基于ADAMS的多功能護(hù)理床起背機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化*

周有明 ， 俞成濤 ， 劉凱磊 ， 李奇林 ， 丁兆軒

（江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 前言

隨著社會(huì)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(hù)理問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注，對(duì)護(hù)理質(zhì)量提出了更高要求，因此，多功能護(hù)理床應(yīng)運(yùn)而生[1]。目前，國(guó)內(nèi)外的研發(fā)公司、科研機(jī)構(gòu)以及高校等對(duì)多功能護(hù)理床開(kāi)展了相關(guān)研究。瑞典Arjo Huntleigh公司開(kāi)發(fā)了一種帶有自清理和除菌功能的Enterprise9000護(hù)理床，不僅實(shí)現(xiàn)了護(hù)理床的基本功能，還能監(jiān)控被護(hù)理人員的生理信息并由控制板顯示[2]。南昌大學(xué)的白建軍[3]研發(fā)了一款雙層床面結(jié)構(gòu)的多功能輪椅床，以控制不同床板來(lái)實(shí)現(xiàn)坐起、屈腿和側(cè)翻等功能。此外，殷曉冬等[4]和劉長(zhǎng)生等[5]開(kāi)展了助浴醫(yī)療、姿態(tài)可調(diào)等方面的研究。從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，多功能護(hù)理床已由最初的手動(dòng)控制發(fā)展到電動(dòng)控制，但是有關(guān)多功能護(hù)理床的研究主要集中在護(hù)理床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于多功能護(hù)理床的起背機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化的研究較少。

因此，課題組將以多功能護(hù)理床的起背機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分析起背運(yùn)動(dòng)過(guò)程中影響舒適度的關(guān)鍵因素，并提取優(yōu)化目標(biāo)，采用ADAMS軟件對(duì)起背機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，從而獲得參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善多功能護(hù)理床起背運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的舒適度。

1 結(jié)構(gòu)組成、工作原理及特性分析

多功能護(hù)理床的起背機(jī)構(gòu)如圖1所示。起背機(jī)構(gòu)由座板、背板、起板、連接板等組成，該起背機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，連接板1繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，起板6繞點(diǎn)E轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)。其工作原理：電機(jī)1安裝于點(diǎn)A，帶動(dòng)連接板1轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)2安裝于點(diǎn)E，起板6作為主動(dòng)件通過(guò)滑動(dòng)帶動(dòng)背板5進(jìn)行起背、落背動(dòng)作。

圖1 起背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

多功能護(hù)理床的起背機(jī)構(gòu)不僅要滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求，以達(dá)到預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡或者運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也要滿(mǎn)足老年人和殘疾人的舒適需求。文獻(xiàn)[6]在抬背機(jī)構(gòu)中，進(jìn)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(duì)于起背機(jī)構(gòu)而言，考慮其舒適度問(wèn)題，要保證起背運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)程中對(duì)角加速度的影響，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)以及選取適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電機(jī)，以改善多功能護(hù)理床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的舒適度。

2 起背機(jī)構(gòu)的仿真分析

2.1 起背機(jī)構(gòu)幾何模型

如圖2所示，采用SolidWorks對(duì)多功能護(hù)理床的起背結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將其模型導(dǎo)入到ADAMS/view軟件中，由于ADAMS中的建模能力相對(duì)較弱，而通過(guò)其他三維軟件導(dǎo)入的模型無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，因此需要簡(jiǎn)化起背機(jī)構(gòu)模型。起背機(jī)構(gòu)中各鉸接點(diǎn)位置的設(shè)定是優(yōu)化設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一步，為了得出該機(jī)構(gòu)的最佳位置，分別對(duì)鉸接點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行參數(shù)化建模，如表1所示。

圖2 起背機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型

表1 坐標(biāo)點(diǎn)和設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)關(guān)系

將設(shè)計(jì)變量代替鉸接點(diǎn)坐標(biāo)值，根據(jù)鉸接點(diǎn)建立各構(gòu)件，并在各鉸接點(diǎn)添加運(yùn)動(dòng)副，建立起背機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型。

如圖3所示為優(yōu)化前起背機(jī)構(gòu)角加速度隨角度變化曲線(xiàn)，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(shí)際運(yùn)行過(guò)程中起背速度將隨著角度增加逐漸變大，這將嚴(yán)重影響老年人和殘疾人在使用多功能護(hù)理床起背運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的舒適度。

圖3 優(yōu)化前起背機(jī)構(gòu)角加速度隨角度變化曲線(xiàn)

2.2 設(shè)計(jì)研究

課題組設(shè)定了8個(gè)可能影響起背機(jī)構(gòu)角加速度的設(shè)計(jì)變量，分別是DV_1~DV_8，其取值范圍如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)變量取值范圍

其中各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)角加速度的靈敏度均不同。對(duì)此，可在優(yōu)化之前通過(guò)設(shè)計(jì)研究得出各個(gè)設(shè)計(jì)變量的靈敏度，通過(guò)對(duì)比靈敏度較大的設(shè)計(jì)變量來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。分別對(duì)DV_1~DV_8進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得出各個(gè)設(shè)計(jì)變量的靈敏度，如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)變量的靈敏度

根據(jù)ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)告，可作出各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)角加速度影響的趨勢(shì)圖，如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)變量對(duì)起背機(jī)構(gòu)角加速度的影響趨勢(shì)

如表3所示，各個(gè)設(shè)計(jì)變量在初始值位置時(shí)得到起背機(jī)構(gòu)角加速度的靈敏度，從圖4中可以觀察到起背機(jī)構(gòu)角加速度最小值隨各個(gè)設(shè)計(jì)變量迭代次數(shù)的變化趨勢(shì)。綜合表3和圖4，DV_3、DV_5和DV_6對(duì)目標(biāo)的影響較大，因此，下一步主要對(duì)DV_3、DV_5和DV_6進(jìn)行組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要的研究思路是對(duì)多個(gè)影響較大的設(shè)計(jì)變量重新組合發(fā)生變化時(shí)，觀察目標(biāo)函數(shù)的影響，課題組選取設(shè)計(jì)變量DV_3、DV_5和DV_6組合作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行試驗(yàn)分析。如圖5所示為DV_3、DV_5和DV_6對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線(xiàn)圖，如圖6所示為DV_3、DV_5和DV_6組合時(shí)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線(xiàn)圖。

圖5 DV_3、DV_5和DV_6對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響曲線(xiàn)

圖6 DV_3、DV_5和DV_6組合時(shí)對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響曲線(xiàn)

如圖6所示，當(dāng)設(shè)計(jì)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(shí)，目標(biāo)函數(shù)角加速度處于優(yōu)化區(qū)域，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)ADAMS可以設(shè)置算法類(lèi)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(mǎn)足用戶(hù)的各種需求。優(yōu)化過(guò)程中起背機(jī)構(gòu)角加速度的變化曲線(xiàn)如圖7所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示。

圖7 優(yōu)化起背機(jī)構(gòu)角加速度變化曲線(xiàn)

表4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

由表4可知，5號(hào)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)時(shí)角加速度最小值最小，此時(shí)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(zhuǎn)到80°時(shí)所需時(shí)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(jī)構(gòu)加速度變化曲線(xiàn)對(duì)比如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后起背機(jī)構(gòu)角加速度隨角度變化曲線(xiàn)

由圖8的對(duì)比曲線(xiàn)可知：通過(guò)不斷改變影響較大的設(shè)計(jì)變量參數(shù)來(lái)尋找最優(yōu)值，優(yōu)化后起背機(jī)構(gòu)角加速度最小值顯著降低，并且角加速度曲線(xiàn)出現(xiàn)多次平滑，有助于提高老年人起背時(shí)舒適度。

3 結(jié)論

1）DV_1~DV_8對(duì)起背機(jī)構(gòu)角加速度的靈敏度均不同，且起背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)目標(biāo)的影響最大。

2）DV_8對(duì)起背機(jī)構(gòu)角加速度的靈敏度最低，說(shuō)明起背機(jī)構(gòu)在Y軸方向?qū)羌铀俣扔绊戄^小，主要原因是背板支架與起板支架之間滑動(dòng)受力上，其X軸方向上所受的分力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Y軸方向上所受的分力。

3）通過(guò)不斷改變影響較大的設(shè)計(jì)變量參數(shù)來(lái)尋找最優(yōu)值，優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)大大降低了角加速度，并且角加速度曲線(xiàn)出現(xiàn)多次平滑，在運(yùn)行過(guò)程中提高了護(hù)理床的舒適度，能夠更好地幫助老年人進(jìn)行起背動(dòng)作。