基于SolidWorks的多功能自平衡護(hù)理床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一、前言

本文結(jié)合多功能自動(dòng)平衡護(hù)理床模型和組成特點(diǎn)，基于SolidWorks三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，對(duì)其參數(shù)化設(shè)計(jì)、裝配與運(yùn)動(dòng)仿真、工作空間分析及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面進(jìn)行深入剖析。文中完全摒棄偏重參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，而是以多功能護(hù)理床的實(shí)際問(wèn)題為核心，該方案也適用于其他類似醫(yī)療護(hù)理設(shè)備的研發(fā)。

　　本文將對(duì)多功能自動(dòng)調(diào)平衡護(hù)理床設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行闡述，而對(duì)于目前相關(guān)文獻(xiàn)集中介紹的參數(shù)化建模等方面的內(nèi)容則不再贅述。

　　二、SolidWorks三維設(shè)計(jì)流程

　　目前關(guān)于 SolidWorks 在醫(yī)療床、護(hù)理床設(shè)計(jì)方面的文章較多，大多集中在零件建模、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真與零件的有限元分析等方面，只突出了SolidWorks軟件的特點(diǎn)，或者是某個(gè)護(hù)理床的局部功能，尚未有以多功能護(hù)理床設(shè)計(jì)為核心的系統(tǒng)性研究。SolidWorks只是一種工具，而工具必須服務(wù)于設(shè)計(jì)對(duì)象，這也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)。

　　圖1是在SolidWorks中進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的技術(shù)流程圖，這個(gè)流程主體是一個(gè)并行設(shè)計(jì)的過(guò)程。在此過(guò)程中，首先確定設(shè)計(jì)方案，隨后進(jìn)行三維造型與建模，且主要集中在零件建模方面。建模完成后進(jìn)行裝配，并進(jìn)行靜態(tài)干涉分析與局部修改。當(dāng)確認(rèn)方案后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)干涉情況進(jìn)行修改。確認(rèn)基本尺寸后，可對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，確定其力學(xué)特性是否滿足工作要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后需重新進(jìn)行有限元分析，直到確定最終方案。二維出圖和加工則為一些后續(xù)工作，在此略過(guò)。

多功能自動(dòng)平衡護(hù)理床的總體方案如圖2所示，由床身、固定支撐桿、伺服液壓缸、電動(dòng)缸、行走底架和控制系統(tǒng)等 部分構(gòu)成。

　　1.自動(dòng)調(diào)平衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及功能

　　由圖2可見(jiàn)，平臺(tái)的上表面，即平臺(tái)的穩(wěn)定面由4個(gè)球鉸支撐。對(duì)兩自由度平臺(tái)，固定桿3與底架固定連接，電液伺服缸4、5 關(guān)于桿3對(duì)稱、與底架鉸鏈連接，三者在一條直線上。液壓伺服缸9與桿3在一條中線上，與底架也是鉸鏈連接。平臺(tái)在三個(gè)伺服缸的控制下，可做繞通過(guò)固定支撐點(diǎn)水平軸的俯仰運(yùn)動(dòng)和繞固定支撐點(diǎn)與約束支撐點(diǎn)縱軸的搖擺運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到底板搖晃時(shí)穩(wěn)定面保持水平之目的。

　　2.體位調(diào)整功能

　　按照人機(jī)工程學(xué)的原理，將床身分成背板1、座板2和腿板6三部分，背板和座板通過(guò)軸鉸接，通過(guò)控制電動(dòng)缸的伸縮可實(shí)現(xiàn)0°～85°背位調(diào)整，同理可實(shí)現(xiàn)腿板的角度調(diào)整。這樣就實(shí)現(xiàn)了床身坐姿與臥姿間的連續(xù)體位調(diào)整功能， 如圖3所示。

　　3.床身直立功能

　　整床的支撐桿系主要由固定桿3和電液伺服缸9兩部分組成，控制電液伺服缸9的伸縮量使床體繞固定桿3的球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)床身在0°～80°范圍內(nèi)的角度調(diào)整。

　　四、模型裝配設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

　　在三維建模中，多功能護(hù)理床基本是標(biāo)準(zhǔn)的模型構(gòu)建，在復(fù)雜曲面方面應(yīng)用較少。需要考慮的問(wèn)題包括參數(shù)化設(shè)計(jì)與處理、工業(yè)造型與整體處理和零件系列化的問(wèn)題。

　　1.參數(shù)化問(wèn)題

　　在護(hù)理床的設(shè)計(jì)中，參數(shù)化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即零件建模與裝配。對(duì)于零件建模而言，參數(shù)可分為三類：

　　(1)相互之間存在一定約束條件，不可隨意更改參數(shù)，如電動(dòng)機(jī)的外形尺寸參數(shù)就是如此，必須通過(guò)查閱相關(guān)技術(shù)參數(shù)得到。

　　(2)查閱相關(guān)手冊(cè)取得，但是可以根據(jù)實(shí)際情況修改。

　　(3)根據(jù)具體情況自行確定。

　　在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該采用參數(shù)化草圖建模方法。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成較為理想的結(jié)構(gòu)形狀，然后對(duì)每一條曲線賦予尺寸約束或幾何約束，使曲線按照設(shè)計(jì)者的意圖更新交換，生成參數(shù)化特征。其中，草圖實(shí)現(xiàn)全約束繪制較為容易，實(shí)體建模則需要考慮到布爾運(yùn)算的影響。通過(guò)這種建模方式，可以方便地實(shí)現(xiàn)零件的修改及變形設(shè)計(jì)，生成其他類似零件無(wú)需重新建模，這可顯著提高設(shè)計(jì)效率。

　　在裝配過(guò)程中，很多零件之間存在繼承及約束關(guān)系，如液壓缸活塞頭部鉸接孔內(nèi)徑等于安裝銷的外徑。當(dāng)改變時(shí)，也隨之改變，通過(guò)表達(dá)式建立二者之間的相等關(guān)系。同時(shí)，由于二者在裝配過(guò)程中要求有匹配、對(duì)齊等約束關(guān)系，當(dāng)某個(gè)零件位置尺寸發(fā)生變化時(shí)，也可以通過(guò)這種定位關(guān)系自動(dòng)更改配合零件的位置，這樣就保證了零件之間約束關(guān)系的一致性，便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與參數(shù)修改，或者以此為模板進(jìn)行系列化產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

　　2.零件系列化問(wèn)題

　　在護(hù)理床設(shè)計(jì)中，參數(shù)化建模非常重要，但并不是所有的零件每次都需要經(jīng)歷參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程，而是可以建立零件庫(kù)。在SolidWorks中，對(duì)于通用標(biāo)準(zhǔn)件(如螺栓等)，建議直接建庫(kù)并調(diào)用即可。對(duì)于廠標(biāo)系列化零件(如推力軸承)，它們外形和結(jié)構(gòu)都相似，但幾何尺寸和部分次要特征有差異。此時(shí)可以首先建立一個(gè)零件模板，將其要更改的重要尺寸列入到SolidWorks提供的表格中，這樣就形成了零件族。當(dāng)需要調(diào)用時(shí)，在表格中直接更改這些尺寸則可以生成新的部件，從而縮短設(shè)計(jì)與裝配時(shí)間。

　　3.工業(yè)造型與整體設(shè)計(jì)

　　在國(guó)外，工業(yè)造型是一切設(shè)計(jì)工作的開(kāi)始，在策劃中將其與總體設(shè)計(jì)結(jié)合在一起。在護(hù)理床設(shè)計(jì)中，與工業(yè)造型密切相關(guān)的就是床身的設(shè)計(jì)和渲染處理。床身的設(shè)計(jì)不但要考慮人機(jī)環(huán)境，而且要考慮材料選用和流線設(shè)計(jì)，這里采用SolidWorks的曲面造型功能完成床身設(shè)計(jì)。另外，三維實(shí)體模型建立后，還需要通過(guò)高級(jí)渲染制作出具有真實(shí)感的護(hù)理床產(chǎn)品和部件效果圖，一個(gè)好的渲染會(huì)對(duì)產(chǎn)品的推廣帶來(lái)良好的效果。

　　五、裝配與運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

　　1.裝配中的關(guān)鍵問(wèn)題

　　這里所說(shuō)的裝配是指靜態(tài)裝配，在此不再介紹其裝配過(guò)程，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題如下。

　　(1)裝配模式。在多功能護(hù)理床的裝配中，采用Top-down或者Down-top方式都可以，二者并不對(duì)立，實(shí)際上它們是一個(gè)并行過(guò)程，經(jīng)?；煊?。

　　(2)干涉檢查。對(duì)于護(hù)理床而言，在各個(gè)部件中，都必須進(jìn)行零件干涉分析，以避免在試生產(chǎn)中發(fā)生干涉碰撞。由于該機(jī)器產(chǎn)品復(fù)雜、零件數(shù)量多，不可能通過(guò)反復(fù)生產(chǎn)樣機(jī)解決問(wèn)題，而需要在設(shè)計(jì)階段就盡量減少這種錯(cuò)誤。SolidWorks裝配模塊中的干涉功能可以解決整機(jī)的靜態(tài)干涉分析，如推力軸承與軸承環(huán)之間，這是目前常采用的方式。

　　(3)公差問(wèn)題。靜態(tài)裝配的三維模型都是處于理想狀態(tài)下，也就是無(wú)公差模型，這在實(shí)際工作環(huán)境中參考價(jià)值不大，因?yàn)榧庸こ鰜?lái)的零件都是帶有偏差的。因此，還需要考慮不同公差情況對(duì)零件裝配的影響。相比之下，干涉檢查只是檢查理想尺寸與碰撞情況。

　　采用SolidWorks模塊對(duì)零件和裝配的全過(guò)程進(jìn)行公差分析與綜合，從而分析零件公差對(duì)產(chǎn)品精度造成的影響，以及裝配模型是否符合精度要求。確定影響裝配關(guān)系和裝配精度的關(guān)鍵尺寸公差的約束及其敏感度，通過(guò)改變個(gè)別關(guān)鍵尺寸的公差約束降低制造成本。在滿足產(chǎn)品精度、性能和技術(shù)指標(biāo)要求的前提下放寬公差指標(biāo)，使尺寸在較寬松的公差范圍內(nèi)滿足產(chǎn)品的預(yù)期精度要求，降低制造成本。

　　2.運(yùn)動(dòng)仿真

　　對(duì)于運(yùn)動(dòng)仿真而言，作用有兩個(gè)：即動(dòng)態(tài)干涉分析和分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律。SolidWorks中的Simulation模塊可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析(圖4)，從而觀察在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中構(gòu)件之間的干涉關(guān)系，如液壓缸與床身之間可能發(fā)生的碰撞干涉。在運(yùn)動(dòng)分析中，可以通過(guò)位移、速度及加速度曲線觀察運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否符合設(shè)計(jì)要求，如圖5所示。

　機(jī)器人的工作空間是機(jī)器人操作器的工作區(qū)域，它是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)。根據(jù)操作器工作時(shí)的位姿特點(diǎn)，工作空間又可分為可達(dá)工作空間和靈活工作空間?？蛇_(dá)工作空間是指操作器上某一參考點(diǎn)可以到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，這種工作空間不考慮操作器的姿勢(shì)。靈活工作空間是指操作器上某一參考點(diǎn)可以從任何方向到達(dá)的點(diǎn)的集合。

　　1.影響護(hù)理床平臺(tái)工作空間的因素

　　(1)桿長(zhǎng)的限制。桿件長(zhǎng)度變化時(shí)受到其結(jié)構(gòu)的限制，每一根桿件的長(zhǎng)度必須滿足：，其中和分別表示第i桿的最短值和最長(zhǎng)值。當(dāng)某桿長(zhǎng)度達(dá)到其極限值時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的參考點(diǎn)也就達(dá)到了工作空間的邊界。

　　(2)轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角的限制。各種鉸鏈，包括球鉸鏈和萬(wàn)向鉸鏈的轉(zhuǎn)角都會(huì)受到結(jié)構(gòu)限制，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角，其中是第i個(gè)鉸鏈的球面副和萬(wàn)向鉸鏈的最大轉(zhuǎn)角，其大小由運(yùn)動(dòng)副的具體結(jié)構(gòu)確定。

　　(3)桿件的尺寸干涉。連接動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)生相互干涉。設(shè)桿件直徑為的圓柱體，若兩相鄰桿件軸線之間的距離為，則。

　　2.護(hù)理床穩(wěn)定平臺(tái)工作空間的確定

　　上平臺(tái)的面積是1500×1000()，每個(gè)液壓缸的最小長(zhǎng)度為1000mm，最大伸長(zhǎng)量為800mm，每個(gè)胡克鉸的擺角為±45°，每個(gè)球鉸的擺角為±45°。滿足：

　　用MATLAB仿真得到工作空間，如圖6所示。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析：綠色區(qū)域是穩(wěn)定平臺(tái)的安全工作區(qū)，紅色區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定平臺(tái)的危險(xiǎn)工作區(qū)域。根據(jù)工程實(shí)際，穩(wěn)定平臺(tái)的調(diào)整范圍一般在綠色區(qū)域。

　　七、結(jié)束語(yǔ)

　　三維設(shè)計(jì)仿真技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療護(hù)理設(shè)備的最大的優(yōu)勢(shì)在于其集成化，而不是單純集中在參數(shù)化建模上。本文采用的是基于SolidWorks 的多功能自平衡護(hù)理床的設(shè)計(jì)，在實(shí)體裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和工作空間等多個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，其基本功能為自動(dòng)調(diào)平衡、床與輪椅轉(zhuǎn)換和床身直立等，適用于醫(yī)院、家用、救護(hù)車和大型船只等。
　

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