仿生搖擺嬰兒床的機(jī)構(gòu)設(shè)計

張大然，蕫克權(quán)，李冬青，黃柱凱

（肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

隨著人們生活水平的提高，嬰兒的成長受到家長越來越多的關(guān)注.中國每年新生嬰兒1 000多萬，嬰兒床等嬰幼產(chǎn)品擁有巨大的市場前景[1].現(xiàn)在很多家庭對嬰兒床的要求越來越高，但目前國內(nèi)對嬰兒床的相關(guān)研究尚不多見，尤其是有關(guān)仿生類嬰兒床的研究更為罕見.市面上嬰兒床的質(zhì)量良莠不齊，設(shè)計者通常只從購買者——家長的角度考慮設(shè)計，忽略了使用者——嬰兒的需求.設(shè)計任何產(chǎn)品都應(yīng)該從使用者的角度出發(fā)[2]，嬰兒床的設(shè)計首先應(yīng)從安全角度和讓嬰兒睡得舒適為出發(fā)點.新生嬰兒對于剛來到的這個世界充滿好奇，同時也充滿恐慌，只有在母親的懷抱里嬰兒才會感到安全，他們在母親的懷抱里才睡得最安心、最舒適.

設(shè)計一款能讓嬰兒睡得舒適的嬰兒床是當(dāng)前嬰兒產(chǎn)品的研發(fā)熱點.現(xiàn)有的各種多功能嬰兒床，雖然功能比較齊全，但據(jù)很多使用者的反饋，其許多功能根本用不上，一些使用者自始至終都未能了解所用嬰兒床的大部分功能.由此可見，設(shè)計嬰兒床應(yīng)著重突出其主要功能.調(diào)查研究表明，目前市面上的仿生嬰兒床，在仿生技術(shù)方面存在缺陷，主要體現(xiàn)在嬰兒床的搖擺過于生硬，不適合嬰兒稚嫩的身體，嬰兒睡在其中缺乏舒適感，不但易醒且易導(dǎo)致煩躁哭鬧，長時間使用會對嬰兒造成傷害.一些專家甚至認(rèn)為使用這類嬰兒床是在“虐待嬰兒”.長期使用這類嬰兒床會使嬰兒得“搖籃綜合癥”，延緩其智力和身體發(fā)育，而且其造成的損傷是不可逆轉(zhuǎn)的.本文中，筆者以提高嬰兒床的仿生技術(shù)為研究對象，設(shè)計了一款能模仿成人抱著嬰兒輕緩搖擺并使其睡感舒適的仿生嬰兒床的搖擺機(jī)構(gòu).

1 原型設(shè)計

本研究以成人抱著嬰兒并緩慢搖擺為仿生原型，設(shè)計了嬰兒床的整體結(jié)構(gòu)，其模型如圖1 所示.電機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)減速后以0.5 r/s 的角速度輸入機(jī)構(gòu)，運動轉(zhuǎn)換為搖臂的擺動輸出.搖床位置可沿?fù)u臂長度方向適當(dāng)調(diào)整，從而確定擺動幅度.

搖擺機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)搖床平緩搖擺的關(guān)鍵部分，其設(shè)計采用三維建模，并對該機(jī)構(gòu)的運動特性進(jìn)行了模擬仿真.根據(jù)仿真分析結(jié)果對機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改，直到獲得更符合仿生特性的搖擺機(jī)構(gòu).搖擺機(jī)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)滿足以下2點：1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)搖擺的軌跡與成人哄抱嬰兒時雙手的運動軌跡基本吻合；2）搖床搖擺平緩柔和，能讓嬰兒感到舒適、安全.

圖1 嬰兒床機(jī)構(gòu)簡圖

2 機(jī)構(gòu)的設(shè)計過程

首先測量成人懷抱嬰兒并哄其入睡的搖擺軌跡，根據(jù)動作特征提取相關(guān)參數(shù)，得出成人懷抱嬰兒搖擺的一系列運動參數(shù)；然后，選擇設(shè)計的幾種機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合運動仿真，提取各機(jī)構(gòu)的運動參數(shù)進(jìn)行對比分析，選用吻合程度較高的機(jī)構(gòu)；最后，以成人懷抱小孩的運動參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)一步完善機(jī)構(gòu)設(shè)計.

2.1 成人懷抱小孩運動參數(shù)的測量

成人抱著嬰兒哄其入睡的方式很多，但萬變不離其宗，主要還是通過搖擺嬰兒使其感到舒適從而促其盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài).多數(shù)人搖擺嬰兒時是以腰部微微轉(zhuǎn)動帶動手臂運動的，這樣的搖擺才能使嬰兒感到舒適、安穩(wěn).

為了簡化測量過程并提高測量數(shù)據(jù)的可靠性，實驗時使用了相關(guān)傳感器進(jìn)行測量[3]，測得成人懷抱嬰兒搖擺時手臂的運動參數(shù).筆者分別對常見的搖擺運動方式進(jìn)行測量，并記錄嬰兒躺位的速度和位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次測量，通過求平均值的方法計算出嬰兒躺位的速度和位移參數(shù)，并將之描繪成曲線圖.

2.2 搖擺機(jī)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)對設(shè)計原理的構(gòu)思與分析，選擇參鑒無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)及設(shè)計[4-5]，力求保證機(jī)構(gòu)運動的平穩(wěn)性.

機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案種類繁多，筆者根據(jù)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的難易程度、制造成本等，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行評判和選擇，結(jié)合可行性和實用性，設(shè)計出2種機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示.其桿長參數(shù)依據(jù)無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)設(shè)計，當(dāng)B′E′與FG 垂直的時候，B′D′=43.3 mm，其他桿長參數(shù)見表1.

圖2 機(jī)構(gòu)簡圖

表1 2個機(jī)構(gòu)的桿長 mm

機(jī)構(gòu)1是最常見的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄AC 繞C 點作圓周運動，搖桿BE 繞E 點作往復(fù)運動.機(jī)構(gòu)2在連桿C′D′的D′點連上一個滑塊1，該滑塊沿著導(dǎo)軌FG 運動；滑塊2沿著搖桿B′E′運動，滑塊1與滑塊2用鉸鏈連接.曲柄A′C′繞A′點作圓周運動，搖桿B′D′繞B′點作往復(fù)運動.

2.3 機(jī)構(gòu)運動參數(shù)的分析

在機(jī)構(gòu)1和機(jī)構(gòu)2的模型中，曲柄為原動件，角速度為0.5 r/s（即2 s轉(zhuǎn)動1次），用ADAMS對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真，分別導(dǎo)出2個機(jī)構(gòu)的速度和位移數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)描繪成曲線圖.

圖3～6是機(jī)構(gòu)1和機(jī)構(gòu)2的仿真運動數(shù)據(jù)與成人懷抱小孩搖擺時測量數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，包括x,y 方向的位移變化和速度變化.

圖3 x 方向速度

圖4 y 方向速度

圖5 x 方向位移

圖6 y 方向位移

由圖3～6可見，取機(jī)構(gòu)1和機(jī)構(gòu)2各運動參數(shù)的峰值和到達(dá)峰值的時間差，將其與實際測量的運動參數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2和表3所示.

表2 速度變化情況

表3 位移變化情況

通過分析表2和表3可知，速度的變化曲線影響搖籃的加速度.速度變化越平緩，加速度越小，嬰兒在搖擺過程中受到的離心力也隨之減小，因此機(jī)構(gòu)2比機(jī)構(gòu)1更適合嬰兒.位移變化曲線影響搖擺過程中擺幅的大小，擺幅大會增加機(jī)構(gòu)制造成本，占用的空間比較大；而擺幅小則會使嬰兒受到的沖擊更頻繁，從這個角度說，機(jī)構(gòu)2也優(yōu)于機(jī)構(gòu)1.“峰值差”和“到達(dá)峰值的時間差”，能直接反映2種機(jī)構(gòu)運動軌跡同實際測量運動軌跡的相似度.在峰值差對比中，機(jī)構(gòu)2 的各項數(shù)據(jù)峰值更接近實際測量的各數(shù)據(jù)峰值.在“到達(dá)峰值時間差”對比中，機(jī)構(gòu)2的各項數(shù)據(jù)與實測的各項數(shù)據(jù)吻合度很高.由此可見機(jī)構(gòu)2比機(jī)構(gòu)1更適用于嬰兒床的傳動系統(tǒng)，且機(jī)構(gòu)2的運動特征與成人哄抱嬰兒搖擺的運動特征非常接近.

通過對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可知2種機(jī)構(gòu)的運動與成人哄抱嬰兒的實際動作都存在一定差距，但是機(jī)構(gòu)2的吻合程度明顯高于機(jī)構(gòu)1.

3 結(jié)束語

1）根據(jù)成人懷抱嬰兒緩慢搖擺哄其入睡的動作特征，構(gòu)思了一種新穎的嬰兒床搖擺方式，并對該搖擺方式進(jìn)行了分析.根據(jù)分析設(shè)計出2種嬰兒床的搖擺機(jī)構(gòu)，通過對2種機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真，提取了其運動速度和位移參數(shù).

2）使用傳感器測量成人懷抱嬰兒緩慢搖擺的運動參數(shù)，將2種機(jī)構(gòu)的仿真運動數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選用了吻合程度較高的機(jī)構(gòu).

3）文中所述的2種機(jī)構(gòu)并非最優(yōu)的搖擺機(jī)構(gòu)，隨著科學(xué)技術(shù)和生活水平的日趨提高，人們對嬰兒床搖擺仿生程度的要求也將越來越高，仿生嬰兒床必將擁有廣闊的應(yīng)用前景，而仿生嬰兒床的機(jī)構(gòu)設(shè)計、性能優(yōu)化等方面尚有待深入研究和不斷完善.

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