仿生摇摆婴儿床的机构设计

张大然，蕫克权，李冬青，黄柱凯

（肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆 526061）

随着人们生活水平的提高，婴儿的成长受到家长越来越多的关注.中国每年新生婴儿1 000多万，婴儿床等婴幼产品拥有巨大的市场前景[1].现在很多家庭对婴儿床的要求越来越高，但目前国内对婴儿床的相关研究尚不多见，尤其是有关仿生类婴儿床的研究更为罕见.市面上婴儿床的质量良莠不齐，设计者通常只从购买者——家长的角度考虑设计，忽略了使用者——婴儿的需求.设计任何产品都应该从使用者的角度出发[2]，婴儿床的设计首先应从安全角度和让婴儿睡得舒适为出发点.新生婴儿对于刚来到的这个世界充满好奇，同时也充满恐慌，只有在母亲的怀抱里婴儿才会感到安全，他们在母亲的怀抱里才睡得最安心、最舒适.

设计一款能让婴儿睡得舒适的婴儿床是当前婴儿产品的研发热点.现有的各种多功能婴儿床，虽然功能比较齐全，但据很多使用者的反馈，其许多功能根本用不上，一些使用者自始至终都未能了解所用婴儿床的大部分功能.由此可见，设计婴儿床应着重突出其主要功能.调查研究表明，目前市面上的仿生婴儿床，在仿生技术方面存在缺陷，主要体现在婴儿床的摇摆过于生硬，不适合婴儿稚嫩的身体，婴儿睡在其中缺乏舒适感，不但易醒且易导致烦躁哭闹，长时间使用会对婴儿造成伤害.一些专家甚至认为使用这类婴儿床是在“虐待婴儿”.长期使用这类婴儿床会使婴儿得“摇篮综合症”，延缓其智力和身体发育，而且其造成的损伤是不可逆转的.本文中，笔者以提高婴儿床的仿生技术为研究对象，设计了一款能模仿成人抱着婴儿轻缓摇摆并使其睡感舒适的仿生婴儿床的摇摆机构.

1 原型设计

本研究以成人抱着婴儿并缓慢摇摆为仿生原型，设计了婴儿床的整体结构，其模型如图1 所示.电机转动经减速后以0.5 r/s 的角速度输入机构，运动转换为摇臂的摆动输出.摇床位置可沿摇臂长度方向适当调整，从而确定摆动幅度.

摇摆机构是实现摇床平缓摇摆的关键部分，其设计采用三维建模，并对该机构的运动特性进行了模拟仿真.根据仿真分析结果对机构进行修改，直到获得更符合仿生特性的摇摆机构.摇摆机构的设计应满足以下2点：1）执行机构摇摆的轨迹与成人哄抱婴儿时双手的运动轨迹基本吻合；2）摇床摇摆平缓柔和，能让婴儿感到舒适、安全.

图1 婴儿床机构简图

2 机构的设计过程

首先测量成人怀抱婴儿并哄其入睡的摇摆轨迹，根据动作特征提取相关参数，得出成人怀抱婴儿摇摆的一系列运动参数；然后，选择设计的几种机构进行综合运动仿真，提取各机构的运动参数进行对比分析，选用吻合程度较高的机构；最后，以成人怀抱小孩的运动参数为依据，进一步完善机构设计.

2.1 成人怀抱小孩运动参数的测量

成人抱着婴儿哄其入睡的方式很多，但万变不离其宗，主要还是通过摇摆婴儿使其感到舒适从而促其尽快进入睡眠状态.多数人摇摆婴儿时是以腰部微微转动带动手臂运动的，这样的摇摆才能使婴儿感到舒适、安稳.

为了简化测量过程并提高测量数据的可靠性，实验时使用了相关传感器进行测量[3]，测得成人怀抱婴儿摇摆时手臂的运动参数.笔者分别对常见的摇摆运动方式进行测量，并记录婴儿躺位的速度和位移数据，经过多次测量，通过求平均值的方法计算出婴儿躺位的速度和位移参数，并将之描绘成曲线图.

2.2 摇摆机构的设计

根据对设计原理的构思与分析，选择参鉴无急回特性的曲柄摇杆机构的性质及设计[4-5]，力求保证机构运动的平稳性.

机构的设计方案种类繁多，笔者根据机构实现的难易程度、制造成本等，对机构进行评判和选择，结合可行性和实用性，设计出2种机构，机构简图如图2所示.其杆长参数依据无急回特性的曲柄摇杆机构的性质设计，当B′E′与FG 垂直的时候，B′D′=43.3 mm，其他杆长参数见表1.

图2 机构简图

表1 2个机构的杆长 mm

机构1是最常见的曲柄摇杆机构，曲柄AC 绕C 点作圆周运动，摇杆BE 绕E 点作往复运动.机构2在连杆C′D′的D′点连上一个滑块1，该滑块沿着导轨FG 运动；滑块2沿着摇杆B′E′运动，滑块1与滑块2用铰链连接.曲柄A′C′绕A′点作圆周运动，摇杆B′D′绕B′点作往复运动.

2.3 机构运动参数的分析

在机构1和机构2的模型中，曲柄为原动件，角速度为0.5 r/s（即2 s转动1次），用ADAMS对机构进行运动仿真，分别导出2个机构的速度和位移数据，并将数据描绘成曲线图.

图3～6是机构1和机构2的仿真运动数据与成人怀抱小孩摇摆时测量数据的对比结果，包括x,y 方向的位移变化和速度变化.

图3 x 方向速度

图4 y 方向速度

图5 x 方向位移

图6 y 方向位移

由图3～6可见，取机构1和机构2各运动参数的峰值和到达峰值的时间差，将其与实际测量的运动参数进行对比分析，结果如表2和表3所示.

表2 速度变化情况

表3 位移变化情况

通过分析表2和表3可知，速度的变化曲线影响摇篮的加速度.速度变化越平缓，加速度越小，婴儿在摇摆过程中受到的离心力也随之减小，因此机构2比机构1更适合婴儿.位移变化曲线影响摇摆过程中摆幅的大小，摆幅大会增加机构制造成本，占用的空间比较大；而摆幅小则会使婴儿受到的冲击更频繁，从这个角度说，机构2也优于机构1.“峰值差”和“到达峰值的时间差”，能直接反映2种机构运动轨迹同实际测量运动轨迹的相似度.在峰值差对比中，机构2 的各项数据峰值更接近实际测量的各数据峰值.在“到达峰值时间差”对比中，机构2的各项数据与实测的各项数据吻合度很高.由此可见机构2比机构1更适用于婴儿床的传动系统，且机构2的运动特征与成人哄抱婴儿摇摆的运动特征非常接近.

通过对各项数据进行对比分析，可知2种机构的运动与成人哄抱婴儿的实际动作都存在一定差距，但是机构2的吻合程度明显高于机构1.

3 结束语

1）根据成人怀抱婴儿缓慢摇摆哄其入睡的动作特征，构思了一种新颖的婴儿床摇摆方式，并对该摇摆方式进行了分析.根据分析设计出2种婴儿床的摇摆机构，通过对2种机构进行运动仿真，提取了其运动速度和位移参数.

2）使用传感器测量成人怀抱婴儿缓慢摇摆的运动参数，将2种机构的仿真运动数据与实测数据进行比较，选用了吻合程度较高的机构.

3）文中所述的2种机构并非最优的摇摆机构，随着科学技术和生活水平的日趋提高，人们对婴儿床摇摆仿生程度的要求也将越来越高，仿生婴儿床必将拥有广阔的应用前景，而仿生婴儿床的机构设计、性能优化等方面尚有待深入研究和不断完善.

[1]延海霞.婴儿摇篮产品设计开发与研究[J].机电产品开发与创新,2010(4):84-86.

[2]张龙,郑传昊.浅析多功能婴儿床的设计[J].大众文艺,2012(11):87.

[3]常宗瑜,张召迁,姚冰川,等.基于无线加速度传感器的人体运动参数测量研究[C]//第二十七届中国（天津）2013IT、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议论文集.2013:32-36.

[4]马漩,马英,高英敏.无急回特性的曲柄摇杆机构的性质及设计[J].机械科学与技术,2003,11(22):152-153.

[5]杨帆,林钰珍,岑思燕.一种无急回特性的儿童床设计[J].机械研究与应用,2013(3):88-89.