未來概念老人輪椅機械設計

畢 業(yè) 設 計（論 文）題目：未來概念老人輪椅機械設計（英文）：Design of Mechanical Devices of Elderly Wheelchair with Futuristic Concept院 別： 機電學院 專 業(yè)： 機械電子工程 姓 名： 學 號： 指導教師： 日 期： 未來概念老人輪椅機械設計摘要通過參考國內外老年人輪椅的發(fā)展狀況及關鍵技術,結合人機工程學與輪椅舒適性的密切關系, 本設計提出了一種人性化的新型可臥坐可爬樓梯電動輪椅的總體設計方案,并依次給出了助行模塊、爬樓模塊和臥坐模塊的設計。并對其進行工程材料的選擇及校核,驗證了整個設計的可行性和有效性。關鍵詞：電動輪椅;人機工程學；模塊化;機械設計Design of Mechanical Devices of Elderly Wheelchair with Futuristic ConceptABSTRACT Through the design of domestic and international reference elderly wheelchair development status and key technology, combined with the ergonomics and the comfort of wheelchairs close relation, put forward a kind of humanized new lies for sitting and stair climbing wheelchair design program, and in turn gives a help line module, climb a building module and lying and sitting module design. And carries on the engineering materials selection and check, verify the feasibility and validity of the design.Key words：Electric wheelchair; Ergonomics; Modularization; Mechanical design目 錄1緒論11.1課題的研究背景11.2 電動輪椅國內外研究現狀及發(fā)展趨勢分析11.2.1電動輪椅國內外研究現狀11.2.2 電動輪椅發(fā)展趨勢31.3 本設計主要內容41.4本章小結42未來概念老人輪椅系統(tǒng)方案設計52.1輪椅組成部分52.1.1大車輪52.1.2小車輪52.1.3輪胎52.1.4剎車52.1.5座椅62.1.6坐墊62.1.7.腿托及腳踏板62.1.8靠背62.1.9扶手及臂托62.2人性化設計方案72.2.1座位深度設計72.2.2 背椅設計72.2.3防傾輪設計72.2.4星形輪設計72.2.5驅動方式設計82.2.6新材料運用82.3各部分尺寸選擇82.3.1座寬82.3.2座深82.3.3扶手高度82.3.4驅動輪92.3.5手泉92.3.6靠枕92.3.7靠背92.3.8腳踏板92.3.9腿托92.4本章小結113未來概念老人輪椅的功能組成模塊設計123.1行走模塊設計:123.1.1自助方式123.1.2后輪驅動方式123.1.3剎車裝置123.2臥坐模塊設計143.2.1背椅設計143.2.2腳踏板結構的設計153.3爬樓梯模塊設計153.4控制問題：163.4本章小結174工程材料的選擇及校核184.1工程材料的選擇184.1.1車身材料的選擇184.1.2坐墊材料的選擇184.1.3輪胎的選擇184.1.4星形輪小輪軸及軸承的選擇194.1.5星形輪中心軸及軸承的選擇204.1.6大輪軸的選擇204.2工程材料的校核214.2.1星形輪小輪軸的校核214.2.2星形輪中心輪軸的校核214.2.3大輪空心輪軸的校核224.2.4輪椅構架材料的校核224.3本章小結22參考文獻24附錄A輪椅的使用及注意事項261上車262行駛263上下樓梯264下車265靠背斜度的調節(jié)276保養(yǎng)和維護277注意事項27未來概念老人輪椅機械設計1緒論1.1課題的研究背景根據國家第六次人口普查數據顯示，截至2010年12月31日，我國60歲及以上人口占13.26%，中國現有老齡人口已超過1.67億，且每年以近800萬的速度增加，根據有關專家的預測，到2050年，中國老齡人口將達到總人口的三分之一。注： (單位：萬人，%)圖1-1 2005-2010年老年人口數量及比例變動從上述數據不難看出，我國老齡化程度在不斷加深;加上我國的獨生子女政策，在未來的若干年里，每一對夫妻所承擔贍養(yǎng)的老人數量與壓力都會變大。另外，我國人口基數大，殘疾人總數也相對較大，總體上我國的輪椅市場需求是相對較大的，設計出使用便捷、舒適、安全、環(huán)保的老年人輪椅能在一定程度上解決解決老年人的行動問題，也是時代的需要1。1.2 電動輪椅國內外研究現狀及發(fā)展趨勢分析1.2.1電動輪椅國內外研究現狀自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅以來,許多國家投入較多資金研究智能輪椅.如美國麻省理工學院WHEELESLEY項目、法國VAHM項目、德國MAID（老年人及殘疾人助動器）項目、西班牙SIAMO項目、加拿大AAI公司TOA 項目、歐盟TIDE項目、KISS學院TINMAN項目、臺灣中正大學電機系LUOSON項目、我國863智能機器人輪椅項目及第三軍醫(yī)大學外科研究所項目等。由于各個實驗室的目標及研究方法不盡相同，每種輪椅解決的問題及達到的能力不同2。初期的研究，賦予輪椅的功能一般都是低級控制，如簡單的運動、速度控制及避障等，隨著機器人控制技術的發(fā)展，移動機器人大量技術用于輪椅，智能輪椅在更現實的基礎上，有更好地交互性、應性、自主性。麻省理工智能實驗室的智能輪椅威爾私立，為一半自主式機器人輪椅，配有計算機控制和傳感器的電動輪椅，還裝有一個Macintosh筆記本電腦用于人機界面交互，其硬件是從KISS學院買來用于計算機實踐。系統(tǒng)有兩種級別的控制：高級方向指令和低級計算機控制線路，用戶擁有最高控制級別。系統(tǒng)由兩部分組成，智能輪椅系統(tǒng)提供低級控制，避障和保證正確的運動方向；用戶和輪椅之間的人機界面提供高級控制。這個智能輪椅允許用戶通過三種方式來進行控制：菜單、操縱桿和用戶界面。菜單模式下，輪椅的操作類似一般的電動輪椅。在操縱桿模式下，用戶通過操縱桿發(fā)出方向命令來避障。用戶界面模式下，用戶和機器之間僅需要通過用戶眼睛運動來控制輪椅，及用鷹眼系統(tǒng)來進行驅動。該輪椅在國際聯(lián)合各的機器人展覽中奪得第一，且是唯一不需要人來指導寄穿過門口的機器人2。由于受國民經濟發(fā)展狀況的制約。我國智能輪椅研究起步較晚，在機構的復雜性和靈活性上和國外相比有一定的差距，但也根據自身特色研制出技術指標接近國外先進水平的智能輪椅。中國科學院自動化研究所研制了一種具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交互的機器人輪椅，曾在“863”計劃十五周年成就展覽館的人群中穿梭自如。此項研究高度重視了只能輪椅人機控制界面的設計，在輪椅的設計中綜合運用模式識別實驗室有關圖像處理、計算機視覺和語音識別等最新成果，使人能通過語音控制輪椅自由行走，輪椅可以實現簡單的人機對話功能。上海交通大學開發(fā)成功一種聲控輪椅，主要是為四肢全部喪失功能的殘疾者設計，使用者只需發(fā)出“開”、“前”、“后”、“左”、“左”、“快”、“慢”、“停”等指令，輪椅可在1.2秒內按指令執(zhí)行2。總體來說,現在市場上的老年人輪椅普遍出現如下問題:1、功能單一：一般的輪椅只提供給使用者坐的功能，缺乏可調性，單一的坐姿會使使用者容易產生疲勞，對身體健康也產生不利影響，使用者容易得各種頸椎、脊柱疾病、心血管疾病等；2、需要借助外力：現階段的輪椅基本上處于手動操作，由于老年人自身的動手能力、身體健康狀況減弱，若在沒有外力幫助的情況下，老年人會比較難使用輪椅；3、安全性能低：現階段的輪椅缺乏必要的安全保護措施，如在下坡路時沒有速度檢測裝置、沒有測距裝置、緊急情況下急停裝置，沒有放傾翻的功能，容易給使用者帶來意外傷害；4、舒適性差：產品的設計缺乏人性化，沒有從使用者的角度出發(fā)，沒有充分考慮使用者的感受，無減震功能，會使使用者在不平的路面上稱作輪椅時顛簸，對使用者的健康無益；無伸縮功能，因為生產是規(guī)?；y(tǒng)一化的，但使用者的體型是千差萬別的，這也會嚴重地影響使用者使用的舒適度；5、不能上下樓梯：行動不便的老人在沒有電梯的樓房居住，出入是個大問題，即使坐輪椅也無法上下樓。隨著人口老齡化的加速，以及為提高老年人的生活質量，設計具有爬臺階功能的輪椅是順應時代的需要。此外，經調查研究發(fā)現,目前國內市場上輪椅存在著性能單一、適用范圍窄、品種少、檔次低、缺乏創(chuàng)新和產品老化等問題，科技含量高地電動輪椅主要停留在實驗室階段，很難實現產業(yè)化，即使有個別產品已經進入市場，但售價也相當高昂，嚴重制約了其推廣使用。1.2.2 電動輪椅發(fā)展趨勢 根據現有的電動輪椅狀況來分析,電動輪椅發(fā)展趨勢有以下幾點:1、智能化：增加電動機作為助力裝置，增加速度檢測、距離檢測裝置和報警裝置等，充分合理地利用現有的科技，將機械和電子、電氣、人機工程學相結合，設計出新型的老年人輪椅，來提高老年人輪椅使用的便捷性、安全性和舒適性2；2、設計人性化：輪椅的設計應該盡可能的結合人機工程學的相關知識,使輪椅的尺寸盡可能符合人體的器官的尺寸,使輪椅使用者脊柱處于生理體位，保持正常的生理曲度。使使用者各部分肌肉處于放松狀態(tài)，身體屈伸部位的角度以及受壓部位要利于人體保持正常的血液循環(huán)，從而提高舒適性，保證使用者的身體心理健康；3、功能多樣性：改變以往老年人輪椅只實現坐的功能，擴大為能實現坐、立、臥、上下樓梯的功能，具有電動、手動、手推三合一功能，更大程度地方便使用者；4、模塊化：未來概念老年人輪椅要批量生產，必須實現模塊化，整個系統(tǒng)應由基本模塊和各個功能模塊構成，每個功能模塊負責一種功能，用戶可以根據需求選擇，配置最適合的輪椅。同時模塊化也能降低成本，提高性價比2。 5、新型材料的應用：現今是個能源緊缺的時代，能源和環(huán)保是當代社會的主旋律.老年人輪椅的設計應該響應時代的號召，盡可能地采用高效、環(huán)保、節(jié)能型材料。新型環(huán)保材料的應用，既能提高老年人輪椅的使用性能，減輕重量，又能減少對環(huán)境的破壞。1.3 本設計主要內容本設計主要研究了電動輪椅的機械設計部分，硬件設計方案和實現。主要分為以下幾個部分： 1、未來概念輪椅機械設計系統(tǒng)方案設計;2、未來概念輪椅的功能組成模塊的設計;3、未來概念輪椅的工程材料選擇及校核 ;1.4本章小結本章闡述了我國老齡化現象問題的嚴重性而且日益加重的實際情況，系統(tǒng)地介紹了國內外智能電動輪椅的關鍵技術、發(fā)展狀況及未來發(fā)展趨勢，介紹了本設計的主要內容。2未來概念老人輪椅系統(tǒng)方案設計輪椅的使用人群是一個比較特殊的人群，早期的輪椅是專門對專業(yè)人員使用的，隨著社會的發(fā)展，人口的老年化日漸嚴重，老年人、殘疾人這以弱勢群體逐漸被重視，現在的輪椅主要是針對這一人群使用的。本設計從使用者的角度出發(fā)，綜合考慮使用者的實際情況及產品的生產普及，設計方案盡可能的智能化、人性化、模塊化、所使用材料環(huán)保節(jié)能，給予使用者以關心呵護,符合時代的需求。本設計的電動輪椅機械設計主要實現坐、臥、爬樓梯的功能，主要包括三個方面：未來概念輪椅的組成、形狀尺寸的確定；坐、臥、爬樓梯功能模塊的機械設計； 工程材料的選擇及校核。2.1輪椅組成部分2.1.1大車輪大輪胎承載主要的重量。除了少數使用環(huán)境要求而用實心輪胎外，多用充氣輪胎,充氣輪胎重量輕,抗顛簸能力強。 本設計采用充氣輪胎。2.1.2小車輪直徑大的小輪易于越過小的障礙物和特殊的地毯。但直徑太大使整個輪椅所占空間變大，行動不方便。小輪在大輪之前,也可在大輪之后,本設計采用小輪在前。2.1.3輪胎有實心的、有充氣內胎和無內胎充氣型三種。實心型在平地走較快且不易爆破，易推動，但在不平路上振動大，且卡入與輪胎同寬的溝內時不易拔出；有充氣內胎的較難推，也易刺破，但振動比實心的?。粺o內胎充氣型因無內胎不會刺破，而且內部也充氣、坐起來舒服，但比實心者較難推。綜合各方面因素考慮，本設計采用充氣輪胎4。2.1.4剎車大輪應每輪均有剎車，像偏癱者只能用一只手時，只好用單手剎車，但也可裝延長桿，操縱兩側剎車。本設計剎車有兩種：（1）嵌入輪轂外脹式剎車。此剎車中，剎車鐵環(huán)與輪轂配合牢固，剎車掣動迅速有力，結構簡單合理，加工容易，拆裝便捷，安全可靠。 （2） 肘節(jié)式駐立剎車。利用杠桿原理，通過幾個關節(jié)而后制動，其力學優(yōu)點是剎車強，但失效較快。為加大患者的剎車力，常在剎車上加延長桿，但此桿易損傷，如不經常檢查會影響安全。 2.1.5座椅其高、深、寬取決于患者的體型，其材料質地也取決于病種。 2.1.6坐墊為避免壓瘡，對墊子要高度注意，選用Roto墊，這種墊由一塊大塑料，上面有大量直徑5cm左右的乳頭狀塑膠空心柱組成，每個柱都柔軟易動，患者坐上后受壓面變成大量的受壓點，而且患者稍一移動，受壓點隨乳頭的移動而改變，這樣就可以不斷地變換受壓點，避免經常壓迫同一部位造成壓瘡4。2.1.7.腿托及腳踏板腿托可為橫跨兩側式，或兩側分開式，本設計采用的是兩側分開式，腿托上附有海綿墊，可減輕小腿承受的壓強，增強舒適度。必須注意腳踏板的高度。踏板過高，則屈髖角度過大，體重就更多地加在坐骨結節(jié)上，易引起該處壓瘡；踏板過低，將會使使用者在使用過程中腳不能踩在腳踏板上，增加膝關節(jié)凹陷處的壓力，造成使用者肌肉酸痛、血液流通不暢等。 2.1.8靠背靠背有高矮及可傾斜和不可傾斜之分。本設計從使用者舒適度的角度出發(fā)，采用高靠背可調節(jié)角度傾斜的方式，靠背上有設計有靠枕。2.1.9扶手及臂托一般高出椅座面225 mm260 mm。本設計采用的是高出椅面250 mm4。 2.2人性化設計方案2.2.1座位深度設計座位深度比一般輪椅加深4cm，在坐立狀態(tài)下靠背后傾8，這兩方面相結合，使得輪椅支撐性能更好，產生大腿、臀部、背部三點支撐，從而降低臀部和尾椎的壓力，避免產生因乘坐輪椅不適造成二次傷害，使得乘坐者身體更舒展，乘坐更舒適。2.2.2 背椅設計背椅可調節(jié)成坐、臥方式，適用于中風、全癱、半癱以及其他身體控制能力弱的乘坐者；全躺后背可讓乘坐者乘坐更平穩(wěn)；在調節(jié)成斜臥的狀態(tài)下，壓力適當地分布于各椎間盤上，肌肉組織上分布均勻的靜載荷，不易使人產生腰酸疲勞等不適感，腰靠的位置設置在相當于人體的45腰椎之間的高度，能保證坐姿狀態(tài)下的近乎正常的腰曲弧線3。2.2.3防傾輪設計帶防傾輪，起到一個防后翻的作用，防后傾輪可以根據路面狀況、運行狀況來調節(jié)高低，在爬樓梯、行走狀態(tài)下，可將防傾輪上調，縮短其長度，可以減少行進過程中遇到的一些阻力，在使用者須躺臥時，將防傾輪下調至地面在緊固，使輪椅在后傾狀態(tài)時更穩(wěn)定。圖2-1 防傾輪2.2.4星形輪設計采用三個小輪組合成星形輪作為前輪，可以在人為輔助的情況下，三個輪分別作為支撐前進，輕松地上下樓梯。2.2.5驅動方式設計采用“電機+手動+手推”的方式，可以實現使用者“電動+自助+他助”的需求，更加人性化。2.2.6新材料運用采用新型材料作為坐墊和靠墊，增加舒適性和提高抗顛簸能力。為避免壓瘡，選用Roto墊，這種墊由一塊大塑料，上面有大量直徑5cm左右的乳頭狀塑膠空心柱組成，每個柱都柔軟易動，患者坐上后受壓面變成大量的受壓點，而且患者稍一移動，受壓點隨乳頭的移動而改變，這樣就可以不斷地變換受壓點，避免經常壓迫同一部位造成壓瘡4。 2.3各部分尺寸選擇通過廣泛對老年人身高、體重的調查研究，根據國家GB1000088人體尺寸標準，結合人機工程學的相關知識,考慮使用者使用的舒適性,避免使用輪椅給使用者帶來二次傷害。特制訂以下參數。2.3.1座寬座寬按人機工程學的要求應該滿足臀部橫向寬度所需要的尺寸，考慮到要包容大多數操作者，我國正常成人男女人體主要尺寸按GB1000088標準如表1、表2，按成人女子P95百分位數的臀部寬度，在設計中還要考慮衣服厚度和余量，兩邊各留25mm，座寬設計為430 mm6。2.3.2座深座深是座面的前后距離，它應能使臀部得到全部支撐，其深度一般相當于臀部至大腿全長的3/4，按成人男子，95百分位數應不超過446 mm。本設計采用440 mm。2.3.3扶手高度進過調查研究發(fā)現扶手高度高出座椅面225260 mm時乘坐著最為舒適, 同時也較為安全，不會使使用者跌出輪椅外。本設計采用250 mm4。2.3.4驅動輪大輪選用直徑尺寸應在510660mm，經校正后采用560mm。前輪采用三個小輪組合而成的星形輪,每個小輪直徑尺寸應在120200mm之間，最后采用150mm。2.3.5手泉手圈一般直徑小于大輪50 mm，因本設計大論尺寸為560 mm,所以手輪采用510 mm。2.3.6靠枕靠枕作為使用者使用時休息必備的物品，靠枕高度（從臀部到后腦勺，按坐姿眼高來計算）應盡可能合適，這個尺寸本設計根據GB10000-88坐姿人體尺寸表選擇男性坐姿眼高P50百分位數 798 mm，再綜合考慮使用者體型差別、陪侍人員服務時方便與否等實際情況，本設計采用坐姿眼高400 mm?？空沓叽鐬?00 mm100 mm50 mm。 2.3.7靠背靠背高度（從臀部到靠背頂端）依據靠枕的高度來設定，靠背過高,將會擋住助推者的視線;過低,則使用者不方便靠,增加頸部的受力,經過計算,靠背的高度靠枕的頂部即為850 mm。2.3.8腳踏板腳踏板的長度應從膝關節(jié)凹陷處至腳底的高度，本設計根據GB10000-88坐姿人體尺寸表選擇男性坐姿小腿加足高P90百分位數439 mm，再綜合考慮使用者穿鞋的高度、使用舒適度等情況考慮，采用440 mm的長度。2.3.9腿托腿托可以承擔一部分小腿的重力，特別是當輪椅調整為躺臥狀態(tài)的時候，腿托要承擔幾乎所有小腿的重力，本設計根據GB10000-88坐姿人體尺寸表選擇男性小腿長P90百分位數396 mm，再綜合考慮使用者穿鞋的高度、使用舒適度等情況考慮，腿托應安置在小腿約1/2處，故采用腿托的下端距離腳踏板150 mm處，腿托的尺寸為150 mm65 mm30 mm6。 表3-1 GB10000-88坐姿人體尺寸表7百分位數/% 年齡分組男（18-60） 1 5 10 50 90 95 99女(18-55)1 1 5 10 50 90 95 99項目 數據坐高/mm836 858 870 908 947 958 979789 809 819 855 891 901 920坐姿頸椎點高/mm599 615 624 657 691 701 719563 579 587 617 648 657 675坐姿眼高/mm729 749 761 798 836 847 868678 695 704 739 773 783 803坐姿肩高/mm539 557 566 598 631 641 659504 518 526 556 585 594 609坐姿肘高/mm214 228 235 263 291 298 312201 215 223 251 277 284 299坐姿大腿厚/mm103 112 116 130 146 151 160107 113 117 130 146 151 160坐姿膝高/mm441 456 461 493 523 532 549410 424 431 458 485 493 507小腿加足高/mm372 383 389 413 439 448 463331 342 350 382 399 405 17坐深/mm407 421 429 457 486 494 510 388 401 408 433 461 469 85臀膝距/mm499 515 524 554 585 595 613481 495 502 529 561 570 587坐姿下肢長/mm892 892 921 937 992 1046 1063 1069826 826 851 865 912 960 9755 10表3-2 GB10000-88表1男性1855歲主要尺寸7百分位數151050909599身高(mm)1543158316041678175417751817坐高(mm)836858870908947958979臀寬(mm)285295300321347355369前臂長(mm)206216220237253258268大腿長(mm)413428436465496505523小腿長(mm)324338344369396403419表3-3 GB10000-88表2女性1855歲主要尺寸7 百分位數 1 5 10 50 90 95 99身高(mm) 1449 484 1503 1570 1640 1659 1697坐高(mm) 789 809 819 855 891 901 920臀寬(mm) 295 310 318 344 374 382 400前臂長(mm) 185 193 198 213 229 234 242大腿長(mm) 387 402 410 438 467 476 494小腿長(mm) 300 313 319 344 370 376 3902.4本章小結本章介紹了輪椅的系統(tǒng)的方案設計及其組成部分，介紹了本設計中的人性化設計方案,針對各個組成部分的尺寸設計做了細致的說明。3未來概念老人輪椅的功能組成模塊設計3.1行走模塊設計:行走模塊作為輪椅的一個重要組成模塊，其將實現手推、電動、自助行走、剎車等功能。3.1.1自助方式大輪的外圈設計有直徑為510 mm的手輪圈,使用者自助通過用雙手推動手輪圈使大輪向前/后移動，輪椅將會做相應的移動，以達到目的。3.1.2后輪驅動方式采用雙電動輪椅專用蓄電池（24v/14Ah），后輪采用雙電動輪椅專用電機（220w，24v）驅動，左右分放，功率大，電池持久耐用。 3.1.3剎車裝置剎車采用手剎與電動剎車相結合，盡可能地方便使用者，保證使用者在行駛中的停車安全后輪輪轂處剎車裝置1、采用一種新型的塑膠輪剎車裝置，包括空心輪軸（1）及其兩端的法蘭盤（6），法蘭盤上固定有外漲式剎車機構，外側的塑膠輪（13）通過快拆裝桿（12）與輪軸相連，其特征是剎車環(huán)（9）表面設置有凸塊/片/臺，嵌入塑膠輪（10）內側，與塑膠輪一體注塑成型5。2、剎車鐵環(huán)為底部開孔的杯狀，杯狀向外空壓出多個凸臺，杯口向外處延伸出多個傾斜的凸片。剎車機構包括與法蘭盤緊固的剎車盤（8），剎車盤上設置有可開可合的兩塊半閉環(huán)的剎車環(huán)（15），剎車環(huán)上設置有剎車片（14），剎車鐵環(huán)與剎車盤活套連接5。 3、法蘭盤邊緣延伸的一支撐臂（7），支撐臂上設置有剎車鋼繩松緊調節(jié)螺栓；兩塊半環(huán)形的剎車環(huán)（15）一段鉚合，另一端在C形彈簧圈的作用下緊靠扁頭銷（5），扁頭銷的另一端固定有剎車轉臂（4）；拉動轉臂時，通過扁頭銷的長短拉動剎車片外脹或閉合，實現剎車動作5。4、法蘭盤（6）的中間貫穿套筒銷（2）及套筒（3）；快裝桿件（12）先后貫穿輪轂（10）、套筒銷（2），靠桿前端的定位鋼珠將塑膠輪（13）定位在輪軸（1）兩側。輪轂兩端設置有軸承（15）5。 圖3-1 剎車裝配圖駐立剎車裝置駐立剎車裝置（如圖3-2）所示，主要是為了方便使用者在非電動狀態(tài)下自助操作剎車，駐立剎車為連桿機構，手柄1和桿6焊接固定在一起，桿（8）分別通過兩個鉚釘（7）與桿（6）、桿（2）連接再與車架連接在一起，兩個鉚釘（7）與桿（8）、桿（6）、桿（2）的連接均留有空隙，可以自由轉動。桿（5）通過兩個鉚釘（4）分別與桿（6）、桿（2）連接，其中，兩個鉚釘（4）與桿（5）的連接留有空隙，可以自由轉動，兩個鉚釘（4）與桿（6）、桿（2）為過盈連接，不可自由轉動。當扳動手柄（1）向前（圖中為向左）移動時，桿（2）在桿（5）的作用下向后（圖中為向右）移動，從而帶動連接在桿（2）上的剎車桿（3）向后（左圖中為向右）移動，頂住大輪的橡膠輪圈，阻止大輪的運動,實現剎車動作。圖3-2 駐立剎車裝配圖3.2臥坐模塊設計3.2.1背椅設計本設計的輪椅背椅設計為可調節(jié)成平躺至直立的狀態(tài),使用者可以根據自己的實際情況通過調節(jié)臥坐調節(jié)桿(圖3-3)達到自己需要的狀態(tài),從而實現不同的功能. 圖3-3臥坐調節(jié)桿臥坐調節(jié)桿是由兩節(jié)桿組合而成,桿（4）的一頭通過鉚釘（3）與焊接在扶手（1）上的凸塊（2）連接,桿（4）與鉚釘（3）之間留有1mm的空隙，可以自由轉動，鉚釘（3）與凸塊（2）為過盈連接，固定在一起。桿（7）的末段通過鉚釘（8）與靠背支架（9）連接, 桿（7）與鉚釘（8）之間留有1mm的空隙，可以自由轉動；鉚釘（8）與靠背支架（9）為過盈連接，固定在一起。桿（4）和桿（7）通過可調節(jié)的旋鈕（6）連接,臥坐調節(jié)桿有6檔,可以調節(jié)不同的卡位來調節(jié)不同的斜度,使用者可以通過調節(jié)臥坐調節(jié)桿達到不同的斜度,從而使自己更加實用得更加舒適.在靠椅平躺的過程當中,人的重心會向后移.本設計特別增加了防后傾輪（圖2-1）作為支撐,可以保證使用者在平躺的過程中輪椅不會發(fā)生傾倒,保證使用者的安全.3.2.2腳踏板結構的設計腳踏板設計為可調式，用戶可根據喜好來調節(jié)踏板的高低，腳踏板調節(jié)桿一端與踏板桿通過鉚釘GB867-86-632連接，其中，鉚釘穿過腳踏調節(jié)桿一端的孔，孔的直徑比鉚釘的直徑大1 mm，鉚釘與腳踏板桿過盈配合，腳踏板調節(jié)桿可以自由地主動。在輪椅前支撐桿上焊接有一根直徑為8mm的軸，腳踏板調節(jié)桿上的卡位可以通過調節(jié)卡在軸上，實現不同高度的調節(jié)。在平躺狀態(tài)下，可以根據需要把腳踏板調節(jié)為水平狀態(tài)。從而增加平躺的舒適性。3.3爬樓梯模塊設計在我國現階段及將來很長的時間內,眾多的輪椅使用者居住在沒有電梯的樓房,外出上下樓梯成為使用者所面臨的一個大難題,為此,本設計特意增加了上下樓梯功能,綜合考慮加工成本、生產狀況等因素，采用星形輪式爬樓機構，最少可以在一個外人為輔助的情況下，可以輕松實現上下樓梯功能，從而解決使用者的上下樓梯困難。此功能模塊具有零件數目少，結構簡單，沖擊載荷小，噪聲低，生產制造方便等優(yōu)點。采用由三個小輪組合而成的星形輪式機構，能夠可靠地實現輪椅的爬梯功能，由于其體積較小，有效地減小了輪椅的體積。減輕了輪椅重量，再加上電機驅動+人為輔助的作用，能夠實現爬樓梯功能且不會出現倒退現象，避免發(fā)生危險，提高了安全性；此功能模塊價格低廉、簡單實用，有利于推廣使用。鑒于目前國內的階梯高在150220 mm之前，臺階面寬度在200300 mm之前，綜合考慮星形輪的運行情況，此星形輪是由三個直徑為150 mm的小輪（5）組合而成，小輪的中心與星形輪支架（6）中心距離為160 mm，小輪的厚度為34 mm，為了減少摩擦，延長使用壽命，每個小輪里面安裝直徑為20mm的軸（2），軸的材料為45鋼。因為小輪主要承受徑向載荷，所以軸承則選擇6204深溝球軸承（3）。軸承的內圈用DB/T894.1-1986-20的彈性擋圈（9）固定，外圈采用軸承端蓋（1）固定，既可保證軸承的安全使用，又能起到防塵的作用。小輪輪軸的的另一端與星形輪支架的末端連接，輪軸穿過星形輪支架的末端的孔，再用銷GB/T117-1986-A1045（7）連接固定。因為星形輪支架主要承受徑向載荷，所以星形輪支架的中心有一孔。因為小輪主要承受徑向載荷，同理，星形輪支架中心安裝直徑為20mm的軸，軸的材料為45鋼。星形輪支架中心安裝軸承則選擇6204深溝球軸承。軸承的內圈用DB/T894.1-1986-20的彈性擋圈固定，外圈采用軸承端蓋固定。軸的另一端連接輪椅的前支架，同樣采用的是銷GB/T117-1986-A1045連接固定。小輪（5）與星形輪支架（6）之間軸向距離為15 mm，星形輪之間與輪椅前端支架（8）之間的軸向距離為10 mm。既可保證輪軸的剛度，也給輪子發(fā)生細微位移偏差的裕度空間。圖3-4 星形輪裝配圖3.4控制問題：采用萬向控制系統(tǒng)，前進、后退，左右自由轉向，使用者通過操作外向控制器,可以進行前進/后退/左右自由轉向的操作。 前進、后退是通過系統(tǒng)對電機的轉向的控制,來實現輪椅前進與后退功能;左右自由轉向是通過系統(tǒng)對大輪左右輪速度的快慢調節(jié)達到轉向的效果。若要進行向右轉彎,就進行萬向轉換器中的右轉操作,經系統(tǒng)的調節(jié)控制,大左輪的速度大于大右輪的速度,輪椅將向右轉彎。反之則向左轉彎。 3.4本章小結 本章詳細介紹了行走、坐臥轉換、爬樓梯三個功能模塊的組成及構造，并對輪椅的控制問題進行說明。4工程材料的選擇及校核4.1工程材料的選擇輪椅作為一種代步輔助運動的工具，消費者一般不會購買第二次，所以，在某種程度上輪椅是一種一次性消費產品，這就要求輪椅的使用壽命足夠長，一般輪椅的使用年限5、6年左右，超過這個年限還使用就存在許多安全隱患了。所以，輪椅在設計之初就應該考慮到它的回收，以便材料的重復使用，防止不必要的浪費。4.1.1車身材料的選擇車身采用直徑為30 mm的管狀高強度鋁合金車架,壁厚2.5 mm,主要材料為硬鋁合金(LY12), 硬鋁合金(LY12)從成分看,主要為Al-Cu-Mg系,鋁合金加入銅和鎂后,生成了強化相CuAl2和Al2CuMg,使其在時效時發(fā)生時效硬化作用。具有較高的輕度,能夠承受較高載荷10。4.1.2坐墊材料的選擇為避免壓瘡，對墊子要高度注意，本設計選用Roto墊，這種墊由一塊大塑料，上面有大量直徑5cm左右的乳頭狀塑膠空心柱組成，每個柱都柔軟易動，患者坐上后受壓面變成大量的受壓點，而且患者稍一移動，受壓點隨乳頭的移動而改變，這樣就可以不斷地變換受壓點，避免經常壓迫同一部位造成壓瘡。如無上述墊子，則需用層型泡沫塑料，其厚度應有10cm，上層為0.5cm 厚的高密度聚氯基甲酸酯（polyarethane）泡沫塑料，下層為中密度的同樣性質的塑料，高密度者支持性強，中密度者柔軟舒適。 在坐位時，坐骨結節(jié)承壓很大，常超出正常毛細血管端壓力的116倍，易于缺血形成壓瘡。為避免此處壓力過大，常在相應處的墊子上挖去一塊，讓坐骨結節(jié)架空，挖時前方應在坐骨結節(jié)前2.5cm處，側方應在該結節(jié)外側2.5cm處，深度在7.5cm左右，挖后墊子呈凹字形，缺口在后，若采用上述墊子加上切口，可以相當有效地防止壓瘡的產生4。4.1.3輪胎的選擇綜合考慮使用壽命、耐磨性、防滑等使用情況，本設計的輪胎外圈采用天然橡膠，主要成分是一種以聚異戊二烯為主要成分的天然高分子化合物，分子式是n，其成分中91%94%是橡膠烴（聚異戊二烯），其余為蛋白質、脂肪酸、灰分、糖類等非橡膠物質8。天然橡膠在常溫下具有較高的彈性，稍帶塑性，具有非常好的機械強度，滯后損失小，在多次變形時生熱低，因此其耐屈撓性也很好，并且因為是非極性橡膠，所以電絕緣性能良好。本設計的輪胎花紋采用混合花紋，混合花紋是普通花紋和越野花紋之間的一種過渡性花紋。其特點是胎面中部具有方向各異或以縱向為主的窄花紋溝槽，而在兩側則以方向各異或以橫向為主的寬花紋溝槽。這樣的花紋搭配使混合花紋的綜合性能好，適應能力強。它既適應于良好的硬路面。在行駛時承受著各種變形、負荷、力以及高低溫作用，具有較高的承載性能、牽引性能、緩沖性能9。4.1.4星形輪小輪軸及軸承的選擇根據輪椅的特點和人體尺寸的大概參數，輪椅承重量100KG，人體的重心約在離靠椅205MM，離前端318MM處，根據工程力學的力矩知識，設人體的重力的,輪椅前端受到的壓力為，輪椅后端所受的壓力為，則 （4.1） （4.2）則，則，則根據力的合成與分解原理，前輪每個星形輪受力，后輪每個大輪受力根據設計要求，根據工程材料的相關知識知：45鋼的彈性模量，慣性矩公式 (4.3)根據梁的轉角公式 (4.4) （4.5）綜合考慮使用過程中顛簸等因素給軸帶來沖擊載荷，以及使用壽命、制造工藝等情況，決定采用直徑為20mm的軸，軸的材料為45鋼。而軸承則選擇6204深溝球軸承10。4.1.5星形輪中心軸及軸承的選擇星形輪中心傳動軸受力約為192N,等效受力距離為55 mm，根據梁的轉角公式（4.4），則 （4.6）綜合考慮使用過程中顛簸等因素給軸帶來沖擊，以及使用壽命、制造工藝等情況，決定采用直徑為20mm的軸，軸的材料為45鋼。而軸承則選擇6204深溝球軸承。 4.1.6大輪軸的選擇后輪采用電機直接驅動，電機與輪轂中的快速拆桿傳動軸直接嵌套連接，不經過減速裝置，快速拆桿為空心結構，內徑和外徑之比本設計最高時速為8Km/h，大輪直徑D=560 mm=0.56 m，轉速（4.6）扭轉切應力公式 (4.7)式中：T軸所傳遞的扭矩，；軸的抗扭截面系數，;P軸所傳遞的功率，； n軸的轉速，；、軸的切應力、許用切應力，;D軸的估算直徑,mm11。查表得=40，電機功率為220w=0.22代入數據計算，則軸的大直徑（4.8） 故取大直徑D=16 mm,則小徑d=8 mm。4.2工程材料的校核4.2.1星形輪小輪軸的校核根據工程材料的相關知識知：45鋼的彈性模量，慣性矩公式(4.3)12， 軸的直徑， 根據轉角公式（4.4）得： 所以，許用轉角校核有效。撓度：（4.9）撓度校核有效。4.2.2星形輪中心輪軸的校核根據轉角公式（4.4）得：許用轉角校核有效。撓度：（4.10）撓度校核有效。 4.2.3大輪空心輪軸的校核扭轉強度校核：根據扭轉切應力公式(4.7),軸的切應力為 扭轉強度校核有效；4.2.4輪椅構架材料的校核 本設計采用的輪椅構架為直徑30mm，厚度為2.5mm的的管狀高強度鋁合金車架，其橫截面積（4.10）輪椅后支架受到的壓力最大，根據估算，最大應該約為=298N，則 （4.11）本設計采用的是高強度鋁合金車架管材，其最大的抗拉強度是370 ,即最大許用應力 為370 ，而計算所得到的結果遠遠小于其最大許用應力，故輪椅的主結構采用為直徑30mm，厚度為2.5mm的的管狀高強度鋁合金。 4.3本章小結 本章對輪椅設計所用的工程材料進行計算、校核，驗證了本設計的有效性及可行性。參考文獻1 前瞻產業(yè)研究院. 人口老齡化加劇 我國輪椅制造業(yè)當自立自強. /view/1005872.htm#2，2012-01-30 2 何清華，黃素平，黃志雄.智能輪椅的研究現狀和發(fā)展趨勢J機器人技術與應用，2003（02）：12-14.3 江渡，申俊，陳棟，等.應用人機工程學研究輪椅的舒適性，2006（08）:12-13.4 百度百科.輪椅/view/533567.htm2012-02-25 5 李學梅. 輪椅的塑膠輪剎車裝置P.中國專利：200520054486.3，2006-07-126 閆斌. 人機工程學輪椅設計說明D.西安:陜西理工學院機械工程學院，20