基于优化设计设计方法的轮椅设计.doc

基于优化设计设计方法的轮椅设计2011071321杨杰1引言随着人类的不断发展与历史的不断前进，人们对物质的追求也越来越高，而在科技发展的同时，人们的生活水平不断提高，因此对老人或者有些患者来说轮椅是一件越来越重要的东西，而关于轮椅的设计需要有更加优化与轻巧，更加得适合各种人群的需要，因此轮椅的优化设计也显得越来越重要。随着社会的发展和科学技术的进步，使人们对设计的要求发展到了一个新的阶段具体表现为设计对象由单机走向系统、设计要求由单目标走向多目标、设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域、承担设计的工作人员从单人走向小组甚至大的群体、产品设计由自由发展走向有计划的开展。 与人们对设计的要求相比现阶段的设计确实是落后的主要表现为对客观设计的研究不够尚未很好的掌握设计中的客观规律当前设计的优劣主要取决于设计者的经验设计生产率较低，设计进度与质量不能很好控制，实际手段与设计方法有待改进 尚未形成能被大家接受能有效指导设计实践的系统设计理论。面对这种形势，唯一的解决方法就是设计必须科学化。这就意味着要科学的阐述客观设计过程及本质，分析与设计有关的领域及其地位，在此基础上科学的安排设计进程， 使用科学的方法和手段进行设计工作，同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识而且要掌握先进的设计理论、设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。2优化设计的简介优化设计（optimal design）是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。在进行工程优化设计时，首先把工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件；而设计者选定来衡量设计方案优劣并期望得到改进的指标表示为设计变量的函数，称为目标函数。设计变量、约束函数、目标函数组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需要把数学模型和优化算发放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。常用的优化算法有：0.618法、鲍威尔（power）法、变尺度法、复合型法、惩罚函数法。2.1优化设计的内容和目的 机电一体化系统优化设计就是要把优化设计应用到机电一体化系统的设计中去通过对零件、机构、元器件和电路、部件、子系统乃至机电一体化系统进行优化设计确定出最佳设计参数和系统结构提高机电产品及技术装备的设计水平从而增强其市场竞争力和生命力。2.2优化设计的方法（1）实验法：由实验直接找到目标函数的最优解及相应的最优点，求出最优设计方案。（2）图解法：根据目标函数和约束函数，画出其图形，找出最优解，虽然此方法只适应于求解极简单的优化问题，但对于理解优化问题中的基本概念，目标函数与约束函数之间的关系，掌握最优解的存在规律及求解范围都有很大的帮助。（3）数学规划法：优化问题的求解主要是整个优化设计方法的核心，该方法是根据所建立的数学模型，从求解函数极值问题的数学原理出发，运用优化设计中一系列数学分析及计算方法，求出最优解。数学规划法又有许多类型：根据目标函数的个数分为单目标优化问题和多目标优化问题。根据目标函数及约束函数的线性性质分为线性规划问题和非线性规划问题，线性规划问题求解主要用单纯行优化法。确定设计要求，分析设计对象开始是否合理建立数学模型1. 确定设计变量2. 确定约束条件3. 构造目标函数4. 数学模型规格化是否合理输出优化方案结束调整设计要求改进优化模型改进优化方法否否不合理图2 优化设计的步骤分析优化结果选择优化求解方法非线性规划问题又分为单变量和多变量问题。单变量问题主要用于唯一变量法。多变量问题则分为无约束优化和有约束优化。无约束优化又分为导数优化法和模式优化法，有约束优化法则分为直接优化法和间接法。2.3优化设计的步骤（1）设计对象分析（2）设计变量和设计约束条件的确定（3）目标函数的建立（4）合适的优化计算方法选择（5）优化结果分析。3设计的过程及步骤在设计的过程中充分考虑到受用人群的可能带来的麻烦，尽量减少他们的麻烦，在设计时利用人们的重心去创造一定的倾斜角，让人们可以轻松的躺在上面，在设计时可以借助不倒翁的原理，让人们可以自由的躺在上面，而有不会倒在地上，可以设计时考虑不同的人有不同的体重来增加一个自动重心适配的仪器，借助电脑等仪器来进行。不同类型的摆振,使行走机构的操纵稳定性变差,增加相关零部件的动载荷,影响其使用寿命。注意轮椅扯前轮的转向的减振，近几年,某些形式的轮椅车开始安装动力驱动装置或采用不同的方式驱动。这样,使得轮椅车行驶速度有所提高。因而,轮椅车转向轮的摆振问题成为影响整车稳定性的重要因素之一。从轮椅车转向轮的实际结构出发,建立转向轮系统的动力学微分方程;设计转向轮摆振实验,并通过实验对理论模型进行验证;应用遗传优化算法进行参数优化设计,抑制轮椅车转向轮的摆振。4 结论在轮椅的优化设计中要发扬以人为本的理念，充分考虑到人们的腿脚不便，而在轮椅上能够享有一定