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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相關產品研究現狀……………………………………………………………………6
1.4文章主要研究內容……………………………………………………………………8
2平行運動機構的總體方案設計…………………………………………………………10
2.1 設計要求………………………………………………………………………………10
2.2 總體方案設計…………………………………………………………………………10
2.3 控制系統(tǒng)方案…………………………………………………………………………11
2.4 驅動方案………………………………………………………………………………12
2.5 章末小結………………………………………………………………………………13
3平行運動機構設計及運動分析…………………………………………………………14
3.1 平行運動機構設計及分析的目標……………………………………………………14
3.2 平行機構的設計及運動學和動力學分析……………………………………………15
3.2.1 平行機構的運動學分析……………………………………………………………18
3.2.2 平行機構的動力學分析……………………………………………………………19
3.3 章末小結………………………………………………………………………………20
4 平行運動機構結構設計………………………………………………………………21
4.1平行運動機構的機械結構設計………………………………………………………21
4.2 平行運動機構的具體驅動方案……………………………………………………25
4.3章末小結………………………………………………………………………………27
5裝配調試與強度校核……………………………………………………………………28
5.1 生產加工中的注意事項………………………………………………………………28
5.2平行運動機構的裝配調試……………………………………………………………29
5.3平行運動機構的強度校核……………………………………………………………30
5.4 章末小結………………………………………………………………………………31
6總結………………………………………………………………………………………32
6.1全文總結………………………………………………………………………………33
6.2后續(xù)研究的展望………………………………………………………………………34
參考文獻…………………………………………………………………………………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，因此為他們設計一款多功能護理床具有很大的意義，從目前市面上已經存在的護理床類型來看他們大多功能性比較單一，因此多功能護理床具有比較大的發(fā)展前景，平行運動機構作為多功能護理床的核心部分也顯得尤為重要。
首先要對平行運動機構的功能性進行分析，然后根據各個部位的零部件功能性的不同進行總體設計，并且對機構進行動力學分析和運動學分析，驗證平行運動機構的設計是否具有可行性，隨后對平行運動機構的結構進行詳盡的分析并利用SolidWorks軟件進行三維建模并裝配，另外控制系統(tǒng)的選擇和驅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型步進電動機。論文的最后一步是進行機構的裝配和強度校核，通過SolidWorks軟件中的simulation插件可以最終確定機構運行的平穩(wěn)性和合理性。
關鍵詞：平行運動機構，三維建模，構型設計，機構分析
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
平行運動機構的機構分析與構型設計
王淼 011115105
1 緒論
1.1選題的來源與背景
平行運動機構廣泛運用在日常生活中，用來實現機械之間的平行運動，在本文中主要介紹平行機構在多功能護理床中所起到的作用，在多功能護理床的機構中，平行運動機構起到核心作用，其中的坐便器模塊以及曲腿模塊都廣泛運用到了平行運動機構。
假如一個國家60歲以上的老年人口占到國家總人數的百分之十，或者一個國家65歲以上的老年人口占到國家總人數的百分之七，那就說明此國家已經處在了老齡化的路上，如今來看看現在的中國老年人口比例，以此來了解國家的老齡化情況。下面是近年來的數據。
早在2015年時，中國的六十歲以上的老年人就已經占中國人數的16個點，高達2億人，有專家預測，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將會占到17個點。再往后推測，我國在2025年時，中國老年人數定會突破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超出了我們的預料，六十歲以上人數數量已經超過了健康數量。
中國作為世界上經濟發(fā)展前列的國家，人口老齡化問題已經成為發(fā)展的累贅。一般來說，六十五歲老人所占總人數比超過7個點，就已經是老齡化社會了，如果超過了14個點，就被叫做老齡社會。我國早在2005年時就已經達到了7.6％，所以應該也能猜測到，其實我們國家在2001年時就開始步入老齡化社會了。有數據顯示，從老齡化社會跨進老齡社會，法國用時最長，高達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)達國家用時非常的少，速度之快令人震驚。我國預計在2025年左右進入老齡社會，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)護理服務。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)老轉變，政府主要占大頭。從大家目前的生活轉變應該也能看出一些端倪，政府養(yǎng)老所占的比重正在逐漸擴大，目前所起到的作用也不可忽視。隨著經濟的發(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的10％，總人口目前有14.5億，也就是說大約有五六百萬的患者會喪失肌肉使用能力，進入醫(yī)院最需要的就是護理床。而一般護理床的功能比較簡單并且需要耗費很大的人員力量，實用性比較低，但是在多功能護理床中，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理床也有效減小了空間的浪費，旨在以最小的空間占用多種不同的機械結構，使多種不同的機械機構協(xié)作運行來實習其多種多樣的功能。
平行運動機構的系統(tǒng)設計理念就是使坐便器在多功能護理床中做穩(wěn)定的升降運動和曲腿模塊在多功能護理床中正常實現其功能，使其在多功能護理床中的協(xié)作正常運行。
1.2選題的目的和意義
其實多功能護理床的適用人群不止腦癱患者，年長人群同樣適合。如今獨生兒女家庭越來越普遍，養(yǎng)老問題卻撲面而來，大多數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日常起居的多功能護理床，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行伸展運動，包括曲腿，側躺，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工的幫忙，這一點使得病人很不方便，同時也給護工們帶來不少麻煩，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。而且在護理床上的靈活性也使病人更加容易的配合護工的工作，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，具有平行運動機構的自動坐便器有效地解決了這個問題?？梢钥吹?，在醫(yī)院的病人胳膊上永遠連著點滴，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致整個醫(yī)務室氣味難聞，影響病人們和護工的心情，而這種坐便器會在病人解手結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，坐便器就會自動升上來供其使用，待排泄結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者，身體和心情雙愉悅。
1.3相關產品研究現狀
上文中提到過，世界衛(wèi)生組織規(guī)定過，如果60歲以上的老人人數占總人口的百分之十或者65歲以上老人人數占到百分之七，就可以稱之為人口老齡化。據有效數據統(tǒng)計，現在全世界超過60歲的老人數已經高達6億，將近60個國家和地區(qū)已經人口老齡化。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，多功能護理床的地位就顯得尤為重要，而其中的關鍵裝置，具有平行運動機構的坐便器的曲腿裝置的作用也不容忽視。
且看目前國內外多功能護理床的研究現狀。護理床由其其功能不同可以分為手動護理床和電動護理床，電動護理床興起于大約1980年，通過用電機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情況并有效減小護工的工作強度。
由于中國技術開始階段比較靠后，多功能護理床的技術水平較發(fā)達國家還有一些距離，下面是一些發(fā)達國家的護理床市場份額數據。早在2010年美國多功能護理床的市場份額就高達50億美金，日本機械人協(xié)會預測到2025年，日本護理床市場份額將高至70億美金。
美國的護理產業(yè)中Stryker公司是美國醫(yī)療護理器械公司的龍頭企業(yè)，所生產的醫(yī)療護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公司生產的S3型醫(yī)療護理床，他僅僅通過簡單地運動機構實現支背功能。并通過內置機構的工作實現四個輪子的制動與止動。
圖1.2 Stryker生產的S3型醫(yī)療護理床
再觀日本，日本的醫(yī)療器械領域的發(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，他們公司的產品會銷往全球各地，如圖1.3所示是八樂夢公司生產的ICARE PLUS四馬達電動床，該床的直線運動依靠電動推桿，支背功能依靠曲柄滑塊等內部機構。
圖1.3 ICARE PLUS四馬達電動床
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，曬太陽。它所擁有的功能和國內大部分護理床類似，轉動導桿機構完成了支背功能，雙曲柄搖桿機構的運行原理使得床體可以完成升降功能。
圖1.4 永輝輪椅護理床
1.4文章主要研究內容
本文主要研究以多功能護理床坐便器和曲腿裝置為設計目標下的平行運動機構的設計與構建。首先，對平行運動機構在多功能護理床中功能的可行性進行分析并理清思路，然后對平行運動機構進行設計和布局，從不同的功能角度來進行三維建模和分析。
本文所研究的內容大概分為以下幾個步驟：
平行運動機構的總體方案設計。內容包含平行運動機構的設計要求，設計指標，需要實現的功能，以及控制系統(tǒng)的選擇和驅動方案。主要為對設計目標的一些設想和需求。
平行運動機構的詳細設計和動力學分析。在這一部分文章將會對平行運動機構做一些詳細的設計，并將需要實現的功能都體現在設計里，并對平行運動機構做運動學和動力學分析，分析關鍵位置的受力情況，以便之后對目標的建模和電機的選擇。并將結構圖在A0圖紙上畫出來。
平行運動機構結構的設計。在此步驟將會對平行運動機構的結構進行具體的設計，包括機構的各個部位在內，同樣需要考慮其各個部位需要實現的功能，同時考慮各個部位裝配的可行性，通過受力仿真分析，確定具體的結構設計。然后要確定電機的選擇及安裝方式，通過電機所要驅動的力的大小，同時考慮實際經驗來基本確定電機的選擇。
平行運動機構結構調試和強度的校核。對前面設計出來的平行運動機構進行調試，確定其可行性，對目標進行強度校核，確定裝置是否承受得住受力要求，不會發(fā)生破壞且能正常運行。
對研究課題時遇到的問題進行總結經驗，以及對自己的成果進行總結，并對以后的研究進行后續(xù)展望，研究永無止境。
2平行運動機構的總體方案設計
本課題所研究的平行運動機構所適用的人群是喪失肌肉行動能力的病人，所以要根據病人的需求，考慮病人的生活環(huán)境來確定平行運動機構的功能，分析各個功能來進行平行運動機構的總體方案設計。
2.1 設計要求
以平行運動機構為核心的坐便器裝置及曲腿裝置主要對應人群為行動不變的病人，所以設計要求即病人的要求。從適用對象來看，我認為它應該滿足下面幾點要求：
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，這點是第一點也是最重要的一點。
它應該實現它應該有的功能。功能性也是坐便器裝置本身重要的一點要求，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，確定了他的方便性。
它應該遵守行業(yè)要求。坐便器裝置的設計應該遵守國家相關標準。
2.2 總體方案設計
坐便器裝置對于喪失肌肉行動能力的病人來說非常關鍵，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構。平行運動機構總體方案大致按照下圖所示進行設計，由絲杠驅動滑塊，滑塊帶動圖示右邊平行四邊形桿機構進行運動，利用平行四邊形機構特點，保證了左下方平臺不傾斜的上下運動，并且?guī)优c平行四邊形機構串聯(lián)的連桿即束口裝置運動，實現垃圾袋的開口和收口。
圖2.1 平行運動機構簡圖
同時在設計的時候我們對設計時可能會發(fā)生的問題進行了猜測，平行四邊形機構和串聯(lián)連桿機構中一定會用到大量的運動副，而運動副的大量使用可能會導致整個機構的不穩(wěn)定，更加嚴重時可能會導致機構卡死。解決方法：關鍵在于結構的鉸接點，如果能夠保證鉸接點的靈活運行，就能夠有效保證結構的穩(wěn)定性。
2.3控制系統(tǒng)方案
控制系統(tǒng)為平行運動機構功能得以實現的關鍵一環(huán)，要能夠有效控制平行運動機構的功能，保證其功能得以正常運行。
上面基本確定了平行運動機構的類型，同時在多功能護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運行時不會出現錯誤，而且要保證各個裝置共同運行時不會相互作用，互相擾亂，甚至停止工作。
通常用傳感器，電器開關來了解平行運動機構的運行情況和后續(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驅動方案
一般來說，所有裝置的驅動動力一般分為三種，液壓，氣壓和電機。
首先來講電機，電動機可以提供從毫瓦到千瓦不同等級的人功率，范圍很大；電機的控制使用功能優(yōu)良，可以起動，加速，反轉，能夠滿足很多要求；電機的工作效率在驅動動力中占高位，對環(huán)境沒有污染，也基本沒有什么噪音，無煙無味；最后電機的運行很穩(wěn)定，性價比也很高，這些優(yōu)點讓電機在生活中得到了廣泛的運用。驅動電機又分為直流電機，步進電機，減速電機。直流電動機的優(yōu)點是采用的是PWM控制，對電動機的速度控制非常精準平滑。直流電動機調節(jié)速度的性能比較好，即使在有很大負載的情況下，仍然可以均勻的，平滑的調節(jié)速度，調速范圍也比較大。直流電機的起動力矩比較大，能夠節(jié)約的進行轉速調節(jié)，所以，一旦是在有高負載或者是要求均勻調速的機械，都會選擇直流電機。直流電動機的缺點是它只能夠使用交流電的整流或者直流電電源。步進電機的優(yōu)點是由單片機控制，控制的信號是數字信號，不再需要數/模轉換；步進電動機采用脈沖驅動，可以控制轉速和方向，可以根據實際測量來轉變步進電動機的方向。步進電動機的脈沖數與旋轉角度成正比，誤差不會累積并且精度比較高。步進電動機還有另外一個比較顯著的優(yōu)點就是可以很快的起動和停止運行并且精度比較高，正反方向控制也很靈活。步進電動機可以在沒有傳感器的情況下精確定位。步進電機的缺點是其驅動的能力十分有限，不太適合驅動比較小的車子。最后是減速電機，減速電機具有結構緊湊，本身體積比較小，承載能力比較強，能耗低，性能好，效率高，振動小的優(yōu)點。缺點是因為機械效率的存在，使得減速電機輸出扭矩的增加與電機功率不成正比，容易死區(qū)，不好控制。下圖即為典型的步進電動機。
圖2.2 步進電動機示意圖
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，控制調節(jié)裝置，液體介質，輔助裝置。液壓的傳遞動力比較大，在工業(yè)中運用十分廣泛。與電機，氣壓驅動相比，液壓有下面幾條優(yōu)點：液壓驅動十分靈活，所有零件可以根據實際情況需要自由布置；液壓本身質量比較輕，體積比較小，所以它的反應速度可以很快，運動的慣性也比較??；液壓比較容易操縱，可以用來運行大范圍的無級調速；可以自動實現過載保護；很適合機械的自動化，當采用電液聯(lián)合控制后，不僅可以使自動控制程度更深，甚至可以實現遠程遙控。液壓傳動的缺點是由于液體傳動受到的阻力比較大，也有可能會出現泄漏，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，甚至出現爆炸。液壓傳動也不能在比較極端的溫度下運作，高溫容易爆炸，低溫液體容易結冰。液壓元件的制作精細很高，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進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，中遠程控制之外，還有工作介質比較容易處理，介質造價較低，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，氣動輔件構成。下圖中的氣壓泵為氣壓驅動的典型運用。
圖2.4 氣壓泵
而平行運動機構由于是多功能護理床的一部分，對噪音，安全性的要求比較高?？紤]到這一點選取機構的動力元件為步進電機，步進電機能夠調節(jié)運行速度，并且使整個過程的穩(wěn)定性得到了保證。
2.5本章小結
本章主要對所研究機構的設計要求作出了具體的闡述，并且大致描述了平行運動機構的設計思路和功能，以機構原理圖的形式一目了然的表現了出來，最后對坐便器裝置的控制系統(tǒng)和驅動電機做出了選擇，最終選擇坐便器裝置的驅動動力為步進電機，為以后的運動分析和結構設計坐下鋪墊。
3 平行運動機構設計及運動分析
在對文章描述的平行運動機構進行設計的時候要充分考慮平行運動機構的設計理念，從他的功能性，安全性，方便性等各方面進行結構設計。
在進行平行運動機構結構設計的時候，大概需要從下面幾個方面來進行要求，平行運動機構要具有創(chuàng)新的特性，平行運動機構的安全性，平行運動機構的嚴謹性，平行運動機構占用空間的合理性。從這幾個方面綜合考慮，從而設計出真正適合坐便器裝置的病人，讓它為醫(yī)療機械設備的發(fā)展確確實實地做出一份貢獻，而不是徒有其表。
平行運動機構要具有創(chuàng)新的特性?？梢钥吹侥壳皣鴥韧獾尼t(yī)療器械設備的發(fā)展情況，確實是沒有出現一個護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，他們大多結構簡單并且功能單一，嚴重者相互模仿，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。
平行運動機構要具有安全的特性。前文中已經多次強調，即便是在其他所有的領域，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，造成的后果不堪設想。平行運動機構的每一個部件都必須安全可靠，每個地方的機構都應該安裝機械限位裝置，這種裝置可以有效避免裝置的破壞以及造成的人力損失。而且機構的設計也要考慮零件的材料和強度是否達到要求，強度校核一定要過關，最后控制系統(tǒng)也是關鍵的一環(huán)，電機驅動的運動裝置都會伴隨著行程限位開關，它的作用主要是限制機構的運行范圍。后期在進行調試的過程中按照國際按照國家相關標準嚴格執(zhí)行，確保機構的安全性。
平行運動機構的嚴謹性。在設計平行運動機構時，要保證每個零件的尺寸和角度不發(fā)生偏差，測量的數據也要準確，比如在坐便器裝置隨著平行四邊形機構轉動時，平臺應該永遠保持水平，從這一點就能考察出機構設計的是否嚴謹，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。所以在設計過程中，數據都要經過科學的測量和計算，秉承著科學實驗的嚴謹性。
平行運動機構占用空間的合理性。之所以提到裝置占用空間的合理性，是因為平行運動機構僅僅是整個多功能護理床中的一環(huán)，他們裝置與裝置之間環(huán)環(huán)相扣，相互協(xié)同工作，因此每個裝置都應該在各自的運行路線中存在，不應該占據過大的空間，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平行運動機構設計及分析的目標
在對平行運動機構進行設計時，第一步是要確定在前一章所提到的平行機構運動形式，第二步是由平行運動機構要起到的作用和功能來確定機構各部位零件的尺寸，第三步是對平行運動機構進行動力學分析。
在對平行運動機構進行運動學分析時，首先要分析平行運動機構在運動過程中各個點的運動速度和加速度，以及各個桿件的運動情況，然后了解驅動動力的形式和效率，對這些數據進行分析和計算，審核他們是否通過了設計時的要求，主要由速度曲線來判斷裝置運行是否合理。在確定以上數據無誤后，再借用軟件來分析機構各個部位在受載時的力學性能，再次驗證他們是否滿足需求。通常用SolidWorks和Adams來操作。
3.2平行運動機構的設計與運動學和動力學分析
平行運動機構在多功能護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)新性的設計，是多功能護理床中不可缺少的一部分，在目前國內的多功能護理床中鮮有這樣的設計。
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，需要耗費的體力，以及護工需要耗費的精力都不在少數，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，然后護理床中間的蓋口會打開，坐便器在平行機構的運動下水平上升，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計要求。
放眼市面上大多數護理床，無論是中端的護理床還是高端的護理床，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鍵性的一步，才算是把護理床中坐便器功能畫上一個句號。中高端的護理床中都幾乎沒有這種功能，只有一種頂級的護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，使得護理床的其他功能得到了限制，因此我們的設計觀念就是用較小的代價設計出實用，方便，功能性強的坐便裝置。
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)連桿機構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計是一個大難題，由于增加驅動這一方案太過消耗空間，只能設想利用原本的平行運動機構來完成這一設計，并且保證裝置的平穩(wěn)進行。要使這一設想合理且成功實施具有不小的難度，在設計和審核過程中都要慎之又慎。
從設計的功能角度出發(fā)，整個機構分成兩部分，一部分是雙邊平行四邊形機構，雙邊為護理床的左右兩邊，由連桿機構構成，另一部分是塑料袋束口機構，也是由連桿機構構成。
圖3.1 坐便器模塊機構簡圖
上圖中左邊一塊是塑料袋收口機構，右邊一塊為平行四邊形運動機構，右上角兩個O點為固定鉸鏈，左下角平臺GDHB是一個可以活動的機架，D點和G點是鉸接點，H,CE,AC,EF,FG均為連桿，顯然ADHF四點是跨接鉸鏈，以圖中標注的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為平行四邊形機構，左下角可以活動的機架GDHB可以隨著B的轉動而上升，由于平行四邊形兩對邊平行，而平臺永遠保持和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,是連桿機構，與平行四邊形機構串聯(lián)，可以隨著平行四邊形機構的運動而運動，此連桿機構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構簡圖，而且為單邊的，實際上床的兩邊都有一個這種結構，即雙平行四邊形機構，每個機構的邊上都有同樣的驅動力，帶動著連桿機構進行運動，如此就完成了兩個機構之間的協(xié)同運動，就像上面所提到的那樣，這樣設計既實現了原來設計的功能，又節(jié)省了空間和驅動裝置，使整個設計看起來更加精巧，符合我們原本的設計理念。
3.2.1平行運動機構的運動學分析
以圖可以得知該機構的自由度為F=3n-2Pl-Ph=3*7-2*10-0=1。故該機構的自動度為1。
（1）角位移分析
由公式得出復數形式：
……………………………（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+=+得出復數形式：
+=+ ………………………（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，它只能夠被平行運動機構的驅動方式決定，是已經得出的，φ5是輸出角，是要通過運算求出來的，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）各自進行求導后得出：
………………………（3.7）
…………………（3.8）
再將上面兩個式子進行聯(lián)立求解后就可以得出桿GF圍繞G點進行轉動時的角速度，從式子中可以看出GF運動時唯一受到桿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行求導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平行運動機構的動力學分析
使用ADAMS軟件可以很直觀的分析機構運行的合理性。第一步，將所要分析的機構簡單化，只保留最直觀的主體驅動原理和框架，第二步，將簡化后的模型轉換成適當的格式導入ADAMS中，然后配置各個運動副，第三步，完成后再根據實際試驗情況添加驅動。完成后即可開始仿真。
平行機構模塊由絲杠和光軸以及滑塊構成的結構驅動的，滑塊與一個連桿通過一個鉸接點連在一起，然后連桿的另一端與圖中所示的P點連在一起，絲杠驅動滑塊運動，滑塊再拉動平行四邊形機構運動。這與第二章簡要介紹平行運動機構設計時相呼應。
平行四邊形機構的動力學仿真分析的作用主要是檢測關鍵點受載時機構是否合理運行，將滑塊的速度配置成0.02m/s，再使得平行運動機構運行。從仿真結果中可以看出機構的運行符合設計初期時的要求，達到了預期的水準。
隨后選取上圖所示的P點進行受力分析，由于P點處于驅動與機構的連接處，所以P點是個很重要的受力點，如果P點的受力情況符合我們的標準，則認為機構運行可靠安全。其xyz方向的受力情況如下圖所示。
圖3.2 鉸接點P的受力分析圖
此圖中可以看出P點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點收到的力遠小于普通碳鋼的屈服極限，故在P點的受載情況來看，機構的運行是安全可靠的。
3.3本章小結
本章主要對平行運動機構的運行做出了簡單的介紹，并且對平行運動機構做了運動學分析和動力學分析，最終確定平行運動機構的設計是安全可靠的，達到了理想的設計要求。
對坐便器模塊的平行運動機構原理和機構圖進行了簡單的了解，從比較專業(yè)的角度解釋了如何使平行四邊形機構和塑料袋收口機構協(xié)同運行，并且使平行四邊形機構帶動著收口機構運行，從機構簡圖來看設計精巧簡單卻合理的完成了設計要求，極大節(jié)省了安裝空間，優(yōu)化了護理床的整體結構。此外對平行運動機構進行了運動學分析和動力學分析，驗證了機構的可靠性。也使我對Adams軟件的使用更上一層樓。
4 平行運動機構的結構設計
前面已經介紹了平行運動機構的總體設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的規(guī)定，隨后對平行運動機構進行了運動學分析和動力學分析，確定了機構運動的合理性和可行性，然后對實驗數據做出了統(tǒng)計，為這一章的平行運動機構的具體運動和三維建模奠定了基礎。
本次章節(jié)主要介紹平行運動機構在多功能護理床中的具體運動形式和實現方法，主要包含對每個運動副的設計和選擇，對驅動裝置的設計和選擇，對平行運動機構桿件的尺寸，厚度的設計，以及平行運動機構中每個零件的操作方法和表現形式做出詳細的介紹，隨后運用SolidWorks軟件對平行運動機構進行三維建模，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)對平行運動機構進行設計時應當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，應該對于不同功能的鉸接做出不同的處理和設計。然后在設計過程中應當注意設計成本和制作成本，這是一個非常實際的問題，應該使產品的性價比盡量的高，使得設計精巧才是關鍵。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，避免出現材料價格過于昂貴或者在市面上找不到相關材料的情況。
下面將對平行運動機構的結構設計以及驅動裝置的選擇作出詳細的介紹。
4.1 平行運動機構的機械結構設計
在第二章和第三章已經對平行運動機構進行了簡要設計和動力學分析，在本次章節(jié)主要再對平行運動機構的實際機械結構再次進行詳細的設計。
首先從他的功能性出發(fā)，平行運動機構主要幫助目標實現便盆的上下平穩(wěn)運動并且保持便盆不傾斜，這點主要得益于平行四邊形機構兩對邊始終平行的特性。其次另外一個塑料袋束口機構的設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構自動張開，隨后在排便結束后，便盆自動下落的過程中束口機構在自動收緊。另外考慮到空間的狹小使得兩個機構不得占用太大空間，只能使兩個機構共用同一個驅動裝置，這就要使兩個機構巧妙的地結合在一起，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動機構在設計過程中可能出現的問題，其中就有因為是將平行四邊形機構和串聯(lián)連桿機構結合在一起形成一個機構組，在這個機構組中必然會用到大量的轉動副，而大量轉動副的使用必然會使得整個機構的平穩(wěn)性下降。這是從以往的實驗經驗得來的結果：使用轉動副會使機構運動的穩(wěn)定性下降。甚至還會出現機構運行卡死的現象。對此我們想到了對應的解決方法：必須使得每個轉動鉸接的接點運動足夠流暢，每個鉸接點都可以自由靈活的轉動，只有這樣才能使得整個機構運行起來得以穩(wěn)定。不僅如此，還要通過電腦對平行運動機構進行數次運行仿真，不斷對其中發(fā)生的問題進行改正，對機構的模型改正，也要利用自己手中所有的資源對平行運動機構進行樣品制作，在樣品制作的工程中不斷吸取失敗經驗，總結成功經驗，對平行運動機構進行修改，最終得出下面設計方案。
圖4.1 平行運動機構模塊設計示意圖
其中1坐便器蓋板轉軸；2、坐便器蓋板小連桿；3、坐便運動機構從動滑塊；4、螺母滑塊；
5、坐便運動機構長連桿；6、坐便器蓋板從動滑塊；7、絲杠；8、串聯(lián)連桿機構組；
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動機構的形式和驅動形式，可以看到選用的是絲杠和光軸以及滑塊來驅動平行運動機構，在下一模塊我們具體介紹為什么選用這種驅動方式和步進電機型號的選擇。
上面提到過轉動副的使用會導致機構整體的穩(wěn)定性下滑，解決方案是使得保持鉸接點運行流暢，可以靈活轉動，因此這里所有鉸接點選用圓柱銷的形式連接，以圓柱銷的形式鉸接形式表現出了優(yōu)良的的轉動性能，使得鉸接的轉動可以靈活光滑。
下面對平行運動機構的結構設計進行詳細的介紹。在病人需要排便時，打開開關，會使得控制系統(tǒng)控制步進電動機正向轉動，會導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，這樣會導致坐便器蓋板轉軸（如圖1位置）順時針轉動，即坐便器蓋板向下打開，打開護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動機構從動滑塊（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動機構從動滑塊相鉸接，滑塊的移動會導致坐便運動機構長連桿（如圖5位置）拉動坐便運動機構即平行四邊形運動機構（如圖12,13位置）運動，平行四邊形機構運動會導致兩條塑料袋束口壓緊皮帶（如圖10,11位置）張開，實現塑料袋的開口，此刻整個機構的運動狀態(tài)如下圖所示。
圖4.2 平行運動機構模塊打開狀態(tài)
與打開過程相反，當病人排便結束后，控制開關使得平行運動機構，控制系統(tǒng)會控制步進電動機反向轉動，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），坐便器運動機構從動滑塊（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動，使得坐便器蓋口關閉，平行運動機構也會帶動便盆向下移動，塑料袋束口機構也因為串聯(lián)連桿機構的轉動而收口，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 平行運動機構機構示意圖
之前提到過坐便器裝置的設計與目前國內坐便器結構的突出特點是會對排泄物進行保險處理，以減少對相關人力物力的損失，從而達到資源的合理分配。所以除了上述的基礎結構的設計以外，平行運動機構模塊還設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過程，首先選用絲杠驅動，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電機驅動，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運動，從而達到沖洗和烘干的目的，滑塊做往復運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。
通過后期對平行運動機構模塊的實驗和調試，過程中平行運動機構展現出了良好的平穩(wěn)性，比較好的實現了它的設計功能—上下的平穩(wěn)運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到了預期要求。
4.2 平行運動機構的具體驅動方案
驅動電動機的選擇對于平行運動機構來說是關鍵的一環(huán)，最終選用的電機的保持轉矩不能夠低于平行運動機構模塊承受最大壓力下絲杠所需要的驅動扭矩，這是電機型號選擇的關鍵也是標準。
首先選擇絲杠的理由。絲杠的主要功能是把回轉運動轉化為直線運動或者是反過來轉化。絲杠是精密機械中最經常被用到的傳動元件，他可以將旋轉運動轉化為直線運動，或將扭矩轉化為軸向反復作用力【引用于百度百科】，并且具有精度很高，可逆和運行效率很高的優(yōu)點，并且在實際運用中有很小的摩擦阻力，傳動效率很高，定位也十分的準確。從這些功能性的角度來看，絲杠是非常適合平行運動機構的。圖4.4即為絲杠的示意圖。
圖4.4 絲杠示意圖
早在第二章就已經介紹過為什么會選用步進電機作為驅動，這里再簡單說明一下，驅動裝置分三種選擇，電機驅動，液壓驅動和氣壓驅動。
電動機可以提供從毫瓦到千瓦不同等級的功率，范圍很大；電機的控制使用功能優(yōu)良，可以起動，加速，反轉，能夠滿足很多要求；電機的工作效率在驅動動力中占高位，對環(huán)境沒有污染，也基本沒有什么噪音，無煙無味；最后電機的運行很穩(wěn)定，性價比也很高，這些優(yōu)點讓電機在生活中得到了廣泛的運用。步進電機的優(yōu)點是由單片機控制，控制的信號是數字信號，不再需要數/模轉換；步進電動機采用脈沖驅動，可以控制轉速和方向，可以根據實際測量來轉變步進電動機的方向。步進電動機的脈沖數與旋轉角度成正比，誤差不會累積并且精度比較高。步進電動機還有另外一個比較顯著的優(yōu)點就是可以很快的起動和停止運行并且精度比較高，正反方向控制也很靈活。步進電動機可以在沒有傳感器的情況下精確定位。
考慮到步進電機的工作效率較高，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，步進電機還可以調節(jié)平行運動機構的運行速度，確保機構得平穩(wěn)運行，因此驅動的選擇定位到步進電動機。最終驅動模型如下圖所示。中間的一根柱子即為絲杠，上下兩根為光柱，右側下方是電機。
圖4.5驅動裝置
在第三章對平行運動機構進行動力學分析時，從圖3-2中可以看出P點的最大受力為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載，通過絲杠驅動扭矩的計算公式可以得出絲杠的驅動扭矩。
Ta=（Fa*I）/（2*3.14*n1） （4-1）
公式中Fa表示絲杠的軸向最大負載，單位用kgf/mm，Fa=F＋μ mg，F是絲杠的軸向切削力，μ是摩擦系數，m是物品的質量，g取9.8N/kg，I為絲杠的導程，取5mm，n1是進給絲杠的正效率。由此可以得出絲杠的驅動扭矩。
Ta=22.7*52*3.14*0.94=19.227?N·mm=0.0192?N·m
根據實驗經驗得平行運動機構需要電機轉速為90-100r/min，這個轉速時機構可以平穩(wěn)運行，同時考慮到多功能護理床上其他模塊電機型號的選擇，本著盡量使各驅動型號一致的原則選擇一款 PKP268D28A-L型步進電動機作為平行運動機構模塊的驅動，他的轉速-轉矩性曲線如下圖所示
圖4.6 PKP268D28A-L型步進電動機轉速-轉矩曲線
從產品選型手冊中可以查到PKP268D28A-L型步進電動機的保持轉矩為2.3 N·m，運行額定電流是2.8A,電壓為3.4A，以及它的基本步距角為1.8度，從圖中可以看出當步進電動機轉速為90至100r/min時，相對應的最大同步轉矩約為2.05 N·m，遠大于上面我們算到過得絲杠的驅動扭矩，滿足平行運動機構的驅動要求，由此，最終平行運動機構的驅動電機落定為PKP268D28A-L型步進電動機。
4.3本章小結
在本章中詳細的介紹了平行運動機構的結構設計，并對每個結構的功能都做出了細致的介紹，平行運動機構的幾個主要零部件—坐便器蓋板轉軸、坐便器蓋板小連桿、螺母滑塊、坐便運動機構從動滑塊、坐便運動機構長連桿、絲杠、坐便器蓋板從動滑塊、串聯(lián)連桿機構組、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)沖洗烘干的運作做出了詳細介紹。
然后對驅動裝置的選擇和理由做出了詳細介紹，選擇了絲杠驅動并且選擇了型號為PKP268D28A-L的步進電機。
5 裝配調試與強度校核
前面四章對平行運動機構的的原理設計和結構設計作出了詳細的介紹，借助SolidWorks和Adams軟件對平行運動機構做了運動學及動力學仿真驗證了機構的可行性與穩(wěn)定性，滿足了論文提出的設計要求。在本次章節(jié)主要將平行運動機構的各個零件進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，并且對平行運動機構中各個零部件進行強度的校核。
5.1生產加工流程的注意事項
整個生產步驟大概分為六個步驟，下面我對生產加工平行運動機構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的零部件先做好CAD零件圖以及裝配圖，本題目設計的零部件不在少數，將這些CAD圖進行編號并標注其功能，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的圖紙而耽誤加工，可能會導致零部件的遺漏和損失。
生產加工的第二個流程是將第一步中的零部件圖按照各自標注的功能不同而進行分類。這樣做的原因是因為零件的數量一旦超過一定的數目，因為他們的功能不同會導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，不然會導致切割后的零件尺寸成幾何倍數的誤差。
接下來的一步是將上一步已經初步加工后的零部件按照各自不同的功能進行再一次加工，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，不能出現較大的誤差，需要在加工時工作人員全身心的對零部件進行觀測，一旦出現誤差就要及時更正，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行簡單的組裝，然后進行第一次調試，在調試過程中如果遇到問題要及時的對該零部件進行修正，并將出現問題的原因加以記錄，亡羊補牢，有效避免下一次問題的出現。
生產流程的第五步是把第四步中組裝調試后的零部件拆除，然后根據他們的功能性的不同對零部件進行分類，這次分類不同于第三步，主要是根據以后要進行的表面處理方式的不同而分類