手推折叠轮椅设计.doc

毕 业 设 计题目：手推折叠轮椅的设计姓 名： 所在院系： 专业班级： 指导老师：2009年 月毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：基于Pro-e的手推折叠轮椅的设计指导教师：职称：类别：毕业设计（论文）1、 设计（论文）的主要任务 、手推折叠轮椅的市场调研与功能分析、手推折叠轮椅的设计2、设计（论文）的主要内容、了解机械设计的各种现代方法、总结目前市场上出售的轮椅的缺点与优点及未来轮椅行业的发展趋势、利用创新思想及实践经验再一次对折叠轮椅的多功能进行创新改进3、设计（论文）的基本要求、正确认识毕业设计的重要性，精心准备和认真完成、独立思考并完成毕业设计的内容、按时进行毕业设计进度的汇报，以便进行中期检查，并争取按期答辩4、主要参考文献1曾宗福.机械基础.北京：化学工业出版社，20022单辉祖.材料力学教程.北京：国防工业出版社，19823徐正会，吴家锃：携带式轮椅的创新设计.中国台湾，20084徐正会，黎淳弘：折叠式轮椅的研发.中国台湾，20045、毕业设计（论文）时间安排、2008年11月2009年01月：毕业设计任务的布置、材料收集和最终的题目确认、2009年02月2009年03月：进行手推折叠轮椅的设计的论文撰写、2009年04月2009年05月：论文的修改和最终的毕业答辩注：1、此表一式三份，系部、指导教师、学生各一份。2、类别是指毕业论文或毕业设计，类型指应用型、理论研究型和其他。目录摘 要4Abstract4第一章 折叠轮椅设计的概述51.1 折叠轮椅设计的研究现状61.2 折叠轮椅设计的关键点81.3 本设计所研究的内容8第二章 折叠轮椅的结构设计82.1 折叠轮椅的结构设计现状92.2 折叠轮椅的现代设计112.2.1 优化设计112.2.2 可靠性设计132.2.3 价值工程152.3 折叠轮椅的结构设计17第三章 折叠轮椅的材料和力学分析183.1 新型材料的简介183.2 按照强度理论选择折叠轮椅的材料193.3 按照刚度理论选择折叠轮椅的材料213.3.1扭转时的刚度计算223.3.2 弯曲时的刚度计算23第四章 折叠轮椅的功能分析254.1 利用价值工程进行折叠轮椅的功能分析254.2 折叠轮椅的创新设计274.3 多功能折叠轮椅的设计28第五章 折叠轮椅的3D模型制作295.1 基于Pro-e建立折叠轮椅的3D模型295.2 折叠轮椅收折全过程31第六章 折叠轮椅设计和制作的前景展望346.1 折叠轮椅设计的前景346.2 折叠轮椅制作的前景35结束语36主要参考文献37致 谢38摘 要根据所收集的各类文献及市场出售的各种折叠式轮椅显示，目前绝大多数折叠式轮椅皆仅止于左右折叠，所以收折之后所占的体积仍是非常庞大，如此将造成搬运、载送上的困难，且施力不易，携带相当不方便，对于必须经常外出而行动不方便者，将形成非常大的负担。目前市面上亦有两三种可收折成手提箱大小的折叠式轮椅，称为组合式轮椅，但其最大的缺点是组装程序相当的复杂和费时，在每一次的使用前与收复过程中，必须经过相当繁琐的步骤，对于使用时间短而使用次数多的患者而言，是一个非常困扰的问题。本设计所要研究的手推型折叠轮椅仅以连杆机构所组成，从经过设计和设计要求的限制，及各类参考文献中得出了最适合此类机构的是Watt I型六连杆机构，并且进行了应用材料的确定、杆件的力学分析和整体的结构设计，最后完成了实体3D模型的制作。所以本设计所研究的手推型折叠轮椅是由单一自由度收折，并且没有分离的零件，不需使用任何拆卸工具即可以达到收折后体积小、重量轻、操作简便，像行李箱拖行及站立收藏等特性，适用于下肢瘫痪、年老体弱多病和行动不方便者，是一种非常理想的代步工具。关键词：手推型折叠轮椅; 连杆机构; Watt I六联杆机构AbstractAccording to the literatures collected in this research, most of the folding wheelchair can only be folded in lateral direction and the folded volume is still too big to carry or to transport and it becomes a terrible burden for active wheelchair users. There are two or three folding wheelchairs selling in the market, which can be folded into the size of a suitcase and is called “assembly wheelchair.” Their major defect is lengthy and complicated assembling procedures. Every time the user folds or unfolds the wheelchair, a tedious process must be conducted, which causes severe problems to daily wheelchair users. This research developed a linkage-type portable wheelchair. An optimal Watt-I six-bar mechanism was found according to the design requirements and design constraints. A full-size mockup was built after the dimensional analysis was accomplished. The portable wheelchair developed in this research has one-DOF with no separated parts. It requires no tools to operate. The new design has compact folded volume and light weight. It is easy to operate and can be dragged likea luggage case. Therefore, it is an ideal mobile tool for elders and handicapped persons.Keywords ：hand-push wheelchair; linkage; Watt-I six-bar第一章 折叠轮椅设计的概述机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得客户，取得良好的经济效益。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有搞高质量的产品；没有经济观念的设计者，决不可能设计出性能价格比好的产品。因此，在机械产品设计中，应特别强调和重视从系统的观点出发，合理地确定系统的功能；应注重新技术、新工艺及新材料等的采用；应努力提高产品的可靠性、经济性及安全性。1.1 折叠轮椅设计的研究现状由于现代医学的发展和进步，人类的寿命正逐渐的往上提升，致使各国老年人口将不断增加，然而高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战。针对这些年长而行动不方便的使用者而言，其身体各部分器官正逐渐退化，再加上神经肌肉萎缩，自行驱动轮椅是非常困难的事，因此他们将不适合使用具有手轮圈的自推型轮椅，而手推型轮椅较能符合其需求。许多行动不便者在解决移动能力障碍时，最直接使用的工具便是轮椅。根据我国统计部门统计，截止到2006年4月1号，全国现有各类残疾人总数约8296万人，占总人口数的比例为6.34%，而属于肢体残疾的占总残疾人数的比例为29.07%，人数达到2412万，如图1.1所示。与1987年第一次全国残疾人抽样调查统计数据可以看出，肢体残疾人数略有所增加。2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达11%。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增，如图1.2所示。在60岁以上的老年人口中，有相当一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治疗和康复过程中，都需要借助使用轮椅。这对于家庭生计、社会成本与国家经济均会造成严重的影响，不可轻视。对于青壮年的肢体障碍患者而言，轮椅可使他们重新返回职场，以改善家庭生计和降低社会负担；对于行动不便的高龄老人或出现重度神经肌肉萎缩的患者而言，轮椅是他们走出户外的最佳辅具，不但能改善他（她）们的精神生活，而且在心灵层面上更得到慰藉。图1.1 2006年全国残疾人抽样调查统计情况根据中国国务院新闻办公室2006年12月在北京发布的中国老龄事业的发展报告提供的数据显示，2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达11%。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增，如图1.2所示。图1.2 60岁以上占总人口数1.2 折叠轮椅设计的关键点本设计所研究的折叠机构是以四连杆组（4-barlinkage）为出发点，利用杆件特殊翻转的特性来作为此折叠机构最初的概念设计。还有就是在测试当轮椅在展开的使用状态时，使用者的体重加诸于轮椅上，所造成结构的应力分布及材料变形，借此了解各部分零件的强度和刚度是否足够，还有要兼顾接头和杆件的强度、加工上的难易程度、杆件与各个零件之间的干涉问题、操作步骤的简便性，并尽量减低轮椅的重量和降低成本等等，以作为生产制造的参考。1.3 本设计所研究的内容手推型的折叠轮椅是以重度病患者或年长老人为使用对象，因此本设计所要设计的折叠轮椅本身的安全规范是相当重视的。而经过现有的手推型轮椅收折机构的分类和分析后，本课题所涉及的主要内容有：（1）需通过200Kg的配重检验，以达到安全规范的相关规定；（2）能产生导引轮椅翻转收折的动作机构；（3）收折完成的手推型折叠轮椅必须可以站立，以利于收藏和摆放；（4）收折完成后的手推型折叠轮椅必须可以拖行，以利于运送；（5）为确保结构的稳定性，必须讨论其各个杆件的受力情况；（6）在折叠轮椅强度和刚度足够的条件下，达到轻量化的设计。第二章 折叠轮椅的结构设计机械结构设计是机械设计基本环节之一，是以多学科理论为基础，将理论知识和实践经验紧密结合，进行优化和创新的一项设计工作。由于金属材料的强度高、重量轻、质量稳定等特性，因此本设计的轮椅绝大部分机械结构都采用金属材料，通过焊接、铆钉或螺栓等方式，按一定的规律连接制成基本构件后，再用焊接、铆钉或螺栓将基本构件连接成能够承受外载荷的结构物，保证折叠机构能够有良好的运动性能。2.1 折叠轮椅的结构设计现状 根据广泛收集携带式轮椅相关的各种文献，包括论文、学术期刊及各种机械资料，经过详细分析整理，目前市场上的手推型折叠轮椅的收折方式可区分为剪式、连杆式、组合式及特殊构造等4种类型便携式收折机构，分别探讨如下:（1）、剪式收折机构，具有剪式收折机构的轮椅，其收折机构均配置一组或数组交叉对（crossing pairs），使轮椅在收折机构时能像剪刀般作运动，从而将整体折叠收好。折叠此收折机构时，仅需将轮椅底架四周的垂直杆件向内并拢，使结合块依垂直杆件而向上方滑动，达到收折的效用，且收折完毕后，整台轮椅将呈束状，对于轮椅的运送或收纳均有很大的效果。如图2.1所示图2.1 剪式收折机构（2）、连杆式收折机构，此型轮椅为连杆数6、接头数7的单一自由度的折叠轮椅，若将后杆10视为地杆，可将此收折机构归纳为Watt I 型的6连杆组。利用焊接在活动基板上的挡板来阻挡后杆继续忘后运动，因此将拥有强度较佳的挡板设计。收折轮椅时，将椅背杆忘前翻转，因连杆的相互作用将迫使各杆运动而收折轮椅。此收折机构对于缩小收折后的体积有相当显著的效果，单一动作即可达到轮椅的展开或收折，并且拥有站立收藏的功能，是具有进步性的创新设计。如图2.2所示图2.2 连杆式收折机构（3）、组合式收折机构，此型轮椅收折后的体积小，可如行李箱运送，但在使用前所有零件必须一一装起，故此型轮椅为目前所有轮椅中收折体积最小者，但由于操作较为复杂，对于使用时间短而使用次数多的患者而言，是一个非常困难的问题。如图2.3所示图2.3 组合式收折机构（4）、特殊构型收折机构，此型轮椅为了避开轮椅收折后的干涉情形，左右的榫接位置不同，当轮椅收折时，先将左右的踏板向上翻起，再将右侧扶手向内翻折，最后收起左侧扶手，便完成了轮椅收折的动作，虽然构造简单，但是所达到的功效并不逊于结构较复杂的轮椅，因此此型为一有效的轮椅收折设计。如图2.4所示图2.4 特殊构型收折机构2.2 折叠轮椅的现代设计现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般，具体到抽象，感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机的高度发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去长期以来难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机械产品的设计工作产生了质的飞跃。19世纪60年代末开始，设计领域中相继出现一系列新兴理论与方法，把这些新兴理论与方法统称为现代设计。目前现代设计所指的新兴理论与方法主要如表2-1所示表2-1 现代设计所指的理论与方法设计方法学优化设计可靠性设计有限元法动态设计计算机辅助设计工程遗传算法智能工程价值工程工业艺术造型设计人机工程并行工程模块化设计相似性设计摩擦学设计三次设计反求工程设计人工神经元计算由于受篇幅限制，只能介绍优化设计、可靠性设计和价值工程。2.2.1 优化设计（optimal design）从多种方案中选择最佳方案的设计方法。以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。1970年，C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。如何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低（即技术经济指标最佳），有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。一般来说，优化设计有以下几个步骤：建立数学模型。选择最优化算法。程序设计。制定目标要求。计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。如图2.5所示，表示机械设计优化的一般流程图。图2.5 机械优化流程图机械优化设计问题来源于生产实际，现在举所设计的轮椅实例来说明优化设计的基本问题。由此在这简单介绍优化设计过程中的几个概念，如优化设计的过程中的设计变量是不断进行修改、调整一直处于变化的参数，其全体实际上是一组变量，可用一个列向量表示：X= X X ；约束条件是一个可行设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条件称作约束条件；目标函数是设计变量的函数，是设计中所追求的目标。折叠轮椅的优化设计数学模型建立1）设计变量：X= X X 靠背：长X1（L1）、宽X2（b1）、厚X3（h1）；坐垫：长X4（L2）、宽X5（b2）、厚X6（h2）；前支架：横杆X7（）、竖杆X8（）；后支架：横杆X9（）、竖杆X10（）；横支架：横杆X11（）；X=X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 2）优化目标：重量最轻=Minf(X)=（）+（）3）约束条件g(1)0 g(2)0 g(3) g(4)目标函数和约束函数都是设计变量的线形函数称为线性规划问题。2.2.2 可靠性设计（reliability design）保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。所谓可靠性，则是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3种。（1）可靠度 是产品在规定条件下和规定时间下，完成规定功能的概率。一般记为R，由于它是时间的函数，故也记为R(t)，则该产品在某一定时刻T的可靠度为R(t)=P(Tt）=（2）失效率 是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间后单位内发生失效的概率，也称为故障或风险函数。一般记为或。（t）=对于一个复杂的产品来说，为了提高整体系统的性能，都是采用提高组成产品的每个零部件的制造精度来达到；这样就使得产品的造价昂贵，有时甚至难以实现（例如对于由几万甚至几十万个零部件组成的很复杂的产品）。事实上可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计中入手来解决产品的可靠性，以改善对各个零部件可靠度（表示可靠性的概率）的要求。可靠度的分配是可靠性设计的核心。可靠度的分配原则主要有：、按重要程度分配可靠度；、按复杂程度分配可靠度；、按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度；、按相对故障率分配可靠度。各部分有了明确的可靠性指标后，根据不同计算准则，进行零件的设计计算。主要的计算方法为：根据载荷和强度的分布计算可靠度或所需尺寸；根据载荷和寿命的分布计算可靠度或安全寿命；求出可靠度与安全系数间的定量关系，沿用常规设计方法计算所需尺寸或验算安全系数。与可靠性设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据都是随机变量，必须用概率统计方法进行处理。如图2.6所示，是应力强度干涉模型图2.6 应力强度干涉模型2.2.3 价值工程（Value Engineering）所谓价值工程，指的都是通过集体智慧和有组织的活动对产品或服务进行功能分析，使目标以最低的总成本（寿命周期成本），可靠地实现产品或服务的必要功能，从而提高产品或服务的价值。价值工程主要思想是通过对选定研究对象的功能及费用分析，提高对象的价值。这里的价值，指的是反映费用支出与获得之间的比例，用数学比例式表达如下：价值=功能成本。提高价值的基本途径有5种，既：（1）提高功能，降低成本，大幅度提高价值;（2）功能不变，降低成本，提高价值;（3）功能有所提高，成本不变，提高价值;（4）功能略有下降，成本大幅度降低，提高价值;（5）提高功能，适当提高成本，大幅度提高功能，从而提高价值。价值工程设计的基本步骤是：了解设计对象，明确需求的功能，分析成本的组成，进行价值的初评，制定改进方案，获得价值最高的新产品。科研工作者在长期实践过程中，总结了一套开展价值工作的原则，用于指导价值工程活动的各步骤的工作。这些原则是（l）分析问题要避免一般化，概念化，要作具体分析。（2）收集一切可用的成本资料。（3）使用最好、最可靠的情报。（4）打破现有框框，进行创新和提高。（5）发挥真正的独创性。（6）找出障碍，克服障碍。（7）充分利用有关专家，扩大专业知识面。（8）对于重要的公差，要换算成加工费用来认真考虑。（9）尽量采用专业化工厂的现成产品。（l0）利用和购买专业化工厂的生产技术。（11）采用专门生产工艺。（l2）尽量采用标准。（13）以“我是否这样花自己的钱”作为判断标准。这13条原则中，第1条至第5条是属于思想方法和精神状态的要求，提出要实事求是，要有创新精神；第6条至第12条是组织方法和技术方法的要求，提出要重专家、重专业化、重标准化；第13条则提出了价值分析的判断标准。当我们面临一个紧迫的境地，例如生产经营中的产品功能、原材料成本都需要改进时，研究者一般采取经验分析法、ABC分析法以及百分比分析法。选定分析对象后需要收集对象的相关情报，包括用户需求、销售市场、科技技术进步状况、经济分析以及本企业的实际能力等等。价值分析中能够确定的方案的多少以及实施成果的大小与情报的准确程度、及时程度、全面程度紧密相关。有了较为全面的情报之后就可以进入价值工程的核心阶段一功能分析。在这一阶段要进行功能的定义、分类、整理、评价等步骤。经过分析和评价，分析人员可以提出多种方案，从中筛选出最优方案加以实施。在决定实施方案后应该制定具体的实施计划、提出工作的内容、进度、质量、标准、责任等方面的内容，确保方案的实施质量。为了掌握价值工程实施的成果，还要组织成果评价。成果的鉴定一般以实施的经济效益、社会效益为主。作为一项技术经济的分析方法，价值工程做到了将技术与经济的紧密结合，此外，价值工程的的独到之处还在于它注重与提高产品的价值、注重研制阶段开展工作，并且将功能分析作为自己独特的分析方法。价值工程已发展成为一问比较完善的管理技术，在实践中已形成了一套科学的实施程序。这套实施程序实际上是发现矛盾、分析矛盾和解决矛盾的过程，通常是围绕以下7个合乎逻辑程序的问题展开的：（1）这是什么？（2）这是干什么用的？（3）它的成本多少？（4）它的价值多少？（5）有其他方法能实现这个功能吗？（6）新的方案成本多少？功能如何？（7）新的方案能满足要求吗？顺序口答和解决这七个问题的过程，就是价值工程的工作程序和步骤。即：选定对象，收集情报资料，进行功能分析，提出改进方案，分析和评价方案，实施方案，评价活动成果。在实践过程中，当我们将价值工程的概念应用于人力资源的领域时，人自然而然地成为价值研究的对象。我们可以将人的功能加以分析，然后与具体工作岗位的要求相对应，应用价值系数评价来确定人员价值和群体价值，然后确定实施方案或者对实际方案进行改进，从而达到提高组织人员绩效的目的。2.3 折叠轮椅的结构设计本课题所设计的手推式折叠轮椅，如图2.3.1所示，此型轮椅为连杆数6、接头数7的单一自由度的折叠轮椅，其中C点是双重接头，将此双重接头拆在坐垫杆上，则前脚杆与坐垫杆为三元杆，而其余杆件为二元杆。图2.3.1 手推式折叠轮椅的结构设计图假如视底架杆为地杆，则可将此六连杆组定义为Watt I型六连杆组，所以其结构设计简图，如图2.3.2所示图2.3.2 Watt I型六连杆组由图2.3.1所示的结构简图可知，轮椅的结构共有活动构件数为，低副，没有高副。故其自由度应为第三章 折叠轮椅的材料和力学分析在生产实践中，各种机械和工程结构得到广泛应用，如桥梁、房屋、电机、机床等。机械和工程结构的每一组成部分为构件。任何构件都由某种材料制成，并受到某种载荷的作用。实际的构件并非是静力学所理想化的那种刚体，任何构件在外力作用下都将不同程度地发生形状和尺寸的改变。如果构件的形状、尺寸设计不合理，或选用材料不当，则构件在一定载荷的作用下，会发生过度的变形或破坏。为了保证机械和工程结构的正常工作，在载荷作用下，构件都应该具有足够的承受载荷的能力，简称承载能力，也即构件必须具有足够的强度、刚度和稳定性。这些基本要求，不仅与构件的截面形状和尺寸有关，而且还与材料的力学性能有关，而这些又都关系到制造成本，因此合理的选择构件的材料，如何正确的确定构件的截面形状，使构件即满足使用要求，又降低制造成本，便成为构件设计的一个十分重要的问题。3.1 新型材料的简介近年来，绿色环保新型材料不断升温，开始占据一个全新的市场领域，并随着绿色经济的全球风行，市场热度不断提升，新的环保新型材料趋势正席卷全球。而绿色轮椅设计的兴旺也带动了一个庞大的绿色材料需求。绿色环保材料作为轮椅制造的基础和源头，越来越成为市场采购的主流，绿色环保材料市场的发展带来的不仅仅是消费模式的变革，同时也将是整个家具行业的新一轮变革。（1）、高密度复合材料 新型高密度复合材料，其主要工艺原理是以稻草、麦秸、棉花杆、玉米杆、 甘蔗渣、竹屑、芦苇杆、木屑等农业废弃物作原料，以聚乙烯、聚丙烯及其废弃物，如汽水瓶、可乐瓶、矿泉水瓶等或塑料薄膜、塑料制品的城市废弃物（白色垃圾）等作粘合材料，并加入一定量的添加剂 等，在一定工艺条件下合成。这一最新成果被联合国工业发展组织（UNIDO）誉为“21世纪新材料”。 它的特点是不使用木材，可以保护生态环境，缓解了实行天然林保护后木材缺乏的问题；利用废弃物，使得物尽其用，节约能源，保护环境；无毒无害，没有尿素和甲醛的成份，不会对人体产生危害；产品密度高，强度好，木材、刨花板、中密度板等均易受到厌氧菌、霉菌、甲虫、白蚁、蛀虫等生物的侵害和海水的腐蚀，而该工艺生产的板、型材均不受以上生物的侵害，吸水率低，不受海水的腐蚀；属于无三废工艺，可多次回收废料并反复利用，节约并降低成本；产品 有很强的可塑性，可根据用户需要，替换不同的模具或模板，直接生 产出各种各样的板材和型材，有极大的市场价值；防火性能好，有良好的阻燃性能。高密度复合材料技术的实现不仅解决了农业废弃物和城市废弃物 的污染排放问题，还节省了有限的林业资源，必将对我国的21世纪的 环保产业产生巨大影响。（2）、高强高模纤维 目前，尼龙和涤纶的拉伸断裂强力仅为其理论值的约5。今后开发的高聚物纤维，拉伸断裂强力将为其理论值的40，抗拉模量将为其理论值的90。随着高聚物技术的发展以及有机与无机化合物结合的进展，极有可能开发出达40理论强力的纤维。开发这种纤维的瓶颈是成本。这种纤维将适用于要求高强力、轻质量的各种设备。 （3）、具有传感和康复功能的纤维 人们将开发具有传感功能的温湿度调节材料、康复用神经刺激材料和肌肉力量支持类服装。今后还将开发出具有传感功能的睡衣，用来检测温度和相对湿度，以防止那些丧失温、湿度感觉的老年人受到类似“低温烧伤”的伤害。另外，今后的开发项目还包括一种用于患者康复的纤维，它作为一种护理保健材料能刺激神经，还能以紧身连裤袜的形式支撑肌肉力量不足的患者。 （4）、具有综合功能的阻燃纤维 今后将开发在保持服装一般性能的前提下，具有阻燃性能、非热熔和能够避免烧伤的纤维。现有阻燃纤维的阻燃性能已经达到令人满意的水平，但是，其它普通功能尚未达到相应的水平。以儿童和老年人的阻燃睡衣为例，还需开发具有良好手感、柔软性和吸湿性等综合功能的阻燃材料。3.2 按照强度理论选择折叠轮椅的材料轴向拉伸（tension）与压缩（compression）是杆件变形中最简单的形式。在机械和仪器中，承受拉伸和压缩作用的杆件最多，在折叠轮椅的过程中，联接常常用到螺栓，被拧紧后，螺栓就承受拉力。分析受轴向拉伸或轴向压缩作用的杆件的受力情况可知，杆件拉伸和压缩的受力特点是作用在杆件两端的两力大小相等、方向相反，且作用线与杆件的轴线相重合。其变形的特点是杆件沿轴向伸长或缩短，而其横截面变细或变粗，分别如图3.2.1（a）、(b)所示图3.2.1 拉伸与压缩由上可知，不论是受拉伸还是压缩，杆件横截面上的内力均沿着杆件的轴线，这种力称为轴力，轴力可以是拉力，也可以是压力。以受拉杆件横截面上的内力分部来确定横截面上各点的应力，杆件在外力的作用下不仅要产生内力，同时还要产生变形，而且内力与变形之间是密切相关的。所以可以实验来观察变形，以了解内力的分布。取一等截面直杆，在其表面画两条垂直于杆轴的横线ab和cd，并在两条横线间画两条平行于杆轴的纵向线。然后在杆两端加上一对轴向拉力，使杆件产生拉伸变形。从杆件表面可观察到：ab和cd直线分别平移至a1b1和c1d1位置，仍为直线且和杆轴垂直；两条纵向线伸长，且伸长量相等，并仍然与杆轴平行。根据观察到的表面现象，可作出平面假设：变形前为平面的横截面，变形后仍为平面，但沿轴线发生了平移。如图3.2.2所示图3.2.2 受拉杆件截面上的应力根据平面假设可知，任意两横截面间的各纵向线的伸长（或缩短）均相同。由材料的均匀连续性假设可知，横截面上的内力是均匀分布的，即各点的应力相等。设杆件横截面的面积为A，横截面上的轴力为N，则该横截面上的正应力为=N/A（的正负号与轴力相同，当N为正时，也为正，称为拉应力；当N为负时，也为负，称为压应力。）由上所述可知，杆件的材料所能承受的应力是有限的，要保证杆件正常工作，则杆件的工作应力必须不超过其材料的许用应力，因此，杆件受拉伸或压缩时的强度条件为 （）式中表示杆件材料的许用应力，。本课题所设计的已知轮椅主结构将采用直径为2CM管材，假设需通过200KG的重量，即截面积A=314 (mm),即根据杆件受拉伸或压缩时的强度公式 （）得=63.7 目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝合金管材，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硬铝合金。3.3 按照刚度理论选择折叠轮椅的材料杆件在不同的荷载的作用下，会产生不同的变形。根据荷载本身的性质及荷载作用的位置不同，变形可以分为轴向拉伸（压缩）、剪切、扭转、弯曲四种基本变形。轴向拉伸和压缩本节不详细叙述，以下将重点分析扭转和弯曲理论在轮椅选材上的应用。圆轴扭转时的刚度条件为：圆轴的最大单位长度扭转角不超过许用单位长度扭转角, 即 = (rad) 或 = ( )/m梁弯曲时的刚度条件为：是在梁弯曲变形时，某指定截面的挠度和转角不允许超过许用值，即 或 式中，y和 分别为许用挠度和许用转角，两者都可在有关设计手册中查到。3.3.1扭转时的刚度计算如果在直杆的两端各受到一个外力偶Me的作用，且二者的大小相等、转向相反，作用面与杆件的轴线垂直，那么杆件的横截面将绕轴线发生相对转动，这种变形称为扭转，如图3.3.1所示。图3.3.1 杆件的扭转变形其变形特点是：杆件任意两个横截面都绕杆轴线作相对转动，两横截面之间的相对角位移称为扭转角，用表示，表示截面B相对于截面A的扭转角。扭转时杆的纵向线发生微小倾斜，表面纵向线的倾斜角用表示。如图3.3.2所示图3.3.2 杆件扭转时的变形已知所用的硬铝合金管材的许用单位长度扭转角=1( )/m，切变模量G=810，即根据上面得到的公式= ( )/m， 又 （mm），得= 0.73 ( )/m =1( )/m所以，该硬铝合金管材的刚度足够。3.3.2 弯曲时的刚度计算如果直杆在两端各受到一个外力偶Me的作用，且二者的大小相等、转向相反，作用面都与包含杆轴的某一纵向平面重合，或者是受到位于纵向平面内且垂直于杆轴线的外力F作用时，杆件的轴线就要变弯，这种变形称为弯曲，如图3.3.3（a）、（b）所示，图（a）所示为纯弯曲，图（b）所示为横力弯曲。图3.3.3 杆件弯曲时的变形下面着重介绍下本课题所设计的轮椅主结构梁的弯曲刚度，轮椅主结构梁如图3.3.4所示图3.3.4 主结构的应力分布图绘制主结构支梁的剪力图和弯矩图，分析的最终结构剪力图和弯矩图如图3.3.5所示图3.3.5 主结构的剪力图和弯矩图梁弯曲时的许用挠度为y，只要选用的材料最大的挠度不要超过其许用挠度，即可，得主结构梁的最大的挠度=(式中 截面的惯性矩， 抗弯截面模量，)又因为所采用的材料是空心铝合金管材，所以分别存在管材截面惯性矩 ，和抗弯截面模型 ，即根据弯曲时的刚度条件=，只要选用的材料最大的挠度小于材料弯曲时的许用挠度为y即可，通过实验和分析，本课题设计的轮椅所采用的硬铝合金完全满足条件，刚度足够，故主体结构材料采用硬铝合金是满足要求的。第四章 折叠轮椅的功能分析此款轮椅是对市场上销售的轮椅进行改造的基础上设计与制作的，该轮椅是一种辅助残疾和行动不方便的高龄老年人产品，它除了具有市场上轮椅普遍具有的行走功能外，还具有斜躺和平躺的功能，当使用者感觉坐的时间较长的话，使用者可以方便的操作以便使自己趟下，减轻使用者的疲劳系数，达到安全，舒适，快捷等功能。4.1 利用价值工程进行折叠轮椅的功能分析手推型轮椅是的民用产品，未来销路较好，批量较大。但成本高、利润小，成本远高于国内同类产品。为此，对轮椅销售及功能进行价值工程的分析是很有必要的。(1)寻找价值分析目标 把轮椅全部零构件按成本大小分类排队，对产品的成本构成进行分析，算出各类构件所占成本的百分比(表1-2)寻找分析目标运用ABC分析法。表1-2 产品各类零件成本表构件成本/元件数件数百分（%）成本/元成本百分（%）分类7001010186.15076.6A0.60B7.00606023.08115.8BC0.6111010.2637.6C合计8180219.494100 ABC分析法又叫分类管理法或叫重点管理法。这种方法的基本原理是处理任何事情都要分清主次、轻重，区别关键的少数和次要的多数，根据不同的情况进行分类管理。70元以上的构件成本占总成本的766，构件数占零件总数10，作为A区；约占60的零件成本占总成本的158，作为B区；其余60的零件仅占总成本的7.6，作为C区，绘制ABC曲线如图4.1所示。这样可把重点放在A、B两区，特别是A区零件可以作为价值分析的目标。图4.1 ABC曲线(2)功能分析 对折叠轮椅的全部零件进行功能定义、功能整理、绘制功能系统图。经过整理，按功能体系排队，洗衣机分为四个功能系统：控制系统；动力及传动分系统；外观及保护分系统。依次绘出功能系统图，进一步明确了各零部件的基本功能和实现该功能的手段；明确了哪些功能是多余的，哪些功能是不足的。例如，设计中重复多处使用的防滑皮垫，有几处是多余的，应予取消；折叠轮椅的外观装饰则功能不足，应予加强。 (3)功能评价 对选为分析对象的A区10个零件进行评价。根据各零件的基本功能、辅助功能和外观功能，利用强制确定法给各零件评分，计算出零件的功能系数，其次是计算零件的成本系数和价值系数。绘制成本一功能的最佳适应区如图4.2所示。图1-2 价值系数分布区(4)发动群众提革新建议 该厂一方面组织专门的力量对个部件(成本功能曲线区域外右下侧的坐标点)等进行功能费用分析，另一方面把轮椅的零件成本和功能分析的资料发至车间，动员群众人人出主意想办法，提出降低成本、改进功能的建议。 建议内容包括零部件、原材料供、产、销的全过程，如哪些材料可以更替或改换供应点，哪些零件可以改变设计结构，哪些工序可以改变加工方法等等，如表1-3所示。表1-3 考虑用户意见的材料选择方案序号材料成本/元用户调查方案确定1合成塑料3.2耐用良好选中2硬铝合金9.7良好选中3不锈钢（1Cr18Ni9Ti）26.85良好成本高淘汰 (5)制定实施方案 通过技术经济的综合比较，从中选择了三种性能最好、价格最低的硬铝合金管材作为定货对象。仅此一项就使轮椅单台成本下降5.08元。采用不锈网1Cr18Ni9Ti,使单台价格达26.85元(17.1元/kg )，价值系数0.63，成本偏高。经过对多种材料方案的比较和试验表明：选用硬铝合金代替不锈钢1Cr18Ni9Ti材料更换后，单台成本又降低17.43元。4.2 折叠轮椅的创新设计随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。因此，对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点。以下就来介绍目前比较新颖的折叠轮椅：（1）、太阳能折叠式手推轮椅在其顶部安装太阳能发电系统，这个发电系统由两个能产生 20 瓦电力的太阳能板组成，除了能提供轮椅本身所需的电力（24 瓦）外，晴天时还可额外提供 30 分钟的电力，下雨时，也能当作遮雨棚使用。 （2）、电动驱动折叠式手推轮椅在原有的基础上，底部安装了电子操控系统，可以电动手动切换行驶，更加便于操作和更人性化。依照人体工程学设计,机身高强度、高承重、重量轻体积小，方便老年人和身体残疾的人出行，适用于中老年人群及行动不便者在室内外作助行代步之用。电动轮椅操作简单，老人使用起来也能得心应手。在轮椅控制器的操纵杆上，即可完成您想要的前进、后退、转弯等等。松手就是停车，操控起来简单灵活。（为了安全更有保障，还在轮椅两边的大轮上各装有一个手刹）。将操纵杆向后，轮椅即会进入倒车状态，还会相应地发出“嘀嘀”的警报声。在控制器上设有电池电量、速度档的显示和喇叭等，让您能够对轮椅的使用状态有一个最直观的了解。体积小，重量轻。车身是采用的铝合金结构，大大减轻了整车的重量；无需拆卸电池即可折叠，折叠之后不占用过多空间，还可轻松塞入汽车尾箱，全家出游，共享天伦之乐。可以零半径360度旋转。有此特点，即便是在狭小的空间内，也可以活动自如。（3）、自动爬楼梯折叠式手推轮椅对应于那些只有身体上残疾的人士，活动范围比较大，但往往会面对一些建筑上的障碍设施，如最直观的楼梯，却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫任务。在原来的轮椅上安装履带轮机构，实现连续性爬楼梯，传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动的，其重心的波动很小，运动非常平稳。4.3 多功能折叠轮椅的设计该型轮椅运用人性化设计理念，从技术上帮助下肢残疾朋友解除了普通轮椅只能坐不能卧、长时间使用易生褥疮的困扰。该型轮椅专供下肢残疾朋友和老年人使用的系列产品之一。在原来的设计基础上，再其背后加上剪式收折机构，便于因为长时间坐的姿势导致易生褥疮和不舒适感，方便打开后背，可以躺下，为解决下肢残疾人和老年人的实际困难，立下了汗马功劳。与其他轮椅不同的是，所设计的这个多功能轮椅上面再架上一个铁架子，上面支着50厘米见方的太阳能电池板。在轮椅的座位下挂着两个10厘米见方、20厘米长的金属盒子，这就是驱动轮椅的蓄电池。还有在轮椅的扶手上安装着操作柄，随着轻轻地前后推拉，轮椅在空地上前后自如地移动着。其次在左右扶手上安装上可以放MP3、收音机等等的架子，在轮廓上安装上电热毯，也是其中的一种想法，还有就是在普通轮椅上安装一个由交流调速电机驱动的传动系统，利用齿轮和履带传动，使之成为一个有机的整体，达到能完成人体主要部位功能锻炼的目的。上肢运动部分，上肢运动是指双臂及手部进行周期性往复运动，将患者双手固定于手柄上，做划船状运动；下肢运动是指腿及脚部进行周期性往复运动，将患者双腿固定脚踏板上，做踏车式运动；背部按摩部分是指由电机带动的两个按摩轮做上下左右转动，达到背部按摩的目的。被动式的功能锻炼轮椅由两套电机驱动系统完成，其中一套用于上下肢的运动，另一套用于背部按摩部分，整套运动协调可靠，不仅能够帮助病人恢复肢体功能，又为医护人员减轻了工作量。经临床实际应用表明，该套医疗康复设备，使用简单，操作方便，能够协助患者做肢体运动，促进病人康复，是一种极有推广价值的康复医疗设备，外加上可自由调整的安全带。第五章 折叠轮椅的3D模型制作本轮椅设计的原则是希望让体型较大的使用者也能有一个舒适的乘坐空间，因此对于轮椅各部分的设计尺寸都采用大型轮椅的规格进行设计。已知杆件所采用的材料是硬铝合金，并依据国家标准相关的规定，制定出本轮椅的设计规格如下：(1)、本设计的轮椅展开的全宽限定在660mm之内；（2）、地板到把手上方的最大尺度全高为950mm之内；（3）、从地板到座位的高度为510mm之内；（4）、座长尺度为450mm之内；（5）、装置坐垫的两管内侧座宽尺度为450mm之内；（6）、从座管上方到扶手管上方的尺度为200mm之内；（7）、从坐垫到背靠上端的尺度为380mm之内；（8）、脚架的最低距离地高为50mm以上。依照上述数据，并利用Pro/Engineer Wildfire 2.0进行轮椅的3D绘图。将主体框架描绘出来。 5.1 基于Pro-e建立折叠轮椅的3D模型根据3D模型制作前给的相关数据，按照Pro/Engineer Wildfire 2.0操作相关规则进行模型制作，经过长时间的修改和探讨，并确定本轮椅的3D最终效果图，如图5.1所示图5.1 折叠轮椅的3D模型5.2 折叠轮椅收折全过程第六章 折叠轮椅设计和制作的前景展望轮椅是康复的重要工具，它不仅是肢体伤残者的代步工具，更重要的是使他们借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由。再加上当今世界各大城市都面临老龄化问题，根据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，轮椅的社会需求总量逐年增长，这给轮椅行业带来巨大的市场空间。6.1 折叠轮椅设计的前景 轮椅开发和生产技术随着社会的发展，也在快速的发展，随着社会消费水平及消费档次的提升，未来轮椅设计技术也会有很大的提升，将逐步向辅助行动、方便轻巧、功能多样等等方面发展。还有随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。因此，对用