未来概念老人轮椅机械设计

毕 业 设 计（论 文）题目：未来概念老人轮椅机械设计（英文）：Design of Mechanical Devices of Elderly Wheelchair with Futuristic Concept院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 未来概念老人轮椅机械设计摘要通过参考国内外老年人轮椅的发展状况及关键技术,结合人机工程学与轮椅舒适性的密切关系, 本设计提出了一种人性化的新型可卧坐可爬楼梯电动轮椅的总体设计方案,并依次给出了助行模块、爬楼模块和卧坐模块的设计。并对其进行工程材料的选择及校核,验证了整个设计的可行性和有效性。关键词：电动轮椅;人机工程学；模块化;机械设计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 录1绪论11.1课题的研究背景11.2 电动轮椅国内外研究现状及发展趋势分析11.2.1电动轮椅国内外研究现状11.2.2 电动轮椅发展趋势31.3 本设计主要内容41.4本章小结42未来概念老人轮椅系统方案设计52.1轮椅组成部分52.1.1大车轮52.1.2小车轮52.1.3轮胎52.1.4刹车52.1.5座椅62.1.6坐垫62.1.7.腿托及脚踏板62.1.8靠背62.1.9扶手及臂托62.2人性化设计方案72.2.1座位深度设计72.2.2 背椅设计72.2.3防倾轮设计72.2.4星形轮设计72.2.5驱动方式设计82.2.6新材料运用82.3各部分尺寸选择82.3.1座宽82.3.2座深82.3.3扶手高度82.3.4驱动轮92.3.5手泉92.3.6靠枕92.3.7靠背92.3.8脚踏板92.3.9腿托92.4本章小结113未来概念老人轮椅的功能组成模块设计123.1行走模块设计:123.1.1自助方式123.1.2后轮驱动方式123.1.3刹车装置123.2卧坐模块设计143.2.1背椅设计143.2.2脚踏板结构的设计153.3爬楼梯模块设计153.4控制问题：163.4本章小结174工程材料的选择及校核184.1工程材料的选择184.1.1车身材料的选择184.1.2坐垫材料的选择184.1.3轮胎的选择184.1.4星形轮小轮轴及轴承的选择194.1.5星形轮中心轴及轴承的选择204.1.6大轮轴的选择204.2工程材料的校核214.2.1星形轮小轮轴的校核214.2.2星形轮中心轮轴的校核214.2.3大轮空心轮轴的校核224.2.4轮椅构架材料的校核224.3本章小结22参考文献24附录A轮椅的使用及注意事项261上车262行驶263上下楼梯264下车265靠背斜度的调节276保养和维护277注意事项27未来概念老人轮椅机械设计1绪论1.1课题的研究背景根据国家第六次人口普查数据显示，截至2010年12月31日，我国60岁及以上人口占13.26%，中国现有老龄人口已超过1.67亿，且每年以近800万的速度增加，根据有关专家的预测，到2050年，中国老龄人口将达到总人口的三分之一。注： (单位：万人，%)图1-1 2005-2010年老年人口数量及比例变动从上述数据不难看出，我国老龄化程度在不断加深;加上我国的独生子女政策，在未来的若干年里，每一对夫妻所承担赡养的老人数量与压力都会变大。另外，我国人口基数大，残疾人总数也相对较大，总体上我国的轮椅市场需求是相对较大的，设计出使用便捷、舒适、安全、环保的老年人轮椅能在一定程度上解决解决老年人的行动问题，也是时代的需要1。1.2 电动轮椅国内外研究现状及发展趋势分析1.2.1电动轮椅国内外研究现状自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来,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、法国VAHM项目、德国MAID（老年人及残疾人助动器）项目、西班牙SIAMO项目、加拿大AAI公司TOA 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2。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，有更好地交互性、应性、自主性。麻省理工智能实验室的智能轮椅威尔私立，为一半自主式机器人轮椅，配有计算机控制和传感器的电动轮椅，还装有一个Macintosh笔记本电脑用于人机界面交互，其硬件是从KISS学院买来用于计算机实践。系统有两种级别的控制：高级方向指令和低级计算机控制线路，用户拥有最高控制级别。系统由两部分组成，智能轮椅系统提供低级控制，避障和保证正确的运动方向；用户和轮椅之间的人机界面提供高级控制。这个智能轮椅允许用户通过三种方式来进行控制：菜单、操纵杆和用户界面。菜单模式下，轮椅的操作类似一般的电动轮椅。在操纵杆模式下，用户通过操纵杆发出方向命令来避障。用户界面模式下，用户和机器之间仅需要通过用户眼睛运动来控制轮椅，及用鹰眼系统来进行驱动。该轮椅在国际联合各的机器人展览中夺得第一，且是唯一不需要人来指导寄穿过门口的机器人2。由于受国民经济发展状况的制约。我国智能轮椅研究起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定的差距，但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。中国科学院自动化研究所研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅，曾在“863”计划十五周年成就展览馆的人群中穿梭自如。此项研究高度重视了只能轮椅人机控制界面的设计，在轮椅的设计中综合运用模式识别实验室有关图像处理、计算机视觉和语音识别等最新成果，使人能通过语音控制轮椅自由行走，轮椅可以实现简单的人机对话功能。上海交通大学开发成功一种声控轮椅，主要是为四肢全部丧失功能的残疾者设计，使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“左”、“快”、“慢”、“停”等指令，轮椅可在1.2秒内按指令执行2。总体来说,现在市场上的老年人轮椅普遍出现如下问题:1、功能单一：一般的轮椅只提供给使用者坐的功能，缺乏可调性，单一的坐姿会使使用者容易产生疲劳，对身体健康也产生不利影响，使用者容易得各种颈椎、脊柱疾病、心血管疾病等；2、需要借助外力：现阶段的轮椅基本上处于手动操作，由于老年人自身的动手能力、身体健康状况减弱，若在没有外力帮助的情况下，老年人会比较难使用轮椅；3、安全性能低：现阶段的轮椅缺乏必要的安全保护措施，如在下坡路时没有速度检测装置、没有测距装置、紧急情况下急停装置，没有放倾翻的功能，容易给使用者带来意外伤害；4、舒适性差：产品的设计缺乏人性化，没有从使用者的角度出发，没有充分考虑使用者的感受，无减震功能，会使使用者在不平的路面上称作轮椅时颠簸，对使用者的健康无益；无伸缩功能，因为生产是规模化统一化的，但使用者的体型是千差万别的，这也会严重地影响使用者使用的舒适度；5、不能上下楼梯：行动不便的老人在没有电梯的楼房居住，出入是个大问题，即使坐轮椅也无法上下楼。随着人口老龄化的加速，以及为提高老年人的生活质量，设计具有爬台阶功能的轮椅是顺应时代的需要。此外，经调查研究发现,目前国内市场上轮椅存在着性能单一、适用范围窄、品种少、档次低、缺乏创新和产品老化等问题，科技含量高地电动轮椅主要停留在实验室阶段，很难实现产业化，即使有个别产品已经进入市场，但售价也相当高昂，严重制约了其推广使用。1.2.2 电动轮椅发展趋势 根据现有的电动轮椅状况来分析,电动轮椅发展趋势有以下几点:1、智能化：增加电动机作为助力装置，增加速度检测、距离检测装置和报警装置等，充分合理地利用现有的科技，将机械和电子、电气、人机工程学相结合，设计出新型的老年人轮椅，来提高老年人轮椅使用的便捷性、安全性和舒适性2；2、设计人性化：轮椅的设计应该尽可能的结合人机工程学的相关知识,使轮椅的尺寸尽可能符合人体的器官的尺寸,使轮椅使用者脊柱处于生理体位，保持正常的生理曲度。使使用者各部分肌肉处于放松状态，身体屈伸部位的角度以及受压部位要利于人体保持正常的血液循环，从而提高舒适性，保证使用者的身体心理健康；3、功能多样性：改变以往老年人轮椅只实现坐的功能，扩大为能实现坐、立、卧、上下楼梯的功能，具有电动、手动、手推三合一功能，更大程度地方便使用者；4、模块化：未来概念老年人轮椅要批量生产，必须实现模块化，整个系统应由基本模块和各个功能模块构成，每个功能模块负责一种功能，用户可以根据需求选择，配置最适合的轮椅。同时模块化也能降低成本，提高性价比2。 5、新型材料的应用：现今是个能源紧缺的时代，能源和环保是当代社会的主旋律.老年人轮椅的设计应该响应时代的号召，尽可能地采用高效、环保、节能型材料。新型环保材料的应用，既能提高老年人轮椅的使用性能，减轻重量，又能减少对环境的破坏。1.3 本设计主要内容本设计主要研究了电动轮椅的机械设计部分，硬件设计方案和实现。主要分为以下几个部分： 1、未来概念轮椅机械设计系统方案设计;2、未来概念轮椅的功能组成模块的设计;3、未来概念轮椅的工程材料选择及校核 ;1.4本章小结本章阐述了我国老龄化现象问题的严重性而且日益加重的实际情况，系统地介绍了国内外智能电动轮椅的关键技术、发展状况及未来发展趋势，介绍了本设计的主要内容。2未来概念老人轮椅系统方案设计轮椅的使用人群是一个比较特殊的人群，早期的轮椅是专门对专业人员使用的，随着社会的发展，人口的老年化日渐严重，老年人、残疾人这以弱势群体逐渐被重视，现在的轮椅主要是针对这一人群使用的。本设计从使用者的角度出发，综合考虑使用者的实际情况及产品的生产普及，设计方案尽可能的智能化、人性化、模块化、所使用材料环保节能，给予使用者以关心呵护,符合时代的需求。本设计的电动轮椅机械设计主要实现坐、卧、爬楼梯的功能，主要包括三个方面：未来概念轮椅的组成、形状尺寸的确定；坐、卧、爬楼梯功能模块的机械设计； 工程材料的选择及校核。2.1轮椅组成部分2.1.1大车轮大轮胎承载主要的重量。除了少数使用环境要求而用实心轮胎外，多用充气轮胎,充气轮胎重量轻,抗颠簸能力强。 本设计采用充气轮胎。2.1.2小车轮直径大的小轮易于越过小的障碍物和特殊的地毯。但直径太大使整个轮椅所占空间变大，行动不方便。小轮在大轮之前,也可在大轮之后,本设计采用小轮在前。2.1.3轮胎有实心的、有充气内胎和无内胎充气型三种。实心型在平地走较快且不易爆破，易推动，但在不平路上振动大，且卡入与轮胎同宽的沟内时不易拔出；有充气内胎的较难推，也易刺破，但振动比实心的小；无内胎充气型因无内胎不会刺破，而且内部也充气、坐起来舒服，但比实心者较难推。综合各方面因素考虑，本设计采用充气轮胎4。2.1.4刹车大轮应每轮均有刹车，像偏瘫者只能用一只手时，只好用单手刹车，但也可装延长杆，操纵两侧刹车。本设计刹车有两种：（1）嵌入轮毂外胀式刹车。此刹车中，刹车铁环与轮毂配合牢固，刹车掣动迅速有力，结构简单合理，加工容易，拆装便捷，安全可靠。 （2） 肘节式驻立刹车。利用杠杆原理，通过几个关节而后制动，其力学优点是刹车强，但失效较快。为加大患者的刹车力，常在刹车上加延长杆，但此杆易损伤，如不经常检查会影响安全。 2.1.5座椅其高、深、宽取决于患者的体型，其材料质地也取决于病种。 2.1.6坐垫为避免压疮，对垫子要高度注意，选用Roto垫，这种垫由一块大塑料，上面有大量直径5cm左右的乳头状塑胶空心柱组成，每个柱都柔软易动，患者坐上后受压面变成大量的受压点，而且患者稍一移动，受压点随乳头的移动而改变，这样就可以不断地变换受压点，避免经常压迫同一部位造成压疮4。2.1.7.腿托及脚踏板腿托可为横跨两侧式，或两侧分开式，本设计采用的是两侧分开式，腿托上附有海绵垫，可减轻小腿承受的压强，增强舒适度。必须注意脚踏板的高度。踏板过高，则屈髋角度过大，体重就更多地加在坐骨结节上，易引起该处压疮；踏板过低，将会使使用者在使用过程中脚不能踩在脚踏板上，增加膝关节凹陷处的压力，造成使用者肌肉酸痛、血液流通不畅等。 2.1.8靠背靠背有高矮及可倾斜和不可倾斜之分。本设计从使用者舒适度的角度出发，采用高靠背可调节角度倾斜的方式，靠背上有设计有靠枕。2.1.9扶手及臂托一般高出椅座面225 mm260 mm。本设计采用的是高出椅面250 mm4。 2.2人性化设计方案2.2.1座位深度设计座位深度比一般轮椅加深4cm，在坐立状态下靠背后倾8，这两方面相结合，使得轮椅支撑性能更好，产生大腿、臀部、背部三点支撑，从而降低臀部和尾椎的压力，避免产生因乘坐轮椅不适造成二次伤害，使得乘坐者身体更舒展，乘坐更舒适。2.2.2 背椅设计背椅可调节成坐、卧方式，适用于中风、全瘫、半瘫以及其他身体控制能力弱的乘坐者；全躺后背可让乘坐者乘坐更平稳；在调节成斜卧的状态下，压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织上分布均匀的静载荷，不易使人产生腰酸疲劳等不适感，腰靠的位置设置在相当于人体的45腰椎之间的高度，能保证坐姿状态下的近乎正常的腰曲弧线3。2.2.3防倾轮设计带防倾轮，起到一个防后翻的作用，防后倾轮可以根据路面状况、运行状况来调节高低，在爬楼梯、行走状态下，可将防倾轮上调，缩短其长度，可以减少行进过程中遇到的一些阻力，在使用者须躺卧时，将防倾轮下调至地面在紧固，使轮椅在后倾状态时更稳定。图2-1 防倾轮2.2.4星形轮设计采用三个小轮组合成星形轮作为前轮，可以在人为辅助的情况下，三个轮分别作为支撑前进，轻松地上下楼梯。2.2.5驱动方式设计采用“电机+手动+手推”的方式，可以实现使用者“电动+自助+他助”的需求，更加人性化。2.2.6新材料运用采用新型材料作为坐垫和靠垫，增加舒适性和提高抗颠簸能力。为避免压疮，选用Roto垫，这种垫由一块大塑料，上面有大量直径5cm左右的乳头状塑胶空心柱组成，每个柱都柔软易动，患者坐上后受压面变成大量的受压点，而且患者稍一移动，受压点随乳头的移动而改变，这样就可以不断地变换受压点，避免经常压迫同一部位造成压疮4。 2.3各部分尺寸选择通过广泛对老年人身高、体重的调查研究，根据国家GB1000088人体尺寸标准，结合人机工程学的相关知识,考虑使用者使用的舒适性,避免使用轮椅给使用者带来二次伤害。特制订以下参数。2.3.1座宽座宽按人机工程学的要求应该满足臀部横向宽度所需要的尺寸，考虑到要包容大多数操作者，我国正常成人男女人体主要尺寸按GB1000088标准如表1、表2，按成人女子P95百分位数的臀部宽度，在设计中还要考虑衣服厚度和余量，两边各留25mm，座宽设计为430 mm6。2.3.2座深座深是座面的前后距离，它应能使臀部得到全部支撑，其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4，按成人男子，95百分位数应不超过446 mm。本设计采用440 mm。2.3.3扶手高度进过调查研究发现扶手高度高出座椅面225260 mm时乘坐着最为舒适, 同时也较为安全，不会使使用者跌出轮椅外。本设计采用250 mm4。2.3.4驱动轮大轮选用直径尺寸应在510660mm，经校正后采用560mm。前轮采用三个小轮组合而成的星形轮,每个小轮直径尺寸应在120200mm之间，最后采用150mm。2.3.5手泉手圈一般直径小于大轮50 mm，因本设计大论尺寸为560 mm,所以手轮采用510 mm。2.3.6靠枕靠枕作为使用者使用时休息必备的物品，靠枕高度（从臀部到后脑勺，按坐姿眼高来计算）应尽可能合适，这个尺寸本设计根据GB10000-88坐姿人体尺寸表选择男性坐姿眼高P50百分位数 798 mm，再综合考虑使用者体型差别、陪侍人员服务时方便与否等实际情况，本设计采用坐姿眼高400 mm。靠枕尺寸为300 mm100 mm50 mm。 2.3.7靠背靠背高度（从臀部到靠背顶端）依据靠枕的高度来设定，靠背过高,将会挡住助推者的视线;过低,则使用者不方便靠,增加颈部的受力,经过计算,靠背的高度靠枕的顶部即为850 mm。2.3.8脚踏板脚踏板的长度应从膝关节凹陷处至脚底的高度，本设计根据GB10000-88坐姿人体尺寸表选择男性坐姿小腿加足高P90百分位数439 mm，再综合考虑使用者穿鞋的高度、使用舒适度等情况考虑，采用440 mm的长度。2.3.9腿托腿托可以承担一部分小腿的重力，特别是当轮椅调整为躺卧状态的时候，腿托要承担几乎所有小腿的重力，本设计根据GB10000-88坐姿人体尺寸表选择男性小腿长P90百分位数396 mm，再综合考虑使用者穿鞋的高度、使用舒适度等情况考虑，腿托应安置在小腿约1/2处，故采用腿托的下端距离脚踏板150 mm处，腿托的尺寸为150 mm65 mm30 mm6。 表3-1 GB10000-88坐姿人体尺寸表7百分位数/% 年龄分组男（18-60） 1 5 10 50 90 95 99女(18-55)1 1 5 10 50 90 95 99项目 数据坐高/mm836 858 870 908 947 958 979789 809 819 855 891 901 920坐姿颈椎点高/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坐姿下肢长/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岁主要尺寸7百分位数151050909599身高(mm)1543158316041678175417751817坐高(mm)836858870908947958979臀宽(mm)285295300321347355369前臂长(mm)206216220237253258268大腿长(mm)413428436465496505523小腿长(mm)324338344369396403419表3-3 GB10000-88表2女性1855岁主要尺寸7 百分位数 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臀宽(mm) 295 310 318 344 374 382 400前臂长(mm) 185 193 198 213 229 234 242大腿长(mm) 387 402 410 438 467 476 494小腿长(mm) 300 313 319 344 370 376 3902.4本章小结本章介绍了轮椅的系统的方案设计及其组成部分，介绍了本设计中的人性化设计方案,针对各个组成部分的尺寸设计做了细致的说明。3未来概念老人轮椅的功能组成模块设计3.1行走模块设计:行走模块作为轮椅的一个重要组成模块，其将实现手推、电动、自助行走、刹车等功能。3.1.1自助方式大轮的外圈设计有直径为510 mm的手轮圈,使用者自助通过用双手推动手轮圈使大轮向前/后移动，轮椅将会做相应的移动，以达到目的。3.1.2后轮驱动方式采用双电动轮椅专用蓄电池（24v/14Ah），后轮采用双电动轮椅专用电机（220w，24v）驱动，左右分放，功率大，电池持久耐用。 3.1.3刹车装置刹车采用手刹与电动刹车相结合，尽可能地方便使用者，保证使用者在行驶中的停车安全后轮轮毂处刹车装置1、采用一种新型的塑胶轮刹车装置，包括空心轮轴（1）及其两端的法兰盘（6），法兰盘上固定有外涨式刹车机构，外侧的塑胶轮（13）通过快拆装杆（12）与轮轴相连，其特征是刹车环（9）表面设置有凸块/片/台，嵌入塑胶轮（10）内侧，与塑胶轮一体注塑成型5。2、刹车铁环为底部开孔的杯状，杯状向外空压出多个凸台，杯口向外处延伸出多个倾斜的凸片。刹车机构包括与法兰盘紧固的刹车盘（8），刹车盘上设置有可开可合的两块半闭环的刹车环（15），刹车环上设置有刹车片（14），刹车铁环与刹车盘活套连接5。 3、法兰盘边缘延伸的一支撑臂（7），支撑臂上设置有刹车钢绳松紧调节螺栓；两块半环形的刹车环（15）一段铆合，另一端在C形弹簧圈的作用下紧靠扁头销（5），扁头销的另一端固定有刹车转臂（4）；拉动转臂时，通过扁头销的长短拉动刹车片外胀或闭合，实现刹车动作5。4、法兰盘（6）的中间贯穿套筒销（2）及套筒（3）；快装杆件（12）先后贯穿轮毂（10）、套筒销（2），靠杆前端的定位钢珠将塑胶轮（13）定位在轮轴（1）两侧。轮毂两端设置有轴承（15）5。 图3-1 刹车装配图驻立刹车装置驻立刹车装置（如图3-2）所示，主要是为了方便使用者在非电动状态下自助操作刹车，驻立刹车为连杆机构，手柄1和杆6焊接固定在一起，杆（8）分别通过两个铆钉（7）与杆（6）、杆（2）连接再与车架连接在一起，两个铆钉（7）与杆（8）、杆（6）、杆（2）的连接均留有空隙，可以自由转动。杆（5）通过两个铆钉（4）分别与杆（6）、杆（2）连接，其中，两个铆钉（4）与杆（5）的连接留有空隙，可以自由转动，两个铆钉（4）与杆（6）、杆（2）为过盈连接，不可自由转动。当扳动手柄（1）向前（图中为向左）移动时，杆（2）在杆（5）的作用下向后（图中为向右）移动，从而带动连接在杆（2）上的刹车杆（3）向后（左图中为向右）移动，顶住大轮的橡胶轮圈，阻止大轮的运动,实现刹车动作。图3-2 驻立刹车装配图3.2卧坐模块设计3.2.1背椅设计本设计的轮椅背椅设计为可调节成平躺至直立的状态,使用者可以根据自己的实际情况通过调节卧坐调节杆(图3-3)达到自己需要的状态,从而实现不同的功能. 图3-3卧坐调节杆卧坐调节杆是由两节杆组合而成,杆（4）的一头通过铆钉（3）与焊接在扶手（1）上的凸块（2）连接,杆（4）与铆钉（3）之间留有1mm的空隙，可以自由转动，铆钉（3）与凸块（2）为过盈连接，固定在一起。杆（7）的末段通过铆钉（8）与靠背支架（9）连接, 杆（7）与铆钉（8）之间留有1mm的空隙，可以自由转动；铆钉（8）与靠背支架（9）为过盈连接，固定在一起。杆（4）和杆（7）通过可调节的旋钮（6）连接,卧坐调节杆有6档,可以调节不同的卡位来调节不同的斜度,使用者可以通过调节卧坐调节杆达到不同的斜度,从而使自己更加实用得更加舒适.在靠椅平躺的过程当中,人的重心会向后移.本设计特别增加了防后倾轮（图2-1）作为支撑,可以保证使用者在平躺的过程中轮椅不会发生倾倒,保证使用者的安全.3.2.2脚踏板结构的设计脚踏板设计为可调式，用户可根据喜好来调节踏板的高低，脚踏板调节杆一端与踏板杆通过铆钉GB867-86-632连接，其中，铆钉穿过脚踏调节杆一端的孔，孔的直径比铆钉的直径大1 mm，铆钉与脚踏板杆过盈配合，脚踏板调节杆可以自由地主动。在轮椅前支撑杆上焊接有一根直径为8mm的轴，脚踏板调节杆上的卡位可以通过调节卡在轴上，实现不同高度的调节。在平躺状态下，可以根据需要把脚踏板调节为水平状态。从而增加平躺的舒适性。3.3爬楼梯模块设计在我国现阶段及将来很长的时间内,众多的轮椅使用者居住在没有电梯的楼房,外出上下楼梯成为使用者所面临的一个大难题,为此,本设计特意增加了上下楼梯功能,综合考虑加工成本、生产状况等因素，采用星形轮式爬楼机构，最少可以在一个外人为辅助的情况下，可以轻松实现上下楼梯功能，从而解决使用者的上下楼梯困难。此功能模块具有零件数目少，结构简单，冲击载荷小，噪声低，生产制造方便等优点。采用由三个小轮组合而成的星形轮式机构，能够可靠地实现轮椅的爬梯功能，由于其体积较小，有效地减小了轮椅的体积。减轻了轮椅重量，再加上电机驱动+人为辅助的作用，能够实现爬楼梯功能且不会出现倒退现象，避免发生危险，提高了安全性；此功能模块价格低廉、简单实用，有利于推广使用。鉴于目前国内的阶梯高在150220 mm之前，台阶面宽度在200300 mm之前，综合考虑星形轮的运行情况，此星形轮是由三个直径为150 mm的小轮（5）组合而成，小轮的中心与星形轮支架（6）中心距离为160 mm，小轮的厚度为34 mm，为了减少摩擦，延长使用寿命，每个小轮里面安装直径为20mm的轴（2），轴的材料为45钢。因为小轮主要承受径向载荷，所以轴承则选择6204深沟球轴承（3）。轴承的内圈用DB/T894.1-1986-20的弹性挡圈（9）固定，外圈采用轴承端盖（1）固定，既可保证轴承的安全使用，又能起到防尘的作用。小轮轮轴的的另一端与星形轮支架的末端连接，轮轴穿过星形轮支架的末端的孔，再用销GB/T117-1986-A1045（7）连接固定。因为星形轮支架主要承受径向载荷，所以星形轮支架的中心有一孔。因为小轮主要承受径向载荷，同理，星形轮支架中心安装直径为20mm的轴，轴的材料为45钢。星形轮支架中心安装轴承则选择6204深沟球轴承。轴承的内圈用DB/T894.1-1986-20的弹性挡圈固定，外圈采用轴承端盖固定。轴的另一端连接轮椅的前支架，同样采用的是销GB/T117-1986-A1045连接固定。小轮（5）与星形轮支架（6）之间轴向距离为15 mm，星形轮之间与轮椅前端支架（8）之间的轴向距离为10 mm。既可保证轮轴的刚度，也给轮子发生细微位移偏差的裕度空间。图3-4 星形轮装配图3.4控制问题：采用万向控制系统，前进、后退，左右自由转向，使用者通过操作外向控制器,可以进行前进/后退/左右自由转向的操作。 前进、后退是通过系统对电机的转向的控制,来实现轮椅前进与后退功能;左右自由转向是通过系统对大轮左右轮速度的快慢调节达到转向的效果。若要进行向右转弯,就进行万向转换器中的右转操作,经系统的调节控制,大左轮的速度大于大右轮的速度,轮椅将向右转弯。反之则向左转弯。 3.4本章小结 本章详细介绍了行走、坐卧转换、爬楼梯三个功能模块的组成及构造，并对轮椅的控制问题进行说明。4工程材料的选择及校核4.1工程材料的选择轮椅作为一种代步辅助运动的工具，消费者一般不会购买第二次，所以，在某种程度上轮椅是一种一次性消费产品，这就要求轮椅的使用寿命足够长，一般轮椅的使用年限5、6年左右，超过这个年限还使用就存在许多安全隐患了。所以，轮椅在设计之初就应该考虑到它的回收，以便材料的重复使用，防止不必要的浪费。4.1.1车身材料的选择车身采用直径为30 mm的管状高强度铝合金车架,壁厚2.5 mm,主要材料为硬铝合金(LY12), 硬铝合金(LY12)从成分看,主要为Al-Cu-Mg系,铝合金加入铜和镁后,生成了强化相CuAl2和Al2CuMg,使其在时效时发生时效硬化作用。具有较高的轻度,能够承受较高载荷10。4.1.2坐垫材料的选择为避免压疮，对垫子要高度注意，本设计选用Roto垫，这种垫由一块大塑料，上面有大量直径5cm左右的乳头状塑胶空心柱组成，每个柱都柔软易动，患者坐上后受压面变成大量的受压点，而且患者稍一移动，受压点随乳头的移动而改变，这样就可以不断地变换受压点，避免经常压迫同一部位造成压疮。如无上述垫子，则需用层型泡沫塑料，其厚度应有10cm，上层为0.5cm 厚的高密度聚氯基甲酸酯（polyarethane）泡沫塑料，下层为中密度的同样性质的塑料，高密度者支持性强，中密度者柔软舒适。 在坐位时，坐骨结节承压很大，常超出正常毛细血管端压力的116倍，易于缺血形成压疮。为避免此处压力过大，常在相应处的垫子上挖去一块，让坐骨结节架空，挖时前方应在坐骨结节前2.5cm处，侧方应在该结节外侧2.5cm处，深度在7.5cm左右，挖后垫子呈凹字形，缺口在后，若采用上述垫子加上切口，可以相当有效地防止压疮的产生4。4.1.3轮胎的选择综合考虑使用寿命、耐磨性、防滑等使用情况，本设计的轮胎外圈采用天然橡胶，主要成分是一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，分子式是n，其成分中91%94%是橡胶烃（聚异戊二烯），其余为蛋白质、脂肪酸、灰分、糖类等非橡胶物质8。天然橡胶在常温下具有较高的弹性，稍带塑性，具有非常好的机械强度，滞后损失小，在多次变形时生热低，因此其耐屈挠性也很好，并且因为是非极性橡胶，所以电绝缘性能良好。本设计的轮胎花纹采用混合花纹，混合花纹是普通花纹和越野花纹之间的一种过渡性花纹。其特点是胎面中部具有方向各异或以纵向为主的窄花纹沟槽，而在两侧则以方向各异或以横向为主的宽花纹沟槽。这样的花纹搭配使混合花纹的综合性能好，适应能力强。它既适应于良好的硬路面。在行驶时承受着各种变形、负荷、力以及高低温作用，具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能9。4.1.4星形轮小轮轴及轴承的选择根据轮椅的特点和人体尺寸的大概参数，轮椅承重量100KG，人体的重心约在离靠椅205MM，离前端318MM处，根据工程力学的力矩知识，设人体的重力的,轮椅前端受到的压力为，轮椅后端所受的压力为，则 （4.1） （4.2）则，则，则根据力的合成与分解原理，前轮每个星形轮受力，后轮每个大轮受力根据设计要求，根据工程材料的相关知识知：45钢的弹性模量，惯性矩公式 (4.3)根据梁的转角公式 (4.4) （4.5）综合考虑使用过程中颠簸等因素给轴带来冲击载荷，以及使用寿命、制造工艺等情况，决定采用直径为20mm的轴，轴的材料为45钢。而轴承则选择6204深沟球轴承10。4.1.5星形轮中心轴及轴承的选择星形轮中心传动轴受力约为192N,等效受力距离为55 mm，根据梁的转角公式（4.4），则 （4.6）综合考虑使用过程中颠簸等因素给轴带来冲击，以及使用寿命、制造工艺等情况，决定采用直径为20mm的轴，轴的材料为45钢。而轴承则选择6204深沟球轴承。 4.1.6大轮轴的选择后轮采用电机直接驱动，电机与轮毂中的快速拆杆传动轴直接嵌套连接，不经过减速装置，快速拆杆为空心结构，内径和外径之比本设计最高时速为8Km/h，大轮直径D=560 mm=0.56 m，转速（4.6）扭转切应力公式 (4.7)式中：T轴所传递的扭矩，；轴的抗扭截面系数，;P轴所传递的功率，； n轴的转速，；、轴的切应力、许用切应力，;D轴的估算直径,mm11。查表得=40，电机功率为220w=0.22代入数据计算，则轴的大直径（4.8） 故取大直径D=16 mm,则小径d=8 mm。4.2工程材料的校核4.2.1星形轮小轮轴的校核根据工程材料的相关知识知：45钢的弹性模量，惯性矩公式(4.3)12， 轴的直径， 根据转角公式（4.4）得： 所以，许用转角校核有效。挠度：（4.9）挠度校核有效。4.2.2星形轮中心轮轴的校核根据转角公式（4.4）得：许用转角校核有效。挠度：（4.10）挠度校核有效。 4.2.3大轮空心轮轴的校核扭转强度校核：根据扭转切应力公式(4.7),轴的切应力为 扭转强度校核有效；4.2.4轮椅构架材料的校核 本设计采用的轮椅构架为直径30mm，厚度为2.5mm的的管状高强度铝合金车架，其横截面积（4.10）轮椅后支架受到的压力最大，根据估算，最大应该约为=298N，则 （4.11）本设计采用的是高强度铝合金车架管材，其最大的抗拉强度是370 ,即最大许用应力 为370 ，而计算所得到的结果远远小于其最大许用应力，故轮椅的主结构采用为直径30mm，厚度为2.5mm的的管状高强度铝合金。 4.3本章小结 本章对轮椅设计所用的工程材料进行计算、校核，验证了本设计的有效性及可行性。参考文献1 前瞻产业研究院. 人口老龄化加剧 我国轮椅制造业当自立自强. /view/1005872.htm#2，2012-01-30 2 何清华，黄素平，黄志雄.智能轮椅的研究现状和发展趋势J机器人技术与应用，2003（02）：12-14.3 江渡，申俊，陈栋，等.应用人机工程学研究轮椅的舒适性，2006（08）:12-13.4 百度百科.轮椅/view/533567.htm2012-02-25 5 李学梅. 轮椅的塑胶轮刹车装置P.中国专利：200520054486.3，2006-07-126 闫斌. 人机工程学轮椅设计说明D.西安:陕西理工学院机械工程学院，20