本發(fā)明涉及減振隔振，特別涉及一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

1、擔架一般采用高質(zhì)鋁合金和泡沫軟墊制成，常安裝于救護車上，用于支撐和轉(zhuǎn)移傷員、保障傷員的安全和舒適，其對于救治重傷或者骨折患者起到了極其重要的作用。為盡快完成轉(zhuǎn)運，保證重癥患者在最短時間內(nèi)得到救治，救護車常處于緊急制動、加速、轉(zhuǎn)向避讓等緊急工況，這極其容易導致?lián)苌系幕颊叱霈F(xiàn)惡心、眩暈等不良反應，進而造成二次傷害甚至死亡，這就使得對擔架的減振性能要求極為苛刻。

2、為解決上述問題，學者在擔架上引入了懸架系統(tǒng)，以降低擔架的振動、提高患者的乘坐舒適性，但當前采用的懸架大多是線性被動彈簧和阻尼減振器的組合形式。為了實現(xiàn)線性被動彈簧的有效減振，固有頻率需低于激勵頻率的倍，因此需將隔振系統(tǒng)的剛度盡可能設計得低，以此降低固有頻率，拓寬隔振頻帶，從而得到較好的減振性能。然而，過低的剛度會導致懸架系統(tǒng)的靜態(tài)位移增大、承載能力降低以及擔架姿態(tài)不穩(wěn)定性。由此可見，線性被動懸架結構難以解決高減振性能與姿態(tài)穩(wěn)定之間的矛盾。因此，須按需設計一種非線性彈簧解決這一技術難題，即具備盡可能低的動態(tài)剛度以保證優(yōu)良的減振性能，并提供較高的靜態(tài)剛度以保證承載和姿態(tài)穩(wěn)定性。

3、懸架中的阻尼器可降低擔架的振動幅度、提高患者的乘坐舒適性?，F(xiàn)階段廣泛研究的阻尼器分為主動、被動和半主動三類；主動阻尼器可有效減小振動，但其系統(tǒng)構造成本高、穩(wěn)定性較差，難以在救護車擔架上獲得應用；被動阻尼器不需要外界提供能量、可靠性高、結構簡單、制造成本低，但其減振效果較差；半主動阻尼器是兩者相互折中的方法，可以通過調(diào)節(jié)阻尼實現(xiàn)有效減振，既表現(xiàn)出優(yōu)良的減振性能，又彌補了主動阻尼器的缺點，使得減振效果好，可靠性高。

4、因此，為避免重?；颊哌\輸過程中受到二次傷害，急需發(fā)明一種集低動態(tài)剛度、高靜態(tài)剛度、阻尼可調(diào)于一體的多功能擔架隔振系統(tǒng)，獲得期望的綜合性能，對保障生命安全、推進醫(yī)療裝配及隔振技術發(fā)展具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)及其控制方法，此系統(tǒng)中電磁可控阻尼器集成于正剛度彈性元件中，與準零剛度隔振器共同作用。準零剛度隔振器具有高的靜剛度和低的動剛度，高的靜剛度使減振器的承載能力較好，靜態(tài)位移較?。坏偷膭觿偠仁瓜到y(tǒng)的固有頻率降低，獲得比線性減振器更寬的減振頻帶，這樣可以極大程度地提高減振器的性能。在此基礎上，發(fā)明的系統(tǒng)配置了電磁可控阻尼器，可實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼力，并考慮準零剛度非線性特性，公開了一種半主動阻尼實時控制方法，獲得優(yōu)越的振動降幅削峰的效果，可有效降低擔架的振動幅度、提高患者的乘坐舒適性。發(fā)明的系統(tǒng)及控制方法繼承了準零剛度和電磁可控阻尼減振的雙重優(yōu)勢，可獲得更為優(yōu)越的低頻隔振性能，滿足救護車運輸重癥患者途中對隔振性能的苛刻要求。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：

3、一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)，包括擔架主體、準零剛度隔振器和電磁可控阻尼器。所述準零剛度隔振器由正剛度彈性元件和負剛度調(diào)節(jié)機構并聯(lián)組成，其中正剛度彈性元件用于承受主要載荷及提供主要剛度，負剛度調(diào)節(jié)機構用于抵消正剛度彈性元件的動態(tài)剛度，使系統(tǒng)在靜態(tài)平衡位置處的組合剛度趨于零，而系統(tǒng)的靜剛度又未降低，所以在小幅振動下，系統(tǒng)同時具有高靜剛度和低動剛度的特性，高靜剛度使得系統(tǒng)的靜變形量很小，并能提供靜載支撐作用；低動剛度可以減小系統(tǒng)的固有頻率，從而可以擴大減振區(qū)間；這樣既保證了系統(tǒng)既具有軟彈簧的減振優(yōu)點，又具有較高的承載能力，協(xié)調(diào)了減振效果與靜位移之間的矛盾。所述電磁可控阻尼器由電機、滾珠絲杠裝置和保護外殼等組成，通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)阻尼力實時控制，其可有效削峰降幅、降低擔架的振動幅度、提高患者的乘坐舒適性。準零剛度減振系統(tǒng)的減振性能依賴于振動幅值，只有在一定的小振幅狀態(tài)下，準零剛度系統(tǒng)才能表現(xiàn)出優(yōu)良的減振性能，本發(fā)明所提出的一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)將電磁可控阻尼器與準零剛度隔振器通過并聯(lián)的方式連接并安裝于擔架底部，電磁可控阻尼器的存在可降低擔架的振動幅值，從而保證準零剛度隔振器減振效果優(yōu)良，繼而使得整個系統(tǒng)具有更優(yōu)越的減振效果。

4、所述擔架主體由擔架床、連接桿、滾輪、限位擋板、滑動擋板、擔架底板等組成；擔架床下部設置凹槽使得連接桿上部的滾輪在凹槽內(nèi)有規(guī)律的滾動，滾輪軸略長于凹槽寬度并設置于槽口內(nèi)，可避免在劇烈振動的情況下極限約束；與滾輪同一根連接桿的另一側(cè)連接限位擋板，限位擋板上安裝有臥式支撐架，通過調(diào)節(jié)臥式支撐架上的螺栓松緊程度可以調(diào)節(jié)限位擋板于一具體位置；不與滾輪連接的兩根連接桿一側(cè)連接擔架床底部的固定支架，另一側(cè)連接滑動擋板，滑動擋板與擔架底部支撐桿之間通過直線軸承相接觸，使得滑動擋板可以在擔架底部支撐桿上克服極小的摩擦力滑動；滑動擋板與準零剛度隔振器基座通過螺栓連接；擔架底部裝有移動輪，使得本發(fā)明所提供的擔架易于轉(zhuǎn)移患者；基于所述的結構特征，當擔架受到外部激勵而上下振動時，擔架床不會發(fā)生左右晃動。

5、所述準零剛度隔振器由垂直彈簧、橫置負剛度機構以及準零剛度基座等組成；其中垂直彈簧安裝于電磁可控阻尼器的保護外殼上，與電磁可控阻尼器處于并聯(lián)的安裝形式，電磁可控阻尼器的保護外殼起到一個導向的作用，避免垂直彈簧在拉伸與壓縮的過程發(fā)生橫向失衡等情況，垂直彈簧在此主要用于承受載荷，起到支撐作用，避免擔架發(fā)生較大的靜位移，提高其承載能力；負剛度結構由斜彈簧、彈簧導桿等組成，彈簧導桿在此主要起到導向的作用，避免斜彈簧在拉伸與壓縮的過程中發(fā)生失衡等情況，負剛度結構用于抵消垂直彈簧的剛度，使系統(tǒng)在靜態(tài)平衡位置處的組合剛度趨于零，而系統(tǒng)的靜剛度又未降低，這樣既保證了系統(tǒng)具有較寬的隔振范圍，又具有較高的承載能力；準零剛度基座底部與滑動擋板通過螺栓連接，基座上部裝有直線軸承，安裝于擔架底部支撐桿上，直線軸承可以使得準零剛度基座在擔架底部支撐桿上克服極小的摩擦力滑動，在建模計算過程中該極小的摩擦力可以忽略不計，正剛度機構與負剛度機構同時連接固定于擔架底板的質(zhì)量塊，當擔架受到外部激勵時，固定于擔架底板的質(zhì)量塊位置不會發(fā)生改變而準零剛度隔振器會在擔架底部支撐桿上滑動。

6、系統(tǒng)中垂直彈簧與斜彈簧剛度分別為kv和kh；斜彈簧初始長度為l0；xa為承載質(zhì)量m從靜力平衡位置開始的絕對位移；q為準零剛度基座的絕對位移；則有：

7、x＝xa-q

8、其中x為承載質(zhì)量的相對位移；系統(tǒng)受外部激勵作用時，準零剛度隔振器的力-位移特性可表示為：

9、

10、為簡便計算，對準零剛度隔振器的力-位移特性表達式進行無量綱化可得：

11、

12、式中：k＝kh/kv，

13、分析力-位移特性表達式可知，系統(tǒng)的力-位移關系近似為三次立方關系，為了便于后續(xù)的分析，應用泰勒級數(shù)展開式，將彈性恢復力在靜平衡位置處進行三階泰勒展開可得：

14、

15、其中，零階導、一階導、二階導系數(shù)遠小于三階導系數(shù)，故零階導、一階導、二階導可忽略不計，則該系統(tǒng)的總恢復力在一定范圍內(nèi)可近似用表示。通過計算可得：

16、

17、去無量綱化，令kqzs＝kh/(kvλ3)則有：

18、

19、所述電磁可控阻尼器由保護外殼部分、滾珠絲杠裝置和三相永磁同步電機等組成；所述保護外殼部分靠近電機一側(cè)通過螺栓固定在準零剛度隔振器基座上，保護外殼的另一側(cè)連接固定于擔架底板的質(zhì)量塊，相當于電磁可控阻尼器的固定端，該保護外殼將三相永磁同步電機、滾珠絲杠裝置、聯(lián)軸器等放置在殼中，防止雜物進入電磁可控阻尼器內(nèi)部，從而達到延長電磁可控阻尼器使用壽命的目的；所述滾珠絲杠裝置和聯(lián)軸器連接使用，聯(lián)軸器另一側(cè)連接三相永磁同步電機的輸出軸，滾珠絲杠裝置的作用為將直線運動轉(zhuǎn)化為電機的旋轉(zhuǎn)運動，通過調(diào)節(jié)電機外接電路的電阻阻值可實時控制電機的電磁力矩，從而改變阻尼器阻尼，繼而控制滾珠絲杠軸的直線反作用力，起到了減振的作用。通過控制脈沖寬度調(diào)制(pwm)信號的占空比控制金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)開關的通斷，可以實現(xiàn)外接電路的電阻阻值連續(xù)變化，即阻尼器阻尼的連續(xù)變化。

20、電磁可控阻尼器系統(tǒng)即為變阻尼系統(tǒng)，其工作原理為：變阻尼系統(tǒng)的阻尼隨其外接電路的電阻阻值的減小而增大；當輸入pwm信號處于高電平時，mosfet開關處于on狀態(tài)，此時電流只經(jīng)過mosfet開關而不經(jīng)過外部電阻，則電機外接電路短路，外接電路的電阻阻值為0ω，當輸入pwm信號處于低電平時，mosfet開關處于off狀態(tài)，外接電路接通，外接電路的電阻阻值為一個固定值。改變pwm信號的占空比，即改變外接電路短路和接通的時間，可以改變外接電路中電阻的等效阻值，并使其連續(xù)變化。因此當變阻尼系統(tǒng)的電阻等效阻值為0ω時，其阻尼最大；當變阻尼系統(tǒng)的電阻等效阻值為其固定值時，其阻尼最??；當采用不同占空比的高頻pwm信號時，變阻尼系統(tǒng)的阻尼可以在其最小值和最大值之間變化。

21、其中電機和整流器等效于電壓源e，內(nèi)部電阻為ri，外部電阻為re，d為pwm占空比的值，因此，等效電阻re為：

22、

23、rm為mosfet開關on時的阻值，可設為0ω，可以推出外部電阻與mosfet開關的等效電阻定義如下：

24、re＝(1-d)re

25、產(chǎn)生的電壓與電機的轉(zhuǎn)速w成正比，電壓常數(shù)為ke，可得產(chǎn)生的電壓e為：

26、e＝kew

27、當前的電流為ip，使得產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩ta為：

28、

29、其中ki是扭矩常數(shù)。在電機中有：

30、ki＝ke

31、由此可得變阻尼系統(tǒng)的可控阻尼為cr(t)：

32、

33、其中阻尼力通過剪刀結構轉(zhuǎn)化為垂直力，以此為基礎可以對整個擔架進行運動學建模，由上可知電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：

34、

35、滾珠絲杠裝置的轉(zhuǎn)動比rg為：

36、

37、則可得阻尼力fc為：

38、

39、結合擔架結構，可得電磁可控阻尼器產(chǎn)生的垂直等效阻尼力為：

40、

41、本發(fā)明還提供了一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)控制方法，具體設計步驟如下：

42、s1：對于擔架懸架，定義m為懸架載荷質(zhì)量，m為擔架載荷質(zhì)量，兩者之間的關系為：

43、

44、fc1為電磁減振器產(chǎn)生的阻尼力，x為懸架相對位移，xa為承載質(zhì)量m從靜力平衡位置開始的絕對位移，q為準零剛度基座的絕對位移，x＝xa-q，h為擔架床位移，由前文知準零剛度隔振器提供的彈簧力為fqzs，則有：

45、

46、其中懸架位移x與擔架床位移h的關系為：

47、

48、s2：令所求輸入-fc1＝u由此可以建立懸架動力學模型為：

49、

50、s3：基于非線性反步控制法，進行控制器設計，令x1為位移，x2為速度則有：

51、x1＝xα

52、

53、目標是使得x1按照指定軌跡x1d運動，引入誤差e得：

54、e＝x1d-x1

55、

56、期望誤差e趨于0，設置lyapunov函數(shù)v1有：

57、

58、v1正定，由lyapunov直接法，使系統(tǒng)最終穩(wěn)定則需負定，此時需要x2d趨于x2，誤差為δ，k1為大于0的常數(shù)，則有：

59、

60、δ＝x2d-x2

61、

62、此時期望e和δ都趨向于0，k2為大于0的常數(shù)，則設置lypunov函數(shù)v2有：

63、

64、則可得控制最終阻尼力為：

65、

66、s4：系統(tǒng)可以達到的最大阻尼力為占空比取1時，即為：

67、

68、系統(tǒng)可以達到的最小阻尼力為占空比取0時，即為：

69、

70、(1)若控制器得到的阻尼力fc1>fcmax則表示期望阻尼力大于電磁可控阻尼器所能產(chǎn)生的最大阻尼，變阻尼系統(tǒng)不能滿足要求，此時取d＝1；

71、(2)若控制器得到的阻尼力fc1<fcmin則表示期望阻尼力小于電磁可控阻尼器所能產(chǎn)生的最小阻尼，變阻尼系統(tǒng)不能滿足要求，此時取d＝0；

72、(3)若控制器得到的阻尼力fcmin<fc1<fcmax則表示期望阻尼力可由電磁可控阻尼器產(chǎn)生，改變占空比d即可改變阻尼力，此時占空比d為：

73、

74、經(jīng)過上述控制器的設計得出期望阻尼力，通過調(diào)節(jié)電路占空比實現(xiàn)阻尼力的改變，輸出實際阻尼力，實現(xiàn)減振效果，完成控制。

75、本發(fā)明的有益效果：

76、(1)本發(fā)明提供的一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)及其控制方法構思新穎、結構巧妙、操作方便、實用性強，能夠在轉(zhuǎn)運患者過程中很好地降低擔架出現(xiàn)的振動，從而減小對患者身體的晃動，增加患者的舒適度，有利于急救的順利進行，降低醫(yī)護人員的護理難度。

77、(2)本發(fā)明在擔架懸架中引入了準零剛度隔振器，使得擔架懸架具有高的靜剛度和低的動剛度，高的靜剛度使擔架的承載能力較好，靜態(tài)位移減??；低的動剛度使懸架系統(tǒng)的固有頻率降低，獲得比線性減振器更寬的減振頻帶，可以極大程度地提高擔架懸架的減振性能；此外，準零剛度隔振器的剛度可以通過調(diào)整彈簧和負剛度機構的參數(shù)來實現(xiàn)調(diào)整，具有靈活的可調(diào)性，使得該擔架具有比較廣泛的適用性。

78、(3)本發(fā)明提供的電磁可控阻尼器為一種新型節(jié)能半主動懸架，不需要外部供能，該懸架的阻尼可以通過脈沖寬度調(diào)制信號實現(xiàn)連續(xù)控制，脈沖寬度調(diào)制信號所消耗的能量極小，可以忽略不計；通過控制脈沖寬度調(diào)制信號的占空比控制金屬氧化物半導體場效應晶體管開關的通斷，可以實現(xiàn)外接電路的電阻阻值連續(xù)變化，即電磁可控阻尼器阻尼的連續(xù)變化，該方法使得電磁可控阻尼器具有較好的減振性能。

79、(4)準零剛度隔振器在較高的振動頻率下，減振效果明顯下降；另外，準零剛度減振系統(tǒng)的減振性能依賴于振動幅值，只有在一定的小振幅狀態(tài)下，準零剛度系統(tǒng)才能表現(xiàn)出其優(yōu)良的減振性能。本發(fā)明提供的電磁可控阻尼器并聯(lián)準零剛度隔振器的方式安裝在擔架底板，使得該懸架在大振幅、小振幅、高頻率、低頻率下都有較好的減振性能。此外，準零剛度隔振器并聯(lián)電磁減振器安裝于擔架底板的方式是一種非常新穎并且可靠的方式，極大提高了減振性能；本機構運用了反向思維，反向考慮準零剛度的特性，所設計的結構緊湊，正負彈簧不會發(fā)生失衡的現(xiàn)象，懸架結構穩(wěn)定可靠。

80、(5)本發(fā)明對準零剛度隔振器、電磁可控阻尼器的建模新穎且簡單有效，具有較高的可靠性；本發(fā)明提供的一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)運用到了非線性反步控制法，考慮到了電磁可控阻尼器的變阻尼特性以及準零剛度隔振器的非線性特點，能準確地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼特性；該控制方法不斷地進行信息反饋，有利于提高控制效率，通過改變占空比來改變阻尼，控制效果顯著。

81、(6)本發(fā)明提供的一種準零剛度與可控阻尼集成的擔架隔振系統(tǒng)可以通過鎖定擔架移動輪從而限制擔架的位移，使得擔架的運動行程更加穩(wěn)定、更加可靠，便于醫(yī)護人員對于擔架上的病人施救；此外，該救護車擔架減振器也可不鎖定擔架移動輪，從而將整個擔架作為擔架車來使用，使得該型擔架的使用范圍更加廣泛，運用更加便捷，更利于患者的轉(zhuǎn)運。