基于SolidWorks的多功能自平衡護理床設計

一、前言

本文結合多功能自動(dòng)平衡護理床模型和組成特點(diǎn)，基于SolidWorks三維參數化設計流程，對其參數化設計、裝配與運動(dòng)仿真、工作空間分析及運動(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化設計思想，而是以多功能護理床的實(shí)際問(wèn)題為核心，該方案也適用于其他類(lèi)似醫療護理設備的研發(fā)。

本文將對多功能自動(dòng)調平衡護理床設計過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行闡述，而對于目前相關(guān)文獻集中介紹的參數化建模等方面的內容則不再贅述。

二、SolidWorks三維設計流程

目前關(guān)于 SolidWorks 在醫療床、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(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性研究。SolidWorks只是一種工具，而工具必須服務(wù)于設計對象，這也是我們在設計過(guò)程中強調的一點(diǎn)。

圖1是在SolidWorks中進(jìn)行三維設計的技術(shù)流程圖，這個(gè)流程主體是一個(gè)并行設計的過(guò)程。在此過(guò)程中，首先確定設計方案，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。當確認方案后，進(jìn)行運動(dòng)仿真分析，對運動(dòng)過(guò)程中出現的動(dòng)態(tài)干涉情況進(jìn)行修改。確認基本尺寸后，可對關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，確定其力學(xué)特性是否滿(mǎn)足工作要求，并在此基礎上進(jìn)行結構優(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工作，在此略過(guò)。副產(chǎn)品模型分析和功能簡(jiǎn)介#e#三、產(chǎn)品模型分析和功能簡(jiǎn)介

多功能自動(dòng)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(dòng)缸、行走底架和控制系統等 部分構成。

1.自動(dòng)調平衡系統的結構組成及功能

由圖2可見(jiàn)，平臺的上表面，即平臺的穩定面由4個(gè)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(guān)于桿3對稱(chēng)、與底架鉸鏈連接，三者在一條直線(xiàn)上。液壓伺服缸9與桿3在一條中線(xiàn)上，與底架也是鉸鏈連接。平臺在三個(gè)伺服缸的控制下，可做繞通過(guò)固定支撐點(diǎn)水平軸的俯仰運動(dòng)和繞固定支撐點(diǎn)與約束支撐點(diǎn)縱軸的搖擺運動(dòng)，以達到底板搖晃時(shí)穩定面保持水平之目的。

2.體位調整功能

按照人機工程學(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0°～85°背位調整，同理可實(shí)現腿板的角度調整。這樣就實(shí)現了床身坐姿與臥姿間的連續體位調整功能， 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(dòng)，從而實(shí)現床身在0°～80°范圍內的角度調整。

四、模型裝配設計中的關(guān)鍵問(wèn)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(wèn)題包括參數化設計與處理、工業(yè)造型與整體處理和零件系列化的問(wèn)題。

1.參數化問(wèn)題

在護理床的設計中，參數化主要體現在兩個(gè)方面，即零件建模與裝配。對于零件建模而言，參數可分為三類(lèi)：

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

(2)查閱相關(guān)手冊取得，但是可以根據實(shí)際情況修改。

(3)根據具體情況自行確定。

在零件設計過(guò)程中，應該采用參數化草圖建模方法。首先根據設計要求完成較為理想的結構形狀，然后對每一條曲線(xiàn)賦予尺寸約束或幾何約束，使曲線(xiàn)按照設計者的意圖更新交換，生成參數化特征。其中，草圖實(shí)現全約束繪制較為容易，實(shí)體建模則需要考慮到布爾運算的影響。通過(guò)這種建模方式，可以方便地實(shí)現零件的修改及變形設計，生成其他類(lèi)似零件無(wú)需重新建模，這可顯著(zhù)提高設計效率。

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徑新型多功能自動(dòng)平衡護理床的設計與運動(dòng)學(xué)分析等于安裝銷(xiāo)的外徑新型多功能自動(dòng)平衡護理床的設計與運動(dòng)學(xué)分析。當新型多功能自動(dòng)平衡護理床的設計與運動(dòng)學(xué)分析改變時(shí)，新型多功能自動(dòng)平衡護理床的設計與運動(dòng)學(xué)分析也隨之改變，通過(guò)表達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、對齊等約束關(guān)系，當某個(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)品設計與參數修改，或者以此為模板進(jìn)行系列化產(chǎn)品的參數化設計。

2.零件系列化問(wèn)題

在護理床設計中，參數化建模非常重要，但并不是所有的零件每次都需要經(jīng)歷參數化設計過(guò)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(chǎng)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(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。當需要調用時(shí)，在表格中直接更改這些尺寸則可以生成新的部件，從而縮短設計與裝配時(shí)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(kāi)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(guān)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(xiàn)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(shí)體模型建立后，還需要通過(guò)高級渲染制作出具有真實(shí)感的護理床產(chǎn)品和部件效果圖，一個(gè)好的渲染會(huì )對產(chǎn)品的推廣帶來(lái)良好的效果。

五、裝配與運動(dòng)仿真的結構驗證

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)際設計中需要解決的問(wèn)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(shí)際上它們是一個(gè)并行過(guò)程，經(jīng)?；煊?。

(2)干涉檢查。對于護理床而言，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。由于該機器產(chǎn)品復雜、零件數量多，不可能通過(guò)反復生產(chǎn)樣機解決問(wèn)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(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，因為加工出來(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(guò)程進(jìn)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(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(mǎn)足產(chǎn)品精度、性能和技術(shù)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滿(mǎn)足產(chǎn)品的預期精度要求，降低制造成本。

2.運動(dòng)仿真

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

機器人的工作空間是機器人操作器的工作區域，它是衡量機器人性能的重要指標。根據操作器工作時(shí)的位姿特點(diǎn)，工作空間又可分為可達工作空間和靈活工作空間?？蛇_工作空間是指操作器上某一參考點(diǎn)可以到達的所有點(diǎn)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(diǎn)可以從任何方向到達的點(diǎn)的集合。

1.影響護理床平臺工作空間的因素

(1)桿長(cháng)的限制。桿件長(cháng)度變化時(shí)受到其結構的限制，每一根桿件的長(cháng)度必須滿(mǎn)足：，其中和分別表示第i桿的最短值和最長(cháng)值。當某桿長(cháng)度達到其極限值時(shí)，運動(dòng)平臺上的參考點(diǎn)也就達到了工作空間的邊界。

(2)轉動(dòng)副轉角的限制。各種鉸鏈，包括球鉸鏈和萬(wàn)向鉸鏈的轉角都會(huì )受到結構限制，每一鉸鏈的轉角，其中是第i個(gè)鉸鏈的球面副和萬(wàn)向鉸鏈的最大轉角，其大小由運動(dòng)副的具體結構確定。

(3)桿件的尺寸干涉。連接動(dòng)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(dòng)過(guò)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(xiàn)之間的距離為，則。

2.護理床穩定平臺工作空間的確定

上平臺的面積是1500×1000()，每個(gè)液壓缸的最小長(cháng)度為1000mm，最大伸長(cháng)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(mǎn)足：

用MATLAB仿真得到工作空間，如圖6所示。對結果進(jìn)行分析：綠色區域是穩定平臺的安全工作區，紅色區域為穩定平臺的危險工作區域。根據工程實(shí)際，穩定平臺的調整范圍一般在綠色區域。

七、結束語(yǔ)

三維設計仿真技術(shù)應用于醫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(shí)體裝配、運動(dòng)仿真和工作空間等多個(gè)方面進(jìn)行詳細闡述，其基本功能為自動(dòng)調平衡、床與輪椅轉換和床身直立等，適用于醫院、家用、救護車(chē)和大型船只等。

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