鄭桅霄 袁海磊 潘金坤 王 建 吳天豪

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京211100）

1 概述

對(duì)于大多數(shù)老人來說，身體機(jī)能隨著年齡的增長(zhǎng)而減弱，腿腳不便，腰部疾病等變得十分常見。在國(guó)內(nèi)大多數(shù)的設(shè)計(jì)均可定義為醫(yī)療床，或者護(hù)理床，這些裝置適合在醫(yī)院等場(chǎng)所使用，但卻不適合家用，因此那些醫(yī)療用床、護(hù)理床并不適合他們。本裝置能夠在最大程度上幫助老人獨(dú)立完成日常起居，同時(shí)減小起居過程中老人對(duì)腰等部分的負(fù)擔(dān)，降低老人受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

2 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

首先通過人體體位信息的分析，使用UG 進(jìn)行初步的三維建模，其次通過Adams 對(duì)日常起居過程中輔助裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到裝置中主要部件（床尾床板，鉸接連桿）的運(yùn)行軌跡和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，達(dá)到了能夠準(zhǔn)確模擬生活中老人起居的目的。其中采用ABAQUS 對(duì)裝置的主要部件進(jìn)行有限元分析。

2.1 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 床頭模塊：采用絲桿傳動(dòng)，通過控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)床板的翻折，實(shí)現(xiàn)抬背功能。

2.1.2 臀部模塊：采用凸輪傳動(dòng)，通過凸輪的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人體與床體的接觸減小，實(shí)現(xiàn)穿、脫褲功能。

2.1.3 床尾模塊：采用齒輪傳動(dòng)，通過控制電機(jī)，撐褲桿的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)褲子的收集功能。

2.2 計(jì)算機(jī)仿真分析

根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)通過UG 進(jìn)行三維建模，以及使用matlab 中spline 三次樣條函數(shù)插值法對(duì)凸輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；針對(duì)涉及到的多組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)利用Adams 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真，以此對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；針對(duì)絲桿、凸輪等多個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。

2.3 控制部分

圖1 電路工作流程圖

圖1 所示為電路工作流程圖。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)限位桿工作流程：電源模塊插頭接220v 進(jìn)行變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓，給步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定的24v 交流供電。與此同時(shí)，主控板接收變壓器方波次數(shù)并換算成通電時(shí)間。當(dāng)主控板接收到開始工作的信號(hào)時(shí)，發(fā)送PWM波給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并接收來自電位器的脈沖頻率的反饋保證步進(jìn)電機(jī)在合適的速度運(yùn)作。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)限位桿運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置時(shí)，紅外限位器和測(cè)距傳感器相互校對(duì)并向主控板發(fā)送結(jié)束工作的信號(hào)。主控板立即停止向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM波，步進(jìn)電機(jī)停止工作。

3 研究方案

3.1 三維建模

3.1.1 模塊化設(shè)計(jì)

圖2 整體機(jī)構(gòu)展示圖

裝置整體上采用模塊化設(shè)計(jì)，將整體機(jī)構(gòu)分為：床頭模塊，臀部模塊，床尾模塊，見圖2。模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)上引用了人體體位分布信息，確保運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性與安全性。

圖3 模擬工作機(jī)構(gòu)圖

圖3 展示機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，凸輪推桿機(jī)構(gòu)與線性滑臺(tái)的同步運(yùn)行，同時(shí)將人體與床體的主體接觸部分通過床板的翻折減小擠壓，實(shí)現(xiàn)抓褲爪的順利通過。

3.1.2 床頭模塊設(shè)計(jì)

圖4 輔助起居床_床頭模塊- 絲桿傳動(dòng)示意圖

輔助起居床_床頭模塊：本模塊采用絲桿傳動(dòng)，通過控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)床板的翻折，實(shí)現(xiàn)抬背功能。

工作原理：本模塊采用絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（見圖4），通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得11.絲桿螺母在9.絲桿上平穩(wěn)運(yùn)行，以鉸接作為中間機(jī)構(gòu)，5.床頭床板，6.二級(jí)床板能夠?qū)崿F(xiàn)翻折，進(jìn)而人體上身的體位進(jìn)行調(diào)整，減小了臀部以及大腿等對(duì)床的壓力，采用絲桿傳動(dòng)，絲桿傳動(dòng)穩(wěn)定，能以較為安全的速度與方式，輔助老人完成抬背等活動(dòng)。

圖5 輔助起居床_臀部模塊凸輪傳動(dòng)示意圖

3.1.3 臀部模塊設(shè)計(jì)輔助起居床_臀部模塊：采用凸輪傳動(dòng)，通過凸輪的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人體與床體的接觸減小。

工作原理：本模塊采用凸輪推桿機(jī)構(gòu)，以滾子直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)變化，來實(shí)現(xiàn)床板的翻折。工作流程：人躺在床上時(shí)，可手動(dòng)將23.抓夾夾住的褲腰，進(jìn)而即可摁下啟動(dòng)按鈕，上下兩個(gè)線性滑臺(tái)通過電機(jī)控制，保持著的同步運(yùn)行，同時(shí)23.抓夾與19.凸輪固定滑塊保持上下對(duì)齊，14.移動(dòng)凸輪由16.線性滑臺(tái)帶動(dòng)，保持一定的速率的向床尾段移動(dòng)，在移動(dòng)過程中15.推桿隨著16.移動(dòng)凸輪進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)15.推桿的在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)20.床板的翻折，減少人體與床板的接觸力，便于23.抓夾能夠順利完成向床尾的運(yùn)動(dòng)，完成脫褲工作。

本模塊采用的凸輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)床板的翻折速度，角度的需求來反向設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線；采用的凸輪與滾子推桿配合工作，可以避免速度，慣性力等的突變，確保穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 Adams 凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真

利用Adams 軟件進(jìn)行凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)。具體流程：根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用spline 三次樣條函數(shù)插值法，同時(shí)利用數(shù)學(xué)規(guī)劃中最優(yōu)化方法，以各段時(shí)間為設(shè)計(jì)變量，期望要求（非約束量，非反求設(shè)計(jì)要求限制量）為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)（可以取多個(gè)量），工程實(shí)際限制要求為約束條件，建立數(shù)學(xué)模型。由于在凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，大部分是非線性規(guī)劃，故此處采用非線性規(guī)劃方法求解。根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，借助matlab 軟件進(jìn)行計(jì)算求解，對(duì)多個(gè)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行合理評(píng)估和篩選。

3.1.4 床尾模塊設(shè)計(jì)

圖7 輔助起居床_床尾模塊齒輪傳動(dòng)示意圖

輔助起居床_床尾模塊：本模塊采用齒輪傳動(dòng)，通過控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)撐褲桿的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)褲子的收集功能。

圖7 為輔助起居床_床尾模塊齒輪傳動(dòng)示意圖。其工作原理：本模塊建立了一個(gè)二維滑臺(tái)模型，由32.電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及角度來決定在26.光桿上的30.滑塊的左右移動(dòng)；同時(shí)因?yàn)椴捎玫氖莾蓚€(gè)嚙合的31. 齒輪可確保30. 滑塊能以相同的速率移動(dòng)，同時(shí)28.推桿能以相同的速率在33.鈑金件上進(jìn)行伸出與縮回；模塊以收集褲子為主，老人只需躺在床上，將兩腿略微靠近支撐桿，將褲腳套在支撐桿即可；當(dāng)臀部模塊的爪子完成脫褲工作時(shí)，此處32.電機(jī)即可工作使得28.推桿進(jìn)行縮回；在床動(dòng)人不動(dòng)的前提下，是收集褲子的機(jī)構(gòu)移除床主體區(qū)域，不影響人的正常活動(dòng)區(qū)域。本模塊采用相同模數(shù)的齒輪，保證在傳動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)輸出的同步性；齒輪傳動(dòng)穩(wěn)定性，保證了老人的活動(dòng)空間之內(nèi)的安全性；齒輪連桿的配合，減少了空間的使用。

3.2 計(jì)算機(jī)仿真

通過Adams 對(duì)日常起居過程中輔助裝置進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析，對(duì)比老人實(shí)際起居過程的活動(dòng)，對(duì)輔助裝置機(jī)構(gòu)連桿的各長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化和確定，并計(jì)算各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度等物理量，得到裝置中主要部件（床尾床板，鉸接連桿）的運(yùn)行軌跡和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，達(dá)到了能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際中老人起居的目的。采用ABAQUS 對(duì)裝置的主要部件進(jìn)行有限元分析，從強(qiáng)度，剛度等方面去確保裝置的可靠性.

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，是一種能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。因此可以通可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

本題研究并設(shè)計(jì)輔助老人獨(dú)立起居裝置，采用ARM單片機(jī)為控制核心。通過相應(yīng)的程序來輸出所需的脈沖信號(hào)。當(dāng)其需要收縮時(shí)，按下減小按鈕，單片機(jī)接收到信號(hào)并向電機(jī)輸出提前設(shè)計(jì)好的脈沖信號(hào)。當(dāng)其需要舒展時(shí)，按下增大按鈕，單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)輸出與之前相反的脈沖信號(hào)。

4 結(jié)論

綜上所述，輔助老人起居裝置符合我國(guó)的市場(chǎng)發(fā)展需求，其能提高我國(guó)大部分符合條件的老人的生活質(zhì)量，進(jìn)而改善他們的生活。從目前發(fā)展情況來看，技術(shù)方面不存在太大障礙，主要需要市場(chǎng)的配合，從而促進(jìn)人們生活質(zhì)量的發(fā)展。