护理床功能探索与技术应用研究＊

2021-11-11刘超山张军平李向阳

甘肃科技 2021年18期

关键词：圆筒推杆伺服电机

解浩，刘超山，王辉，张军平，李向阳

（兰州工业学院机电工程学院，甘肃兰州 730050）

关键字:护理床；自动翻身；坐卧角度调整；智能家居；PLC

目前市面上有诸多医用护理床，大多通过手动控制摇杆来实现起卧、翻身等功能，此类传统翻身床在翻身时会造成腰部扭曲且并没有专门针对于身体不便的老年人或者重病病人的护理床。

为克服现有护理床所存在的不足之处，提出一种多功能智能护理床，包括传动机构、圆筒姿态控制系统、测控系统和坐卧机构，弥补现有护理床的功能不足。

1 多功能智能护理床方案设计

多功能智能护理床床身采用镂空圆筒设计，通过圆筒旋转帮助使用者左侧身、平躺和右侧身体位切换。圆筒内设置坐卧机构，实现使用者平躺和不同角度坐起体位切换。床架采用桁架结构设计，在空挡位置安装PLC、伺服电机等测控元件。使用者通过操作按钮即可实现自动翻身和坐卧姿势切换。多功能智能护理床三维设计模型如图1 所示。

图1 多功能智能护理床三维设计模型

2 传动机构设计

多功能智能护理床采用伺服电机作为原动机，通过带传动和齿轮传动驱动圆筒旋转以实现左侧身、平躺、右侧身等动作，传动机构设计如图2 所示。

图2 传动机构三维设计模型

2.1 电机选型

为确保使用者在整个使用过程中安全舒适、精准控制、本机构采用伺服电机作为动力来源[1]。设计旋转圆筒外径为0.6m,旋转圆筒速度不超过1r/min，设使用者体重及床身重量共为50kg,则所需电机功率和转速确定如下：

m——床身及人体总重，Kg；

g——重力加速度，m/s2。

v——旋转圆筒转动线速度，m/s；

d——旋转圆筒外径，m；

n——旋转圆筒转速，r/min；

P-旋转圆筒功率，W；

由式（1）、（2）、（3）得电机功率：

伺服电机皮带轮与旋转圆筒传动轴皮带轮之间：

d1——单相电机皮带轮外径;

d2——旋转圆筒传动轴皮带轮外径。

传动齿轮与旋转圆筒齿轮之间：

z1——传动齿轮齿数；

z2——旋转圆筒齿轮齿数。

由式（4）、（5）得电机转速：

n'=i1i2n

综上选择博丽国际贸易有限公司的60DA40130D6M 电机，参数见表1：

表1 伺服电机相关参数

2.2 传动轴选型

本设计多功能护理床采用伺服电机进行传动，为保证其安全性及使用寿命，现对多功能护理床传动轴进行选型计算及应力仿真[1]。

经上文计算得旋转轴转速为n=24r/min

功率P=0.012kW。紧接着通过上述数据对传动轴直径进行确定，表2 为轴的常用材料及其力学性能。

表2 常用轴类材料的常用材料的[τ]值和C 值

考虑到材料的机械性能及成本，选取轴的材料为45 钢，经调质处理。

参考上表，取下列各值：

[τ]=30Mpa C=110 n=24r/min P=0.012kW

将上述数据代入计算公式

计算得，d≥24.2mm

d——轴直径，mm

[τ]——轴的许用切应力,Mpa；

P——传递的功率，kW；

n——轴的转速，r/min；

C——由轴的材料和承载情况确定的常数。

3 圆筒姿态控制系统及测控系统设计

本设计多功能智能护理床采用圆筒姿态控制系统及测控系统配合运行，确保使用者的安全，防止圆筒转动角度过大导致使用者跌落。圆筒姿态控制系统由3 个接近开关组成，测控系统由西门子S7-200 系列PLC 组成。测控系统接线如图3 所示。

图3 测控系统接线图

测控系统在工作之前须对其工作流程进行编程，分为手动控制模式与自动控制模式，系统启动，使用者可根据自身需求选择手动模式或自动模式进行控制，在自动模式下，系统根据程序指令中的时间间隔对圆筒位置进行控制，在手动模式下，使用者须通过控制按钮对其进行位置控制。测控系统主程序如图4 所示。

图4 测控系统主程序

在自动控制模式下，为准确完成平躺、左侧身、右侧身等动作，给PLC 设置指令为：当PLC 发送10000 个脉冲信号时，电机转动一圈，当PLC 发送脉冲数量达到100000 时，电机停止转动，并且以100000 个脉冲信号为一个周期[3]。手动控制模式下，为防止由于使用者操作失误导致圆筒旋转过度，故圆筒姿态控制系统所用的接近开关均为三线常开式NPN 型接近开关，当检测到圆筒转动至90°、0°、90°位置时，接近开关工作，同时测控系统停止。