医用自动平衡床设计及动态特性分析

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医院里心脑血管病人及颅脑术后病人的运送需要水平推行，而医院各功能区之间不可避免存在坡路，目前医院使用的运送车在坡路上不能保持水平位置。很多病人在被运送的过程中，有时候由于运送处理不当，而造成病人的二次伤害，使得治疗的效率大打折扣。如何采取有效的方法避免甚至消除二次伤害，已经成为医疗工作的-大难题f”。

. 目前，对于平衡控制系统的研究和应用主要表现在：在船舶系统上，对船舶重心进行实时检测及调整，保持其平稳性 ，以满足船舶所载货物保持平衡的要求脚；两轮自平衡机器人，采用动态平衡使其在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡 ；在汽车领域中，通过对悬架的调节使在崎岖路面行驶的汽车依然保持车身的水平稳定，确保人体舒适性以及提高货物运输的安全性i5-7]。

2医用平衡床的结构及工作原理将平衡控制系统应用在医疗运送床上，为此设计的医用平衡床，改善了伤病员在上下坡道时的头高脚低或者脚高头低的状态，它可在倾斜范围内任意调整角度以使病人始终处于水平状态；该床可实现两轴方向的调整，不但前后方向(头脚方向)调整水平，也实现调整人体左右方向的水平；增加减震装置，最大程度减轻在运送过程中对病人的振动。

医用平衡床的总体方案，如图 1所示。1为上床板，2为下床板，3、4、5分别为电动杆。电动杆与上床板通过球铰链连接，与下床板通过铰链连接，但是旋转方向不同，电动杆 1只能沿轴线前后旋转，电动杆 2，3只能沿轴线左右旋转。当平衡床在上坡或下坡时，电机驱动电动杆上升或下降来调节床面平衡，当床面前后倾斜时，电动杆1、2、3的电机动作，通过三个电动杆的上升或下降调节上床面达到平衡；当床面左右倾斜时，电动杆2、3的电机动作，通过电动杆2、3的上升或下降调节上床面达到平衡。

在电动杆与上床板连接处装有联接器，是平衡床的减振部分。减振部分有套筒，在套筒里装有叉形轴、弹簧，这样当电动杆升降时由于弹簧的作用可使病人减轻振动的冲击，减少病人痛苦。下底板下面的4个万向滚轮可以使平衡床推动行进，同时在滚轮上装有刹车装置，在平衡床调整平衡的同时，控制平衡床行进的速度。

来稿日期：2012-03-07基金项目：北京市人才强教深化计划-创新团队项 目资助(资助号：PXM2010014224095241)作者简介：米 沽 ，(1971-)，女，河北人，教授，主要从事数字化集成设计、机械设计等方面研究第 1期 米 洁等：医用自动平衡床设计及动态特性分析 2211.上床板 2.下床板 3.电动杆 1(M1)4.电动杆 2(M2)5.电动杆 3(M3)6.万向滚轮图 1医用平衡床结构简图Fig.1 structure of medical balance Bed3医用平衡床控制系统整体设计方案医用平衡床控制系统是通过水平传感器来检测床体的倾斜角度Is-91，并产生信号发送给电机的驱动器，由电机驱动电动杆调整角度来控制床体的前后和左右两个方向的水平，使平衡床床面始终保持平衡。根据平衡床控制系统所要完成功能的需求，系统的整体设计方案，如图 2所示。

图2医用平衡床控制系统整体设计方案Fig.2 The Control System of Medical Balance Bed4医用平衡床的动态特性分析4.1平衡床运动加速度理论分析平衡床在上斜坡的时候底架与地面的夹角为0，电动推杆与垂直方向的夹角为口。为了使床面始终保持水平，电动推杆的行程随着 0的变化而改变，下面就来研究它们之间的关系。常见的床体前后平衡问题的位置、速度关系图，如图 3所示。

电/ 7/ 、 1推杆电动图 3医用平衡床位置、速度关系简图Fig.3 Relationship Between Position and Velocity0f Medical Balance bed在床面倾斜的任-角度 时支撑点的速度为Vl- ，床面旋转的角速度 ，质心的速度为 z×r 。质心的法相加速度 ，又由于 c。s( ]B)： sin( ]B)，则 × sos(in0 -]8f1)，所以加速度 、/ -4-詈 。卢arctan 又由于，所rcos( 召) 叶以质心加速度 n-4r-eos了 ar cta n 。 -f- I4.2不同电机控制函数下平衡床动态响应分析在单片机实现控制电动杆速度之前，利用ADAMS建立运动学模型并进行动力学分析，分析出最优控制方法。仿真将电动杆的速度参数化，将电动杆的速度用函数表达式的形式来表示，对几种常见的控制函数进行分析对比。

子 (087s)子 58(8.7sl7-4s)ADAMS输入控制函数为 ：IF(time-8.7：3.3333333time，29，- 3.3333333time58)第二种，控制函数为：fy14.5t (O-2s)y29 (2-8.1s)y-14.5t146.45 (8.1～10.1s)ADAMS输入控制函数为：IF(time-2：STEP(time，0，14.5time，2，29)，29，STEP(time，8.1，29，10.1，-14.5time146.45))第三种，控制函数为：y29sin( )(0～13.6s)ADAMS输入控制函数为：29"SIN(0.23088235time)第四种，控制函数为：y：29sin( f)(0～3s)y29 (37.4s)y29sin(6t4.4 "iT)(0-13.6s)ADAMS输入控制函数为：IF(time-3：STEP(time，0，29"SIN(0.523333time)，3，29)，29，STEP(time，7.4，29，10.4，29"SIN(0.5-23333time-2.30266667)))第五种，控制函数为：29sin( f)(0-2s)y29 (2-7.8s)y29sin( 5 8 'IT)(7.8～9.8s)ADAMS输入控制函数为：IF(time-2：STEP(time，0，29SIN(0.785time)，2，29)，29，STEP(time，7.8，29，9.8，29SIN(0.785time- 4.553)))利用ADAMS进行仿真，(图略)。各种方案参数比较，如表1所示 ，在上升角度相同的情况下，控制 1的加速度有突变，控制2、4、5的时间比较小 ，但是控制 4的最大加速度比较小，所以第222 机械设计与制造No.1Jan.2013四种控制相对比较好。

表 1五种控制函数的比较Tab.1 Comparison of Five Kinds of Centrel Functions控制情况 第-种 第二种 第三种 第四种 第五种最大角度(。) 30 30 30 30 3o时间(8) l4.4 8.6 1 1.3 8.9 8.35最大加速度 7.7 33 11.5 25 374.3平衡床控制实验及结果数据分析在使用ADAMS仿真分析中，对比出第四种控制函数是较好的控制方法。按照此方法进行平衡床实验。实验的工况是控制系统实现平衡床倾斜上升30。，分载重和空载两种情况。

在控制过程中，为实现平衡床的旧能快的响应及保持冲击振动小，开始启动及最后停止保持速度慢，而中间过程是最大速度。选择离散点实现控制，测试出两组实验数据，分别是平衡床空载和加载重 15kg时电动杆的响应时间，依次计算响应速度。使用 PWM控制电动杆速度的过程中，上升度数(O～2)。时，PWM的占空比50%；(2-5)。时，占空比8O%；(5～25)。时，占空比100%，也就是最大速度；(25～28 o，占空比8O%；(28～30)。，占空比50%。

无载重 0kg电动杆响应时间，如表 2所示，载重 15kg电动杆响应时间如表 3所示。对实验数据进行分析，计算两种工况下电动杆在 0-2。、2。-5。、5。-8。、5-22。、22。-25。、25。-28。、28。-3O。各区间的响应时间、模型床上升角速度 、电动杆速度 ，如表 2、表 3所示。由于平衡床两个支撑杆之间是 500mm，电动杆的响应速度角速度×(w/l80)x500。

表2无载重0kg电动杆响应速度Tab.2 Electric Pole Response Speed Without Loadz s s 耩 囊 般m/s表 3载重 15kg电动杆响应速度Tab.3 Electric Pole Response Speed with 1 5kg Load(s)触(e/s率) (m越m/s)1 2 3 4 5 度数 时间 度数 时问 用 ，早 还厦(o) (s) (。)对实验数据使用matlab拟合，绘制电动杆响应速度与时间之间的曲线图。如图4(a)所示，ADAMS软件对第四种控制函数仿真时，电动杆响应速度与时间之间的曲线图≌载和载重 15kg时时间与电动杆响应速度关系图，如图4(b)和图4(c)所示。对比图4(a)和图4(b)，实验数据与ADAMS仿真曲线基本吻合。图4(b)和图4(c)比较，载重对电动杆的响应速度影响不大。

- - M Rl旺 ttl otlLVe Mq ， 、t 、， 、， 、， 、， 、， 、， 、， 1I I， 、r 、403530-2520151050Time(sec)(a)ADAMS仿真(空载时) l 。 ：/i- 。/ 10 2 4 6 8 l0 12t(s)(b)现场实验(空载时) //： 1：.·0(8)(c)现场实验(载重 15kg时)图4平衡床的速度与时间关系图Fig.4 Relationship between velocity and time of medical balance bed根据实验数据及图表的对比分析，可以看出：(1)根据ADAMS动力学仿真分析和对几组数据的对比，可以看出，第四种控制函数是控制速度的最优方法。

(2)对比不加载重和加载重时的两组数据 ，可以看出，载重的变化对电动杆响应时间和响应速度影响不大。

(3)通过对实验曲线图与仿真曲线图的对比，验证了控制方法的可行性。

(4)利用单片机 PWM对电动杆速度进行控制 ，从实验数据可以看出，在电动杆启动和停止时，设定速度变化比较缓和，加速度变化较小，在控制系统上实现了平衡床减小振动的功能。

4.4高速电动杆仿真实验在平衡床的实验阶段，考虑到电动杆速度过大会影响测试数据，并且给平衡床带来较大振动，所以实验选用的电动杆额定速度不够大，在测试中响应时间较较长。在实际产品研究中，需要选用精度较高，响应速度较快，容易控制的高速电动杆。利用∞ m 0(00 吕-占 0-∞No.1Jan.2013 机械设计与制造 223ADAMS对高速电动杆进行仿真分析，并且与现在实验所使用的低速电动杆的加速度变化过程进行比较。

在使用ADAMS对高速电动杆进行仿真时，电动杆的最大速度为 100mm/s，选用的控制函数是：fy10sin( )(0～1s)ylO0 (1-2.09s)lty·00sin( )ADAMs输入控制函数为(2.09-3.09s)IF(time-1：STEP(time，0，100SIN(1.57time)，1，100)，100，STEP(time，2.09，100，3.09，100SIN(1.57time-1.7113)))如图5(a)所示，利用 ADAMS仿真高速电动杆速度与时间之间的曲线图。ADAMS仿真高速电动杆加速度与时间之间的曲线图，如图5(b)所示。分别与低速电动杆图5(a)的速度、加速度图对比，低速电动杆最高速度为29mm/s，高速电动杆最高速度为100mm/s，比较两种控制方式，在上升的角度相同的情况下，高速电动杆所需时间明显缩短，最大加速度变为220mm/s ，但是加速度的变化是平缓的，与低速电动杆的加速度变化比较，平缓程度基本-致。

. ITime(Re)(a)高速电动杆速度与时间的曲线图l- M RKElL27T阻n.1 -L ocdw· ∞Ma ：lrf ， 、 。

l～. ，Time(SeC)(b)高速电动杆加速度与时间的曲线图图5高速电动杆速度、加速度图Fig.5 Velocity and Acceleration of Hi gh Speed Electric Rod通过以上图表的对比分析，说明高速电动杆加速度变化平缓，有较小的振动，并且响应时间较短，符合平衡床快速调整平衡的功能。同时，为下-步的研究提供了理论依据，可以选用高速电动杆的进行实验。

5结论在实验控制系统软硬件协同工作下，实现了平衡床自动调整平衡过程，并且测试了电动杆的响应时间，响应时间符合实际需求，实验数据为进-步的设计和开发奠定了基矗使用ADAMS对几种常见的控制速度函数进行动力学分析，建立模型进行运动学仿真，对比分析出最优控制方法。在实际应用中，使用单片机控制系统完成了平衡床调节平衡的功能，并且在控制过程中实现了此种控制速度的方法。在此基础上，进-步利用 ADAMS对电动杆高速时进行仿真，测试响应时间，并且与实验所使用的低速电动杆的加速度变化进行对比分析，加速度平缓程度基本-致，说明高速电动杆加速度变化平缓，有较小的振动，并且响应时间较短，符合平衡床快速调整平衡的功能。