一、前言
對長期臥床不起的病人、生活不能自理的老年人和由突發(fā)事故引起行動不便患者的護理已成為當今人們廣泛關注的問題之一。據(jù)有關資料統(tǒng)計，僅國內(nèi)需要康復護理器械的患者就有1500多萬人，尤其是對護理床的需求。護理床經(jīng)歷了由手動機械式向電動化、自動化、智能化發(fā)展的過程，目前國內(nèi)外比較受歡迎的護理床是五功能電動床，它能實現(xiàn)背板升降、腿部彎曲、高低升降和床頭尾傾斜。雖然現(xiàn)在護理床功能繁多，但不能完全滿足病人的需求。如，救護車上的救護床會隨著救護車的顛簸而晃動、護理床在上坡或下坡時床面會隨著斜面的坡度而傾斜、大型船只上的手術床會隨著船的左右搖擺和俯仰運動而晃動，這些都會使床面不能夠保持水平狀態(tài)。而床面的晃動和傾斜對于病人的病情是很不利的。
本文針對以上情況，在深入研究現(xiàn)有護理床和穩(wěn)定平臺知識的基礎上，設計了一款新型的多功能自動平衡護理床。采用新結構和新材料，利用現(xiàn)代設計技術和先進制造技術，是保證和提高電動護理床性能的重要途徑。以前通過大量的樣機和試驗方式驗證產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性的方法，正在逐漸被虛擬樣機和虛擬試驗方式所取代。這些技術既能縮短產(chǎn)品的設計和制造周期，同時又能提高產(chǎn)品的質量。國內(nèi)醫(yī)療器械行業(yè)近年雖有較大發(fā)展，但與發(fā)達國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內(nèi)醫(yī)療器械加工水平落后之外，設計水平與發(fā)達國家相比也有較大差距，尤其是一些先進設計技術的掌握和應用。國內(nèi)眾多研究人員和單位對多功能護理床設計進行了不少研究，也開發(fā)了相應的設計軟件，但基本上局限于解決某些局部問題，缺少通用性，遠遠達不到工業(yè)化設計的要求。實際上，很多較為成熟的軟件都可以完成電動護理床的大部分設計工作，如Pro/ENGINEER、NX和SolidWorks 等。
本文將對多功能自動調平衡護理床設計過程中的一些關鍵問題進行闡述，而對于目前相關文獻集中介紹的參數(shù)化建模等方面的內(nèi)容則不再贅述。
二、SolidWorks三維設計流程
目前關于 SolidWorks 在醫(yī)療床、護理床設計方面的文章較多，大多集中在零件建模、虛擬裝配、運動仿真與零件的有限元分析等方面，只突出了SolidWorks軟件的特點，或者是某個護理床的局部功能，尚未有以多功能護理床設計為核心的系統(tǒng)性研究。SolidWorks只是一種工具，而工具必須服務于設計對象，這也是我們在設計過程中強調的一點。
圖1是在SolidWorks中進行三維設計的技術流程圖，這個流程主體是一個并行設計的過程。在此過程中，首先確定設計方案，隨后進行三維造型與建模，且主要集中在零件建模方面。建模完成后進行裝配，并進行靜態(tài)干涉分析與局部修改。當確認方案后，進行運動仿真分析，對運動過程中出現(xiàn)的動態(tài)干涉情況進行修改。確認基本尺寸后，可對關鍵零部件進行有限元分析，確定其力學特性是否滿足工作要求，并在此基礎上進行結構優(yōu)化。優(yōu)化后需重新進行有限元分析，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。
三、產(chǎn)品模型分析和功能簡介
多功能自動平衡護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、電動缸、行走底架和控制系統(tǒng)等 部分構成。
1.自動調平衡系統(tǒng)的結構組成及功能
由圖2可見，平臺的上表面，即平臺的穩(wěn)定面由4個球鉸支撐。對兩自由度平臺，固定桿3與底架固定連接，電液伺服缸4、5 關于桿3對稱、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。平臺在三個伺服缸的控制下，可做繞通過固定支撐點水平軸的俯仰運動和繞固定支撐點與約束支撐點縱軸的搖擺運動，以達到底板搖晃時穩(wěn)定面保持水平之目的。
2.體位調整功能
按照人機工程學的原理，將床身分成背板1、座板2和腿板6三部分，背板和座板通過軸鉸接，通過控制電動缸的伸縮可實現(xiàn)0°～85°背位調整，同理可實現(xiàn)腿板的角度調整。這樣就實現(xiàn)了床身坐姿與臥姿間的連續(xù)體位調整功能， 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的球鉸轉動，從而實現(xiàn)床身在0°～80°范圍內(nèi)的角度調整。
四、模型裝配設計中的關鍵問題
在三維建模中，多功能護理床基本是標準的模型構建，在復雜曲面方面應用較少。需要考慮的問題包括參數(shù)化設計與處理、工業(yè)造型與整體處理和零件系列化的問題。
1.參數(shù)化問題
在護理床的設計中，參數(shù)化主要體現(xiàn)在兩個方面，即零件建模與裝配。對于零件建模而言，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)，如電動機的外形尺寸參數(shù)就是如此，必須通過查閱相關技術參數(shù)得到。
(2)查閱相關手冊取得，但是可以根據(jù)實際情況修改。
(3)根據(jù)具體情況自行確定。
在零件設計過程中，應該采用參數(shù)化草圖建模方法。首先根據(jù)設計要求完成較為理想的結構形狀，然后對每一條曲線賦予尺寸約束或幾何約束，使曲線按照設計者的意圖更新交換，生成參數(shù)化特征。其中，草圖實現(xiàn)全約束繪制較為容易，實體建模則需要考慮到布爾運算的影響。通過這種建模方式，可以方便地實現(xiàn)零件的修改及變形設計，生成其他類似零件無需重新建模，這可顯著提高設計效率。
在裝配過程中，很多零件之間存在繼承及約束關系，如液壓缸活塞頭部鉸接孔內(nèi)徑
等于安裝銷的外徑
。當改變時，也隨之改變，通過表達式建立二者之間的相等關系。同時，由于二者在裝配過程中要求有匹配、對齊等約束關系，當某個零件位置尺寸發(fā)生變化時，也可以通過這種定位關系自動更改配合零件的位置，這樣就保證了零件之間約束關系的一致性，便于產(chǎn)品設計與參數(shù)修改，或者以此為模板進行系列化產(chǎn)品的參數(shù)化設計。2.零件系列化問題
在護理床設計中，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)化設計過程，而是可以建立零件庫。在SolidWorks中，對于通用標準件(如螺栓等)，建議直接建庫并調用即可。對于廠標系列化零件(如推力軸承)，它們外形和結構都相似，但幾何尺寸和部分次要特征有差異。此時可以首先建立一個零件模板，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。當需要調用時，在表格中直接更改這些尺寸則可以生成新的部件，從而縮短設計與裝配時間。
3.工業(yè)造型與整體設計
在國外，工業(yè)造型是一切設計工作的開始，在策劃中將其與總體設計結合在一起。在護理床設計中，與工業(yè)造型密切相關的就是床身的設計和渲染處理。床身的設計不但要考慮人機環(huán)境，而且要考慮材料選用和流線設計，這里采用SolidWorks的曲面造型功能完成床身設計。另外，三維實體模型建立后，還需要通過高級渲染制作出具有真實感的護理床產(chǎn)品和部件效果圖，一個好的渲染會對產(chǎn)品的推廣帶來良好的效果。
五、裝配與運動仿真的結構驗證
1.裝配中的關鍵問題
這里所說的裝配是指靜態(tài)裝配，在此不再介紹其裝配過程，在實際設計中需要解決的問題如下。
(1)裝配模式。在多功能護理床的裝配中，采用Top-down或者Down-top方式都可以，二者并不對立，實際上它們是一個并行過程，經(jīng)常混用。
(2)干涉檢查。對于護理床而言，在各個部件中，都必須進行零件干涉分析，以避免在試生產(chǎn)中發(fā)生干涉碰撞。由于該機器產(chǎn)品復雜、零件數(shù)量多，不可能通過反復生產(chǎn)樣機解決問題，而需要在設計階段就盡量減少這種錯誤。SolidWorks裝配模塊中的干涉功能可以解決整機的靜態(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，也就是無公差模型，這在實際工作環(huán)境中參考價值不大，因為加工出來的零件都是帶有偏差的。因此，還需要考慮不同公差情況對零件裝配的影響。相比之下，干涉檢查只是檢查理想尺寸與碰撞情況。
采用SolidWorks模塊對零件和裝配的全過程進行公差分析與綜合，從而分析零件公差對產(chǎn)品精度造成的影響，以及裝配模型是否符合精度要求。確定影響裝配關系和裝配精度的關鍵尺寸公差的約束及其敏感度，通過改變個別關鍵尺寸的公差約束降低制造成本。在滿足產(chǎn)品精度、性能和技術指標要求的前提下放寬公差指標，使尺寸在較寬松的公差范圍內(nèi)滿足產(chǎn)品的預期精度要求，降低制造成本。
2.運動仿真
對于運動仿真而言，作用有兩個：即動態(tài)干涉分析和分析運動規(guī)律。SolidWorks中的Simulation模塊可以進行運動仿真分析(圖4)，從而觀察在運動過程中構件之間的干涉關系，如液壓缸與床身之間可能發(fā)生的碰撞干涉。在運動分析中，可以通過位移、速度及加速度曲線觀察運動規(guī)律是否符合設計要求，如圖5所示。
六、工作空間分析
機器人的工作空間是機器人操作器的工作區(qū)域，它是衡量機器人性能的重要指標。根據(jù)操作器工作時的位姿特點，工作空間又可分為可達工作空間和靈活工作空間。可達工作空間是指操作器上某一參考點可以到達的所有點的集合，這種工作空間不考慮操作器的姿勢。靈活工作空間是指操作器上某一參考點可以從任何方向到達的點的集合。
1.影響護理床平臺工作空間的因素
(1)桿長的限制。桿件長度變化時受到其結構的限制，每一根桿件的長度
必須滿足：
，其中
和
分別表示第i桿的最短值和最長值。當某桿長度達到其極限值時，運動平臺上的參考點也就達到了工作空間的邊界。(2)轉動副轉角的限制。各種鉸鏈，包括球鉸鏈和萬向鉸鏈的轉角都會受到結構限制，每一鉸鏈的轉角
，其中
是第i個鉸鏈的球面副和萬向鉸鏈的最大轉角，其大小由運動副的具體結構確定。(3)桿件的尺寸干涉。連接動平臺和固定平臺的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運動過程中可能發(fā)生相互干涉。設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.護理床穩(wěn)定平臺工作空間的確定
上平臺的面積是1500×1000(
)，每個液壓缸的最小長度為1000mm，最大伸長量為800mm，每個胡克鉸的擺角為±45°，每個球鉸的擺角為±45°。滿足：
用MATLAB仿真得到工作空間，如圖6所示。對結果進行分析：綠色區(qū)域是穩(wěn)定平臺的安全工作區(qū)，紅色區(qū)域為穩(wěn)定平臺的危險工作區(qū)域。根據(jù)工程實際，穩(wěn)定平臺的調整范圍一般在綠色區(qū)域。
七、結束語
三維設計仿真技術應用于醫(yī)療護理設備的最大的優(yōu)勢在于其集成化，而不是單純集中在參數(shù)化建模上。本文采用的是基于SolidWorks 的多功能自平衡護理床的設計，在實體裝配、運動仿真和工作空間等多個方面進行詳細闡述，其基本功能為自動調平衡、床與輪椅轉換和床身直立等，適用于醫(yī)院、家用、救護車和大型船只等。