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目 錄
摘要 1
ABSTRACT 2
1 緒論 3
1.1 課題研究的背景 3
1.2 國內外研究現(xiàn)狀的調查 5
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 5
1.2.2 國內研究現(xiàn)狀 7
1.3 課題的發(fā)展趨勢 8
1.4 課題研究意義 8
1.5 課題的主要研究內容和擬解決問題 9
1.6 本章小結 10
2 水平與垂直轉換機構的概要設計 10
2.1 用戶需求分析 10
2.2 人體下肢模型分析 11
2.3 設計中應遵循的設計要求和指標 14
2.4 結構的初步設計 16
2.4.1 相關國家標準的查詢與確定 16
2.4.2 尺寸參數(shù)的初步分析 17
2.4.3 水平與垂直轉換機構運動范圍分析 18
2.4.4 機構方案的分析與選型 20
3 機構的運動性能分析 23
3.1 機構運動性能分析的目標 23
3.2 基于Solidworks和AutoCAD的計算機輔助設計 23
3.3 基于Solidworks motion的運動學分析 26
3.3.1 水平與垂直轉換機構的設計力學分析 26
3.3.2 水平與垂直轉換機構的運動學分析 29
3.4 水平與垂直轉換機構的動力學分析 35
3.5 運動學分析的結果 37
3.6 本章小結 38
4 水平與垂直機構的詳細設計 38
4.1 連接與驅動方案的設計 38
4.2 驅動方案的確定 39
4.3 材料的選定 40
4.4 本章小結 40
5 裝配調試與強度校核 40
5.1 水平與垂直轉換機構的裝配 40
5.2 水平與垂直轉換機構的強度校核 41
5.2.1 Solidworks simulation概況 41
5.2.2 分析中所需的主要數(shù)據(jù) 42
5.2.3 部分仿真過程及結果展示 42
5.3 本章小結 43
6 總結與展望 43
6.1 全文總結 43
6.2 后續(xù)的研究方向與展望 45
6.3 心得體會 45
參考文獻 47
附錄 49
摘 要
由于嚴重的老齡化趨勢，中國社會中臥床不起的老人的人數(shù)占比很大，他們因為年齡的增長導致的下肢運動能力的退化，在日常生活中無法獨立的完成吃飯、洗漱等動作，一舉一動都需要他人的幫助與照顧。這給他們帶來了巨大的痛苦，也給其家人和醫(yī)護人員帶來了沉重的負擔。
本次所設計的機構是水平與垂直轉換機構，在本文的研究背景下，它主要是出現(xiàn)在醫(yī)用智能護理床中，作為其重要的一部分，為患者的下肢提供輔助康復訓練功能。它可以通過機構的設計，在一個平面與兩個相垂直的機構之間互相轉換，在醫(yī)用智能護理床中，主要實現(xiàn)了下肢運動障礙者在長期臥床環(huán)境下的上下屈腿功能，幫助患者進行一些簡單的關節(jié)、肌肉運動，防止因長期臥床的情況而出現(xiàn)的肌肉萎縮、神經(jīng)壞死問題的出現(xiàn)。通過一系列的機構設計，可以減少對照顧老年人所需的人力需求，減輕其家人和醫(yī)護人員的負擔，同時提供更好的康復治療效果。
本文在滿足患者心理需求和生理康復需求的大前提下，結合了人體工學的相關知識，秉持著安全、高效、舒適的原則，對機構進行了一系列的設計。其中包括下肢模型的分析、機構的方案選定、三維二維設計軟件的應用、運動學和力學的分析和仿真等等。確定的機構是以電動推桿帶動大腿板的運動，通過平行四邊形機構的設計保證小腿板的平行，達到大腿板和小腿板之間的水平與垂直位置轉換。
關鍵詞：水平與垂直轉換，醫(yī)用護理床，屈腿，三維建模
Horizontal and vertical conversion mechanism design
ABSTRACT
Due to the serious aging trend, the number of elderly people who are bedridden in Chinese society accounts for a large proportion. They are unable to independently complete eating, washing and other activities in daily life due to the deterioration of lower limb exercise capacity caused by their age. All actions require the help and care of others.
The mechanism we designed this time is the horizontal and vertical conversion mechanism. In the research background of this paper, it mainly appears in the medical intelligent nursing bed. As an important part, it provides auxiliary rehabilitation training function for the lower limbs of patients. In the medical intelligent nursing bed, the upper and lower leg flexion function of the lower limb movement in the long-term bed environment is mainly realized, and the patient is assisted. Some simple joints and muscle movements prevent muscle atrophy and necrosis due to prolonged bed rest.
Under the premise of satisfying the psychological needs and physiological rehabilitation needs of patients, this paper combines the relevant knowledge of ergonomics and adheres to the principles of safety, efficiency and comfort, and carries out a series of design on the institution. These include analysis of lower limb models, selection of institutional options, application of 3D 2D design software, analysis and simulation of kinematics and mechanics, and more. The determined mechanism is to drive the thigh plate by the electric push rod, and the parallelogram mechanism is designed to ensure the parallel of the lower leg plate to achieve the horizontal and vertical position conversion between the thigh plate and the lower leg plate.
Keywords: horizontal and vertical conversion, medical nursing bed, flexed leg, 3D modeling
水平與垂直轉換機構設計
孟旭彬 011115103
1 緒論
1.1 課題研究的背景
本題目（水平與垂直轉換機構），是導師主持的產(chǎn)學研項目，來源于正在研發(fā)設計的創(chuàng)新機械產(chǎn)品“醫(yī)用智能護理床”，為其中的一部分機構，結合優(yōu)化設計與實際應用，為此課題提供了有力支撐。
目前，中國的人口分布有嚴重的老齡化趨勢，老年人的總量在中國當今的總人口數(shù)量中已經(jīng)占了很大的比重，且有持續(xù)上漲的趨勢。數(shù)據(jù)表明，截止至2017年底，我國的人口總量為139008萬人，其中，年齡在16-59之間的可勞動人口有90199萬人，占總人口的17.3%，其中65周歲及以上人口15831萬人，占總人口的11.4%。60周歲以上人口和65周歲以上人口都比上年增加了0.6個百分點。預計到2020年，老年人口達到2.48億，老齡化水平達到17.17%，其中80歲以上老年人口將達到3067萬人；2025年，六十歲以上人口將達到3億，成為超老年型國家?？紤]到70年代末，計劃生育工作力度的加大，預計到2040我國人口老齡化進程達到頂峰，之后，老齡化進程進入減速期。
圖 1.1 2007-2020年中國60歲以上人口數(shù)量及比重
與此同時，老年人群體中行動不便的人群占比也很大。數(shù)據(jù)表明，腦癱的發(fā)病率在我國為1.84%，并且在老年人口之中，發(fā)病率更達到了10%。與此同時，肺部疾病導致的呼吸道相關疾病、心臟疾病導致的供血問題、關節(jié)骨骼的老化積液風濕、長期缺乏運動導致的肌肉萎縮老化等等疾病，都是常見與老年人口之中的疾病，且都會導致老年人口運動的障礙。長期以來，甚至會導致常年臥床不起，最終肌肉運動能力達到一個極低的水平，最終徹底喪失運動能力。這樣的情況表明了，老年人口中，尤其是70、80歲的大齡人口，受運動障礙影響的人口將占很大的比重。這同是也表明了，社會需要投入很大的資源，包括醫(yī)療器械、醫(yī)護人員等等的醫(yī)療資源在這些失去行動能力或者半失去運動能力的老年人口之上。然而對此類無運動能力、自理能力的人群的照顧，本身就是一個難題。長期失去運動能力的人群無自理能力，每天的一舉一動都需要他人的協(xié)助，且按照現(xiàn)有的醫(yī)療條件，完成對無運動能力的老年人的翻身、排泄、坐臥切換往往需要2-3個醫(yī)護人員的合作才能完成，隨著中國老齡化人口的進一步增多，這無疑對醫(yī)護人員的數(shù)量提出了巨大的要求。
如此嚴重的人口老齡化勢必將帶來一系列的社會問題，眾所周知，養(yǎng)老一直是中國社會一個長久存在的話題，且養(yǎng)老問題切實的聯(lián)系到中國社會的方方面面，在我看來，只有合適的安排好老年人的贍養(yǎng)工作，做到老有所養(yǎng)，國家才能保證經(jīng)濟社會的穩(wěn)定?？梢韵氲降氖?，數(shù)量如此龐大的老年人口會帶來十分嚴重的醫(yī)療、社保壓力，現(xiàn)有的醫(yī)療保障政策和當今配套的醫(yī)療器械不可能應對的了持續(xù)增長的老年人口數(shù)量，一定會有相應的政策改動，相應的，醫(yī)療器械的研發(fā)也迫在眉睫，研發(fā)能在當今人口老齡化情況如此嚴重且持續(xù)增長的環(huán)境下，且能方便子女、醫(yī)護人員照顧行動不便，甚至失去行動能力的老年人的一系列醫(yī)療產(chǎn)品成為了時代的要求，有著重要的意義。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀的調查
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
由于經(jīng)濟水平、科學技術水平較高，以日本、美國、歐洲為首的發(fā)達國家很早就開始重視了醫(yī)用智能護理床產(chǎn)品的研發(fā)。因此在市場上常見各種國外廠家的不同規(guī)格、不同功能的智能護理床。在歐美和日本市場上，醫(yī)用智能護理床已經(jīng)有了較大的份額，市場價值也在逐漸膨脹。2011年，護理床在美國的整體市場份額就已經(jīng)達到了53億美元。并且國外的技術較為純熟，且偏向高端。具有代表性的商家有日本的Murate Machinery公司，美國的Metrocare Devicelink 和HILL-ROM公司等等。
日本的Murate Machinery公司早期生產(chǎn)的一款醫(yī)用智能護理床的結構中，主要包括主床體和一個可變輕型輪椅結構，電動輪椅的機構平時收縮在床體內，在日常的使用時，輪椅與主床體是一體化的，但是此產(chǎn)品可以通過變形轉換，將輪椅平面收縮，輪子及相關機構移出，成為一個可以讓病人離開床體，在輪椅上自由活動，是一個十分新穎的一體化產(chǎn)品。該產(chǎn)品被譽為家庭護理領域的一場革命。
此外，美國Metrocare公司的產(chǎn)品可以大大的減少醫(yī)護工作者的體力消耗。它可以通過電動機控制，實現(xiàn)自動的起背、屈腿等動作，尤其是考慮到中國醫(yī)護人員之中，女性占較大比重，所以這也是一項值得借鑒的產(chǎn)品。Devicelink公司的產(chǎn)品與日本的Murate Machinery公司有異曲同工之妙，也將輪椅和病床一體化，使其可以通過機構轉換的方式自由切換兩種形態(tài)，既可以作為病床滿足日常醫(yī)療用途，也可以作為輪椅為家屬照顧患者的外出通風透氣提供了便利的條件。
圖1.2 德國bock公司生產(chǎn)的護理床產(chǎn)品圖
隨著科技的迅速發(fā)展，醫(yī)用智能床也有了新的革命性變更。早在本世紀初，科學家Jias等人利用CORBA作為通訊體系結構，設計了網(wǎng)絡分布式遠程護理系統(tǒng)，此類系統(tǒng)具有很好的比例縮放和交互通訊能力，同時滿足不同的機構組織可以獨立完成計算、分析、決策功能。并且產(chǎn)品擁有配套的平臺，可以讓使用者，包括醫(yī)護人員和患者及時溝通交互，實現(xiàn)對患者的遠程護理。
著名的日本的三洋公司也有創(chuàng)新的項目。他們大膽的提出了整體傳送方案，通過他們的設計，可以將病人從床上直接傳送到浴室、洗手間等處。
圖1.3 德國bock護理床的結構簡圖
1.2.2 國內研究現(xiàn)狀
而我國的醫(yī)用只能護理床由于起步時間較晚，技術水平及使用普及率較歐美日等國的確有較大差距。但是我國在最近幾年也在逐漸重視這項技術的研究。
其中，華南理工大學的謝存禧等人便研發(fā)了一款護理床。他是利用了機器人多軸控制技術，由不同的電機驅動，在plc系統(tǒng)的控制下，完成各個模塊的位姿轉換，實現(xiàn)各種不同的功能形態(tài)，達到不同的護理效果。并且在人機交互方面也做了簡化設計，可以通過語音控制和按鍵控制兩種不同的方式來完成所需的功能。
石家莊市滿友醫(yī)療器械實業(yè)有限責任公司所研制的一款產(chǎn)品相對比較成熟。床體由框架結構構成，床面由幾塊不同的板子所構成，可以完成起背，坐姿臥姿姿態(tài)轉換、屈腿、移動、剎車等等基礎功能，是市面上功能較為完整的一個產(chǎn)品。并且他還加入了呼叫、娛樂、液晶顯示屏等等不同的功能，能在功能上豐富了不少。
圖1.4 國內某公司生產(chǎn)的醫(yī)用護理床
在去年舉辦的第十二屆中國國際養(yǎng)老、輔具及康復醫(yī)療博覽會中，也出現(xiàn)一批優(yōu)秀新穎的新一代醫(yī)用智能護理床。其中的產(chǎn)品一般運用雙曲柄搖桿機構來完成智能床的上下升降轉換，與此同時，雙曲柄搖桿機構與轉動倒桿機構相互配合，可以使床身的上下升降和背部角度改變同時進行。同時也有很多機構可以通過機構設計和電機驅動，完成下肢部分的形態(tài)改變，十分新穎，也展現(xiàn)了我國國內在醫(yī)療護理器械的創(chuàng)新意識和設計理念正在慢慢更新，趨向于成熟。
1.3 課題的發(fā)展趨勢
在日常生活中，其實醫(yī)院里一直都存在著醫(yī)用護理床的初步概念。最初的護理床是普通的鋼制病床，人們?yōu)榱藢Σ∪似鸬焦潭ㄗ饔茫乐共∪藵L下，通常在四周加入擋板，并配有其他的一些小設計，如方便病人掛點滴的懸架，方便呼叫醫(yī)護人員的呼叫按鈕，方便及時對患者進行心率及其他指標檢測配套儀器等?，F(xiàn)存在醫(yī)院中，最常見的病床也是通過了一系列的設計，加入了很多不同的功能，有可以轉換成輪椅形態(tài)的輕質醫(yī)療床，有可以移動，當做擔架使用的醫(yī)療床等等。最常見于醫(yī)院病床之中的機構設計便是通過手搖可以改變背部角度，以達成坐姿臥姿轉換的功能。這種功能可以方便對病人的洗漱、進食等方面的照顧，同時也可以轉換姿勢，給患者帶來舒適。
但是僅有如此的設計，是無法滿足如今及以后嚴重的老齡化問題的。近幾年，隨著科學技術的發(fā)展，同時伴隨著整個社會對醫(yī)療保障體系的重視，電動護理床開始逐步出現(xiàn)在人們的視野之中。例如通過電動機驅動的方式來代替以往的手搖方式，可以更省力的完成坐臥姿態(tài)的轉換。與此同時，還有更尖端、更具有創(chuàng)新特點的多功能護理床，此種護理床是將微機技術和機械技術、醫(yī)療技術相結合，完成對患者的綜合護理工作，并且實現(xiàn)重大突破，在滿足護理醫(yī)療功能的同時可以完成保健康復功能，完成綜合多元化發(fā)展。隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，新一代醫(yī)用智能護理床勢必會將微機、醫(yī)學、機械、人體工學等學科結合交叉在一起，達到多元化發(fā)展。同樣，水平與垂直轉換機構作為醫(yī)用智能床很重要的一部分，也可以在下肢姿態(tài)轉換的功能下，發(fā)展到模擬運動訓練，以及其他更有創(chuàng)造性的功能。
1.4 課題研究意義
從上世紀90年代開始，中國就已經(jīng)有了人口老齡化的趨勢，本世紀初便開始正式步入了老齡化社會，并且老齡人口數(shù)量和占比都以一個很快的速度持續(xù)增長。與此同時，與歐美等國的老齡化情況不同，我國存在一個未富先老的情況，即經(jīng)濟發(fā)展水平并沒有達到一個很高的程度，尚且處于一個發(fā)展中國家的階段，便已經(jīng)開始了逐漸步入老齡化社會。這樣的情況預示著我國暫時并沒有足夠的經(jīng)濟實力、醫(yī)療條件和社會意識來應對如此嚴重且快速的老齡化進程。
并且由于我國大量的人口基數(shù)，中國的老齡化程度在世界上也是數(shù)一數(shù)二的。我國的老齡人口數(shù)量遠遠超過世界上其他所有國家，而且由于上世紀中后期的生育思想、政策，我國的老齡化速度也是世界最高水平，因此，我國應對老齡化的任務是非常嚴重的，形勢也非常嚴峻。況且對于其中相當數(shù)量的行動不便的老年人，長時間臥床不起可能會導致一系列問題，如占用大量的醫(yī)護人員，且長時間臥床不起容易造成應力性潰瘍，俗稱褥瘡。這是一種常見于癱瘓患者的疾病，是由于肌肉組織長期壓力導致的局部組織壞死。據(jù)報道，每年約有6萬人死于壓瘡并發(fā)癥。與此同時，長時間臥床所導致的肌肉萎縮、長時間可能徹底喪失行動能力，都是醫(yī)護過程中可能遇到的重大難題。
結合上文中，中國社會老齡化嚴重、且養(yǎng)老的器械、人力資源緊缺的背景。我國需要把提升醫(yī)療從業(yè)人員的數(shù)量和素質、完善養(yǎng)老保障體系、研發(fā)高新技術的醫(yī)療器械三項任務放在一個重要的位置?，F(xiàn)存的一些醫(yī)療器械大多數(shù)結構簡單，功能單一，大多只有配套的，用來掛點滴的桿子，稍復雜的可能會配有呼叫裝置、心率檢測裝置，但是總體的機構設計方面，特別是床板設計方面，結構非常簡單，與日常使用的床無太大差異，最多通過手搖的方式能調整背部角度，實在無法滿足更進一步的要求。
而本文中本次設計所來源的項目——多功能醫(yī)用智能床就是為了應對如此嚴重的老齡化現(xiàn)狀而生的新一代創(chuàng)新醫(yī)療產(chǎn)品。它可以通過一系列機械設計，以完成日常照顧大齡老人所需要的翻身、排便、模擬運動等一系列功能。而水平與垂直轉換機構則作為其中的重要組成部分，則可以完成對患者下肢的姿態(tài)變化、并且通過模擬人走路的方式，對患者進行康復下肢康復訓練，進而有效的防止由于長期臥床所導致的褥瘡的產(chǎn)生及肌肉萎縮情況的出現(xiàn)，且對于下肢暫時損傷的患者來說，能起到牽引運功的作用，對下肢骨骼肌肉神經(jīng)的復建起到了重要的作用。同時在治療過程中并且能夠對患者的心理也有很好的影響，進而對整體的康復醫(yī)療過程產(chǎn)生重大的意義。
1.5 課題的主要研究內容和擬解決問題
本可以所研究的機構是醫(yī)用智能護理床的一個重要機構，在醫(yī)用智能護理床中，使患者可以改變常用的臥姿，讓其可以正常屈膝，使患者完成日常所需的姿態(tài)轉換與肌肉運動，有效避免因長期臥床而導致的褥瘡、肌肉組織萎縮壞死等隱患，并提供了理論基礎使未來床-輪椅一體化成為可能，從而支撐起了對患者的下肢護理、康復、訓練功能。
在本次設計中，我擬完成的主要工作內容如下：
用戶需求分析：通過走訪，數(shù)據(jù)調查等方式，了解到產(chǎn)品主要面向人群，即老年人、下肢運動障礙患者和其護理人員的日常護理情況，并分析其主要需求，來制定設計的主要思路和方案，也確定設計要求和設計指標。
（1） 方案的概要設計：按照所分析確定的設計要求及設計指標，選擇可行合適的機構方案，綜合考慮成本、效果等因素，達到所需的效果。并確定整個結構的大致尺寸，對所需的電機進行選型完成驅動方案。
（2） 機構的詳細設計及建模：完成機構中各部分的詳細機構設計，包括尺寸設計、材料選擇等，并進行詳細的逐個的零件Solidworks三位建模，初步驗證概要設計中各部分尺寸選擇的可行性。并完成整體的裝配。
（3） 受力分析：采用Solidworks中自帶的有限元分析軟件Simulation對建模的各部分進行力學強度校核，并對照安全要求，確定設計的可行性，保障設計的質量。并運用Solidworks Motion軟件對各部分進行運動學仿真，確定各部分可以完全穩(wěn)定的完成所需的功能。
（4） 二維三維圖紙的整理導出：根據(jù)已經(jīng)完成的Solidworks三維建模繪制出設計中的一系列圖紙，包括零件圖、裝配圖等等，并標明各部分的尺寸要求、裝配注釋等等。
（5） 設計的總結與體會：總結本次設計內容。包括自己的心得體會，總結設計過程的難點重點，自己設計的亮點及不足，以及對此項目的看法等等。
本次設計中的主要技術路線依照上文設計內容展開。包括用戶需求分析、機構分析及結構確定、尺寸的確定和計算、Solidworks三維建模、Solidworks Motion仿真、Solidworks及AutoCAD圖紙的導出等。
1.6 本章小結
本章主要為后續(xù)的論文寫作做出了前期的一系列準備工作，在進行本章內容的設計時，我查閱了大量的資料，對課題的研究背景、現(xiàn)實需求情況進行了分析，同時參考了現(xiàn)在市面上已有的產(chǎn)品，對他們的特點進行了了解，并在此基礎上大致確定了下文需要研究并表達的內容以及研究思路，為我之后的寫作起到了一個指導的作用。
2 水平與垂直轉換機構的概要設計
2.1 用戶需求分析
本次的產(chǎn)品主要使用在醫(yī)院的較高級病房中，為行動障礙的患者提供下肢康復的相關便利，同時也可以在家中使用，因此產(chǎn)品的主要適用人群不止是下肢運動有障礙的病人，還應把負責照顧他們的人群算在內，如醫(yī)院的醫(yī)護人員，還有家中的年輕一代。
在醫(yī)院病房和家中，有很多下肢運動有障礙的人，如殘障人士，肢體癱瘓人群，腦部障礙人士等等，他們大多數(shù)不能獨自完成日常的一些簡單動作，如洗漱、翻身、抬腿等等，其中很多人甚至沒有自理能力，屬于失去行動能力的人群。對這類人群的照顧是一個相當辛苦的工作?，F(xiàn)有的醫(yī)療條件下，照顧這些人群不僅給護理人員帶來了巨大的身體負擔，還會給其家人帶來巨大的心理壓力。尤其是考慮到我國老齡化進程飛速加快的如今。這一類的新型醫(yī)用智能護理床的出現(xiàn)為的就是提高臥床患者的日常體驗，以最方便的方式幫助他們完成日常的一些肢體動作，使部分行動本身不方便的輕癥狀人群有一定的自理能力，同時可以減輕醫(yī)護人員的負擔。認真分析背景意義，并對如今的醫(yī)療機構、醫(yī)療條件有一個初步的了解后，我覺得用戶的主要需求如下：
（1） 能輕松的了解其操作方式?？紤]到患者主要是年齡較大的中老年人，因此產(chǎn)品的操作界面應以簡單易懂為第一要點，盡量采取一鍵啟動，一鍵停止的方式來控制。并且考慮到很多70、80歲以上的老年人文化水平較低，所以盡量再按鈕上附上簡單的圖片，能讓部分老年人也能獨立完成機構的使用。
（2） 能起到活動放松身體的效果?？紤]到產(chǎn)品的用戶大多數(shù)是行動不便，無法下地走路的群體，因此為避免長期臥床不動導致的肌肉萎縮、下肢退化、神經(jīng)失靈等癥狀。
（3）能幫助下肢的康復。對于部分患者來說，適當?shù)闹委熆梢允顾麄兊牟∏闇p緩，幫助他們進行下肢復建。尤其是長期臥床的患者，大多數(shù)時間其實都是可以被利用起來的。如果能把日常浪費掉的時間用來康復治療，那一定會對患者的病情有重大的意義。
2.2 人體下肢模型分析
在醫(yī)學上，人體腹部以下的全部部分被稱作下肢。按照從上而下的順序，醫(yī)學上通常把下肢分為臀部、股部、膝部、小腿部和足部。它是由骨骼、肌肉、血管神經(jīng)、淺深筋膜以及皮膚組織組成的，并可以區(qū)分為淺層結構和深層結構。在淺層結構中，主要是皮膚和淺筋膜兩部分，并且在淺筋膜中，有很多淺靜脈、淋巴管和表皮神經(jīng)。深層結構則不同。有深筋膜、肌肉、血管、骨骼四部分，并以血管神經(jīng)及其行徑為依托，成為下肢結構中很多不可或缺的重要核心機構部分。
圖2.1 下肢組成分析圖
人的下肢還有相當數(shù)量的肌肉成分。髖肌、大腿肌、小腿肌和足肌等都是下肢肌肉不可或缺的部分，他們共同組成了下肢的肌肉組織。不同于人的上肢肌肉，下肢肌肉部分更強壯，肌肉數(shù)量更大。這樣的肌肉組成可以很方便的保證人的日常行為動作，如日常的站立，走路，奔跑和坐臥等等各種功能。
圖2.2 下肢肌肉組成
下肢肌肉相對于上肢肌肉的粗大等特點表明了它也有更好的接受壓力的能力。而對足部而言，并不承擔日常的工具使用等任務，對于長期臥床的人員來說，需要注意的是踝關節(jié)的活動。
這里便不得不提到下肢最重要的三個關節(jié)，即髖關節(jié)，膝關節(jié)和踝關節(jié)。在本次課題中，需要印象到的關節(jié)主要為髖關節(jié)和膝關節(jié)，足關節(jié)暫時不在本文分析范圍之內，因此在這里暫不做贅述。
髖關節(jié)主要起到髖骨和股骨的連接中轉作用，它是具有多軸性的特點，人體日常行為中的屈伸、收展、旋轉及環(huán)轉運動，都是依托于髖關節(jié)去完成的。髖關節(jié)的關節(jié)頭與關節(jié)窩大小幾乎一致，所以可以運動的角度并不大。此外，髖關節(jié)也有著關節(jié)囊厚的特點，同時因為相應韌帶的有效牽制，髖關節(jié)十分穩(wěn)固，但是靈活度有限。正是這樣一個巧妙的結構滿足了人類對于直立行走的要求。
圖2.3 髖關節(jié)的活動范圍示意圖
與髖關節(jié)不同，膝關節(jié)主要負責股骨和脛骨的鏈接。膝關節(jié)很大且結構非常復雜，是下肢結構中，甚至是整個人體結構中復雜程度數(shù)一數(shù)二的關節(jié)之一。它主要由股骨內、外側髁和脛骨內、外側髁以及髕骨構成，屬于滑車關節(jié)。值得注意的是，膝關節(jié)是人體中非常復雜的關節(jié)，他在具有很高的使用頻率同時，同樣也是最脆弱、最易損壞的關節(jié)。尤其是老年人的膝關節(jié)，常伴有積液等等癥狀。所以膝關節(jié)是本次在做整個設計中最需要關注的關節(jié)。除去主要構成部分之外，還有半月板，髕上囊和髕下深囊和加固關節(jié)的韌帶等，他們是主要的輔助結構。膝蓋有很多常見的疾病，尤其是在老年人群體中，因此在設計中，需要特別注意對膝關節(jié)的保護。
圖2.4 膝關節(jié)活動范圍示意圖
而每一個自由度可以達到的角度則如下表所示（表2.1）。
表2.1 膝關節(jié)的運動方向和角度
運動方向
曲屈
后伸
旋內
旋外
運動角度
0-135°
0-15°
0-30°
0-8°
2.3 設計中應遵循的設計要求和指標
（1）滿足患者的生理康復需求
對于那些飽受下肢障礙疾病的人群來說，藥物的治療只是一方面，合理的康復訓練會對病人的健康回復起到很重要的作用。一般來說，間斷的人為康復訓練形式種類單一，效率較低，且由于人的控制能力相對較弱，整個過程中力度手法存在差異，無法保證訓練能達到穩(wěn)定的收益效果，且易出現(xiàn)錯誤。并且人的康復訓練沒有足夠的反饋系統(tǒng)，患者并不能直觀的看到效果，因此人工的康復治療有很大的局限性。對于下肢運動障礙患者而言，下肢的運動訓練十分重要，直接關系到患者的康復過程，甚至可能關系到患者的下肢骨骼、肌肉恢復情況、今后的自理能力和生活情況。及時有效的康復訓練，增強下肢的肌肉活力，保持下肢的運動功能，為康復后的適應正常行走，對很多患者都有著十分重要的意義。
與此同時，下肢運動障礙的患者很多都是因為下肢的不便而導致自理能力的缺失，并且可能常年臥床不起，使得本身就存在運動障礙的下肢情況更加糟糕，他們日常的活動，如洗漱，吃飯，排便等等都需要在床上進行。這會給他們的心里帶來一定的影響，如缺乏安全感等等，進而影響自身的行為。這樣的情況會使患者期望借助器械的功能，來獨立完成一些事情。因此，按照他們的生活需求，針對他們的實際困難量身設計早期的康復訓練運動，務必能實現(xiàn)患者的生理上真正康復。
（2）滿足患者的心理康復要求
心理作用是客觀存在于人的大腦之中的反應。人的行為和心里反應是互相影響的。從心理學角度去分析，下肢功能障礙者是心理上的弱勢群體，他們知道自己的生理方面存在一定的缺陷，相對應的心理上可能存在著自卑、缺乏安全感、過于依賴別人等等一些列問題，伴隨來的還有焦慮、恐慌、不安等等。而且當他們長期受到病痛的折磨，遠離外界的社會，心理的復雜不是一般人能夠想象的。他們也渴望回復健康，渴望能減少自己對他人產(chǎn)生的負擔，做一個獨立的人。
由于患者的這樣的心理，本文在設計中可以充分利用患者的主觀能動性，讓患者積極主動的投身于康復訓練中，滿足患者的心理康復要求，讓患者有一個愉快的心情，幫助他們更快的康復過來。
（3）滿足人體工學的尺寸及細節(jié)設計
在本文整個醫(yī)用智能護理床結構的設計中，本文應該從人機工程學方面考慮。需要詳細的分析人的生理結構情況、心理健康情況、行為習慣等等方面，為產(chǎn)品的患者提供最舒適的使用體驗。在外觀方面，產(chǎn)品盡量避免過于鮮艷的顏色，如紅色、橙色、黃色等，盡量去選擇偏于安靜、沉穩(wěn)的冷色調，如白色、灰色、淺綠色、淺藍色等等，這樣的顏色可以配合病房的整體布置，給老人一個偏于安靜的心理環(huán)境，同時也對患者的心情有一定影響，跟可以對患者的心率等身體指標產(chǎn)生好的印象。
在設計中，要以我國的成年人人體為主要尺寸標準來做參考，來確定醫(yī)療護理床的長寬及機體尺寸。肢體功能障礙的原因造成了常年臥床而形成的疾病，或者由于肢體的病變而造的不能大范圍運動。在設計中，本文主要參考《醫(yī)用電氣設備 第一部分：安全通用要求》、《醫(yī)用電氣設備 第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》等相關標準，作為設計指標。同時又從人體工程學的的角度對活動范圍以及關節(jié)活動度上進行適當?shù)男拚?
在設計中，要多注重細節(jié)的設計。盡量將尺寸設計滿足人體的四肢結構，且在運動過程中盡量平緩，除去發(fā)生危險意外的可能性。
2.4 結構的初步設計
2.4.1 相關國家標準的查詢與確定
本次所設計的產(chǎn)品主要面向人群是遭遇下肢損傷的運動障礙者和年齡較大的老人。因此要根據(jù)目標人群的具體特點來確定產(chǎn)品應用的承載能力。
圖2.5 中國各地區(qū)的身高體重分布表
上表中反應了如今中國不同地區(qū)的體重、身高等指標的分布情況，可以看到中國各地區(qū)的體重等指標雖有差異，但大致相同。而且考慮到人的體重會隨年齡。生活狀況等因素多次改變，并不穩(wěn)定，因此應以成年人的體重為標準，并考慮到特殊肥胖人群的需求。
圖2.6 床各部分載荷標準要求
同時根據(jù)國家《醫(yī)用電氣設備第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》中的規(guī)定，現(xiàn)在設計的醫(yī)用智能護理床必須有承受1700N載荷的能力。其中，1700N的載荷中，患者重量的指標為1350N，此外還包括了200N的床墊質量和150N的附件質量。并且上述文件還對醫(yī)用智能床各部分的載荷分布做出了具體的規(guī)定。其中腿部的載荷，包括小腿和大腿支撐板的載荷，共占總載荷的30%。如上圖所示。
根據(jù)國家要求和自己的分析，最終選定總床的承載上限為2000N，且下文的設計都以此為標準。
2.4.2 尺寸參數(shù)的初步分析
在《中華人民共和國行業(yè)標準——病床》文件中，規(guī)定了床體的整體尺寸標準，為
長×寬=1950mm×900mmm
且《中華人民共和國行業(yè)標準》文件中，規(guī)定了行醫(yī)用機械床的基本尺寸要求，其中不含床架的床面長度范圍為1900-2100mm ，床面寬度范圍為 850-1000mm ，床面離地高為 380-630mm 。
根據(jù)實際所查到的標準要求，并參考市場上已經(jīng)存在的護理床的相關數(shù)據(jù)，結合實際的需求，綜合考慮床的方便、舒適、和人體的適配性等一系列指標，滿足項目具體需求的床體整體尺寸為2000 mm × 900 mm × 440 mm（長x寬x高）。
圖2.7 人體坐姿分析圖
水平與垂直轉換機構是通過床板來達到最終的執(zhí)行功能。在設計床板的尺寸時，毫無疑問的，人的坐臥姿尺寸及小腿大腿兩部分的具體尺寸是最重要的參考數(shù)據(jù)。GB/T10000-1988中國成年人人體尺寸標準中給出了規(guī)定，如今36-60歲的女性身高標準為1477mm，其中坐姿高度為805mm，小腿加足高為388mm，做深為400mm。男性則稍有不同，36-60歲之間的男性身高標準為1761mm，坐姿高度為952mm，小腿加足高為442mm，坐深為494mm。同時由于人的坐姿可能改變，因而導致坐姿所得數(shù)據(jù)有差異。并且每個人的數(shù)據(jù)在不同的時間節(jié)點可能也不一樣。所以在此處本文就以標準數(shù)據(jù)作為參考，以達到滿足絕大多數(shù)人的日常使用需求。經(jīng)過仔細分析，確定大腿板的尺寸為 300mm × 690mm （長×寬），小腿板的尺寸為280mm × 690mm （長×寬）。
2.4.3 水平與垂直轉換機構運動范圍分析
根據(jù)國家標準《醫(yī)用電氣設備第二部分：醫(yī)用電動床安全專用要求》關于背板、大腿板、小腿板調節(jié)范圍的建議值，如圖下圖所示：
夾角A的彎曲范圍應該在 0°- 70°內，且不小于此參數(shù)。
夾角B的彎曲范圍應該在 0°- 12°內，且不小于此參數(shù)。
夾角C的彎曲范圍應該在 0°- 20°內，且不小于此參數(shù)。
夾角D的彎曲范圍應該在 0°- 180°內。
圖2.8 國家對醫(yī)用智能床的運動角度規(guī)定
本次設計中，理想中的水平與垂直轉換機構不僅僅可以完成向上的屈腿動作，也可以向下屈腿，完成近似坐姿的切換，因此，考慮過后確定整個屈腿部分的運動范圍分別為實現(xiàn)上屈腿功能時的0°- 40°，實現(xiàn)下屈腿功能時的-70°- 0°。
圖2.9 下肢運動過程中兩種運動方式的介紹
2.4.4 機構方案的分析與選型
通過查找資料、分析、參考現(xiàn)有的各種產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)水平與垂直轉換機構可以通過很多種不同的方案來實現(xiàn)所需的屈腿功能。不同的機構能實現(xiàn)的功能也有差異，且在舒適度、治療方式、穩(wěn)定性等等性能方面也大大不同，下文我將通過對幾種常見且可行的機構進行分析，認識他們的特點和功能，選出最適合本次設計的機構設計方案。
圖2.10 第一種設計方案結構簡圖
上圖是一個九個活動部件構成的機構，主要的部分是推桿、連桿和電機。該機構共有十二個低副，兩個高副，自由度為
因此，該機構自由度為一，有確定的運動形式。該機構的大腿板和小腿板是由連桿機構所帶動的。當有動力輸入電機中時，電機開始工作，提供動力讓推桿及絲桿進行轉動動作，并由連桿機構最終帶動大腿及小腿部的床板運動。大腿及小腿的床板通過這個過程運動了一定的角度，達到了一定的位置時，便達到了本文中所需的屈腿效果。在此種方案內，最關鍵的部件是推桿，如果想讓小腿及大腿床板擁有較大的活動范圍，則對推桿的長度尺寸有著較大的要求。并且當下屈腿功能進行時，由于機構本身的缺陷，可能會出現(xiàn)與床其他部分想干涉的情況。并且此種機構占用空間較大，且結構復雜，不符合本文輕便的設計要求，因此，這次設計最終舍棄了這種方案。
圖2.11 第二種設計方案結構簡圖
此種機構是大腿床板與小腿床板單獨控制進行運動的機構。機構中為大腿床板和小腿床板分別配備了一套獨立的連桿機構。此機構中共有六個活動部件，其中旋轉低副共有六個，滑動低副共有兩個，沒有高副機構，床板與連桿機構之間通過鉸鏈的形式進行連接。自由度為
依靠該機構設計的垂直于豎直轉換機構的自由度為2，大腿床板與小腿床板運動獨立，有兩個電動機驅動，即有連個原動件，原動件數(shù)量和機械自由度相等因此也有確定的運動。在運動過程中，需要兩套電動推桿進行配合。此機構同上一個機構一樣，都對推桿的長度都有較大的要求，進而占用空間較大。且此機構需要兩套電機 - 連桿機構，帶來了更大的控制難度，同時兩個機構需要相互配合，也使它的成本、故障率達到一個較高的水平。綜上所述，本次的水平與垂直轉換機構也暫時不考慮此種方案。
圖2.12 第三種設計方案的結構簡圖
上圖所示的第三種方案是以平行四邊形為主要設計思路的方案，機構由大腿床板、小腿床板、連桿機構和一個電動推桿所組成，主要是通過連桿來推動大腿床板的運動，同時依據(jù)平行四邊形的結構特性，保證了小腿床板的運動情況。機構中共有五個活動部件，其中低副共有七個，轉動副六個，滑動副一個，沒有高副機構。自由度為
機構的自由度為1，由一個電動推桿作為原動件提供動力，原動件數(shù)量等于機構自由度，因此機構有確定的運動形式。在完成上下屈腿的動作過程中，電動推桿帶動大腿床板進行轉動，達到位置的變化需求。同時，利用平行四邊形的機構特點，可以保證小腿板始終與地面、床板處于平行狀態(tài)，保證了整個機構的穩(wěn)定，也給用戶提供了較為舒適的體驗。此機構結構相對簡單，且性能平穩(wěn)，能滿足產(chǎn)品的功能需求的同時，符合產(chǎn)品所需的穩(wěn)定性、舒適性等一系列性能指標。與此同時，整個機構的運行狀態(tài)僅由電動推桿來決定，因此便于后期控制方案的選定設計，故障率低的同時易于后期的維修調試。因此在幾種方案的對比中，此方案是一個較為理想的結構方案。
最后綜合對比以上幾種方案的優(yōu)勢和缺點，綜合考慮其在加工難度、制造成本、控制方案、占用空間等等一系列因素，最終選定了第三種方案，以平行四邊形和電動推桿驅動為主要依托，將其應用在醫(yī)療智能護理床上的水平與垂直轉換機構，實現(xiàn)所需的屈腿功能，達到下肢康復訓練的實際需求。
3 機構的運動性能分析
3.1 機構運動性能分析的目標
在對水平與垂直轉換機構設計的過程中，首先要做的便是確定機構的運動形式，之后需要根據(jù)產(chǎn)品的具體需求以及實際的使用情況，確定機構中連桿、床板等等部分的具體尺寸。在確定尺寸之后要做的事情便是對本機構進行相應的運動學、力學分析，以確定機構可以順利的完成期望的動作，并且在運動過程中保持平穩(wěn)安全，可以滿足使用者的安全的同時達到期望的效果。
在對機構進行運動學分析的過程中，需要研究機構中各部分的驅動方式以及其具體的效率是否達到產(chǎn)品的要求，同時通過軟件分析機構上的各店的速度與加速度，來驗證運動是否平穩(wěn)，是否滿足設計要求。確保了機構運動是合理的之后，需要通過一些仿真軟件。如Solidworks motion、Adams軟件來分析構件在承受載荷時的各部分力學性能，包括整體框架的受力情況以及連接處的力學性能，以確定所設計的構件的力學性能是合格的，這樣才能投入生產(chǎn)，供人使用。
3.2 基于Solidworks和AutoCAD的計算機輔助設計
根據(jù)上文中的初步設計，我進行了詳細的Solidworks和AutoCAD的計算機輔助設計。Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點，這使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設計過程比較簡便而方便的軟件之一。部分成果展示如下：
圖3.1 用來連接床整體和腿板的桿
圖3.2 支撐小腿板的托架
圖3.3 腿板之間的鉸鏈機構
圖3.4支撐腿板的框架機構
圖3.5 裝配示意圖
3.3 基于Solidworks motion的運動學分析
3.3.1 水平與垂直轉換機構的設計力學分析
在醫(yī)用智能護理床中，水平與垂直轉換機構的結構采用平行四邊形與電動推桿相結合完成功能，大致的結構簡圖如下：
圖3.1 曲腿運動機構簡圖（下曲極限位置）
在上述結構簡圖中，A、B、F三處為選定的固定支點，固定在醫(yī)用智能護理床的床架結構中，起固定支撐作用。AD處為大腿板部分的床板，BE為一個長桿，DE為短桿，AD、BE、DE組成了機構中的四邊形。CF為結構中的電動推桿，起到了為整個機構提供動力的作用，他的運動情況也和整個構件的運動情況息息相關。在這里，把A作為原點，將AB矢量方向作為Y軸，將AB矢量方向順時針旋轉90度作為X軸，建立平面直角坐標系，圖中所標注的角θ1為大腿板AD和X軸正方向的夾角、θ2為電動推桿CF與X軸正方向的夾角，以此為基準進行下文的分析計算。
此機構主要是由一個平行四邊形結構和連桿、推桿構成。運用了平行四邊形對邊始終平行的原理，在大腿板不斷運動，調整角度的同時，可以保證小腿板始終的平行穩(wěn)定的結構。而在實際的應用中，整個結構實際上是由兩組平行四邊形連桿機構組成，他們分別在床板的左側和右側兩側分布，以保證整體的結構穩(wěn)定性和承受載荷的能力。電動推桿支撐鏈接點位于腿板的中間，可以完成產(chǎn)品所需的功能。上圖表現(xiàn)了整個機構位于下極限位置，即向下屈腿的極限位置的情況。以床板形態(tài)的初始位置及上極限位置，即上屈腿的極限位置的結構簡圖見下圖。
圖3.2 曲腿運動機構簡圖（初始位置）
在本次設計中規(guī)定的機構運動范圍為70 °- -30°，其中，上屈腿的極限角度為30°，下屈腿的極限角度為-70°。這是由機構設計和功能需求功能決定的。在設計中，取到的具體尺寸為AD= 355mm，BE= 355mm，DE= 46mm，AC= 96mm。
圖3.3 曲腿運動機構簡圖（上曲極限位置）
3.3.2 水平與垂直轉換機構的運動學分析
水平與垂直轉換機構是醫(yī)用智能護理床中非常重要的一部分，因此，本文也需要對其進行運動學分析，以保證其運動的合理性，幫助設計中最終確定方案中，傳動是否穩(wěn)定，運行是否平穩(wěn)，最終的結構是否可行。
在這個部分中，本文主要選用Solidworks motion插件進行運動學分析和仿真。Solidworks motion軟件是著名的三維建模軟件Solidworks中的一個實用的插件，它是基于Windows環(huán)境的參數(shù)化三維實體造型軟件。通過Solidworks motion軟件的應用，不僅可以進行三維建模，而且可以進行有限元分析、結構的優(yōu)化設計、裝配、運動學仿真、力學分析等等一系列功能?？梢哉f是在整個設計過程中非常實用且不可或缺的一款軟件。本次也是通過Solidworks motion的運動學仿真功能，來驗證機構設計的可行性。
（1） 水平與垂直轉換機構的角位移分析
在以上表示水平與垂直轉換機構的三種位置的結構簡圖中，對于三角形ACF
…………………………………………………………………（4.1）
…………………………………………………………（4.2）
其中，θ3角度已知，為
………………………………………………………………（4.3）
利用歐拉公式
………………………………………………………………（4.4）
帶入上式（4.1、4.2）中，并對其進行實部與虛部的分離，可以求得下列方程組
………………………………………………（4.5）
在以上方程組中，θ1與θ2均為未知量，將在下面的計算中求得。而θ3為已知。在結構簡圖中，將電動推桿的線速度設為v，v在推桿的選型中已經(jīng)確定，為20m/s，并將電動推桿運行的時間規(guī)定為t，則電動推桿CF有如下關系
CF=vt+430………………………………………………………………………（4.6）
結合上文中的分析，我開始著手準備用Solidworks motion插件進行結構的角位移分析，主要目的是測定當電動推桿運行速度衡定時，隨著時間的退役，角位移的變化情況。首先輸入電動推桿的運動速度20mm/s，然后規(guī)定機構中平行四邊形所在的平面為測定的基準平面，開始分別進行向上運動和向下運動的角位移變化分析，并導出角位移變化曲線，上行和下行過程的角位移變化曲線分別如下圖所示。
圖3-4 下曲腿角位移變化曲線
圖3-5 上曲腿角位移變化曲線
由上圖中可以得知，機構在執(zhí)行上行和下行兩個目標動作時，角位移變化曲線大概成一條直線，斜率穩(wěn)定。這表示了電動推桿在驅動整個機構運動的整個過程中，角度隨時間的變化穩(wěn)定，加速度基本衡定，符合機構設計所要求的平穩(wěn)運動的特點，有利于下肢運動障礙患者的運動康復，且可以保證人體的重要關節(jié)不會因結構的缺陷而受傷。經(jīng)過了此次的角位移分析，初步可以確定機構的角位移特點滿足了產(chǎn)品前期的設計要求。
（2）水平與垂直轉換機構的角速度分析
由上式（4.2），對其進行求導，可以求出角速度隨時間變化的運動關系式：
……………………………………（4.7）
對于所求式，將歐拉公式帶入其中，并對代入后的式子進行虛部實部分離，可得
………………………………（4.8）
上式中，ω1、ω2的具體值未知，其他的數(shù)據(jù)為已知的數(shù)據(jù)，又由上文分析可知得出以下關系
…………………………………………………………………（4.9）
聯(lián)立上式（4.7）（4.8）（4.9）可通過一些數(shù)據(jù)軟件求解得ω1、ω2隨時間變化的關系式。之后借助Solidworks motion軟件對ω1進行運動分析，求得ω1在機構運動中的變化情況，并導出在機構上行和下行過程中角速度隨時間的變化圖像，具體的圖像如下圖所示。
圖3.6 下曲腿角速度變化曲線
上圖表示了機構下行運行狀態(tài)中，即機構從平行的床板狀態(tài)向下運動的，達到下屈腿的極限位置整個過程中θ1的角速度變化情況。由上圖可知，整個下行過程中，角速度最小值為12deg/s，最大值為22deg/s，且在整個運動圖像中，沒有斷點和拐點的出現(xiàn)，且沒有明顯的突變情況，整個曲線平滑，標志著機構在運動過程中可以保證運行穩(wěn)定，平滑，能保障產(chǎn)品所需要的屈腿功能，且對用戶的膝關節(jié)等下肢較脆弱的關節(jié)有初步的安全保障。但是只靠下行狀態(tài)的合理無法確定整個機構運動性能的可靠性，因此我繼續(xù)進行了上行過程中角速度的分析，依然是使用Solidworks motion軟件進行。上行過程中，分析得出的運動特性曲線如下所示
圖3.7 上曲腿角速度變化曲線
上圖可知，在上行過程，即機構從床板狀態(tài)轉變成上屈腿姿態(tài)的整個過程中，θ1的角速度也是一個平滑的曲線，沒有斷點和拐點的出現(xiàn)，且沒有明顯的突變情況。這表明在上行過程中，整個機構也是處于一種穩(wěn)定可靠的運動狀態(tài)，因此初步確定，以平行四邊形為基礎設計的水平與垂直轉換機構是可靠的。
（3）水平與垂直轉換機構角加速度分析
在進行了角位移分析、角速度分析后，雖然可以初步確定機構的可靠性，但是我還是決定進行最后的加速度分析，以保證機構設計的合理性。
為了對機構進行角加速度分析，需要將式子4.2進行對時間t的二次求導，以此得到在機構運動過程中角加速度的表達式，關系式如下:
……………………………（4.10）
與上文中求角位移、角速度相同，依然需要將此關系式借助歐拉公式進行實部和虛部的分離，完成計算后可得到下列方程組
………（4.11）
將下述方程組與上述方程組聯(lián)立求解，可求得角加速度與的兩者聯(lián)系I。
………………………………………………………………（4.12）
因為直接計算較為困難，所以借助matla軟件求解。得到結果后依然是使用Solidworks motion進行模擬分析，得出在運動過程中，角加速度與時間的關系曲線。依然將上行過程額下行過程分別求解并進行仿真分析，最終得到了角加速度與時間的關系曲線如下所示