周有明 ， 俞成濤 ， 劉凱磊 ， 李奇林 ， 丁兆軒

（江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 前言

隨著社會的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，老年人和殘疾人的護理問題越來越受到社會的關注，對護理質量提出了更高要求，因此，多功能護理床應運而生[1]。目前，國內外的研發(fā)公司、科研機構以及高校等對多功能護理床開展了相關研究。瑞典Arjo Huntleigh公司開發(fā)了一種帶有自清理和除菌功能的Enterprise9000護理床，不僅實現(xiàn)了護理床的基本功能，還能監(jiān)控被護理人員的生理信息并由控制板顯示[2]。南昌大學的白建軍[3]研發(fā)了一款雙層床面結構的多功能輪椅床，以控制不同床板來實現(xiàn)坐起、屈腿和側翻等功能。此外，殷曉冬等[4]和劉長生等[5]開展了助浴醫(yī)療、姿態(tài)可調等方面的研究。從國內外的研究來看，多功能護理床已由最初的手動控制發(fā)展到電動控制，但是有關多功能護理床的研究主要集中在護理床的整體結構設計和控制系統(tǒng)設計，對于多功能護理床的起背機構關鍵參數(shù)優(yōu)化的研究較少。

因此，課題組將以多功能護理床的起背機構為研究對象，分析起背運動過程中影響舒適度的關鍵因素，并提取優(yōu)化目標，采用ADAMS軟件對起背機構進行參數(shù)化建模與運動學仿真，從而獲得參數(shù)優(yōu)化設計，以改善多功能護理床起背運動過程中的舒適度。

1 結構組成、工作原理及特性分析

多功能護理床的起背機構如圖1所示。起背機構由座板、背板、起板、連接板等組成，該起背機構采用雙電機驅動，連接板1繞點A轉動，起板6繞點E轉動，連接板1分別與座板4、背板5鉸接，并且背板5與起板6滑動。其工作原理：電機1安裝于點A，帶動連接板1轉動，電機2安裝于點E，起板6作為主動件通過滑動帶動背板5進行起背、落背動作。

圖1 起背機構運動簡圖

多功能護理床的起背機構不僅要滿足運動要求，以達到預定的運動軌跡或者運動規(guī)律，也要滿足老年人和殘疾人的舒適需求。文獻[6]在抬背機構中，進行了抬背架角位移、角速度以及角加速度等主要參數(shù)的研究。對于起背機構而言，考慮其舒適度問題，要保證起背運動過程中各參數(shù)變化平穩(wěn)且避免各參數(shù)發(fā)生突變。課題組主要分析起背過程中對角加速度的影響，進一步優(yōu)化設計以及選取適當?shù)尿寗与姍C，以改善多功能護理床運動過程中的舒適度。

2 起背機構的仿真分析

2.1 起背機構幾何模型

如圖2所示，采用SolidWorks對多功能護理床的起背結構進行建模，并將其模型導入到ADAMS/view軟件中，由于ADAMS中的建模能力相對較弱，而通過其他三維軟件導入的模型無法進行后續(xù)的參數(shù)化設計，因此需要簡化起背機構模型。起背機構中各鉸接點位置的設定是優(yōu)化設計中關鍵的一步，為了得出該機構的最佳位置，分別對鉸接點的X、Y坐標為設計變量進行參數(shù)化建模，如表1所示。

圖2 起背機構參數(shù)化模型

表1 坐標點和設計變量對應關系

將設計變量代替鉸接點坐標值，根據(jù)鉸接點建立各構件，并在各鉸接點添加運動副，建立起背機構參數(shù)化模型。

如圖3所示為優(yōu)化前起背機構角加速度隨角度變化曲線，其角加速度不平穩(wěn)，而且隨著角度增大，其角加速度變大。因此，在實際運行過程中起背速度將隨著角度增加逐漸變大，這將嚴重影響老年人和殘疾人在使用多功能護理床起背運動過程中的舒適度。

圖3 優(yōu)化前起背機構角加速度隨角度變化曲線

2.2 設計研究

課題組設定了8個可能影響起背機構角加速度的設計變量，分別是DV_1~DV_8，其取值范圍如表2所示。

表2 設計變量取值范圍

其中各個設計變量對角加速度的靈敏度均不同。對此，可在優(yōu)化之前通過設計研究得出各個設計變量的靈敏度，通過對比靈敏度較大的設計變量來進行優(yōu)化。分別對DV_1~DV_8進行設計研究，得出各個設計變量的靈敏度，如表3所示。

表3 設計變量的靈敏度

根據(jù)ADAMS優(yōu)化設計報告，可作出各個設計變量對角加速度影響的趨勢圖，如圖4所示。

圖4 設計變量對起背機構角加速度的影響趨勢

如表3所示，各個設計變量在初始值位置時得到起背機構角加速度的靈敏度，從圖4中可以觀察到起背機構角加速度最小值隨各個設計變量迭代次數(shù)的變化趨勢。綜合表3和圖4，DV_3、DV_5和DV_6對目標的影響較大，因此，下一步主要對DV_3、DV_5和DV_6進行組合試驗設計。

2.3 試驗設計

試驗設計主要的研究思路是對多個影響較大的設計變量重新組合發(fā)生變化時，觀察目標函數(shù)的影響，課題組選取設計變量DV_3、DV_5和DV_6組合作為設計變量進行試驗分析。如圖5所示為DV_3、DV_5和DV_6對目標函數(shù)的影響曲線圖，如圖6所示為DV_3、DV_5和DV_6組合時對目標函數(shù)的影響曲線圖。

圖5 DV_3、DV_5和DV_6對目標函數(shù)影響曲線

圖6 DV_3、DV_5和DV_6組合時對目標函數(shù)影響曲線

如圖6所示，當設計變量DV_3取值在-120 mm~-110 mm，DV_5取值在-180 mm~-155 mm以及DV_6取值在-5 mm~7.5 mm時，目標函數(shù)角加速度處于優(yōu)化區(qū)域，為后續(xù)優(yōu)化設計提供重要依據(jù)。

2.4 優(yōu)化設計

通過ADAMS可以設置算法類型、迭代次數(shù)、收斂精度及輸出控制等，也可以自定義算法接入ADAMS以滿足用戶的各種需求。優(yōu)化過程中起背機構角加速度的變化曲線如圖7所示，優(yōu)化設計結果如表4所示。

圖7 優(yōu)化起背機構角加速度變化曲線

表4 優(yōu)化設計結果

由表4可知，5號優(yōu)化實驗時角加速度最小值最小，此時的角加速度最小值由4.745 3 °/s2降低為0.711 37 °/s2，背板從30°旋轉到80°時所需時間T=12.5 s，則角速度為

文中優(yōu)化合理，優(yōu)化后DV_3、DV_5和DV_6取值分別為-110.0 mm、-180.0 mm和-5 mm。優(yōu)化前后起背機構加速度變化曲線對比如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后起背機構角加速度隨角度變化曲線

由圖8的對比曲線可知：通過不斷改變影響較大的設計變量參數(shù)來尋找最優(yōu)值，優(yōu)化后起背機構角加速度最小值顯著降低，并且角加速度曲線出現(xiàn)多次平滑，有助于提高老年人起背時舒適度。

3 結論

1）DV_1~DV_8對起背機構角加速度的靈敏度均不同，且起背機構運動過程中，組合試驗設計對目標的影響最大。

2）DV_8對起背機構角加速度的靈敏度最低，說明起背機構在Y軸方向對角加速度影響較小，主要原因是背板支架與起板支架之間滑動受力上，其X軸方向上所受的分力要遠遠大于Y軸方向上所受的分力。

3）通過不斷改變影響較大的設計變量參數(shù)來尋找最優(yōu)值，優(yōu)化后的機構大大降低了角加速度，并且角加速度曲線出現(xiàn)多次平滑，在運行過程中提高了護理床的舒適度，能夠更好地幫助老年人進行起背動作。