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目錄
摘要…………………………………………………………………………………………2
ABSTRACT…………………………………………………………………………………3
1緒論………………………………………………………………………………………4
1.1選題的來源與背景……………………………………………………………………4
1.2選題的目的和意義……………………………………………………………………5
1.3相關(guān)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀……………………………………………………………………6
1.4文章主要研究內(nèi)容……………………………………………………………………8
2平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計…………………………………………………………10
2.1 設(shè)計要求………………………………………………………………………………10
2.2 總體方案設(shè)計…………………………………………………………………………10
2.3 控制系統(tǒng)方案…………………………………………………………………………11
2.4 驅(qū)動方案………………………………………………………………………………12
2.5 章末小結(jié)………………………………………………………………………………13
3平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動分析…………………………………………………………14
3.1 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計及分析的目標(biāo)……………………………………………………14
3.2 平行機(jī)構(gòu)的設(shè)計及運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析……………………………………………15
3.2.1 平行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析……………………………………………………………18
3.2.2 平行機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析……………………………………………………………19
3.3 章末小結(jié)………………………………………………………………………………20
4 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………21
4.1平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………21
4.2 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的具體驅(qū)動方案……………………………………………………25
4.3章末小結(jié)………………………………………………………………………………27
5裝配調(diào)試與強(qiáng)度校核……………………………………………………………………28
5.1 生產(chǎn)加工中的注意事項………………………………………………………………28
5.2平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的裝配調(diào)試……………………………………………………………29
5.3平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核……………………………………………………………30
5.4 章末小結(jié)………………………………………………………………………………31
6總結(jié)………………………………………………………………………………………32
6.1全文總結(jié)………………………………………………………………………………33
6.2后續(xù)研究的展望………………………………………………………………………34
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………36
附錄………………………………………………………………………………………38
摘 要
本次題目大背景主要來自人口老齡化以及行動不變的病人占老年人的大部分，因此為他們設(shè)計一款多功能護(hù)理床具有很大的意義，從目前市面上已經(jīng)存在的護(hù)理床類型來看他們大多功能性比較單一，因此多功能護(hù)理床具有比較大的發(fā)展前景，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)作為多功能護(hù)理床的核心部分也顯得尤為重要。
首先要對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的功能性進(jìn)行分析，然后根據(jù)各個部位的零部件功能性的不同進(jìn)行總體設(shè)計，并且對機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析和運(yùn)動學(xué)分析，驗證平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計是否具有可行性，隨后對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的分析并利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模并裝配，另外控制系統(tǒng)的選擇和驅(qū)動動力的選擇也是重要的一步，最后選擇絲杠控制，選用PKP268D28A-L型步進(jìn)電動機(jī)。論文的最后一步是進(jìn)行機(jī)構(gòu)的裝配和強(qiáng)度校核，通過SolidWorks軟件中的simulation插件可以最終確定機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性和合理性。
關(guān)鍵詞：平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)，三維建模，構(gòu)型設(shè)計，機(jī)構(gòu)分析
Mechanism Analysis and Configuration Design of Parallel Motion Mechanism
ABSTRACT
The background of this topic mainly comes from the aging population and the invariable patients account for the majority of the elderly, so it is of great significance to design a multi-functional nursing bed for them. From the existing types of nursing beds on the market, most of them have a single function, so the multi-functional nursing bed has a greater development prospects. Parallel sports institutions are multi-functional. The core part of the nursing bed is also particularly important.
Firstly, the function of parallel motion mechanism should be analyzed, then the overall design should be carried out according to the functional differences of parts and components of each part, and the dynamics and kinematics analysis of the mechanism should be carried out to verify the feasibility of the design of parallel motion mechanism. Then, the structure of parallel motion mechanism should be analyzed in detail and the three-dimensional modeling of parallel motion mechanism should be carried out by using SolidWorks software. Assembly, in addition, the choice of control system and driving power is also an important step. Finally, we choose the lead screw control, choose the PKP268D28A-L stepper motor. The last step of the paper is to assemble and check the strength of the mechanism. The simulation plug-in in SolidWorks software can ultimately determine the stability and rationality of the operation of the mechanism.
Key words：parallel motion mechanism, three-dimensional modeling, configuration design, mechanism analysis
3
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析與構(gòu)型設(shè)計
王淼 011115105
1 緒論
1.1選題的來源與背景
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用在日常生活中，用來實現(xiàn)機(jī)械之間的平行運(yùn)動，在本文中主要介紹平行機(jī)構(gòu)在多功能護(hù)理床中所起到的作用，在多功能護(hù)理床的機(jī)構(gòu)中，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)起到核心作用，其中的坐便器模塊以及曲腿模塊都廣泛運(yùn)用到了平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)。
假如一個國家60歲以上的老年人口占到國家總?cè)藬?shù)的百分之十，或者一個國家65歲以上的老年人口占到國家總?cè)藬?shù)的百分之七，那就說明此國家已經(jīng)處在了老齡化的路上，如今來看看現(xiàn)在的中國老年人口比例，以此來了解國家的老齡化情況。下面是近年來的數(shù)據(jù)。
早在2015年時，中國的六十歲以上的老年人就已經(jīng)占中國人數(shù)的16個點(diǎn)，高達(dá)2億人，有專家預(yù)測，到了2020年，也就是四年后，六十歲以上的老人一定會大于2.6億，到了那個時候老年人數(shù)將會占到17個點(diǎn)。再往后推測，我國在2025年時，中國老年人數(shù)定會突破3億人，這就意味著中國會成為超老型國家。顯然老年化情況問題已經(jīng)超出了我們的預(yù)料，六十歲以上人數(shù)數(shù)量已經(jīng)超過了健康數(shù)量。
中國作為世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展前列的國家，人口老齡化問題已經(jīng)成為發(fā)展的累贅。一般來說，六十五歲老人所占總?cè)藬?shù)比超過7個點(diǎn)，就已經(jīng)是老齡化社會了，如果超過了14個點(diǎn)，就被叫做老齡社會。我國早在2005年時就已經(jīng)達(dá)到了7.6％，所以應(yīng)該也能猜測到，其實我們國家在2001年時就開始步入老齡化社會了。有數(shù)據(jù)顯示，從老齡化社會跨進(jìn)老齡社會，法國用時最長，高達(dá)100年，英國用了不到50年，而德國不到40年，日本只用了20年，這些發(fā)達(dá)國家用時非常的少，速度之快令人震驚。我國預(yù)計在2025年左右進(jìn)入老齡社會，速度比日本還快。下圖1.1為目前中國老齡化趨勢曲線圖.
1.1中國老齡化趨勢曲線圖
由此看來，養(yǎng)老問題正逐漸走進(jìn)我們的視線。養(yǎng)老除了保證老人們的正常生活以外，更需要的則是保證老人們心理和身體的專業(yè)護(hù)理服務(wù)。從中國發(fā)展的大趨勢來看，養(yǎng)老問題正逐漸往社會養(yǎng)老轉(zhuǎn)變，政府主要占大頭。從大家目前的生活轉(zhuǎn)變應(yīng)該也能看出一些端倪，政府養(yǎng)老所占的比重正在逐漸擴(kuò)大，目前所起到的作用也不可忽視。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，老齡化問題的逐漸加深，人們對于養(yǎng)老措施的需求將逐漸增大，可從目前的護(hù)理措施來看還有所欠缺。
目前我國腦癱發(fā)病率為1.84％，老人腦病患者占老人總數(shù)的10％，總?cè)丝谀壳坝?4.5億，也就是說大約有五六百萬的患者會喪失肌肉使用能力，進(jìn)入醫(yī)院最需要的就是護(hù)理床。而一般護(hù)理床的功能比較簡單并且需要耗費(fèi)很大的人員力量，實用性比較低，但是在多功能護(hù)理床中，具有方便的自動上下升降坐便器，排泄物處理起來變得更加簡單，甚至病人可以自行操作，有效減少人員的消耗。
從另一方面看多功能護(hù)理床也有效減小了空間的浪費(fèi)，旨在以最小的空間占用多種不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使多種不同的機(jī)械機(jī)構(gòu)協(xié)作運(yùn)行來實習(xí)其多種多樣的功能。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計理念就是使坐便器在多功能護(hù)理床中做穩(wěn)定的升降運(yùn)動和曲腿模塊在多功能護(hù)理床中正常實現(xiàn)其功能，使其在多功能護(hù)理床中的協(xié)作正常運(yùn)行。
1.2選題的目的和意義
其實多功能護(hù)理床的適用人群不止腦癱患者，年長人群同樣適合。如今獨(dú)生兒女家庭越來越普遍，養(yǎng)老問題卻撲面而來，大多數(shù)老人年老后遇到了無人照料的尷尬局面，在身體情況越來越差的時候，他們急需要一種可以照顧他們?nèi)粘Ｆ鹁拥亩喙δ茏o(hù)理床，床要具有可以自動升降的坐便器，可以減免老人因行動不便而大小便困難的局面，甚至可以很舒服的大小便，以及味道的處理，排泄物的處理。另外可以讓老人在床上進(jìn)行伸展運(yùn)動，包括曲腿，側(cè)躺，翻身等等。。。如此看來，坐便器模塊與曲腿模塊就顯得格外重要。
對于行動困難的病人來講，都需要一些可以讓他們生活更加方便的護(hù)理床，這種床一定要可以幫助他們做一些翻身的動作，以防止傷口化膿，這一點(diǎn)對于肌肉喪失能力的病人來說很重要。在很多時候，缺乏照料的患者往往會在床上動彈不得，在任何時候一個微小的動作都需要護(hù)工的幫忙，這一點(diǎn)使得病人很不方便，同時也給護(hù)工們帶來不少麻煩，所以一個靈活的曲腿裝置就很容易地解決了這個問題，使得人力物力的損失減小到了最低，也使資源得到了合理的分配。而且在護(hù)理床上的靈活性也使病人更加容易的配合護(hù)工的工作，病人的治理環(huán)境有時候并不單一，同時也需要病人以不同的姿勢，不同的角度加以配合，以此看來，曲腿裝置就顯得更加重要且有意義。
行動困難的病人的排泄問題一直是個大難題，具有平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的自動坐便器有效地解決了這個問題?？梢钥吹剑卺t(yī)院的病人胳膊上永遠(yuǎn)連著點(diǎn)滴，這使得病人想去廁所解手變成了奢侈。排泄物如果在病床下面長時間放置會導(dǎo)致整個醫(yī)務(wù)室氣味難聞，影響病人們和護(hù)工的心情，而這種坐便器會在病人解手結(jié)束后烘干排泄物并妥善保存，保證氣味不外漏，排泄物也更加容易處理。病人只需控制開關(guān)，坐便器就會自動升上來供其使用，待排泄結(jié)束后坐便器自帶沖洗功能，然后自動下降，整個過程衛(wèi)生且簡單。省去了大量的人力物力，也使得資源得到了合理的配置，病人也不用那么依賴看護(hù)者，身體和心情雙愉悅。
1.3相關(guān)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀
上文中提到過，世界衛(wèi)生組織規(guī)定過，如果60歲以上的老人人數(shù)占總?cè)丝诘陌俜种蛘?5歲以上老人人數(shù)占到百分之七，就可以稱之為人口老齡化。據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在全世界超過60歲的老人數(shù)已經(jīng)高達(dá)6億，將近60個國家和地區(qū)已經(jīng)人口老齡化。且觀我國人口老齡化情況居世界最高，在如此大背景之下，喪失肌肉行動能力的病人和腦癱患者也逐年遞增，由此看來，多功能護(hù)理床的地位就顯得尤為重要，而其中的關(guān)鍵裝置，具有平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的坐便器的曲腿裝置的作用也不容忽視。
且看目前國內(nèi)外多功能護(hù)理床的研究現(xiàn)狀。護(hù)理床由其其功能不同可以分為手動護(hù)理床和電動護(hù)理床，電動護(hù)理床興起于大約1980年，通過用電機(jī)代替人力勞力對床體功能的操縱能夠有效提高病人的恢復(fù)情況并有效減小護(hù)工的工作強(qiáng)度。
由于中國技術(shù)開始階段比較靠后，多功能護(hù)理床的技術(shù)水平較發(fā)達(dá)國家還有一些距離，下面是一些發(fā)達(dá)國家的護(hù)理床市場份額數(shù)據(jù)。早在2010年美國多功能護(hù)理床的市場份額就高達(dá)50億美金，日本機(jī)械人協(xié)會預(yù)測到2025年，日本護(hù)理床市場份額將高至70億美金。
美國的護(hù)理產(chǎn)業(yè)中Stryker公司是美國醫(yī)療護(hù)理器械公司的龍頭企業(yè)，所生產(chǎn)的醫(yī)療護(hù)理器械幾乎包括了所有的醫(yī)療器械種類。如圖1.2所示為Stryker公司生產(chǎn)的S3型醫(yī)療護(hù)理床，他僅僅通過簡單地運(yùn)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)支背功能。并通過內(nèi)置機(jī)構(gòu)的工作實現(xiàn)四個輪子的制動與止動。
圖1.2 Stryker生產(chǎn)的S3型醫(yī)療護(hù)理床
再觀日本，日本的醫(yī)療器械領(lǐng)域的發(fā)展同樣十分巨大，日本最大的醫(yī)療器械公司是八樂夢公司，他們公司的產(chǎn)品會銷往全球各地，如圖1.3所示是八樂夢公司生產(chǎn)的ICARE PLUS四馬達(dá)電動床，該床的直線運(yùn)動依靠電動推桿，支背功能依靠曲柄滑塊等內(nèi)部機(jī)構(gòu)。
圖1.3 ICARE PLUS四馬達(dá)電動床
我國目前醫(yī)療器械發(fā)展較好的有北京康健宜佰醫(yī)療器械有限公司，如圖1.4所示，產(chǎn)品具有背部支起功能，床體可以與床椅分離，擺脫了傳統(tǒng)觀念，可以推動老人，吹風(fēng)，曬太陽。它所擁有的功能和國內(nèi)大部分護(hù)理床類似，轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)完成了支背功能，雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理使得床體可以完成升降功能。
圖1.4 永輝輪椅護(hù)理床
1.4文章主要研究內(nèi)容
本文主要研究以多功能護(hù)理床坐便器和曲腿裝置為設(shè)計目標(biāo)下的平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)建。首先，對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)在多功能護(hù)理床中功能的可行性進(jìn)行分析并理清思路，然后對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和布局，從不同的功能角度來進(jìn)行三維建模和分析。
本文所研究的內(nèi)容大概分為以下幾個步驟：
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計。內(nèi)容包含平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求，設(shè)計指標(biāo)，需要實現(xiàn)的功能，以及控制系統(tǒng)的選擇和驅(qū)動方案。主要為對設(shè)計目標(biāo)的一些設(shè)想和需求。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計和動力學(xué)分析。在這一部分文章將會對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)做一些詳細(xì)的設(shè)計，并將需要實現(xiàn)的功能都體現(xiàn)在設(shè)計里，并對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)做運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，分析關(guān)鍵位置的受力情況，以便之后對目標(biāo)的建模和電機(jī)的選擇。并將結(jié)構(gòu)圖在A0圖紙上畫出來。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在此步驟將會對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計，包括機(jī)構(gòu)的各個部位在內(nèi)，同樣需要考慮其各個部位需要實現(xiàn)的功能，同時考慮各個部位裝配的可行性，通過受力仿真分析，確定具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。然后要確定電機(jī)的選擇及安裝方式，通過電機(jī)所要驅(qū)動的力的大小，同時考慮實際經(jīng)驗來基本確定電機(jī)的選擇。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)調(diào)試和強(qiáng)度的校核。對前面設(shè)計出來的平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試，確定其可行性，對目標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定裝置是否承受得住受力要求，不會發(fā)生破壞且能正常運(yùn)行。
對研究課題時遇到的問題進(jìn)行總結(jié)經(jīng)驗，以及對自己的成果進(jìn)行總結(jié)，并對以后的研究進(jìn)行后續(xù)展望，研究永無止境。
2平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計
本課題所研究的平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)所適用的人群是喪失肌肉行動能力的病人，所以要根據(jù)病人的需求，考慮病人的生活環(huán)境來確定平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的功能，分析各個功能來進(jìn)行平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計。
2.1 設(shè)計要求
以平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)為核心的坐便器裝置及曲腿裝置主要對應(yīng)人群為行動不變的病人，所以設(shè)計要求即病人的要求。從適用對象來看，我認(rèn)為它應(yīng)該滿足下面幾點(diǎn)要求：
對病人的安全做出保障。這是作為一個醫(yī)療器械裝置最基本的要求，坐便器裝置作為護(hù)理床的一部分，它首先要保證病人的使用安全，喪失肌肉行動能力的病人在面對困難時的應(yīng)對是很微弱的，假使裝置不牢固或者打滑都會對病人造成不可挽回的影響，這點(diǎn)是第一點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn)。
它應(yīng)該實現(xiàn)它應(yīng)該有的功能。功能性也是坐便器裝置本身重要的一點(diǎn)要求，他要做到使癱瘓病人能夠正常的大小便及后續(xù)封口處理而不出意外。曲腿模塊也要使病人在肌肉僵硬時可以調(diào)整姿勢，鍛煉身體。
它要使病人的生活更加方便。既然這個裝置要設(shè)計出來，它的意義就是要病人的生活更加方便，可以在行動不便時不必艱難的走進(jìn)衛(wèi)生間，而是只在病床上就可以解決問題，并且對排泄物的烘干和封存也有效減小了人力的耗費(fèi)，確定了他的方便性。
它應(yīng)該遵守行業(yè)要求。坐便器裝置的設(shè)計應(yīng)該遵守國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 總體方案設(shè)計
坐便器裝置對于喪失肌肉行動能力的病人來說非常關(guān)鍵，它可以幫助病人收集排泄物，加以烘干，防止氣味外露的功能，所以從其功能性考慮，基本確定了坐便裝置的機(jī)構(gòu)。平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)總體方案大致按照下圖所示進(jìn)行設(shè)計，由絲杠驅(qū)動滑塊，滑塊帶動圖示右邊平行四邊形桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動，利用平行四邊形機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，保證了左下方平臺不傾斜的上下運(yùn)動，并且?guī)优c平行四邊形機(jī)構(gòu)串聯(lián)的連桿即束口裝置運(yùn)動，實現(xiàn)垃圾袋的開口和收口。
圖2.1 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖
同時在設(shè)計的時候我們對設(shè)計時可能會發(fā)生的問題進(jìn)行了猜測，平行四邊形機(jī)構(gòu)和串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)中一定會用到大量的運(yùn)動副，而運(yùn)動副的大量使用可能會導(dǎo)致整個機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定，更加嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡死。解決方法：關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的鉸接點(diǎn)，如果能夠保證鉸接點(diǎn)的靈活運(yùn)行，就能夠有效保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
2.3控制系統(tǒng)方案
控制系統(tǒng)為平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán)，要能夠有效控制平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的功能，保證其功能得以正常運(yùn)行。
上面基本確定了平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的類型，同時在多功能護(hù)理床中還有其他很多裝置，如曲腿裝置，翻身裝置等等，不但要確定裝置單獨(dú)運(yùn)行時不會出現(xiàn)錯誤，而且要保證各個裝置共同運(yùn)行時不會相互作用，互相擾亂，甚至停止工作。
通常用傳感器，電器開關(guān)來了解平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況和后續(xù)可能會發(fā)生的狀況。這里采用STM32控制系統(tǒng)，因為它有比較多的串口。而且STM32控制系統(tǒng)性能較高，所消耗的成本比較低。
2.4驅(qū)動方案
一般來說，所有裝置的驅(qū)動動力一般分為三種，液壓，氣壓和電機(jī)。
首先來講電機(jī)，電動機(jī)可以提供從毫瓦到千瓦不同等級的人功率，范圍很大；電機(jī)的控制使用功能優(yōu)良，可以起動，加速，反轉(zhuǎn)，能夠滿足很多要求；電機(jī)的工作效率在驅(qū)動動力中占高位，對環(huán)境沒有污染，也基本沒有什么噪音，無煙無味；最后電機(jī)的運(yùn)行很穩(wěn)定，性價比也很高，這些優(yōu)點(diǎn)讓電機(jī)在生活中得到了廣泛的運(yùn)用。驅(qū)動電機(jī)又分為直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，減速電機(jī)。直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是采用的是PWM控制，對電動機(jī)的速度控制非常精準(zhǔn)平滑。直流電動機(jī)調(diào)節(jié)速度的性能比較好，即使在有很大負(fù)載的情況下，仍然可以均勻的，平滑的調(diào)節(jié)速度，調(diào)速范圍也比較大。直流電機(jī)的起動力矩比較大，能夠節(jié)約的進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，所以，一旦是在有高負(fù)載或者是要求均勻調(diào)速的機(jī)械，都會選擇直流電機(jī)。直流電動機(jī)的缺點(diǎn)是它只能夠使用交流電的整流或者直流電電源。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是由單片機(jī)控制，控制的信號是數(shù)字信號，不再需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換；步進(jìn)電動機(jī)采用脈沖驅(qū)動，可以控制轉(zhuǎn)速和方向，可以根據(jù)實際測量來轉(zhuǎn)變步進(jìn)電動機(jī)的方向。步進(jìn)電動機(jī)的脈沖數(shù)與旋轉(zhuǎn)角度成正比，誤差不會累積并且精度比較高。步進(jìn)電動機(jī)還有另外一個比較顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可以很快的起動和停止運(yùn)行并且精度比較高，正反方向控制也很靈活。步進(jìn)電動機(jī)可以在沒有傳感器的情況下精確定位。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是其驅(qū)動的能力十分有限，不太適合驅(qū)動比較小的車子。最后是減速電機(jī)，減速電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，本身體積比較小，承載能力比較強(qiáng)，能耗低，性能好，效率高，振動小的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是因為機(jī)械效率的存在，使得減速電機(jī)輸出扭矩的增加與電機(jī)功率不成正比，容易死區(qū)，不好控制。下圖即為典型的步進(jìn)電動機(jī)。
圖2.2 步進(jìn)電動機(jī)示意圖
然后是液壓，顧名思義，液壓傳動是用液體的壓力來傳遞動力，，一般分為液壓開關(guān)控制和液壓閉環(huán)控制。液壓閉環(huán)控制也叫做液壓伺服控制，包含電器液壓伺服系統(tǒng)和機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)。一個完整的液壓系統(tǒng)由五部分組成，執(zhí)行裝置，能源裝置，控制調(diào)節(jié)裝置，液體介質(zhì)，輔助裝置。液壓的傳遞動力比較大，在工業(yè)中運(yùn)用十分廣泛。與電機(jī)，氣壓驅(qū)動相比，液壓有下面幾條優(yōu)點(diǎn)：液壓驅(qū)動十分靈活，所有零件可以根據(jù)實際情況需要自由布置；液壓本身質(zhì)量比較輕，體積比較小，所以它的反應(yīng)速度可以很快，運(yùn)動的慣性也比較??；液壓比較容易操縱，可以用來運(yùn)行大范圍的無級調(diào)速；可以自動實現(xiàn)過載保護(hù)；很適合機(jī)械的自動化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可以使自動控制程度更深，甚至可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。液壓傳動的缺點(diǎn)是由于液體傳動受到的阻力比較大，也有可能會出現(xiàn)泄漏，其工作效率比較低，液體泄漏還有可能會對環(huán)境造成污染，甚至出現(xiàn)爆炸。液壓傳動也不能在比較極端的溫度下運(yùn)作，高溫容易爆炸，低溫液體容易結(jié)冰。液壓元件的制作精細(xì)很高，造價昂貴。并且故障時很不容易查出原因，對維修和施工都造成了很大的困難。
圖2.3 液壓扳手
氣壓傳動是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量的傳遞和控制的一種傳動形式。除了和液壓傳動一樣操作簡單，容易自動控制，過載保護(hù)，中遠(yuǎn)程控制之外，還有工作介質(zhì)比較容易處理，介質(zhì)造價較低，不會因為泄漏污染環(huán)境等優(yōu)勢。但是由于介質(zhì)是空氣壓縮得到的，使它的傳遞效率較低，一般在0.3-1MPa，總輸出力不能大于10-40KN，并且穩(wěn)定性較差。應(yīng)用同樣十分廣泛，尤其在輕工業(yè)，食品工業(yè)等。氣動系統(tǒng)一般由氣源裝置，執(zhí)行元件，控制元件，氣動輔件構(gòu)成。下圖中的氣壓泵為氣壓驅(qū)動的典型運(yùn)用。
圖2.4 氣壓泵
而平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)由于是多功能護(hù)理床的一部分，對噪音，安全性的要求比較高?？紤]到這一點(diǎn)選取機(jī)構(gòu)的動力元件為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)能夠調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，并且使整個過程的穩(wěn)定性得到了保證。
2.5本章小結(jié)
本章主要對所研究機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求作出了具體的闡述，并且大致描述了平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計思路和功能，以機(jī)構(gòu)原理圖的形式一目了然的表現(xiàn)了出來，最后對坐便器裝置的控制系統(tǒng)和驅(qū)動電機(jī)做出了選擇，最終選擇坐便器裝置的驅(qū)動動力為步進(jìn)電機(jī)，為以后的運(yùn)動分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計坐下鋪墊。
3 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動分析
在對文章描述的平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的時候要充分考慮平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計理念，從他的功能性，安全性，方便性等各方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
在進(jìn)行平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，大概需要從下面幾個方面來進(jìn)行要求，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)要具有創(chuàng)新的特性，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的安全性，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)性，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)占用空間的合理性。從這幾個方面綜合考慮，從而設(shè)計出真正適合坐便器裝置的病人，讓它為醫(yī)療機(jī)械設(shè)備的發(fā)展確確實實地做出一份貢獻(xiàn)，而不是徒有其表。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)要具有創(chuàng)新的特性?？梢钥吹侥壳皣鴥?nèi)外的醫(yī)療器械設(shè)備的發(fā)展情況，確實是沒有出現(xiàn)一個護(hù)理床上是同時存在如此多的功能裝置，像上下曲腿裝置，坐便器裝置等等，他們大多結(jié)構(gòu)簡單并且功能單一，嚴(yán)重者相互模仿，相互借鑒，缺乏了一定的創(chuàng)新性。所以在研發(fā)的時候要保持自己的初心，確確實實為行業(yè)的發(fā)展做出一份自己的努力，不隨波逐流，做出自己的創(chuàng)新。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)要具有安全的特性。前文中已經(jīng)多次強(qiáng)調(diào)，即便是在其他所有的領(lǐng)域，安全都是第一位的，假使安全因素沒有考慮周全，損失的就不僅僅是金錢，更何況產(chǎn)品面對的還是廣大病人患者，如果忽視了安全因素，造成的后果不堪設(shè)想。平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的每一個部件都必須安全可靠，每個地方的機(jī)構(gòu)都應(yīng)該安裝機(jī)械限位裝置，這種裝置可以有效避免裝置的破壞以及造成的人力損失。而且機(jī)構(gòu)的設(shè)計也要考慮零件的材料和強(qiáng)度是否達(dá)到要求，強(qiáng)度校核一定要過關(guān)，最后控制系統(tǒng)也是關(guān)鍵的一環(huán)，電機(jī)驅(qū)動的運(yùn)動裝置都會伴隨著行程限位開關(guān)，它的作用主要是限制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行范圍。后期在進(jìn)行調(diào)試的過程中按照國際按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行，確保機(jī)構(gòu)的安全性。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)性。在設(shè)計平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)時，要保證每個零件的尺寸和角度不發(fā)生偏差，測量的數(shù)據(jù)也要準(zhǔn)確，比如在坐便器裝置隨著平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時，平臺應(yīng)該永遠(yuǎn)保持水平，從這一點(diǎn)就能考察出機(jī)構(gòu)設(shè)計的是否嚴(yán)謹(jǐn)，一旦有某個角度沒有測量裝配好，零件的尺寸發(fā)生偏差，平臺就有可能會產(chǎn)生偏斜，平臺在實際情況中一般都裝著病人的糞便，后果可想而知。所以在設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)都要經(jīng)過科學(xué)的測量和計算，秉承著科學(xué)實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性。
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)占用空間的合理性。之所以提到裝置占用空間的合理性，是因為平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)僅僅是整個多功能護(hù)理床中的一環(huán)，他們裝置與裝置之間環(huán)環(huán)相扣，相互協(xié)同工作，因此每個裝置都應(yīng)該在各自的運(yùn)行路線中存在，不應(yīng)該占據(jù)過大的空間，否則會對整個床的功能造成威脅，實際上這是一件十分具有挑戰(zhàn)性的工作，既要發(fā)揮各個裝置的功能，而又讓他們之間互不沖突，甚至相互協(xié)同，難度可想而知。
3.1平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計及分析的目標(biāo)
在對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，第一步是要確定在前一章所提到的平行機(jī)構(gòu)運(yùn)動形式，第二步是由平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)要起到的作用和功能來確定機(jī)構(gòu)各部位零件的尺寸，第三步是對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。
在對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析時，首先要分析平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中各個點(diǎn)的運(yùn)動速度和加速度，以及各個桿件的運(yùn)動情況，然后了解驅(qū)動動力的形式和效率，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，審核他們是否通過了設(shè)計時的要求，主要由速度曲線來判斷裝置運(yùn)行是否合理。在確定以上數(shù)據(jù)無誤后，再借用軟件來分析機(jī)構(gòu)各個部位在受載時的力學(xué)性能，再次驗證他們是否滿足需求。通常用SolidWorks和Adams來操作。
3.2平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析
平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)在多功能護(hù)理床中主要起一個可上下移動的坐便器的功能，實際上在醫(yī)療器械裝置中是一個比較具有創(chuàng)新性的設(shè)計，是多功能護(hù)理床中不可缺少的一部分，在目前國內(nèi)的多功能護(hù)理床中鮮有這樣的設(shè)計。
可想而知，排泄問題對于肌肉喪失行動能力的病人或者腦癱患者一直是一個重大問題，在身體被輸入大量葡萄糖的同時，病人上廁所的頻率也會比平時更加頻繁，而一個依靠自己個人能力無法正常行走的病人如果想去一趟衛(wèi)生間，需要耗費(fèi)的體力，以及護(hù)工需要耗費(fèi)的精力都不在少數(shù)，對病人的身體和心理都是一種考驗。自動坐便器可以在病人需要的時候操縱開關(guān)，然后護(hù)理床中間的蓋口會打開，坐便器在平行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動下水平上升，待病人解決完畢之后會自動下降，然后將排泄物烘干處理，過程中不會有氣味露出，方便舒適。以上所提到的都是自動坐便器的設(shè)計要求。
放眼市面上大多數(shù)護(hù)理床，無論是中端的護(hù)理床還是高端的護(hù)理床，他們多多少少都帶有一些坐便處理方法，但是他們的處理方法往往都是比較簡陋的，要么是只有一個可以防止便盆的凹槽，要么是只能上下移動，他們都忽視了一個很重要的問題，那就是對排泄物的處理，做好了這最后一步也是關(guān)鍵性的一步，才算是把護(hù)理床中坐便器功能畫上一個句號。中高端的護(hù)理床中都幾乎沒有這種功能，只有一種頂級的護(hù)理床中用真空壓縮的方法處理排泄物，但是這種方法雖然有效處理了異味，卻使得造價成本太過高昂，并且占用了太大的空間，使得護(hù)理床的其他功能得到了限制，因此我們的設(shè)計觀念就是用較小的代價設(shè)計出實用，方便，功能性強(qiáng)的坐便裝置。
對排泄物的處理工作采用在坐便盆的外層套一層用來盛放排泄物的塑料袋，然后利用串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)將坐便盆收口以此來完成密封。前面提到過，如何用較小空間完成這個設(shè)計是一個大難題，由于增加驅(qū)動這一方案太過消耗空間，只能設(shè)想利用原本的平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)來完成這一設(shè)計，并且保證裝置的平穩(wěn)進(jìn)行。要使這一設(shè)想合理且成功實施具有不小的難度，在設(shè)計和審核過程中都要慎之又慎。
從設(shè)計的功能角度出發(fā)，整個機(jī)構(gòu)分成兩部分，一部分是雙邊平行四邊形機(jī)構(gòu)，雙邊為護(hù)理床的左右兩邊，由連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，另一部分是塑料袋束口機(jī)構(gòu)，也是由連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成。
圖3.1 坐便器模塊機(jī)構(gòu)簡圖
上圖中左邊一塊是塑料袋收口機(jī)構(gòu)，右邊一塊為平行四邊形運(yùn)動機(jī)構(gòu)，右上角兩個O點(diǎn)為固定鉸鏈，左下角平臺GDHB是一個可以活動的機(jī)架，D點(diǎn)和G點(diǎn)是鉸接點(diǎn)，H,CE,AC,EF,FG均為連桿，顯然ADHF四點(diǎn)是跨接鉸鏈，以圖中標(biāo)注的XY軸方向為正方向。
如圖所示圖中右邊一部分平行四邊形HB為平行四邊形機(jī)構(gòu)，左下角可以活動的機(jī)架GDHB可以隨著B的轉(zhuǎn)動而上升，由于平行四邊形兩對邊平行，而平臺永遠(yuǎn)保持和HB垂直，所以平臺在上升下降過程中會一直保持水平。GF,FE,EC,CA,是連桿機(jī)構(gòu)，與平行四邊形機(jī)構(gòu)串聯(lián)，可以隨著平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動而運(yùn)動，此連桿機(jī)構(gòu)即可以完成塑料袋的收口動作。在這個圖中顯示的僅僅是簡單地機(jī)構(gòu)簡圖，而且為單邊的，實際上床的兩邊都有一個這種結(jié)構(gòu)，即雙平行四邊形機(jī)構(gòu)，每個機(jī)構(gòu)的邊上都有同樣的驅(qū)動力，帶動著連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動，如此就完成了兩個機(jī)構(gòu)之間的協(xié)同運(yùn)動，就像上面所提到的那樣，這樣設(shè)計既實現(xiàn)了原來設(shè)計的功能，又節(jié)省了空間和驅(qū)動裝置，使整個設(shè)計看起來更加精巧，符合我們原本的設(shè)計理念。
3.2.1平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析
以圖可以得知該機(jī)構(gòu)的自由度為F=3n-2Pl-Ph=3*7-2*10-0=1。故該機(jī)構(gòu)的自動度為1。
（1）角位移分析
由公式得出復(fù)數(shù)形式：
……………………………（3.1）
在利用歐拉公式展開，并且使得虛部和實部相等，得出：
+=+
+=+ …………………（3.2）
將上面的方程組聯(lián)立可以得出：
=+…（3.3）
同理+=+得出復(fù)數(shù)形式：
+=+ ………………………（3.4）
在利用歐拉公式展開，并且使得虛部和實部相等，得出：
+=+
+=+…………………（3.5）
將上面的方程組聯(lián)立可以得出：
=+ ………………………………………………………………………………………………（3.6）
由于上面的式子中φ1是輸入角，它只能夠被平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式?jīng)Q定，是已經(jīng)得出的，φ5是輸出角，是要通過運(yùn)算求出來的，將式（3-5）和式（3-8）相聯(lián)立后，消除φ3后就可以得出φ1和φ5之間的速度變化規(guī)律。
（2）角速度與角加速度計算
將式（3-3）和式（3-6）各自進(jìn)行求導(dǎo)后得出：
………………………（3.7）
…………………（3.8）
再將上面兩個式子進(jìn)行聯(lián)立求解后就可以得出桿GF圍繞G點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動時的角速度，從式子中可以看出GF運(yùn)動時唯一受到桿BO的影響，如果可以給出桿件BO的速度就可以通過上述式子求出桿件GF的速度。再次對上面兩個式子進(jìn)行求導(dǎo)就同理可以得出桿件GF與桿件BO之間的角加速度變化規(guī)律。
3.2.2平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析
使用ADAMS軟件可以很直觀的分析機(jī)構(gòu)運(yùn)行的合理性。第一步，將所要分析的機(jī)構(gòu)簡單化，只保留最直觀的主體驅(qū)動原理和框架，第二步，將簡化后的模型轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)母袷綄?dǎo)入ADAMS中，然后配置各個運(yùn)動副，第三步，完成后再根據(jù)實際試驗情況添加驅(qū)動。完成后即可開始仿真。
平行機(jī)構(gòu)模塊由絲杠和光軸以及滑塊構(gòu)成的結(jié)構(gòu)驅(qū)動的，滑塊與一個連桿通過一個鉸接點(diǎn)連在一起，然后連桿的另一端與圖中所示的P點(diǎn)連在一起，絲杠驅(qū)動滑塊運(yùn)動，滑塊再拉動平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動。這與第二章簡要介紹平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計時相呼應(yīng)。
平行四邊形機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真分析的作用主要是檢測關(guān)鍵點(diǎn)受載時機(jī)構(gòu)是否合理運(yùn)行，將滑塊的速度配置成0.02m/s，再使得平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)行。從仿真結(jié)果中可以看出機(jī)構(gòu)的運(yùn)行符合設(shè)計初期時的要求，達(dá)到了預(yù)期的水準(zhǔn)。
隨后選取上圖所示的P點(diǎn)進(jìn)行受力分析，由于P點(diǎn)處于驅(qū)動與機(jī)構(gòu)的連接處，所以P點(diǎn)是個很重要的受力點(diǎn)，如果P點(diǎn)的受力情況符合我們的標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠安全。其xyz方向的受力情況如下圖所示。
圖3.2 鉸接點(diǎn)P的受力分析圖
此圖中可以看出P點(diǎn)在單一方向的最大受力在17.6N，所有的合力最大為22.7N，鉸鏈選取的是普通碳鋼作為原材料，故P點(diǎn)收到的力遠(yuǎn)小于普通碳鋼的屈服極限，故在P點(diǎn)的受載情況來看，機(jī)構(gòu)的運(yùn)行是安全可靠的。
3.3本章小結(jié)
本章主要對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行做出了簡單的介紹，并且對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)做了運(yùn)動學(xué)分析和動力學(xué)分析，最終確定平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計是安全可靠的，達(dá)到了理想的設(shè)計要求。
對坐便器模塊的平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理和機(jī)構(gòu)圖進(jìn)行了簡單的了解，從比較專業(yè)的角度解釋了如何使平行四邊形機(jī)構(gòu)和塑料袋收口機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)行，并且使平行四邊形機(jī)構(gòu)帶動著收口機(jī)構(gòu)運(yùn)行，從機(jī)構(gòu)簡圖來看設(shè)計精巧簡單卻合理的完成了設(shè)計要求，極大節(jié)省了安裝空間，優(yōu)化了護(hù)理床的整體結(jié)構(gòu)。此外對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析和動力學(xué)分析，驗證了機(jī)構(gòu)的可靠性。也使我對Adams軟件的使用更上一層樓。
4 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
前面已經(jīng)介紹了平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計方案和功能布局分配，對每個部位所行使得功能都做出了比較詳細(xì)的規(guī)定，隨后對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析和動力學(xué)分析，確定了機(jī)構(gòu)運(yùn)動的合理性和可行性，然后對實驗數(shù)據(jù)做出了統(tǒng)計，為這一章的平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的具體運(yùn)動和三維建模奠定了基礎(chǔ)。
本次章節(jié)主要介紹平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)在多功能護(hù)理床中的具體運(yùn)動形式和實現(xiàn)方法，主要包含對每個運(yùn)動副的設(shè)計和選擇，對驅(qū)動裝置的設(shè)計和選擇，對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)桿件的尺寸，厚度的設(shè)計，以及平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)中每個零件的操作方法和表現(xiàn)形式做出詳細(xì)的介紹，隨后運(yùn)用SolidWorks軟件對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，其中主要包括每個零件的制作和零件之間的裝配。
本次章節(jié)對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮每個零件連接的地方是否可行和合理，實際上就是鉸接的連接，應(yīng)該對于不同功能的鉸接做出不同的處理和設(shè)計。然后在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)注意設(shè)計成本和制作成本，這是一個非常實際的問題，應(yīng)該使產(chǎn)品的性價比盡量的高，使得設(shè)計精巧才是關(guān)鍵。另外也要考慮零件加工的難度，這里同樣涉及成本問題。在最后，要考慮材料的選擇，避免出現(xiàn)材料價格過于昂貴或者在市面上找不到相關(guān)材料的情況。
下面將對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及驅(qū)動裝置的選擇作出詳細(xì)的介紹。
4.1 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
在第二章和第三章已經(jīng)對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡要設(shè)計和動力學(xué)分析，在本次章節(jié)主要再對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實際機(jī)械結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計。
首先從他的功能性出發(fā)，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要幫助目標(biāo)實現(xiàn)便盆的上下平穩(wěn)運(yùn)動并且保持便盆不傾斜，這點(diǎn)主要得益于平行四邊形機(jī)構(gòu)兩對邊始終平行的特性。其次另外一個塑料袋束口機(jī)構(gòu)的設(shè)計可以使病人在需要坐便器的時候，便盆自動上升，在上升的過程中塑料袋束口機(jī)構(gòu)自動張開，隨后在排便結(jié)束后，便盆自動下落的過程中束口機(jī)構(gòu)在自動收緊。另外考慮到空間的狹小使得兩個機(jī)構(gòu)不得占用太大空間，只能使兩個機(jī)構(gòu)共用同一個驅(qū)動裝置，這就要使兩個機(jī)構(gòu)巧妙的地結(jié)合在一起，所以拿出了下面的方案。
早在第二章的時候就提出了平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)在設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的問題，其中就有因為是將平行四邊形機(jī)構(gòu)和串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合在一起形成一個機(jī)構(gòu)組，在這個機(jī)構(gòu)組中必然會用到大量的轉(zhuǎn)動副，而大量轉(zhuǎn)動副的使用必然會使得整個機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性下降。這是從以往的實驗經(jīng)驗得來的結(jié)果：使用轉(zhuǎn)動副會使機(jī)構(gòu)運(yùn)動的穩(wěn)定性下降。甚至還會出現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行卡死的現(xiàn)象。對此我們想到了對應(yīng)的解決方法：必須使得每個轉(zhuǎn)動鉸接的接點(diǎn)運(yùn)動足夠流暢，每個鉸接點(diǎn)都可以自由靈活的轉(zhuǎn)動，只有這樣才能使得整個機(jī)構(gòu)運(yùn)行起來得以穩(wěn)定。不僅如此，還要通過電腦對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)次運(yùn)行仿真，不斷對其中發(fā)生的問題進(jìn)行改正，對機(jī)構(gòu)的模型改正，也要利用自己手中所有的資源對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣品制作，在樣品制作的工程中不斷吸取失敗經(jīng)驗，總結(jié)成功經(jīng)驗，對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改，最終得出下面設(shè)計方案。
圖4.1 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計示意圖
其中1坐便器蓋板轉(zhuǎn)軸；2、坐便器蓋板小連桿；3、坐便運(yùn)動機(jī)構(gòu)從動滑塊；4、螺母滑塊；
5、坐便運(yùn)動機(jī)構(gòu)長連桿；6、坐便器蓋板從動滑塊；7、絲杠；8、串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)組；
9、光軸；10、塑料袋袋口壓緊皮帶（1）；11、塑料袋袋口壓緊皮帶（2）；12、平行四邊形桿件（1）；13、平行四邊形桿件（2）；14、雙邊傳動軸
上圖中介紹了平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的形式和驅(qū)動形式，可以看到選用的是絲杠和光軸以及滑塊來驅(qū)動平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在下一模塊我們具體介紹為什么選用這種驅(qū)動方式和步進(jìn)電機(jī)型號的選擇。
上面提到過轉(zhuǎn)動副的使用會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)整體的穩(wěn)定性下滑，解決方案是使得保持鉸接點(diǎn)運(yùn)行流暢，可以靈活轉(zhuǎn)動，因此這里所有鉸接點(diǎn)選用圓柱銷的形式連接，以圓柱銷的形式鉸接形式表現(xiàn)出了優(yōu)良的的轉(zhuǎn)動性能，使得鉸接的轉(zhuǎn)動可以靈活光滑。
下面對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的介紹。在病人需要排便時，打開開關(guān)，會使得控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電動機(jī)正向轉(zhuǎn)動，會導(dǎo)致絲杠上的中間位置的滑塊-螺母滑塊（如圖4位置）以及絲杠上靠右的坐便器蓋板從動滑塊（如圖6位置）以圖中方向向左移動，這樣會導(dǎo)致坐便器蓋板轉(zhuǎn)軸（如圖1位置）順時針轉(zhuǎn)動，即坐便器蓋板向下打開，打開護(hù)理床中間位置排泄口，然后螺母滑塊（如圖4位置）繼續(xù)向左滑動，螺母滑塊會帶動坐便器運(yùn)動機(jī)構(gòu)從動滑塊（如圖3）位置隨之向左滑動，可以看到有一根長連桿和坐便器運(yùn)動機(jī)構(gòu)從動滑塊相鉸接，滑塊的移動會導(dǎo)致坐便運(yùn)動機(jī)構(gòu)長連桿（如圖5位置）拉動坐便運(yùn)動機(jī)構(gòu)即平行四邊形運(yùn)動機(jī)構(gòu)（如圖12,13位置）運(yùn)動，平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動會導(dǎo)致兩條塑料袋束口壓緊皮帶（如圖10,11位置）張開，實現(xiàn)塑料袋的開口，此刻整個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)如下圖所示。
圖4.2 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊打開狀態(tài)
與打開過程相反，當(dāng)病人排便結(jié)束后，控制開關(guān)使得平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)會控制步進(jìn)電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動，隨后絲杠上的三個滑塊，螺母滑塊（如圖4位置），坐便器蓋板沖動滑塊（如圖6位置），坐便器運(yùn)動機(jī)構(gòu)從動滑塊（如圖3）都會沿著絲杠水平向右移動，帶動坐便器的蓋板逆時針轉(zhuǎn)動，使得坐便器蓋口關(guān)閉，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)也會帶動便盆向下移動，塑料袋束口機(jī)構(gòu)也因為串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動而收口，塑料袋袋口會隨著兩條壓緊皮帶束口，并且會因為皮帶上的密封條而密封，有效防止了氣味的泄露。
圖4.3 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)示意圖
之前提到過坐便器裝置的設(shè)計與目前國內(nèi)坐便器結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是會對排泄物進(jìn)行保險處理，以減少對相關(guān)人力物力的損失，從而達(dá)到資源的合理分配。所以除了上述的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計以外，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊還設(shè)計有噴氣噴水的管道，可以用來對病人排泄物的處理，包括沖洗和烘干。噴水管和噴氣管的制作同樣是個小難題。是通過SolidWorks先完成三維建模后再使用光敏樹脂3D打印機(jī)得來，然后分別使噴水管和噴氣管接入水泵和氣泵上，水泵被安置在一個水箱中，水箱中有一個貯水槽，同時安裝有電加熱模塊，可以將水溫調(diào)整在合適的溫度，即使是在冬天也能夠保證使用者在沖洗時有一個良好的體驗。
下面介紹噴水和噴氣的詳細(xì)過程，首先選用絲杠驅(qū)動，在一根絲杠上有一個小型的直線滑臺，滑臺通過一個小型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，而噴水管和噴氣管的噴頭就固定在小型的直線滑臺上面的滑塊上，滑塊可以沿著滑臺左右滑動。當(dāng)裝置行使沖洗和烘干功能時，控制系統(tǒng)會控制滑臺上的滑塊做往復(fù)運(yùn)動，從而達(dá)到?jīng)_洗和烘干的目的，滑塊做往復(fù)運(yùn)動的目的是增大沖洗的烘干的面積，使需要清洗的地方能夠得到完全的處理，確保清潔的徹底，防止細(xì)菌的滋生，也有效的減少氣味的泄露，對于喪失肌肉行動能力的病人來說具有很大的作用。
通過后期對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊的實驗和調(diào)試，過程中平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)展現(xiàn)出了良好的平穩(wěn)性，比較好的實現(xiàn)了它的設(shè)計功能—上下的平穩(wěn)運(yùn)行以及塑料袋的束口功能，后續(xù)噴氣和噴水裝置也能夠達(dá)到了預(yù)期要求。
4.2 平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的具體驅(qū)動方案
驅(qū)動電動機(jī)的選擇對于平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)來說是關(guān)鍵的一環(huán)，最終選用的電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩不能夠低于平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊承受最大壓力下絲杠所需要的驅(qū)動扭矩，這是電機(jī)型號選擇的關(guān)鍵也是標(biāo)準(zhǔn)。
首先選擇絲杠的理由。絲杠的主要功能是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動或者是反過來轉(zhuǎn)化。絲杠是精密機(jī)械中最經(jīng)常被用到的傳動元件，他可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)化為軸向反復(fù)作用力【引用于百度百科】，并且具有精度很高，可逆和運(yùn)行效率很高的優(yōu)點(diǎn)，并且在實際運(yùn)用中有很小的摩擦阻力，傳動效率很高，定位也十分的準(zhǔn)確。從這些功能性的角度來看，絲杠是非常適合平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的。圖4.4即為絲杠的示意圖。
圖4.4 絲杠示意圖
早在第二章就已經(jīng)介紹過為什么會選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動，這里再簡單說明一下，驅(qū)動裝置分三種選擇，電機(jī)驅(qū)動，液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動。
電動機(jī)可以提供從毫瓦到千瓦不同等級的功率，范圍很大；電機(jī)的控制使用功能優(yōu)良，可以起動，加速，反轉(zhuǎn)，能夠滿足很多要求；電機(jī)的工作效率在驅(qū)動動力中占高位，對環(huán)境沒有污染，也基本沒有什么噪音，無煙無味；最后電機(jī)的運(yùn)行很穩(wěn)定，性價比也很高，這些優(yōu)點(diǎn)讓電機(jī)在生活中得到了廣泛的運(yùn)用。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是由單片機(jī)控制，控制的信號是數(shù)字信號，不再需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換；步進(jìn)電動機(jī)采用脈沖驅(qū)動，可以控制轉(zhuǎn)速和方向，可以根據(jù)實際測量來轉(zhuǎn)變步進(jìn)電動機(jī)的方向。步進(jìn)電動機(jī)的脈沖數(shù)與旋轉(zhuǎn)角度成正比，誤差不會累積并且精度比較高。步進(jìn)電動機(jī)還有另外一個比較顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可以很快的起動和停止運(yùn)行并且精度比較高，正反方向控制也很靈活。步進(jìn)電動機(jī)可以在沒有傳感器的情況下精確定位。
考慮到步進(jìn)電機(jī)的工作效率較高，以及無噪音，無煙無味，衛(wèi)生環(huán)保，非常適合在病人身邊使用，步進(jìn)電機(jī)還可以調(diào)節(jié)平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度，確保機(jī)構(gòu)得平穩(wěn)運(yùn)行，因此驅(qū)動的選擇定位到步進(jìn)電動機(jī)。最終驅(qū)動模型如下圖所示。中間的一根柱子即為絲杠，上下兩根為光柱，右側(cè)下方是電機(jī)。
圖4.5驅(qū)動裝置
在第三章對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析時，從圖3-2中可以看出P點(diǎn)的最大受力為22.7N，這個受力值比較小，將這個受力值作為絲杠最大軸向負(fù)載，通過絲杠驅(qū)動扭矩的計算公式可以得出絲杠的驅(qū)動扭矩。
Ta=（Fa*I）/（2*3.14*n1） （4-1）
公式中Fa表示絲杠的軸向最大負(fù)載，單位用kgf/mm，F(xiàn)a=F＋μ mg，F(xiàn)是絲杠的軸向切削力，μ是摩擦系數(shù)，m是物品的質(zhì)量，g取9.8N/kg，I為絲杠的導(dǎo)程，取5mm，n1是進(jìn)給絲杠的正效率。由此可以得出絲杠的驅(qū)動扭矩。
Ta=22.7*52*3.14*0.94=19.227?N·mm=0.0192?N·m
根據(jù)實驗經(jīng)驗得平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)需要電機(jī)轉(zhuǎn)速為90-100r/min，這個轉(zhuǎn)速時機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)行，同時考慮到多功能護(hù)理床上其他模塊電機(jī)型號的選擇，本著盡量使各驅(qū)動型號一致的原則選擇一款 PKP268D28A-L型步進(jìn)電動機(jī)作為平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊的驅(qū)動，他的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩性曲線如下圖所示
圖4.6 PKP268D28A-L型步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線
從產(chǎn)品選型手冊中可以查到PKP268D28A-L型步進(jìn)電動機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為2.3 N·m，運(yùn)行額定電流是2.8A,電壓為3.4A，以及它的基本步距角為1.8度，從圖中可以看出當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速為90至100r/min時，相對應(yīng)的最大同步轉(zhuǎn)矩約為2.05 N·m，遠(yuǎn)大于上面我們算到過得絲杠的驅(qū)動扭矩，滿足平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動要求，由此，最終平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)落定為PKP268D28A-L型步進(jìn)電動機(jī)。
4.3本章小結(jié)
在本章中詳細(xì)的介紹了平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對每個結(jié)構(gòu)的功能都做出了細(xì)致的介紹，平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的幾個主要零部件—坐便器蓋板轉(zhuǎn)軸、坐便器蓋板小連桿、螺母滑塊、坐便運(yùn)動機(jī)構(gòu)從動滑塊、坐便運(yùn)動機(jī)構(gòu)長連桿、絲杠、坐便器蓋板從動滑塊、串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)組、光軸、垃圾袋口壓緊皮帶、平行四邊形桿件、雙邊傳動軸。并且對后續(xù)沖洗烘干的運(yùn)作做出了詳細(xì)介紹。
然后對驅(qū)動裝置的選擇和理由做出了詳細(xì)介紹，選擇了絲杠驅(qū)動并且選擇了型號為PKP268D28A-L的步進(jìn)電機(jī)。
5 裝配調(diào)試與強(qiáng)度校核
前面四章對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的的原理設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計作出了詳細(xì)的介紹，借助SolidWorks和Adams軟件對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)做了運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)仿真驗證了機(jī)構(gòu)的可行性與穩(wěn)定性，滿足了論文提出的設(shè)計要求。在本次章節(jié)主要將平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的各個零件進(jìn)行加工制作介紹和裝配過程介紹，簡要說明工作中遇到的問題以及解決維修方案，并且對平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)中各個零部件進(jìn)行強(qiáng)度的校核。
5.1生產(chǎn)加工流程的注意事項
整個生產(chǎn)步驟大概分為六個步驟，下面我對生產(chǎn)加工平行運(yùn)動機(jī)構(gòu)時要注意的事項作出一些簡單的說明。
首先第一步是將要生產(chǎn)的零部件先做好CAD零件圖以及裝配圖，本題目設(shè)計的零部件不在少數(shù)，將這些CAD圖進(jìn)行編號并標(biāo)注其功能，這樣做的目的是為了以后用到圖紙時方便查看，另一個原因是避免因為零部件過多導(dǎo)致加工時記混而帶來不必要的麻煩，有的零件長的有幾十厘米，小的卻只有幾毫米，就像堆積木一樣，實際加工時會非常麻煩，如果因為不能及時找到對應(yīng)的圖紙而耽誤加工，可能會導(dǎo)致零部件的遺漏和損失。
生產(chǎn)加工的第二個流程是將第一步中的零部件圖按照各自標(biāo)注的功能不同而進(jìn)行分類。這樣做的原因是因為零件的數(shù)量一旦超過一定的數(shù)目，因為他們的功能不同會導(dǎo)致他們的加工方法之間有些差異，有些零件需要按車切割，有些需要按銑切割，有的需要刨，有的需要磨，有的需要激光切割等等，所以提前分好類之后一類一類的加工會極大地節(jié)省時間，提高工作的效率。值得一提的是，如果某些零件需要用到線切割或者是激光割，必須要保證CAD圖紙的比例是實際尺寸，也就是1比1，不然會導(dǎo)致切割后的零件尺寸成幾何倍數(shù)的誤差。
接下來的一步是將上一步已經(jīng)初步加工后的零部件按照各自不同的功能進(jìn)行再一次加工，也就是打孔，攻絲，焊接等操作，這一步對工作精度有著比較高的要求，不能出現(xiàn)較大的誤差，需要在加工時工作人員全身心的對零部件進(jìn)行觀測，一旦出現(xiàn)誤差就要及時更正，否則零部件就有可能報廢。
再接下來的一步也就是第四步是將精加工過的零部件進(jìn)行簡單的組裝，然后進(jìn)行第一次調(diào)試，在調(diào)試過程中如果遇到問題要及時的對該零部件進(jìn)行修正，并將出現(xiàn)問題的原因加以記錄，亡羊補(bǔ)牢，有效避免下一次問題的出現(xiàn)。
生產(chǎn)流程的第五步是把第四步中組裝調(diào)試后的零部件拆除，然后根據(jù)他們的功能性的不同對零部件進(jìn)行分類，這次分類不同于第三步，主要是根據(jù)以后要進(jìn)行的表面處理方式的不同而分類