老年人及残疾人辅具创新设计与深入开发总结报告.docVIP

浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）总结报告项 目 名 称：老年人及残疾人辅具创新设计与深入开发项 目 负 责 人： 唐杭斌 学校名称： 浙江工业大学 项目类别：大学生科技创新项目 大学生创新创业孵化项目 大学生科技创新推广项目 目 录 前言4一、研究背景51.1椅子的研究背景51.2护理椅的研究背景71.3.残疾人辅具的研究背景8二、研究意义9三、研究现状103.1医疗器械研究现状103.2折叠椅研究现状113.3残疾人辅具研究现状12四、研究方法13五、研究内容145.1市场产品主要不足点145.2辅具设计主要素155.3所设计产品的特点介绍16六、市场调研及设计产品构思166.1新型老年人及残疾人辅具的市场调研166.2.新型老年人及残疾人辅具的内容及创新点20七机械结构及组成部分217.1力学分析217.2结构分析237.3自由度计算247.4头枕267.5靠背277.6坐垫287.7支撑架297.8机械锁317.9便桶327.10轮胎327.11遥控器347.12其他零部件34八、电机及无线控制348.1直流电机驱动348.2无线控制38九研究成果的应用前景40十研究成果的社会效益和经济效益41十一研究存在的不足及缺陷42十二成果展示43前 言 随着社会发展，时代进步，越来越多的人进入我们的视野，也让我们明白，我们需要做什么，帮助、关怀、爱护。我们是大学生，我们为社会所期待,我们需要用自己的一双手、一种思维去做自己力所能及之事。老年人、残疾人，他们身体机能衰弱或者缺失，相比普通人而言，他们的生活在一定程度上较为困难，这也影响了他们生活水平的提高。当人们的生活都在不断的改善时，需要有一些人把目光注视到他们身上，去帮助他们。唯有弥补、满足他们的身体机能要求，提高他们的自理能力，才能提高他们的生活质量，生活水平，而这就是我们希望做的，想要做的。也正因此，我们开始了对老年人及残疾人辅具的设计和开发。老年人及残疾人辅具的设计与深入开发一、研究背景1.1椅子的研究背景 本课题将设计一款老年人及残疾人辅具。项目参考和结合了折叠椅、护理椅、残疾人辅具、轮椅等各自的优点和不足，成功设计该辅具。下面将对椅子的发展历史进行详细介绍。椅子是日常生活中最常见的家具之一，几乎所有地方都会用到各种各样的椅子。这也就说明了椅子在人们生活中不可替代的作用，以及我们对于椅子一种无时无刻的依赖感。在时代的进程中，椅子随着人们不断发展改进，在形式上，从原来运用榫接的实木椅，发展到塑料椅，再到如今的铁艺椅、玻璃椅、皮艺椅等等，一系列新式座椅；从功能上，也从原先单一的座椅，慢慢延展、改变，分支发展成为办公椅、休闲椅、躺椅以及各种专用椅。许多世纪以来，人们认为椅子不仅代表着一种生活习惯，更是一种权力、地位的象征。与其他家具相比，椅子是最基本、最普通的，正是基于此，它成为不同时间、地点，不同文化下传达信息的载体。在伟大的古埃及时代（公元前3100年前475年），“坐着”是唯有皇族和上层社会特有的权利。在第五王朝时代，椅子的制作达到了巅峰，当时主要的椅子有：折叠椅、高坐姿椅子等。在那时，这些精美的椅子只供皇室贵族和官员在正式场合使用，折叠椅更是战地军官的专用椅。同一时期，美索不达米亚王朝也得以发展，甚至今天，还能在伊拉克，找到沿用传统生产工艺生产的相似椅子。在公元前475年前370年，在古希腊更是已经出现了躺椅、长沙发等椅子。并且被具有权势的古罗马帝国贵族继承，形成了“坐椅子”传承，直到罗马帝国的终结为止。哥特时期（12世纪15世纪）家具渐渐流传开，成为必需品。14世纪，随着文艺复兴的来临，一款功能性强的座椅轮椅，诞生了，它逐渐成为学者便于工作和生活的有利工具。思想上的解放，禁欲主义的打破也使椅子更加个性化，不仅种类扩大，附件产品增多，结构上也发生了一些改进，例如靠背、座面所设计的角度更合适，产品的人机结合更紧密，材料更轻便，更耐用，此外，木刻雕花、印刷图案的加入，使得椅子更新颖、美观。在16世纪的欧洲艺术革命中，椅子的设计更是有了巨大突破，比如法国的一些来自“路易”王朝风格的座椅，Biedermeier Chair毕德迈式椅子，帝国椅。19世纪后半叶，托奈特创造出了一种新的生产方式曲木生产，运用蒸汽压力使木材弯曲呈弧线的系统技术，另外在椅子生产中采用胶合板的技术。这项技术成为19世纪最重要椅子制造史的突破。 图1.1 椅子的发展史随着现代化的发展，椅子也越来越向舒适化、美观化，贴近人体尺度，合适的曲度、合适的着力点、相应的材料选取，讲求搭配合理的色泽和花纹，优雅的整体效果，随之出现了一系列各种各样的座椅。然后人们也渐渐开始考虑椅子的作用及功能，渐渐地，椅子开始产生明显的分支，办公椅、轮椅.乃至辅具椅等。这也是我们今天研究的课题。1.2护理椅的研究背景在当前的市场上护理椅主要品牌为安维、日进、三贵等，针对不同年龄段的都有。现在以安维Netti轮椅 III个人护理型轮椅为例，此为市场上好评高，功能较完善的产品，如图1.2，图1.3所示。其具有以下优点：扶手高度可调节，靠背角度可在0-180可调节，两脚撑的调节相互独立，且角度、高度、长度皆可调节等，而且考虑到适用人群的安全性，还专门设计了防止向后翻倒装置，并且材质松软舒适度高。然而在其充分考虑舒适性的情况下，座椅功能的缺失性却是越发凸显出来。相比之下，市场上的其他产品，有的功能单一，只针对按摩、如厕或只有清洗功能，有的功能强大，却体积也大而且重功能性和舒适性、还有便携性，始终无法得到一个适中的完美答案。 图1.3 整体结构调节示意图图1.2 整体结构示意图 根据我们调查，市场上，专门针对功能设计的护理椅主要有这几种：解决其生理问题，如如厕，并为其提供一个宽松舒适环境，如图1.4所示；可推行外出室外走动，可坐可躺，可在椅子上用餐、进行一些娱乐活动等，如图1.5所示；为使用者提供一个舒适坐式，保护其身体脊椎，并对其进行康复护理的电动护理椅，如图1.6所示。 图1.6 电动护理椅图1.5 脊椎护理椅图1.4 如厕椅1.3残疾人辅具的研究背景残疾人辅具全称为残疾人辅助器，即能够有效防止，或者减轻、替代由于伤残造成的身体功能上的减弱或缺失的产品、器械或技术系统。这些辅具在残疾人的康复过程中起到了无法代替的作用。两款残疾人护理椅如图1.7，图1.8所示。 残疾人辅助器具有以下作用： （1）自理生活的依靠。辅助器具涉及起居、洗漱、进食、行动、如厕、家务、交流等生活的各个层面，是发挥功能障碍者潜能、辅助自理生活的重要工具。 （2）全面康复的工具。辅助器具涉及医疗康复、教育康复、职业康复和社会康复的各个领域，是康复必不可少的工具。（3）回归社会的桥梁。在2001年5月世界卫生组织（WHO）发布的国际功能功能、残疾和健康分类中强调，个人因素和环境因素对残疾的发生和发展，以及对功能的恢复和重建都有密切关系，其中环境因素对残疾人康复和参与社会生活具有重要作用。如社会给截瘫者提供了轮椅，他们可以走出家门；当他们走出家门面对一个出行有坡道，上下楼梯有升降装置的无障碍环境，才能实现正常参与社会生活的愿望，因此辅助器具是构建无障碍环境的通道和桥梁。图1.8 简易折叠轮椅图1.7 工作辅具椅在各种辅具中，轮椅的使用率越来越高。对于那些行动不便的人群，他们并不喜欢每天呆在家里，在阳春三月很想到外面走走，但是，身体的不便让他们不得不放弃这种想法。当然，有了残疾人辅具后，他们的想法的确变成了现实，不过，在选用辅具这个问题让很多人大费脑筋。一件功能强，综合评价高，性能好的辅具才是他们所希望的。 二、研究意义由于老年人及残疾人辅具的适用人群是老年人和残疾人，那么我们就一定要把老年人和残疾人都考虑进来。众所周知，中国人口基数是世界最大的，这在一定程度上也就决定了我们老年人口数非常多的必然性。自1999年起，我国进入了老龄化社会阶段，随着时代变迁，社会也在不断的发展，然而养老的问题却越来越严重。据第六次人口普查中显示，我国大陆总人口数已达到13.39亿，但60岁及以上人口占全国总人口的13.26%，是世界上人口老龄化规模最大，而且还是发展速度最快的国家之一。这让我们不得不引起重视，养老问题日益严重，我们必须有所行动，从各个方面去帮助他们的生活，去安顿好他们，让他们老有所依。与此同时，我们残疾人事业也有待发展，据2006年第二次全国残疾人抽样调查数据推算，中国目前各类残疾人总数为8296万人，占全国人口总数6.34%。各类残疾人的比重为：视力残疾1233万人（14.86%）；听力残疾2004万人（24.1%）；言语残疾127万人（1.5%）；肢体残疾2412万人（29.07%）；智力残疾554万人（6.68%）；精神残疾614万人（7.40%）；多重残疾1352万人（16.30%）。这些数据无时无刻不在告诉我们，他们需要帮助，需要大家的帮助，需要社会的帮助。老龄人、残疾人人群日益扩大，老龄、残疾人事业的发展势在必行，如何更好的发展好事业中的各项行业，让他们的生活自理能力提高，生活更加有保障，是我们深思的关键所在。作为弱势群体的他们，随着时代的发展，如何更好的给予他们我们力所能及的帮助，从外界到内心，帮助他们，改善他们的生活，这是我们整个社会都在时时刻刻关注着的。积极拓展老年人残疾人社会帮助事业，增强全社会的养老助残服务功能，增强医疗救助、家庭病床等面向老年人、残疾人的医疗设施建设刻不容缓。作为大学生，我们应当充分利用专业知识，发挥创新能力，为解决社会热点，为社会人群贡献出我们应尽的能力。为此，我们将满怀热诚，把自己的心思完全投入新型老年人及残疾人辅具设计和研发当中。三、研究现状3.1医疗器械研究现状随着时代的发展，我们越来越在意个人的生活质量，而生活质量的保证，前提就是健康。医疗器械与人类生命健康息息相关。自然而然，人们对此的关注度也随着社会的发展，日益提高。然而，当今时代，我国医疗器械行业发展太过注重理论化和可行性，却没有充分考虑实际性和人机关系，又没有足够的创新相支撑，致使器械产品呆板不灵活，操作复杂易出错，在我国人民医疗需求日益增长的今天，我国的医疗器械越发捉襟见肘。再看国际的高技术医疗器械界，主要由美国、日本、德国等少数发达国家垄断，他们仪器的高精度，易操作，外形美观等等都要比我国更胜一筹，而我们只能通过进口来满足人民需求。就现状分析，我国医疗器械还有待精细化，准确化，人机关系有待加强。只有这样，才能更好的服务人民群众，为人民提供最好最优质的服务。 3.2折叠椅研究现状我国家具和室内设计行业在80年代萌芽，而后快速发展，到90年代已然成为另一个独立产业，产值达到了80亿元，到2002年就已经突破2000亿，在2010年更是突破了5000亿大关，其发展趋势每年保持在20%以上，发展势头不减。据维基百科所述，折叠椅本身是人们普遍的座椅，随着技术的更新，出现了形式与制作工艺的多样化，也导致了新功能、新设计的发展，全世界有成千数万的专利是关于折叠椅（凳）的新奇想法。折叠椅有直率紧凑的外观和结识耐用的特点。很多家具设计师、发明家和普通工匠都把他们的精力投入到座椅设计中，极为关注于椅子的折叠、调节度与舒适性。折椅性能越来越强，重量越来越小，压缩体积越来越小，也使得其适用的环境、范围越来越广大，沙滩椅、折叠一体座椅的出现，更是代表着一个方面的一种重大突破，实现了一种对环境的专门适应化。折叠椅在人类社会中存在感越来越强，在快节奏的生活中，成为人类生活不可或缺的一个部分。为了更好的贴近人们的生活，每一把现代化的折叠椅都是通过大量社会调查和技术讨论挑选的结晶产物。折叠椅出现在人们生活的每个角落，各类培训机构、各级学校、医院、餐厅、酒店、公司、家庭等等场所。以下为市场上主要的几种折叠椅：沙滩椅休闲椅：支脚粗而触点面大，帆布结实，宽度符合人体形态工程学原理，靠背的设计可以调节。适合居家，医院陪护，单位午休、垂钓、旅游。携带方便，更舒服，更合理。家居折叠椅：轻便、可叠放功能的座椅，既方便搬动，又节省空间。 公共场所使用的座位折叠椅：座椅是根据人体形态工程学原理制造而成，内装S型弹簧，确保椅背之曲线完整符合人体曲线，座感舒适，是美学与高科技的完美结合。几款折叠椅如图3.1，图3.2，图3.3所示。图3.3 公共场所用的座位折叠椅 图3.2 家居折叠椅图3.1 家具式折叠椅3.3残疾人辅具研究现状辅具是残疾人生活的必备，是他们的依靠，它顺应了现代残疾人生活方式的转变，满足了他们对便利的生活的渴望以及对生命自由尊重的要求。据中国残疾人辅助器具网统计, 我国现有残疾人8296万，其中60%以上需要借助辅助器具补偿和改善功能，提高生活质量，增强社会生活参与能力。随着社会的发展,人民生活水平的不断提高，残疾人群体在社会中的地位和关注程度越来越高，患有疾患或残障的人士对身体机能的恢复愿望越来越强烈。近几年，残疾人辅具产品的研究和开发应用也从实验室进入到普通残疾人的日常生活中。提高残疾人辅助器具适配力度，加强和提高残疾人的生活质量，对于促进社会和谐，具有积极的社会意义，因此，加强残疾人辅助器具组合适配工作，重视此项工作对残疾人心理现状的分析研究，有助于推进此项工作更扎实的开展，实现残疾人辅助器具适配新的发展。 纵观各国辅助器具的发展历史，康复辅具的研究开发均从假肢、矫形器、轮椅车等辅助器具的研究和生产开始，我国同样如此。经过30年发展，我国在假肢、矫形器、轮椅车等领域制定和发布了不少相关国家标准和行业标准的产品，形成一定产业规模，在假肢、矫形器等传统康复辅具的性价比位国际领先，并实现向发展中国家的出口，且占有较大的市场份额；科研院所和大专院校的相关课题，假肢结合CAD/CAM系统、钛合金下肢假肢组件、足底矫形器CAD/CAM系统、肌电假手、2C运动储能脚灯等相关技术均达到同期国际先进水平。十一五期间，各级政府、科技主管部门和行业主管部门积极推动康复辅具行业建设，在政策、人才、资金等多方面支持，科技部还通过科技支撑计划、863计划等科技计划支持多个专门面向残疾人的重大科研项目。但与国外相比，我们康复水平还是总体落后，特别是辅具方面，落后严重，辅具产业也存在很大空白，且从质量，性能、性价比等各方面都与发达国家有所差距，无法相比。其主要原因行业发展还处于初级阶段，高端技术缺乏、普惠性产品种类是少及数量匮乏。除经济和社会发展原因外，管理体制、法律法规、运行机制、科研成果转化和产业化研究开发中存在的诸多问题，也是制约康复辅具产业发展的重要原因，主要包括以下几方面：辅具配置保障体系尚未健全；产品科技含量较低；科研成果较难实现产业化；加工技术水平落后发达国家；创新型人才少；高新技术产业体系尚未形成。以下为市场上主要几类辅具椅：图3.4 肢体残疾辅具图3.6 康复辅具椅图3.5 辅助轮椅四、研究方法 本课题在新型多功能老人椅的基础上，研发新型老年人及残疾人辅具，我们对市场进行调研，走访大型购物商场，了解实物数据，功能质量，分析其性能、外观及其设计参数；访问淘宝商城等主要网上商店，了解当前热门实用辅具椅的相关功能及详细信息，结合以往的统计数据，比对归纳当前各种辅具的优缺点。而后查阅大量相关数据资料、书籍并查阅大量数据资料，根据机械设计原理、人体工程学、人机交互等相关理论，确定本课题设计目标及方向。历经市场调研、草图绘制、三维模型设计绘制，得出最终的设计成果。其中设计过程的三维模型设计主要运用的是SolidWorks软件。SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）推出的三维机械设计软件，是专门用于研究机械设计、改造的视窗软件。作为达索中端市场的一大主打产品，其功能十分强大，组件繁多，可以减少设计过程中的误差，更重要的是其容易上手、技术创新、工作效率极高的特点，更是让他成为机械设计的首选软件，并且被广泛的运用于设计加工的各个领域，从汽车、造船，到通用机械设备，甚至运用于航空航天的研制开发当中。有美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”其强大功能主要可以体现在以下几点： （1）界面窗口：SolidWorks提供了一套完整动态界面，并且完美的结合了AutoCAD，可以完全保留原有的作图习惯，直接做到从二维设计转向三维实体设计。（2）配置管理：这涉及到零件设计、装配以及工程图测绘。能够通过对不同参数的变换组合，直接计算绘出不同的零件和装配体。（3）协同功能：与互联网完美结合，可以通过3D Meeting实现协同工作，可通过eDrawing共享CAD文件。还可通过三维托管网站展开生动实体模型。（4）装配设计：新零件生成后，你可以直接参考其数据，并且与其他零部件配比，在装配中，这可以更方便设计和修改零件。而更重要的是，它可以全方位动态观察装配件的所有运动，然后进行测调。还有智能零件技术、镜像技术等等。（5）工程图版：各工程图之间紧密关联，只要改变一处，三维模型、各视图、装配体、所有工程图都会随之更新。此外还可运用RapidDraft，实现工程图与三维零件、装配图的脱离，独立工作，提高工作效率。五、研究内容5.1市场产品主要不足点随着中国残疾人、老年人人口不断增多。如何让他们拥有更好、更健康的生活状态成为我们社会关注的一个热点。我们要想法设法去积极发展辅具护理产业，提高老年人、残疾人的生活质量，增强医疗求助，提高他们的行动能力，保护他们的自尊心，从而使他们有更好的生活环境。身为大学生，我们有能力，有必要去利用专业知识，发挥创新能力，为解决社会热点问题，为人类社会发展尽一份力。因此，我们抱着这样“人人为我，我为人人”的想法，将满怀热诚，把自己的心思完全投入创新老年人及残疾人辅具设计和研发当中。本课题研究的是面向残疾人、老龄人的辅具护理椅。在经过一段时间的市场调查总结后，我们发现，目前市场上此类型的产品存在以下几方面的缺憾：（1）部分已有产品中存在一些明显缺陷，如材料选用不当，性价比低等；（2）市场上的商品往往功能多者笨重不易携带，轻便易携带者功能太少，两者不能齐美；（3）市场现有的产品着重护理部分，而忽视了很多老人也是行动不便者；（4）功能丰富的同时带来了操作复杂，繁琐的问题；（5）护理椅适应有一定人群限制，而且仅仅只考虑了老人的使用问题，应该还可以同时具备医疗器械的功能，同样适合残疾人使用。5.2辅具设计主要素有必要设计出一款不仅仅轻便易携带、多功能的新型老年人残疾人辅具，并且拓展其应用范围，使之同样兼容护理椅、辅具的功能，优化细节，让老人用它能感觉到舒适放心；残疾人有了它，同样生活质量提高，自理能力更强。本课题将综合考虑各方面性能，设计研发一款同时适合老年人、残疾人使用的辅具。因此，具体有四方面内容：（1）安全性：无论是老人、残疾人，对于他们，安全始终是最重要的，优良的护理椅需要能够有效的避免意外侧翻，倒溜，因为每一次的意外，都代表着二次损伤的可能。（2）功能性：由于残疾人、老人，在生理、病理上的不同，一款合格的椅子就必须拓展应用范围，并且合理结合适用人群自身特点设计，使之同样具备相关医疗器械的功能，两者技术结合，在提高其生活能力的基础上，改善 其身体状况。（3）便携性：折叠技术的使用、精密计算后的基件构造，使其占用空间更小，并且材料的合理选择也让其重量更轻，使之更容易携带。（4）舒适度：根据老年人的身体条件，合理的选择椅背的宽度及角度，减少脊椎周围软组织的负担，同时，选择适合的材料，提高舒适度。5.3所设计产品的特点介绍根据人体工程学相关理论要求，我们研发的老年人及残疾人辅具有如下特点：(1)其整体的便携性，整个辅具可拆卸成两个部分，一个箱子和钢架底座，可分别放置，占用空间小。(2)具有强大的多功能性，在外可以作为电动轮椅，在家可以作为移动辅具椅，且当上下分离后，下部钢架底座可独立使用。(3)整体舒适性，设计适应各种人体尺寸，使上体处于较舒适的姿势，尤其适合老人；(4)当人坐下来后，座椅适当倾斜；靠背采用高强度布料材料（附有一定弹性），可向后倾斜（约10到20）；提供扶手；前有脚架，可舒适平放脚；(5)可以减少脊柱承担的体重：座椅靠背和扶手可以减轻椎间盘负担；(6)有利于腰部（脊柱前凸）的形状：可以在座椅靠背的腰部提供曲线，加大座面与靠背关系；给出盘轮廓线面，改变骨盆的角度；(7)可以减少皮肤和其他组织的接触压力：座椅高度合适；座面软硬适宜；(8)上下部分连接，充分考虑人机关系，运用新颖的定位锁，只要轻轻一转，便可把座椅部分和钢架底座牢固的连接在一起；(9)设有简单易操作遥控器，直观易懂，方便老人操纵辅具椅行动；(10)后轮设有弹簧装置，前轮小后轮大，稳定性高，减震避震。六、市场调研及设计产品构思6.1新型老年人及残疾人辅具的市场调研经我们科研小组的走访，调研，问卷调查，售后回访等一系列环节，得到了大量的一手资料，而且我们还分析了目前市场上10款比较具有代表性的辅具椅的结构、功能，技术参数及各自优缺点。并在此基础上，经过我们团队不断研发，不断改进，技术难点公关，所研发的多功能老人护理椅很好的避免了以下的缺陷，结合各自的优点，真正达到便携，多功能的目的。现在，将在以下对调研结果中的5类典型护理椅的优缺点做阐述。（1）传统护理椅：可躺可坐，下有可折叠式皮垫，可以避免病人因长时间卧床造成的腰椎酸痛、姿势性低血压。在其底座还有可滑动轮，在天气晴朗、时间空闲，可由别人推扶，外出观赏景色。适用对象：医院、疗养院病患使用。居家病患使用。陪护、看护使用。传统护理椅如图6.1所示。图6.1 传统护理椅该类型产品的优点有：采用进口钢管，美观，质量高，不易变形；前轮芯轴采用正规四个轴承，耐颠簸，耐磨损；采用工程塑料轮框，或铝合金轮框，不会生锈。缺点有：携带不方便；较舒适但功能有限，结合老龄人特点，但较为单一；与人体工程学结合度不够，有待进一步改进和提高。（2）老人坐便椅：抽式座厕，皮质弹性靠垫，对于体弱的老年人、行动不方便的残疾人，平日可以当椅子两用。而其本身就是一个可以移动的洁具，对于适用人群，可以直接放在寝室，或者放在庭院平日歇息之用。方便实用，是老人、残疾人的生活一大便利。老人坐便椅如图6.2所示。图6.2 老人坐便椅该类型产品优点有：折叠方便，如厕问题易解决；合金材质，轻便。缺点有：携带不方便，而且不易清洗；密封性差，味道较重；皮革垫子，容易损坏，不耐用；安全系数不高；占地面积大，椅脚容易磨损。（3）高级便携式护理椅：轻便，快捷，可折叠，非常适合老人、残疾人出行，轮椅外设把手，噪声小，平稳。图6.3 高级便携式护理椅该产品类型的优点：车体轻便，外出携带、上下楼梯十分方便，容易携带；车体小巧，可折叠，外出时可折叠存放后备箱；以布料做垫，在臀部受力面大，力小，可以有效缓解身体压力；车体双支撑，附安全带，尤其适合腿脚不便、有专人护理的老人或者残疾人。缺点：以布为坐垫，承载力相对不足，存在安全隐患；老人控制很费力，特别是体弱者，对身体产生负担，而且很不安全，会造成侧翻，甚至倒退；经调查发现，该产品所用的材料强度也远低于其他护理椅坐垫需要，易磨损、易撕裂；且功能单一，人机关系不合理。（4）加厚电动护理床椅：满足高消费人群的需要，在舒适的程度上达到美观，奢华，加厚电动护理椅如图6.4所示。图6.4 加厚电动护理床椅该类型产品的优点有：床椅整体骨架采用优质型钢焊接成型，采用优质皮料，静电喷塑表面，舒适柔软，牢固耐用；床板:采用一体化床板，内部机械结构，覆盖海绵，增加棉料垫层，外形美观，颜色柔和，表面皮套可拆卸换洗；电动机身功能:可通过遥控，实现靠垫的角度调节，舒缓腰部压力，并且自带按摩功能，穴位冲击等功能，可刺激身体血液循环，活化机体。缺点：价格过于昂贵，限制消费人群，大部分适合人群无力去消受；此外，还有一个明显缺陷，这是一款在床的基础上制作的椅子，笨重，出门难以携带；各种电动按钮操作复杂，对适用人群有难度。（5）可拆卸轮椅：可拆卸加长扶手，可卸式升降搁脚，高强度塑料手推圈和前叉，高靠背可后倾（全躺），带防倾轮，车架镀铬，沉降式座便垫，8寸宽前轮，24寸后轮，双支撑，附安全带，带便桶，送餐桌板。图6.6 着力点分析图图6.5 可拆卸轮椅适用于中风、全瘫、半瘫以及其他身体控制能力弱的乘坐者。可拆卸护理椅如图6.5所示。该轮椅的受力图如图6.6所示。优点：抽取式坐垫抽芯，可快速抽取，使用方便快捷；抽取式加深马桶，方便使用及护理；带可调式搁脚,使乘坐者更舒适；带防倾倒轮子，起到一个防后翻的作用，使轮椅即使在后倾状态也很稳定；座位深度比一般轮椅加深6公分，靠背后倾8度，这两方面相结合，使得轮椅支撑性能更好，降低臀部和尾椎的压力，避免造成二次伤害；采用沉降式座垫，保证坐垫到扶手之间的高度更合理，避免肩部不适；采用卡角式四脚支撑技术,乘坐更平稳；轮椅所有前叉顶部加装加大双轴承,小轮转动更灵活;小轮轴均加装减震橡胶，减少因路面不平整产生的颠簸感。缺点：虽然已是功能的综合体现，但搭配不够完美，功能也较简陋，无法满足消费者需求，也没有完全考虑到使用者的身体状况，无法支持他们的自由活动，并且在安全性上存在欠缺。6.2新型老年人及残疾人辅具的内容及创新点本课题研究成果的创新点包括靠背、扶手及臂托、坐垫、座椅、脚架、脚托、遥控器、车轮、刹车、变速箱、电池、电机八部分。从整体上说，其构造的设计是该辅具的一大亮点，充分体现其功能性、易携带性。该辅具在家里可以当做护理椅，在外可以当做轮椅。如果打开上下部分连接的定位锁，靠背下翻紧贴坐垫，就是一个箱子，而下部分就变成一个驱动装置，可用来搬运东西，也可轻松放置角落、车后箱，在出门旅行等外出场合方便携带、节约空间。从局部来看，头枕可根据需要旋转至靠背箱体内或外，其旋转路径及轨道经过精密计算，保证内固定、旋转、外固定三个状态下均有效。靠背有两个特点：其一，可以在座椅折叠时收纳头枕；其二，可以根据人体工程学实际需要和折叠与否调整角度。脚垫起到防滑、固定等作用。而马桶架的设计简单且实用，采用螺纹连接，保持其牢固性，并且手提式马桶可从前侧抽出。坐垫是灵活可换，方便清洗。其材料的选用是创新点之一。餐桌在不用时收纳在扶手内，用时拉出扶手外。而在座椅部分和下部钢架之间的衔接也是该设计的的一个亮点，采用新型定位锁，只要把钥匙插入，一转便可轻松锁上，完美咬合，结实牢固，且易拆卸。再者，其刹车的设计也是费尽心思，采用电机制动，直接锁住车轮轴承，上下坡不倒滑。在控制方面，考虑到使用人群，我们采用无线遥控装置，全自动化控制，简单易懂。七机械结构及组成部分7.1力学分析对护理椅受力分析，如下图所示：地面对前轮的支撑力为FA、对后轮的支撑力为FB；辅具的重力为G1，人体对坐板的压力为G。辅具受力图如图7.1所示。图7.1 辅具受力图其中假设G为100kg，设计G1100kg，列出静力平衡方程和力矩平衡方程。 (1) (2)由于该力矩为空间力矩，所以算法都按空间力矩来算，d=737mm,测量结果如图7.2所示。图7.2 辅具测量图D=486.33mm，测量结果如图7.3所示。图7.3 辅具测量图计算的结果，,其中，为前轮和后轮轴的许用的力，或者也可以用许用应力来计算。由结果可知该设计符合力学要求。7.2结构分析老年人及残疾人辅具主要包括护理椅支撑车和遥控器3部分。第1部分分别由坐垫桌板扶手椅背头枕 便桶等一系列零部件组成；第2部分分别由车前轮车后轮储物格支撑架电池 脚托脚架等一系列零部件组成；第3部分的遥控器主要控制辅具的启动停止方向。下面主要从这3个部分的组成零部件来介绍辅具。下图所示为老年人及残疾人辅具正二测视图，俯视图，正视图。图7.5 为老年人及残疾人辅具俯视图图7.4 为老年人及残疾人辅具正二测视图图7.6 为老年人及残疾人辅具正视图7.3自由度计算为确保设计的科学性，需对机构的自由度分析，分析如下：第一部分为护理椅，护理椅可以折叠，椅背和坐板之间由旋转轴固定和调节角度，如图7.7所示。实际上它的机械模型如图7.8所示，为一个转动副，由于转动副为级副，限制了5个方向的运动，故自由度为1，即F=1，机构具有确定运动。 图7.8 转动副图7.7 椅背坐板连接图 椅背在调节角度的过程中主要运用了棘轮机构的原理。棘轮机构，由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。图7.9所示为机械中常用的外啮合式棘轮机构，它由主动摆杆，棘爪，棘轮、止回棘爪和机架组成。主动件空 套在与棘轮固连的从动轴上，并与驱动棘爪用转动副相联。当主动件顺时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮跟着转过一定角度，此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件逆时针方向转动时，止回棘爪阻止棘轮发生逆时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，所以，这时棘轮静止不动。因此，当主动件作连续的往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。轴套在靠背上，旋转中心轴两端固定在坐板上，左轴套上是棘轮，从靠背的内部观察，如图7.10所示。 套筒外观显示与上图不同，主要原因是上图的视角是从辅具的外部观察。图7.9 棘轮机构模型图7.10 靠背角度调节结构从整体来看，一般在使用时，椅背可以调节成如图7.11所示的角度。 而在携带时，可以调节成图7.12所示的位置。图7.12 护理椅携带时靠背角度调节图7.11 护理椅使用过程靠背角度调节7.4头枕头枕是护理椅的重要组成部分，外部为皮革包裹，内部充有蓬松棉。尺寸设计为，长度307.6mm，厚度66mm，测量结果如图7.13，图7.14所示。该部件有以下几个作用：在护理椅单独使用时，可以放松头部和颈部，起到减缓压力，舒适身心的目的；当和支撑车结合使用时，起到保护颈部的作用，这个作用与汽车的头枕功能类似，在发生交通事故时，碰撞所产生的巨大冲击力全都挤压在脆弱的颈部，使驾乘人员的脊椎很可能受到伤害，严重者甚至会导致神经系统出现问题，致其瘫痪，甚至危及生命，而头枕的存在，便可以有效地缓冲事故发生时巨大的瞬间冲击力，从而保护脆弱的颈骨，降低颈部受到伤害的几率图7.13 头枕长度测量结果图图7.14 头枕宽度测量结果图头枕在使用时可以调节高度，注意该部件的正确调整方法：1.正确调整身体与坐椅的角度，使背部尽可能直立；2.颈部与身体间角度趋于平缓，能减低追撞时的伤害程度，后脑与头枕之间的间距越小越好，最好不要超过10厘米，这样，追撞时能起到对颈部的 缓冲作用；3.由于乘员身高各异，因此头枕的调节范围也不同，要视具体情况调整；4.正确调整头枕高度。头枕应安装在至少与耳朵上沿平行的地方或者使用者头下约8.89厘米的地方。头枕调整完毕后，牢牢固定头枕，使头枕不晃动；如图7.15所示为该头枕支承部件的设计结构图7.15 头枕支承部件设计结构图 头枕在连接杆的支承下，可实现高度调节，只要调节到合适的高度，拧紧螺栓即可。头枕在拆卸时可以放在靠背所设计的槽中，以节省空间。7.5靠背靠背长496mm，宽615mm，外部为皮革包裹，内部充有蓬松棉。靠背测量图如图7.16，图7.17所示。图7.16 靠背长度测量图图7.17 靠背宽度测量图靠背角度可以调节，但由于重心的原因，在打开支承脚时，靠背的角度调节有一定的限度，依据使用者的坐姿而定，但当支撑脚收起时，靠背可以调到极限位置，以便于使用者躺平使用，如图7.18所示。但此时必须配套附件-支承垫，一起使用。图7.18 靠背调节图7.6坐垫PU分压式坐垫，具有防褥疮、抗压、防滑、保暖和易清洗的优点及作用。它所采用的材质和奔驰轿车座椅所采用的材质是相同的。能有效把身体的重力分散到各个受力点，最大化地防止了褥疮的生长。坐垫分为两种，有开圆口和不开圆口，上图所示的为整体式不开圆口的坐垫，图7.19所示为开圆口坐垫，并且配有圆形盖，这种设计以配合便桶使用。图7.19 开圆口坐垫图坐垫外层采用PVC冰丝皮，内充PU棉，冬暖夏凉，弹性比较好，不变形，防水且易于清洗。这两种坐垫互换使用，根据使用需求进行选择。传统的护理椅往往坐垫是单一的或是直接和坐板相连，这造成了不方便清洗、容易损坏却不可换等问题。而两种坐垫的换用就可以解决这样的问题。即使坐垫因为使用过多而损坏，也可以进行更换，不仅干净卫生，而且环保，不造成资源浪费。7.7支撑架支撑架总长1194.84mm，宽716mm，板厚度30mm，材料为优质碳素结构钢，综合力学性能好。尺寸测量图如图7.20，图7.21，图7.22所示。图7.20 支承架宽度测量图图7.21 支承架长度测量图图7.22 支承架厚度测量图7.8机械锁由于护理椅和支撑需要定位和固定，所以要有一种连接方式。铰链连接螺栓螺母连接等等都不适合，既要可拆卸，又要安全可靠，基于锁设计的灵感，将其核心技术运用在项目上，下面先介绍执手锁的核心技术。如图7.23所示，为执手锁的结构图。图7.23 执手锁结构图图7.24 护理椅未固定当转动执手锁的一个手柄时，锁芯会移动，此时门打开；当放开手柄时，锁芯移回，此时门锁住。将这一思想运用在设计上，当插入钥匙，未转动时，如图7.24所示，锁芯未移动，护理椅与支撑车相互独立，没有固定；当转动钥匙时，如图7.25所示，图7.25 护理椅已固定7.9便桶便桶与护理椅的连接部分尺寸为400mm，测量图如图7.26所示，外螺纹连接。底下圆台倾斜角度为15度。高为280mm，测量图如图7.27所示。便桶材料为PVC塑料。图7.27 便桶高度测量图图7.26 便桶直径测量图7.10轮胎前轮与轮椅的轮胎一样，为万向轮，可以360度旋转，主要控制方向，如图7.28所示。图7.29为轮毂，内圈直径为134mm。测量图如图7.29所示。宽度为70mm。图7.29 前轮轮毂测量图图7.28 前轮后轮直径为500mm，测量图如图7.30所示。图7.30 后轮测量图后轮的轮毂尺寸：内圈直径为300mm，测量图如图7.31所示。内部装有抱闸系统，配合电机，及时制动。图7.31 后轮轮毂测量图7.11遥控器遥控器主要控制辅具的启动停止前进后退左转右转，图7.32所示为遥控器，左边部分为内置收音机，主要方便老年人及残疾人的生活，右边部分为功能按钮。图7.32 遥控器7.12其他零部件辅具中的零部件较多，有些为标准件，直接选用，例如螺母螺栓键；有些零部件需要设计，例如连接支撑脚杆件轴等等。附件1为辅具的脑图，可以清晰了解整个产品的组成部分。八、电机及无线控制8.1直流电机驱动鉴于设计要求，本项目使用35AH+35AH两个完全密封免维护锂电池提供电能，所以采用直流电动机来驱动。为了有效的控制辅具的前进、停止、后退的运动。必须对直流电机的驱动原理(调速系统)做出的根本的研究。下面是两种调速方法：一、利用晶闸管调速，即利用晶闸管构成的直流调压系统，通过改变晶闸管的触发门来控制可改变整流电压可以调节转速。但是由于晶闸管与二极管类似，同样具有单向导电性，所以不能实现电机的反方向运行。二、利用PWM波调速，PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”，PWM方波如图8.1.1所示。图8.1 PWM方波电机的运动状态是本装置的动力来源，为了实现椅子前进、停止、后退的需要，使用者按下启动按钮，直流电机便用电，由于直流电机启动转矩较大，能够带负载启动。当使用者按下停止按钮时，一方面，单片机将NRF24L01模块发送的无线信号进行处理，输出对应的占空比，使直流电机的两端电压变负，实现反接制动，另一方面，为了更有效地使电机停止，外加机械抱闸自锁，确保电机在更短的时间内实现停止。本项目我们采用由CMOS管构成的全桥斩波器模型，如图8（2），采用双极性PWM控制方式。通过单片机控制占空比，间接改变开关状态，从而精确调整电动机转速。如图，用电感L电阻R和电动势E模拟电机的电气特性。由电机电枢的电压方程： (1) (2) (3)已知电机的运动状态有两个重要的参数：转矩和转速。根据上述公式可知电机的转速和转矩由电机两端的电压和电流方向决定。所以该全桥斩波器应具有能调节输出电压的大小并且又能改变电流方向的电气特点。利用PSIM软件，构建图8.1.2所示的电路，并利用该软件的仿真功能，得出下面四个不同占空比下的输出电压和电流关系。图8.2 全桥斩波器图8.3 占空比为0.75输出电压平均值15V输出电流1A图8.4 占空比为0.65输出电压平均值9V输出电流-1A图8.5 占空比为0.25输出电压平均值-15V输出电流-9A图8.6 占空比为0.35输出电压平均值-9V输出电流1A利用该软件可以得出已知的全桥斩波器能有效的调节电机两端的电压和电流方向。因为全桥斩波器能工作在电压电流均可逆，且电压幅值可调的工作特性。 根据上面我们对电机驱动电路的分析，已经能够实现电机的所需要的工作状态的电压与电流。但是其中一个最关键的技术是如何产生所需的占空比的控制装置。本项目利用单片机产生控制PWM信号发生电路，利用所产生的PWM信号来控制电机的调速和正反转。利用单片机控制的电机的电路如下图8.1.7所示。图8.7 单片机控制的电机的电路图8.2无线控制鉴于无线模块较为复杂，本装置采用购买集成模块NRF24L01，该模块具有功耗低，高速率，多频点，并且兼容性好，NRF24L01的SPI接口可以直接与单片机的硬件SPI口连接或利用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。NRF24L01的无线收发器功率放大器、 调制器、解调器 等模块，方便编程使用。NRF24L01初始化函数如下：void NRF24L01Int()Delay(2);/延时程序CE=0; /待机模式1 CSN=1;/SPI片选端 SCLK=0;/SPI时钟端拉低IRQ=1;/可屏蔽中断端打开 等NRF24L01初始化后便可发送数据或接收数据，下面是SPI读寄存器一字节函数unchar NRFReadReg(unchar RegAddr) unchar BackDate; CSN=0;/启动时序 NRFSPI(RegAddr);/写寄存器地址 BackDate=NRFSPI(0x00);/写入读寄存器指令 CSN=1; return(BackDate); /返回状态SPI写寄存器一字节函数unchar NRFWriteReg(unchar RegAddr,unchar date) unchar BackDate; CSN=0;/启动时序 BackDate=NRFSPI(RegAddr);/写入地址 NRFSPI(da