅r域曲線，如圖5，6所示。

圖5及表1可知，在選定的三種工況下，PAM擔架比傳統(tǒng)擔架垂直加速度的振幅最大值分別減小了48.8%、48.8%和73.4%，最小值分別減小了54.1%、54.1%和68.8%，標準差分別減小了48.8%、48.82%和59.6%。

對比圖6及表1可知，對于俯仰角加速度，對應(yīng)三種工況下，振幅最大值分別減小了58.1%、58.1%和73.9%，最小值分別減小了59.6%、59.3%和72.5%，標準差也分別減小了51.4%、51.45%和49.1%。

圖5 三種工況下?lián)艽瓜蚣铀俣葘Ρ?/p>

圖6 三種工況下?lián)芨┭黾铀俣葘Ρ?/p>

表1 仿真結(jié)果

由圖5及圖6中對比可知，加裝PAM后，擔架的垂向加速度和俯仰角加速度的總體變化更為平緩，這與PAM良好的柔順特性有關(guān)。

綜上所述：PAM仿生擔架隔振平臺可有效緩沖路面?zhèn)髦敛∪说恼駝記_擊，對于選定的3種工況，垂向加速度與俯仰角加速度的振幅均有大幅度的衰減，明顯提高了乘臥病人的受振舒適性。對于B級路面過減速帶這種特殊工況，在急救車前輪和后輪分別通過減速帶的瞬時，擔架垂向加速度和俯仰加速度振幅都經(jīng)歷了尖峰突變，使病人承受了巨大的沖擊；而加裝PAM后，在過減速帶的瞬時，擔架的垂向加速度以及俯仰角加速度振幅衰減尤為明顯，有效緩沖了擔架人體所承受的瞬時沖擊，提高了病人的舒適度。

4 結(jié)語

（1）本文嘗試將PAM應(yīng)用于急救車車載擔架隔振平臺，建立擔架振動力學模型，采用智能模糊PID控制，經(jīng)simulink仿真分析表明，PAM仿生擔架隔振平臺可有效緩沖路面激勵傳至擔架及病人的振動與沖擊，提高了臥姿病人的乘臥舒適性。

（2）表明建立的擔架-車輛振動系統(tǒng)合理可行，驗證了自適應(yīng)模糊PID控制運用于擔架非線性控制具有一定的效果。

（3）PAM作為擔架隔振平臺主動減振的執(zhí)行器，以其具有良好的動態(tài)特性以及動作平滑、柔性好、響應(yīng)快等優(yōu)點，可為急救車擔架的設(shè)計提供一定的參考。

[1]王 猛,徐新喜,任旭東.某型急救車擔架臺隔振特性仿真分析與優(yōu)化設(shè)計研究[J].振動與沖擊，2008，27(8)：77-80.

[2]孫景工，牛 福，高振海，等.基于磁流變隔振技術(shù)的某型越野救護車乘臥舒適性試驗與分析[J].噪聲與振動控制，2009，29(6)：156-160.

[3]Klute G K,Czerniecki J,Hannaford B.McKibben artificial muscles:pneumatic actuators with biomechanical intelligence.In:Proceedings of the IEEE/ASME international conference on advanced intelligent mechatronics,1999:221-226.

[4]Ahn K K,Thanh T U D C.Improvement of the control performance of pneumatic artificial muscle manipulators using an intelligent switching control method[J].KSME International Journal,2004,18(8):1388-1400.

[5]Ahn K K,Anh H P H.Design and implementation of an adaptive recurrent neural networks(ARNN)controller of the pneumatic artificial muscle(PAM)manipulator[J].Mechatronniiccss,,2009,19(6):816-828.

[6]隋立明，張立勛.氣動肌肉與氣缸的特性對比研究[J].液壓與氣動，2011，11：99-102.

[7]隋立明，王祖溫，包 鋼.氣動肌肉與生物肌肉的力學特性對比研究[J].機床與液壓，2004，06：22-24.

[8]Wickramatunge K C,Leephakpreeda T.Study on mechanical behaviors of pneumatic artificial muscle[J].International Journal of Engineering Science,2010,48(2):188-198.

[9]陳 兵，曾 鳴，尹忠俊.車輛半主動懸架的模糊控制策略設(shè)計與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2008，20(2)：420-424.

[10]劉 偉，劉大維，陳煥明，符朝興.基于聯(lián)合仿真的半主動懸架車輛行駛平順性研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2009，06：16-22.