轮式自动康复轮椅设计【含CAD图纸、UG三维模型】
目录1、本课题的目的、意义、国内外发展概况及趋势 11.1 本课题的目的及意义 11.2 国内外发展概况及趋势 21.2.1 国外发展状况 .21.2.2 国内发展状况 .31.2.3 存在问题和未来发展趋势 .32、课题的设计思想和研究拟采用的方法和手段 42.1 课题的设计思想 42.2 课题研究采用的方法 52.3 预计设计过程中可能遇到的问题及解决方法和措施 53、论证完成课题的实验条件 64、课题进度安排 65、参考文献 701、本课题的目的、意义、国内外发展概况及趋势1.1 本课题的目的及意义我国是残疾人口数量最多的国家,根据国家统计局 2006 年的统计报告,全国残疾人总数约为 8296 万人,占全国人口总数的 6.34%。残疾人虽然身体残障,但是他们需要得到社会的尊重与理解。他们渴望像正常人一样学习、工作和生活。轮椅是残疾人的必备用品之一。对于残疾人来说轮椅不仅仅是代步工具。让病人舒适的养病,很需要一个舒适、合适的轮椅,而掌握人因工程学的知识、并应用人因工程学的知识设计舒适的轮椅是工程师义不容辞的责任!轮椅首先是一个坐具,这是它最基本的功能。舒适度是衡量轮椅设计优劣的重要标准之一。轮椅设计不仅要在制造工艺和生产方面可行,符合安全要求,更重要的是在设计思想中体现人因工程学,保证人的安全、 健康和舒适的目的,使人坐者舒服、舒心、安全 1。现今的轮椅还存在简陋粗糙、不易使用的情况 2。挫败感对人的自信心是个沉重打击。如何改进轮椅设计,帮助患者从肢体到心灵真正康复,需要深入研究3。虽然市面上有许多电动、智能轮椅,但是其高昂的价格是国内大部分残疾人无法承受的,而手动轮椅以其价格优势占有大多数的使用率,却少有发展。现今的手动轮椅功能单一、造型色彩单调,根本无法满足残疾人更深层次的需求,物质需求的不完全满足和精神需求的无法满足,对于残疾人生理和心理的健康都是极为不利的。传统的轮椅设计以设计产品为主要目标,更多的考虑轮椅本身的功能的实现,没有规范化的考虑人的因素。机械是机器和机构的总称 4。人与机械相比,人是在人机系统中起决定性作用的 5。人因工程学强调人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体。人因工程学高度重视轮椅的安全性、高效率性、乘坐舒1适性。特别是残疾人的轮椅,安全性、人性化更为重要。理想的轮椅应使坐者体重分布合理,大腿近似水平状态,双脚自然放到脚踏板上,双臂不负担身体重量,肌肉放松,可以方便的变换坐姿 6。大于 90的靠背可防止骨盆的旋转,增加坐姿的稳定性,且使坐姿更接近自然状态 7。轮椅的设计者更应该重视轮椅的人性化和个性化的设计,受迎并且拥有发展市场的轮椅必定是舒服舒适并拥有突出新颖功能的轮椅,使人、机和环境充分的结合起来 8。要做到这一点,就需要设计师结合人因工程学的知识,研究轮椅使用者的喜好,用理性工学的研究方法,针对生物力学对轮椅结构的影响,对座椅、轮子、扶手及其他个性化附件用心、用智慧进行设计 9。1.2 国内外发展概况及趋势1.2.1 国外发展状况自 1986 年英国开始研制第一辆智能轮椅来,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院 Wheelesley 项目 10、法国 VAHM 项目 11、德国乌尔姆大学 MAID(老年人及残疾人助动器)项目 12、 Bremen Autonomous Wheelchair 项目、西班牙 SIAMO 项目 13、加拿大 AAI 公司 TAO 项目、欧盟TIDE 项目、KISS 学院 TINMAN 项目、台湾中正大学电机系 LUOSON 项目、我国 863 智能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。初期的研究,赋予轮椅的功能一般都是低级控制,如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展,移动机器人大量技术用于轮椅, 智能轮椅在更现实的基础上, 有更好的交互性、适应性、自主性。1.2.2 国内发展状况我国自动化轮椅研究起步较晚,在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距 14。但也根据自身特色研制出技术接近国外先进水平的。研究单位有中科2院自动化所、上海交通大学和香港中文大学等 15。中科院自动化研究所在中科院创新工程和国家“831”计划支持下,研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行多模态交互的多功能轮椅移动机器人 16 17。我国现有轮椅,特别是肢残者与老年人大量使用的多为手动轮椅,由于轮椅本身无动力,实际使用时往往需要他人辅助,造成很多不便。为改变我国轮椅手搬人推的落后状况,贯彻落实民政工作上为国家分忧、下为百姓解愁的方针,更好地为伤残人员服务,满足人们对现代生活质量日益提高的需求,国内轮椅及相关企业将积极开发研制电动轮椅。近年来,我国轮椅行业保持快速发展。不过,行业产品结构单一,绝大部分产品为一般轮椅、产品价格低。高端产品如电动轮椅和运动轮椅研发投入不足,技术水平与国外相差很大,运动轮椅则主要依靠进口。因此,有必要进行更多的研究与开发。1.2.3 存在问题和未来发展趋势经过近 20 年的研究发展,智能轮椅的研究有了很大的进展,功能不断丰富,安全可靠性不断提高,但是也存在一定的问题:(1)人机交互不够自然。虽然已经开发了多种智能轮椅人机交互接口,但是仍处于通过人机接口对轮椅进行简单控制的阶段,对自然交互中使用者的无意识行为与有意识行为的区分还很欠缺,无法达到自然交互的目的。(2) 轮椅的安全保障系统不够完善。目前多数智能轮椅平台较重视功能性实现,对于各种环境下危险发生的可能性以及相应的保障措施研究不够。(3)智能轮椅控制系统实时性较差,功耗较大,续航能力不高,离真正的实用还有一定距离。未来的发展趋势有以下几个方面:(1)人机交互自然化。通过多种人机交互接口结合,智能轮椅系统能够更加充分地与使用者进行交流和沟通,更加准确地理解使用者的操纵意图。3(2)安全保障全面化。利用日益进步的传感器技术,构建完善的智能轮椅保障系统,通过对周围环境更加全面的了解,实时监测智能轮椅的运动状态,对危险状态进行报警和阻止,尽可能避免危险的发生。(3)产品化。产品化是任何高新技术服务于社会的必经之路,采用嵌入式控制系统将是智能轮椅未来的发展方向,利用嵌入式产品功耗低、运算能力强的特点,将能够实现真正的智能轮椅产品。(4)模块化。要实现智能轮椅的批量生产,智能轮椅的各项功能必须模块化,包括导航系统、人机接口、运动控制以及机械臂等等。以便于为不同的用户定制不同的功能模块组合,同时也便于对各个功能模块的升级和再开发。2、课题的设计思想和研究拟采用的方法和手段2.1 课题的设计思想(1)自动轮椅总体方案的制定:本设计的结构有轮椅架、脚踏板、坐垫、转动装置、传动装置和控制装置及折叠装置,轮椅的关键部件中主要以便槽、靠背、坐垫的设计来考虑人因工程学在机械设计中的应用。传动装置由驱动圈和主动轮组成, 转动装置由气缸、连杆、螺栓、螺母组成。控制装置由刹车系统组成。折叠装置由连杆、螺栓、螺母组成。自动的总体设计方案充分考虑人机交互,方便残疾人上下轮椅和驱动轮椅;安全保障系数高;结构分布合理;材料舒适,成本低;具有良好的可移植性,可以适应不同的加工平台;各个零件要达到避免在预定寿命期内失效的要求 18;尽可能实现轮椅的机械化,当执行制造程的基本动作是由机器(机械)代替人力劳动来完成时称为机械化 19;在满足产品使用性能的条件下,零件图上标注的尺寸公差等级和表面粗糙度值应取经济值 20。(2)针对自动轮椅设计中可能出现的问题,在设计过程中应该考虑这些因素的影响,制定设计方案,避免或者减少这些问题的发生。2.2 课题研究采用的方法4(1)通过图书馆查阅相关的手册及书籍; (2)通过互联网查阅相关资料和最新动态;(3)应用 CAD 制图和 UG 制图建立试验机的机械系统模型,进行强度计算和运动分析。2.3 预计设计过程中可能遇到的问题及解决方法和措施在设计的过程中可能会遇到很多的麻烦,例如在设计完基础零件之后进行强度校核时,有一些零件就有可能是不符合条件的,这样就会增加计算量,因此在设计时要注意设计的合理性。在机械结构设计时,一定要结构简单、紧凑,拆装方便;零件结构要素必须符合标准规定;尽量采用标准件和通用件;设计时要考虑各个机构的协调配合;选择合适的电动机实现机电一体化;通过建立数学模型在设计前找到某些指标的最优设计方案。3、论证完成课题的实验条件通过自己的了解以及在图书馆和网上的资料查阅,对本设计的基本知识已经有了一定的认识,而且可以通过网上资料检索进行查阅相关知识,并利用原有的资料进行设计。本设计中包括主要包括扶手、坐垫、车轮和靠背,根据文献和论文资料对结构布局要求有一定的了解。后期需要的装配图可以利用电脑软件,例如 CAD 制图和 UG 制图等进行完成。4、课题进度安排第一周 调研、选题、查阅资料第二周 查阅文献资料, 撰写开题报告和外文翻译第三周 撰写开题报告和外文翻译第四周 整理、修改、审订开题报告及外文翻译第五周 总体方案设计5第六周 拟定设计方案第七周 进行设计计算第八周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第九周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十一周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十二周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十三周 绘制部件图,设计计算第十四周 绘制部件图,设计计算,准备论文第十五周 绘制部件图,撰写论文第十六周 修改图体,撰写论文第十七周 修改图体,撰写论文,准备答辩第十八周 修改论文,准备答辩5、参考文献1 郭伏人因工程学M沈阳 :东北大学出版社,2001 .2 余道清我的轮椅朋友J 中国残疾人,2008(6): 653 钟雄.愿轮椅亮丽温馨精彩纷呈J .中国残疾人,2008 (6):65.4 孙恒,陈作模,葛文杰机械原理M 北京:高等教育出版社, 20065 朱龙根机械系统设计M 北京:机械工业出版社, 20156 周美玉工业设计应用人机工程学 M北京:中国轻工业出版社,20017 朱序璋人机工程学M 西安:西安电子科技大学出版社, 19998 江渡,中俊,陈栋.应用人机工程学研究轮椅的舒适性J.机械设计与制造,2006(8):12-13.9 Matsubara, Y., et.al. 1997. Hybrid Kansei EngineeringSystem and Design SupportJ.International Journal of IndustrialErgonomics, 19, 81-92.10 Holly A.Yanco,Anna Hazel, Alison Peacock,Suzanna Smith, and Harriet Wintermutr.Initial Report on Wheelesley:A Robotic Wheelchair System.http/www.google.com.11 G.Bourhis, O.Horn, O.Habert.An A utonomous Vehicle for people with Motor DisabilitiesJ.IEEE Robotics & Automation Magazine, 2001, 8(1):20-28.12 Erwin Parssler, Jens Scholz,Paolo Fiorini.A robotics wheel chair for crowded public 6environmentsJ.IEEE Robotics & Automation Magazine, 2001, 8(1):38-45.13 Manuel Mazo.An Integral System for Assisted MobilityJ.IEEE Robotics & Automation Magazine, 2001, 8(1):46-56.14 原魁智能轮椅的研究现状与趋势J 中国医疗器械信息, 2009,15(1):63415 王景川,陈卫东基于多传感器的智能轮椅设计与实现 J南京理工大学学报:自然科学版,2009,33(1):10410916 贺志军基于 ARM 的多功能轮椅嵌入式控制系统研究D 硕士论文华南理工大学,200917 周伟多功能轮椅运动控制系统研究与开发D 硕士论文华南理工大学,201018 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计M .北京:高等教育出版社, 2013.19 周骥平,林岗机械制造自动化技术M 北京:机械工业出版社, 201420 于骏一,邹青机械制造技术基础M 北京:机械工业出版社, 2009I摘要在世界的残疾人的数量中,我国残疾人占很大比重。目前,我国的残疾人数量正在增加。轮椅是残疾人的必备用品之一。为了让病人舒适的养病,他们很需要一个舒适、合适的轮椅,而掌握人因工程学的知识、并应用人因工程学的知识设计舒适的轮椅至关重要。本文的研究目的就是满足残疾人的需求,让轮椅更人性化,最终设计出符合人因工程学要求的自动轮椅。技术和成本都是目前轮椅发展面临的挑战,现阶段的轮椅还存在功能单一、没有实现完全自动化、造型不够美观、尺寸不够科学等缺陷。本文对自动轮椅进行新颖的设计,轮椅加入自动越障功能和康复机构。设计对现有的轮椅进行分析,根据人因工程学知识和我国成年人人体尺寸分析并设计轮椅椅面、靠背、扶手、康复机械腿等尺寸。运用机械原理、机械设计等知识对轮椅的零件进行设计和校核,设计合理的机构,选择合适的零件。最后通过查阅资料、计算分析、三维建模等科学的方法解决问题,设计了可以自动越障并具有康复功能的舒适的自动轮椅。它可以满足老年人和残疾人的要求,符合人因工程学理念和机械设计准则,是一个自动化多功能产品。关键词:轮椅;人因工程学;康复机构;自动 IIAbstractOur country with the largest number of disabled people in the world.The twice sampling survey of disabled people showed that there exists a surge in the number of disabled people.Wheelchair is one of the necessary supplies for the disabled.In order to make the patient comfortable recuperate,they need a comfortable and suitable wheelchair.It is important that apply the knowledge of Human Factors Engineering to the design of comfortable wheelchair.The objective of this study is meeting the needs of people with disabilities,and let the wheelchair more humane.Finally,design automatic wheelchair which meets the requirements of Human Factors Engineering.Technology and cost are the facing challenges of the development of wheelchair at present.Wheelchairs at the present stage have defects,for example,the function is single,have not achieved full automation,the shape is not beautiful enough,the size is not scientific enough,and so on.This paper add novel design to the automatic wheelchair.I design stair-climbing wheelchair which has rehabilitation mechanism.This paper analysis of existing wheelchair and use the knowledge of Human Factors Engineering and the adult human body size of our country to design the size of chair face, back, arm rest and rehabilitation training mechanical leg.According to the knowledge of Mechanical Design and Theory of Machines and ,design and check the links of wheelchair to design reasonable mechanisms and choice suitable parts.Finally,use the scientific methods such as consult data,analysis and calculation and design three-dimensional modeling to solve the problem.I has designed stair-climbing and comfortable wheelchair which has rehabilitation mechanism.It not only meet the needs of people with disabilities and the older people,but also meets the requirements of Human Factors Engineering and Mechanical Design.And it is a automatic and multifunctional product.Keywords:Wheelchairs; Human Factors Engineering; AutomaticI目录摘要 .IAbstract II第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的目的和意义 11.2 国内外研究状况 21.2.1 国外发展状况 21.2.2 国内发展状况 31.2.3 目前面临的问题与挑战 31.3 本文研究的主要内容 4第 2 章 总体方案设计 52.1 设计要求 52.1.1 轮椅舒适性设计的原理 52.1.2 设计原则 52.1.3 机械零件设计要求 62.2 总体方案设计 62.2.1 结构设计 62.2.2 主要功能和原理介绍 62.2.3 轮椅三维建模分析 7第 3 章 座椅人因工程学分析 .103.1 目标用户分析 .103.2 使用环境分析 .103.3 座椅尺寸分析与设计 .103.3.1 椅面的座宽尺寸设计 .123.3.2 坐深尺寸设计 .123.3.3 靠背高度尺寸设计 .123.3.4 靠背宽度尺寸设计 .123.3.5 扶手设计 .133.3.6 靠背与座面夹角设计 .133.3.7 椅面倾角设计 .133.3.8 椅面高度设计 .143.3.9 外观主体颜色设计 .143.3.10 椅面材料选择与分析 143.3.11 康复机构尺寸设计 14第 4 章 轮椅主要结构设计与计算 .154.1 主要参数设计 .154.2 电机选择 .15II4.2.1 选择电动机类型 .154.2.2 电机选择计算 .164.3 轴的设计 .174.3.1 轴的材料选择 .174.3.2 轴的计算与校核 .174.4 键的设计 .184.5 轴承的设计 .184.5.1 轴承的选择 .184.5.2 轴承的寿命计算 .184.6 V 带的计算 .194.6.1 确定计算功率 .194.6.2 选择 V 带的类型 .194.6.3 确定带轮的基准直径并验算带速 .194.6.4 确定 V 带的中心距和基准长度 .204.6.5 计算小带轮包角 .204.6.6 计算带的根数 .214.6.7 计算单根 V 带的初拉力 .214.6.8 计算压轴力 .214.6.9 主要设计结论 .214.7 套筒设计 .224.8 轮架和机架的设计 .224.9 轮子的设计 .234.10 康复机构设计 .244.10.1 膝关节设计 244.10.2 脚踝的设计 244.10.3 脚部的设计 244.10.4 下肢连接部分的设计 25第 5 章 结论 .26参 考 文 献 .27致谢 291第 1 章 绪论1.1 课题研究的目的和意义我国的残疾人数量正在增加,全国有残疾人的家庭大约有 7000 多万。残疾人成为许多家庭的负担。1987 年我国残疾人人口数量大约有 5165 万,占全国总人口的 4.91%。最近一次全国残疾人抽样调查显示,我国残疾人将近8297 万人,占全国人口的 6.35%1。我国这么多的残疾人需要得到社会的关注,许多有下肢残障的人不能正常的行走,轮椅是他们的必备用品之一。对于残疾人来说轮椅不仅仅是代步工具,让病人舒适的养病,很需要一个舒适、合适的轮椅,而掌握人因工程学的知识、并应用人因工程学的知识设计舒适的轮椅具有重要的意义!轮椅的基本功能是帮助残疾人行走,如何让残疾人舒适的使用轮椅才是最重要的,舒适度是轮椅设计中很重要的指标。轮椅设计不但要有美观的工艺、合理的结构,便于生产、制造,符合安全要求,而且尺寸的设计要符合人因工程学准则,保证人的健康、安全和舒适,让用户感到安全和舒服,科技的发展更加需要符合人因工程学的设计 2。随着人们服务意识的增强,人们更加注重产品的舒适度和安全性,根据老年人、残疾人的需求而设计的设施也逐渐成为重要的需求,对现有生活产品的人机因素研究也越来越受到人们的重视。轮椅作为老年人、残疾人的一项重要的辅助工具,在设计和使用的过程中,包含着大量的人机工程学问题。而现有的许多轮椅都不符合人机工程学的尺寸要求,使用时容易造成身体的不适,甚至存在安全隐患。因此,为了提高轮椅的安全性和舒适性,基于人因工程学设计自动化的轮椅具有重要的意义。现阶段市面上的轮椅还存在许多问题,有些制造简陋粗糙,使用起来不方便 3。为了帮助患者在肢体和心灵上都的到真正的康复,改进轮椅的设计值得深入研究 4。虽然我国市场有许多智能轮椅,但是由于价格较高导致国内组多残疾人购买不起,手动轮椅虽然便宜,但是使用起来不是很方便,功能单一,2结构简单,无法全面的满足残疾人的需求,不利于残疾人生理和心理的健康发展。传统的轮椅设计主要考虑轮椅本身的功能的实现,关注点在于产品本身,没有系统化的考虑人的因素 5。人与机械相比,人是在人机系统中起决定性作用的 6。人因工程学强调人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体7。人因工程学高度重视轮椅的安全性、高效率性、乘坐舒适性。特别是残疾人的轮椅,安全性、人性化更为重要。舒适的轮椅要使人体的体重合理分布,大腿接近水平放置,脚和小腿呈自然放松状态,手臂不会感到有负担,后背放松,可以方便的变换坐姿 8。靠背和椅面的夹角大于 90可以让坐姿更加稳定,使坐姿更接近自然状态,防止脊椎的变形 9。设计舒适、安全的轮椅,需要结合人因工程学的知识,研究轮椅使用者的喜好,用理性工学的研究方法,根据生物学和人体学知识分析轮椅结构,让扶手、椅面、靠背等尺寸更加贴合人体尺寸,并根据人用户的需求增加新颖附件 10。1.2 国内外研究状况1.2.1 国外发展状况在文艺复兴时期,欧洲出现了木制的轮椅。美国南北战争时期出现了具有金属轮子的轮椅,椅面用藤条制造。第一次世界大战期间美国出现了用芦杆制作的轮椅供伤患者使用。英国开发了手摇式的轮椅,并在此基础上不断改进,还加装了动力驱动装置。在 18 世纪,国外出现了接近现代造型的轮椅,前面两个木质的大轮,后面单个小轮,中间是有着扶手的椅子。1 9 3 2 年,荷波特和亨利发明了第一部现代的可折叠式轮椅,这种轮椅的轮子和主要骨架是钢制材料,座椅是帆布式,这种轮椅大量应用在二战中,这在很大程度上推动了轮椅行业的产业化发展。随着科技的进步和生活质量水平的提高,轮椅的设计逐步实现自动化和智能化 11。人机工程学的发展历史并不长,在第二次世界大战期间,人们在使用各种3新式武器时,因为人为因素出现了许多事故。为了科学的使用武器,人们开始对人机系统进行研究,以保证人和机器的合理配合,降低事故发生的概率,从而催生出了这门崭新的交叉性学科 12。人机工程学还没有全面的融入到轮椅的设计中,基于人机工程学的轮椅设计也是一门新的学问,值得研究。1.2.2 国内发展状况我国最早关于轮椅的记录是南北朝时期,一个石棺上雕刻的带轮子的椅子。我国现有轮椅以手动轮椅为主,因为手动轮椅没有动力驱动装置,所以使用时需要他人辅助,不是很方便。为了使残疾人的生活质量得到提高,国内正在积极开发研制电动轮椅 13。中国已经开展了自动化轮椅的研究,开发出了许多有特色的个性化自动轮椅,包括上海交通大学设计的多功能轮椅,中科院自动化所研发的多模态交互智能轮椅、采用嵌入式控制系统智能轮椅,中科院深圳先进技术研究院基于头部动作的轮椅等。在中科院知识创新工程和科技助残行动计划的经费支持下,中科院自动化所最近完成了一种采用基于嵌入式控制与传感器系统的低成本轮椅的研制开发工作。智能轮椅的研究也在积极进行,利用研究人员提出的一种新的面向移动机器人应用的 MR(Mobile Robot)二维码,智能轮椅可以利用自身的视觉系统在房间内进行自主导航,自己移动到使用者指定的位置而不需要使用者自己对轮椅进行直接控制;使用者可以通过安装在轮椅上的机械手臂实现开门、端水、从地上捡物品等原来根本不可能完成的任务;患者的家属可以通过无线局域网监控轮椅的情况,还可以通过遥控操作方式远程控制轮椅的移动 14。我国对人机工程学的研究主要从上世纪 80 年代开始。我国人机工程学的研究主要是如何将它应用在实际问题中。目前,人机工程学应用范围比较广泛,包括人机界面设计、工艺产品造型设计、控制装置设计等 15。1.2.3 目前面临的问题与挑战4经过将近 20 年的努力和探索,自动化轮椅的研究有了很大的进步,功能更加多样化,实用起来更加方便,让使用者更加感到安全、舒适。但是仍然存在一些问题,人机交互不够自然,轮椅的安全保护系统不够完善,轮椅控制系统实时性较差,许多自动化轮椅的功率和体积较大,离实用性的要求还有一定的差距 16。技术和成本都是目前轮椅发展面临的挑战,未来轮椅的发展需要提高实用性和智能性的同时解决如何降低生产的难度和成本的问题。未来轮椅的功能将更加多元化。1.3 本文研究的主要内容本文针对轮椅现阶段轮椅存在的缺陷对轮椅进行设计,解决现有轮椅人机交互不够自然的问题,轮椅可以自动实现的平地行驶、转向和越障,通过电机、V 带轮、轴等实现越障功能。解决现有轮椅的安全保护系统不够完善的问题,本文在轮椅加入了座椅调平结构。根据行动不便的老年人和那些患病在床需要康复的人群的需求,轮椅的设计加入了康复机构,康复座椅能够给予需要康复人群一种生活自立的信心和勇气,在相当程度上改善了自卑和依赖的心理,丰富了单调的生活,同时起到一定的锻炼肢体的作用。根据人因工程学分析,设计轮椅的尺寸,进行越障和转向部分的设计,康复结构的设计。在满足功能和强度要求的前提下尽量减小轮椅的尺寸。5第 2 章 总体方案设计2.1 设计要求2.1.1 轮椅舒适性设计的原理舒适的轮椅设计应该使使用者身体各部位的脊柱处于自然生理体位,使人体保持正常的生理曲度。各部分肌肉处于放松状态,便于伸展和变换坐姿,臀部等受压部位不能影响人体正常的血液循环。舒适度高的轮椅设计,应该是自然放松状态下的人体曲线能与轮椅背靠曲线充分吻合 17。2.1.2 设计原则 (1)轮椅的形式和结构组成要与其功能和用途匹配。(2)椅面高、扶手、靠背等尺寸要与人体测量尺寸相接近,由于不同人的身材又差异,应使尺寸可调。(3)座椅的总体设计应符合人的生理尺寸和生理特点。(4)在座面的边缘,应尽量减小腿部与椅面之间的压力。(5)身体的主要重量应由臀部坐骨结节承担。背结构和尺寸应给予腰部以充分的支撑,使脊柱接近于正常自然弯曲状态 18。(6)椅垫要用合适的材料制造并具有适当的硬度。(7)轮椅要保持人的上身稳定,方便调节坐姿。(8)轮椅的一切设计都要保证患者的安全与舒适。(9)轮椅座位的深浅、宽窄靠背的高度及脚踏板到坐垫的距离都要符合乘坐者的要求和人因工程学的设计准则。(10)轮椅应使就坐者大腿保持水平,小腿和脚部自然放置并可以自由活动。(11)座面的高度通常按照较低身高的人群进行设计,建议座面高度要比6人体膝下高度低 35cm19。(12)一般座深按较小身材的人群进行设计,这样较低身高的人坐着舒适,身体高的人由于小腿可以得到稳定的支持,大腿部位就不会受到多余的压力 20。2.1.3 机械零件设计要求(1)最大限度地采用标准化零、部件。如螺栓、键和深沟球轴承等均采用标准件。(2)力求改善零件的结构工艺性,使其用材少、易加工、易装配 21。(3)采用强度高的材料,如用 45 钢作为轴、圆柱销和套筒等零件的材料;使零件具有足够的截面尺寸,因此设计时要对机架等结构进行强度校核;合理地设计零件的截面的形状,以增大截面的惯性矩,所以要合理地设计各支撑部分的形状和尺寸;提高运动零件的制造精度,以降低工作时的动载荷。(4)在满足强度、刚度和人因工程学尺寸要求的前提下,尽可能减少尺寸和质量。(5)零件中的应力不得超过允许的限度。因此一定要对设计的轴进行校核。(6)满足寿命准则,在设计时要对轴承等零件进行寿命计算。(7)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求,选择适当的材料。2.2 总体方案设计2.2.1 结构设计自动轮椅主要包括以下结构:座椅、扶手、康复机械腿、四个轮子、13 个电动机、滚珠丝杠、V 带轮、轴、轮架等支撑部件、连杆机构。2.2.2 主要功能和原理介绍轮椅具有轮腿式越障功能,可以自动实现平地高效行驶、越障行驶和转向。7平地行驶:采用四轮同步驱动,四个轮子上都有单独的电机,可以实现平稳、高效的行驶。电机和轮子之间用套筒连接,套筒和电机之间用圆柱销连接。电机与轮子之间是通过螺栓、螺钉和 L 形支架连接。电机启动,电机轴转动,带动与之连接的套简转动从而带动后轮转动。套筒与电机轴之间的配合采用较小的过盈配合,套筒与轮子之间的配合采用较紧的过盈配合。越障:越障功能的实现靠电机和轴实现。当遇到障碍时,负责平地行驶的四个轮子停止工作,负责越障的电机启动。负责转向和上升的电机单独工作,互不影响,也不影响轮子的行驶。将电机和轮腿用轴连接到一起,电机驱动轮腿带动轮子抬起越过障碍。转向:单个轮子的转向用电机和带传动实现,由于电机具有一定重量,为了使重心集中并提高稳定性,尽量让电机靠近中心座椅的位置,所以负责转向的电机和负责抬起轮腿的电机距离较远,远距离传递运动和动力要用带轮实现,所以实现转向的电机和带轮的前轮相连,后轮和机架部分相连。电机驱动前轮旋转,带传动传递动力,带动后轮旋转,机架和轮子一起旋转。在轮椅爬梯时四个轮子的爬梯动作独立进行,先是一个前轮,之后是另一个前轮,两个前轮都爬上楼梯后,向前行驶,稳定后,后轮开始实现爬梯动作。带传动:“带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点,由于 V 带传动允许的传动比大,结构紧凑,所以采用 V 带传动” 22。电机启动,带动 V 带主动轮转动,通过带传递动力,从动轮转动,和从动轮相连接的车体部分转向,带动轮腿实现转向。重心调整:平地行驶时由于地面的不平稳,人在上面会不稳;在爬梯时,重心发生改变,会导致人在座椅上不稳,甚至发生危险,所以设计时加入自动导轨调平结构,靠滚珠丝杆结构实现,丝杆上电机启动,驱动丝杠旋转,丝杠上的滚珠跟着转动,带动丝杆上的螺母前后移动,实现重心的改变。重心调整之后座位重新水平。2.2.3 轮椅三维建模分析8利用 UG 对轮椅进行三维建模,按照设计尺寸进行各个零件的建模。图 2-1 轮椅部分效果图 19图 2-2 轮椅部分效果图 210第 3 章 座椅人因工程学分析人因工程学是一门科学,主要研究人、机器、环境的相互作用,使机器更加贴近人的生理结构和人的需求研究在工作环境中的解剖学、生理学和心理学等因素对人的影响,强调以人为本 23。在进行产品设计时,需要研究人体形态特征参数、人的反应特性、人的注意力、人的生理和心理特点等。人类工效学主要研究人、人的生产和生活,强调为人类服务和提高生活质量,人类工效学在科技的发展中起到越来越重要的作用 24。3.1 目标用户分析轮椅的目标用户是残疾人及老年人,他们具有行动障碍,需要一个可以自动的不需要人帮助就可以行走及越障的轮椅。老年人的特点:运动反应迟缓,记忆力降低,易产生抑郁、孤独感,但具有很好的情绪控制力。残疾人容易产生自卑和孤独感,敏感多疑自尊心强,容易抱怨,情绪不稳定但富有同情心。他们渴望得到关怀,渴望可以像正常人一样生活。他们期盼可以得到锻炼和康复,最终摆脱轮椅。轮椅的设计要尽量让他们坐在上面感觉舒服,长时间坐在上面不会疲劳。轮椅的驱动要简单,通俗易懂。3.2 使用环境分析轮椅的使用环境是路常见路面,以户外为主。轮子的材料要尽量满足所有常见的路面要求。所以结构的材料要几既耐寒又耐热。满足冬夏使用的要求。3.3 座椅尺寸分析与设计座椅的尺寸设计要根据人体的尺寸和结构进行设计,要是人坐在轮椅上舒适、自然。人体尺寸分析参考 1989 年 7 月 1 日实施的 GB10000-1988 中国成年人人体尺寸,表 3-1 是中国成年人坐姿人体尺寸,表 3-2 是中国成年人人体水平尺寸这个标准适用于工业产品的设计,轮椅的座椅尺寸等设计参考下表中国成年人人体尺寸。11表 3-1 中国成年人坐姿人体尺寸/mm男(18-60 岁) 女(18-55 岁)95百分位 5 50座高 858 908坐姿颈椎点高 615 657坐姿眼高 749 798坐姿肩高 557 598坐姿肘高 228 263坐姿大腿厚 112 130坐姿膝高 456 493小腿加足高 383 413坐深 421 457臂膝距 515 554坐姿下肢长 921 99295870184764129815153244849459510635 50 95809 855 901579 617 657695 739 783518 556 594215 251 284113 130 151424 458 493342 382 405401 433 469495 529 570851 912 975表 3-2 中国成年人人体水平尺寸/mm男(18-60 岁) 女(18-55 岁)百分位 5 50 95 5 50 95胸宽 253 280 315 233 260 299肩宽 344 375 403 320 351 377最大肩宽 398 431 469 363 397 438臀宽 282 306 334 290 317 346坐姿臀宽 295 321 355 310 344 382坐姿两肘间宽 371 422 489 348 404 378臀围 805 875 970 824 900 100012表 3-1 和表 3-2 给的尺寸参考是裸体或者穿内衣时静态测量的结果,在设计轮椅尺寸时要考虑人穿衣和转动时的情况,留出设计余量。本次设计的轮椅的目标用户主要是残疾人和行动不便的老年人,他们运动少,所以身体的尺寸要比正常人大些。设计的轮椅要满足大多数用户的身体尺寸和使用要求,因此设计时这些因素都要考虑进去 25。3.3.1 椅面的座宽尺寸设计座椅太窄人的臀部受到的压强大,造成使用者的不适和身体的疲劳,因此,座宽要大于人的臀宽,根据上表的数据最大臀宽是 346mm,设计的座宽要大于这个数,座椅过宽又会增加轮椅上部的重量,导致和轮子承担的力大。所以座宽设计 400mm。3.3.2 坐深尺寸设计坐深是椅面的前后距离。这个设计要使臀部得到充分的支持。人在座椅上,小腿要左右自由摆动,座位的边缘不能影响小腿的与运动。坐深设计尺寸为430mm。3.3.3 靠背高度尺寸设计人坐在轮椅上要经常靠在靠背上,部分残疾人和老年人背部也是有疾病的,靠背的设计要达到接近肩部,坐姿肩高约 500mm 到 600mm。头部长时间倚靠会导致颈部和头部的不适,时间长还会导致颈部疾病。所以靠背不要超过颈部,针对头部需要倚靠的用户在靠背上方设计了一个可以自由旋转的心形靠垫(为什么设计成心形:心形底部尺寸小,头部靠上去时,颈部不会靠上去,不会影响颈部的活动,心形美观,充满爱心和关怀),需要时把它移上去,不需要时挪下来。靠背高度的设计尺寸为 580mm。3.3.4 靠背宽度尺寸设计比人的背部宽,考虑到座椅的美观和生产方便,靠背宽度和座面宽度相同,也是 400mm。133.3.5 扶手设计出于安全考虑和支撑手臂,轮椅必须有扶手。扶手设计成活动的,不需要时可以转上去放在靠背上。扶手的形状设计成快满月的月牙形,扶手的上半面设计成一个弧度很小的碗状,人坐在上面时手臂自然放在里面,这部分的材料是柔软的,如果设计成长方形,扶手面是平的,手臂放上去会不舒服;扶手的下半面是一个弧度大的碗状,这部分的材料是硬的。两扶手间距要比座面宽度大,又不能妨碍手臂的活动,扶手间距寸的设计 540 mm。扶手过高,手臂不能自然放置,会导致肩部的不适;扶手过低,起不到支撑作用。扶手高度设计尺寸为 200 mm。扶手长度要比人体的小臂长,设计尺寸为 300 mm。3.3.6 靠背与座面夹角设计表 3-3 不同姿势下第 3 和第 4 腰椎间椎间盘的内压力靠背和座面夹角直接影响用户的坐姿,经研究证实,人体坐姿是决定椎间盘压力的主要因素,当腰椎支撑在靠背上时,躯干与大腿呈 115 度角时,腰椎弯曲形状接近于正常自然状态,因而是最舒适的坐姿 26。所以夹角设计为 115度。3.3.7 椅面倾角设计很多椅子是没有椅面倾角的,这样的设计是不符合人机工程学的理论的,人靠在靠背上,臀部自然向下使劲,靠近靠背一侧的椅面要向下倾斜一些人会更舒服。所以椅面倾角选择 5 度。姿势 椎间盘内压力/%站立 100平躺 24直腰坐 140弯腰坐 190143.3.8 椅面高度设计人在座椅上,大腿近似水平状态,小腿自然放松。椅面高度取 400 mm。3.3.9 外观主体颜色设计在可见光中,红光波长最长,它容易引起人们的兴奋和警觉,但是人的眼睛不容易适应红色的刺激,长期接触红色会引起视觉疲劳 27。为了醒目,又不使使用者疲劳,轮椅座椅的后面用红色,这样人坐在轮椅上看不到红色,但是从后面走过来的人会看到红色。蓝色安全、健康、宁静,所以轮椅的正面的主颜色选择深蓝色。3.3.10 椅面材料选择与分析座椅的椅面应该平坦坚实,以保证臀部压力的合理分布。松软的材料,会增加臀部与大腿的受压面积,造成躯干的不稳定和臀部的不适,而且不容易变换坐姿,容易产生疲劳。研究表明,人坐在坚实平坦的椅面上,股骨头不承受过分压迫,处于正常位置,体压分布合理 28。因此,椅面的材料要有一定硬度,同时考虑残疾人和老面人的身体状况,选择合适的材料。本次设计椅面和靠背的材料选择航太铝合金。一般用作轮椅的航太铝合金主要是 7000 系列铝合,航太铝合金,属于航空系列材料,是铝镁锌铜合金。它是经过热处理的合金,硬度较高,有良好的耐磨性 29。 用航太铝合金做的轮椅承重大,重量轻,推起来轻巧耐用!3.3.11 康复机构尺寸设计根据 GB 10000-1988 中国成年人人体尺寸给定的人体尺寸数据的均值,推算出我国成年人人体各部分尺寸与身高 H 的比例关系,小腿长 L=0.247H,小腿重心位置 O=0.433L,小腿旋转半径 R=0.528L,脚踝高度 0.045H,脚掌长0.147H,脚掌宽 0.057H。机械腿的长度设计为 560 mm。脚步的长度为 400 mm,宽度为 150 mm,厚度为 40 mm。15第 4 章 轮椅主要结构设计与计算4.1 主要参数设计表 4-1 轮椅主要参数重量估算 130 kg,百度拇指医生网站查得数据,一般轮椅之质量是 20-30 斤,估算约 25 斤,近似为 130 kg。 4.2 电机选择4.2.1 选择电动机类型轮椅机构中共有 13 个电机,轮椅要实现越障功能,实现在多种常见的路面上行驶,所以对电机的要求比较高,要有大的转矩,效率较高,调速范围宽,调速性能好。永磁直流无刷电机有许多优点,如干扰小、运行寿命长、调速性能好/控制方法多、输出转巨大、过载能力强、调速范围宽、启动响应块、运行平稳、效率高等 30。选择直流无刷电机可以达到设计的要求。本轮椅设计中电机选择济南海舟电机有限公司生产的 ZW 系列无刷电机60DBL 系列直流无刷。济南海舟电机有限公司,是国内第一家生产直流电机的厂家公司,他们还可以根据客户的需求定做电机的轴径、电压、额定转速等参主要参数 数值轮椅总体长度/mm 1300轮椅总体宽度/mm 840轮椅总体高度/mm 380驱动轮半径/mm 200驱动轮宽度/mm 30轮子行走速度/km/h 7.2质量/kg 13016数。本次轮椅设计会有 13 个直流电机,四个驱动轮上各一个,四个用来抬起的电机,四个 V 带轮上各一个,滚珠丝杠上一个。轮子上的电机用于驱动轮椅在水平路面上直线行走;越障和 V 带上的电机实现轮腿的旋转和上升运动。康复机构的电机选择:因为康复机构主要的帮助小腿进行康复运动。所以电机的速度要比较低,考虑到残疾人的身体状况,电机的转速小于 60r/min。所以这个电机选择深圳市踢踢电子有限公司生产的直流减速电机 GM25-370。GM25,25GA 系列永磁直流减速电机采用高性能电机及高效齿轮箱,具有体积小、低噪音、大扭力、较宽的调速范围等优点。 广泛适用于传感控制、自动窗帘、考勤机、售货机和点钞机等。4.2.2 电机选择计算人体质量估算 50 kg。轮椅质量 130 kg,所以轮子承担质量是 180 kg。轮椅有四个轮,一个轮子承担重量 45 kg。 摩擦因数 = 0.25,g=9.8N/kg。摩擦力计算 F = mg = 0.25 45 9.8 = 110.25 N。力矩计算 T = F R = 110.25 200 = 22050 N.mm = 22.05 N.m。所以,驱动轮上的电机转矩选择为 25 N.m。功率计算 P = F v = 110.25 2 m/s = 220.5 W。所以,驱动轮电机功率选择 500 W ,转速选择 200 r/min。 V 带电机的参数选择,功率 1600 W,转速 1200 r/min。抬轮子电机选择,抬腿高度约 400 mm,抬腿重力约 100 N。速度 0.2 m/s,所以电机功率 20 W,转速 100 r/min。丝杠电机选择,丝杠长度,直径 25 mm。功率 100 W,转速 100 r/min。康复机构上的电机选择型号 12560-130,转速为 35 r/min,额定电压 12 v,额定功率 0.31 w。外形尺寸:外径 25 mm,长度 57.8mm,输出轴径 4mm,轴长 10mm。174.3 轴的设计4.3.1 轴的材料选择碳钢价格便宜,应力集中的敏感性较低,本次设计轴的材料选择 45 钢。4.3.2 轴的计算与校核为了有足够的抗磨损和抗点蚀的能力,硬度应为 250-350 HBS,所以采用调质处理 31。根据第九版机械设计 358 页表 15-1 查得 45 钢的抗拉强度极限 = 640 BMPa ,屈服强度极限 = 355 MPa。366 页表 15-3 查得 45 钢的许用扭转切应力s= 40 MPa,取 = 105。T0A按扭转强度条件计算,轴的扭转强度条件为 (4-1)Tn3T0.2dP95W则有,轴的直径(4-2) 3nPAd根据式 4-2 计算和驱动电机相连的轴,所以 d 14.25 mm。取轴的直径为 20 mm。轴的校核,对扭转应力强度校核,校核公式(4-3)PWT轴的两端为危险截面,应对它进行扭应力强度较核:(4-4)maxaP18。KN024.875.230.95max (4-5) 16dWp。3058.mp.Tax由此可知强度符合要求,设计合理。和转向电机相连的轴的计算,所以,d 8.33mm。取轴的直径为 20 mm。 N96.5809max7.3TT由此可知强度符合要求,设计合理。4.4 键的设计根据轴的直径选择键,选择普通平键,根据 GB/T 1096 - 2003确定键的尺寸,b h = 6 6,键的长度 L (1.5 - 2 )d = 40 mm 4.5 轴承的设计4.5.1 轴承的选择由机械设计课程设计 144页,选用 GB/T 276-1994 深沟球轴承。在轴承代号6204。4.5.2 轴承的寿命计算轴承寿命计算公式为:(4-6) tPCnL601基本额定动载荷,由机械零件设计手册 查得 =2.30;C C19当量动载荷,由机械设计查得 ;P arPYFXf载荷系数,由机械设计318 页表 13-6 查得 = 1.1;f f纯径向载荷;rF纯轴向载荷。a为指数,对于球轴承,3公式 中 和 由 确定,选取 , 。arPYFXfraF1X0YhnPCLrh 25341.06016所以,符合设计要求。 4.6 V 带的计算带轮材料选择 HT 200。4.6.1 确定计算功率查机械设计156 页表 8-8 得工作情况系数 = 1.1,故AKWPKA76.1.ca4.6.2 选择 V 带的类型根据机械设计图 8-11 选用 A 型 V 带。4.6.3 确定带轮的基准直径并验算带速根据 机械设计 表 8-7 初选小带轮基准直径 = 75mm,由表 8-9 确定1d= 90mm。1d(4-7)12dn已知 ,所以, = = 90 mm。21n1d220验算带速 v,(4-8)106ndvsm/5.29因为 5 m/s 120 。14.6.6 计算带的根数由机械设计表 8-4 查得 = 0.93 kW,表 8-5 查得 = 0.00 kW,表0P0P8-6 查得 = 1.00,表 8-2 查得 = 0.91。KLK于是, KWPLr 83.09.13.0)(0 根据式(4-14)确定带的根数,(4-14)LArcaPK)(z0z = 2.12 ,取 3 根。4.6.7 计算单根 V 带的初拉力由表 8-3 查得 A 型带的单位长度质量 q = 0.105 kg/m,所以 NvzKPFca09.18)5.2(0)( 2min0 4.6.8 计算压轴力 Fzp 42.187sin)(2)(m0min4.6.9 主要设计结论选用 A 型普 3 通 V 带 3 根,带基准长度 1100mm,带基准直径 = = 90 1d2mm,中心距控制在 392.13441.63mm。单根带初拉力 118 N。224.7 套筒设计套筒的尺寸要根据电机尺寸和轮子尺寸进行设计,套筒直径是 20 mm。套筒上的销孔与筒端距离 10 mm。套筒材料选择 45 钢。圆柱销的尺寸选择,销孔 8 mm。图 4-1 为套筒的设计。图 4-1 套筒设计图4.8 轮架和机架的设计机架主要支撑轮椅椅面和人体的重量。椅面和靠背部分密度约为 2.7 10 kg/cm。23体积估算,V = 20580400 20400430 = 8080000 mm = 0.00808 m体积估算为 0.01 m。质量估算,m = v = 0.01 m 2.7 10 kg/cm = 27 kg加上人的质量,质量约为 70 kg。g 取 9.8 N/kg,所以,支撑部分需要承重约 686 N。设计时对轮架和机架进行强度校核,它们的材料选择 HT 150,所以强度极限 = 150 MPa。B按式 4-15 对尺寸进行设计,(4-15)FA所以机架的宽度设计为 20mm,轮架设计成弓形桥形状的结构,为了可以承担更多的重量。为了减轻重量和节省材料,轮架上面设计有 4 个均匀的孔。图 4-2 为轮架的设计。图 4-2 轮架的设计图4.9 轮子的设计四个轮子的结构和尺寸相同,为了减轻轮子的重量及节省制造材料和成本,轮子上开有均匀的孔。轮毂的材料为铝合金,轮胎的材料为橡胶。244.10 康复机构设计轮椅不仅是一个代步工具,它还是一个康复工具。一个符合残疾人心理特点和需求的轮椅,应该帮助他们进行肢体的活动和康复。为了更快的帮助患者进行康复,轮椅设计了康复机构。下肢康复训练辅具属于服务机器人的范畴,是采用机器人技术帮助患者进行康复训练,达到恢复正常行走功能的目的 32。康复机构主要是针对下肢小腿的训练,是一个可以穿戴的机械腿,机械腿小腿部分可以活动,通过电机驱动,可以帮助患者实现小腿的运动。机械腿通过螺栓和与连接板固定在座位上,机械腿侧面的连杆与旋转轴相连。小腿的活动用电机驱动,电机和轴相连,轴上有连接部件,连接部件和小腿上的连杆相连,连接部件旋转带动连杆摆动,实现机械腿的运动。人坐在轮椅上,小腿可以套在机械腿上,借助机械腿,小腿可以实现上下转动。康复腿模型只有小腿,包含两个关节环,上面开孔以方便调节尺寸,因为人的腿长不一样,尺寸可体调节可以方便更多的使用者使用。两条机械腿可以摆动,可以完成一个摆动序列,摆动最大角度可为 45 度,保证人正常活动,并且表面打光滑,没有什么毛糙部分,这样既美观又安全,使人能够舒适穿戴此机械腿。4.10.1 膝关节设计膝关节有一个自由度,可以协助人体完成较大幅度的屈伸活动。膝关节由三个圆环组合,三个圆环是面与面接触,可以自由旋转,还可以可通过调整穿戴位置与骨骼膝关节同轴。关节环通过螺钉与连杆连接。4.10.2 脚踝的设计脚踝部分也要设计成环形,也可以进行回转运动。设计时要注意方便脚部进行上下左右的自由运动,不允许出现脚部不舒适的情况。4.10.3 脚部的设计25脚部是一个长方体,要比人的脚掌的尺寸要大一些,但是不能过大,足够脚部可以平稳舒适的放在上面即可。脚部结构的侧面通过六角螺钉与连杆连接,脚部的转动通过踝关节环实现。为了固定人的脚的位置,脚部结构的两侧开孔,开孔处通过螺钉连接脚部固定的夹子,夹子是弓形的,由于夹子要和人的脚部接触,所以夹子的内侧可以采用柔软的材料。4.10.4 下肢连接部分的设计连接部分是通过旋转连接器实现的,通过旋转连接器将膝关节和脚踝连接在一起,单个腿需要两个旋转连接器。每个连接器上都开有一排孔,是为了根据不同人的小腿长度改变长度,另一侧的圆环与膝关节环和踝关节环相连。连接器上的孔中可以插入螺钉,可以实现两部分的连接。侧面固定在连杆机构上。26第 5 章 结论通过查阅国内外资料,根据自己所学的机械相关的知识,并采用计算机辅助设计和结构分析等一系列先进的设计方法,对自动轮椅进行了设计,轮椅的设计融入了 V 带传动,连杆机构,滚珠丝杠等常见机械元素。将机械与实际生活相结合,设计了符合人因工程的自动轮椅。自动轮椅座椅等部分的设计,以座椅舒适性为目标,结合大量的人体尺寸标准对座椅舒适性进行了研究。由于人体结构的多样性和复杂性,目前还没有成熟的舒适性评价标准,我从学校的图书馆收集了许多关于人机工程学和设计的书籍,并参考了许多有价值的文献,在对座椅舒适性理论进行归纳总结基础上,把舒适性理论运用到本课题的轮椅舒适性研究中。本次设计绘制了自动座椅的总装配图,机械部分装配图,康复机构装配图。并利用 UG 建模软件对自动轮椅进行了三维建模。本次设计将自己学过的知识重新进行了回顾和应用,通过与导师和同学的交流和讨论,学到很多东西,机械设计也不是简单的零件的选择,要考虑很多实际的问题,如各个机构的配合,实际生产的技术问题等。先构思轮椅的大致构成,要实现什么功能,加入什么机构,工作原理是什么样的。之后对确定的零件进行设计,轴的计算与校核,V 带的选择等等,之后绘制零件图。但是在绘制装配图时发现有些零件设计的是不合理的,没有考虑总体的机构,如 V 带的确定,没有考虑轮椅整体的长度,在总体设计时,又进行了参数的调整。我设计的自动轮椅,还有很大的改善和扩大功能的空间。可以加上一个按摩后背的装置,使得老年人在得到锻炼之余还可以享受后背的按摩;还有可以加上收音机或者 mp3,也可以让一些老年人在锻炼之余得到其他一些的放松。还可以用优化设计的思想建立数学模型,让设计更加贴近人体的尺寸。高质量的设计仍有待研究,未来我们所享受的设计,将充满无限的新鲜和趣味!
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