便捷轮椅机构设计设计说明书论文

绪论1.1课题背景及研究目的意义我国是全球人口大国，是人口数量最多的国家，人口问题复杂。伴随着社会地进步发展，我国人口老龄化问题越来越严重，尤其对行动不便的老年人的护理照顾问题逐渐成为全社会关注的热点，良好解决此问题是全社会的责任和担当[1]。按照世界卫生组织的规定，65岁以上人口数占总人口数量比率多于7%的社会称为“老龄化社会”。从20世纪末以来，我国的人口老龄化速度不断加快。65岁及从1990年到2000年10年之间，我国65岁及以上老年人口数量已经从6299万增长到8811万，所占比率不断攀升，占总人口的比例从5.57%增长到6.96%，目前我国人口已经进入老年型。预计到2040年，65岁及以上老年人口数量占总人口数的比例可能超约20%。同时，老年人口高龄化趋势日趋明显：80岁及以上高龄老年人数量以每年5%的速度增长，预计2040年将要增长到7400多万人次[2]。这一问是对我国老年人保障体系的挑战。此外，随着工业的不断发展，交通事故和各种工程事故致残人数在逐年增加。相关数据表明，每年我国残疾人数量大约增加70万到80万人次;也就是说，每个小时就会有近九十人由于意外事故致残。根据2006年的第二次全国残疾人人口普查数据估计，我国身体残疾人数约占全国总人数的6.5%，其中肢体残疾的残障人士所占比例约为三分之一，庞大的残障人士群体使得这一特殊群体的巨大的特殊需求急需保障。为了更好的解决行动不便的老年人和肢体残疾的弱势群体的日常行动等问题，研究出成熟的辅助工具成为社会的一大关注点。这不仅仅是技术问题，也是社会责任感的深切体现。因此，研究轮椅的便捷性、可靠性也成为了一大重要课题[3]。目前，国内市场上提供辅助功能的轮椅工具主要有电动和手动两类。手动轮椅结构简单，功能比较单一，对于老年人有一定操作难度，对于残疾人等群体又不能满足使用要求；而电动轮椅品类复杂，功能丰富，价格昂贵，其繁杂的功能对于使用者不具有特殊性，不能满足不同情况使用者的需求。因此，优化轮椅的结构设计，简化操作繁琐程度，降低生产所需成本，制造出产品化的轮椅辅助工具是必要的[4][5]。能够良好的满足行动不便的老年人和残疾人士的生理、心理需求，帮助他们改善生活质量，引导他们更好地融入正常人的生活环境，减轻其家人和社会的负担具有重大意义。1.2轮椅国内外发展现状关于轮椅的发展历史，目前世界范围内公认的最早的记录有两个，一个在中国南北朝时期，另一个是古希腊时期留存下来的花瓶上的描绘的是类似轮椅的图案。1933年，因为美国的一位采矿工程师在工作中发生意外致使下肢瘫痪，之后在他的邻居哈瑞·詹宁斯的热心帮忙下，他们制作了世界上第一台可折叠的便携式轮椅，并提出了专利申请，之后两人联合成立了第一家轮椅生产公司。在1986年，英国开始投身于智能轮椅的研究之后，其他欧美国家以及日本纷纷效仿，加大在智能轮椅研究方面投入的资金。其中，一些发达国家，如美国、日本等公司研制的智能轮椅更是智能化程度高、交互性强、适应性强。比如，美国WELLESLEY项目，给智能轮椅装备计算机控制和传感器，通过配备的计算机来实现人机交互的功能，这一研究在展览会上取得极好的成绩；法国VAHM项目将轮椅的控制方式详细划分为自动、半自动、手动三种模式，尤其轮椅处于自动模式时，智能化程度比较高，在市场上得到用户青睐，其普及程度较其他产品也较高；西班牙SIAMO项目研究智能轮椅控制系统的模块化，着重开发人机交互功能，便于用户控制轮椅。而亚洲市场中，以日、韩的发展为引导，除了控制系统的深入研究外，日本推出了一款智能轮椅，在使用者上方，安装了视觉传感器，能够很好的将环境信息反馈给使用者，便于其进行操作避障。图1.1美国WELLESLEY智能轮椅图1.2法国VAHM智能轮椅从这些发展历史中可以看到各公司的轮椅研究旨在实现更智能化和多样化的功能，实现人机交互功能，总的来说是使轮椅使用者的使用体验更加贴近正常人，日常活动能够更独立、便捷。对比国外的发展趋势，我国在智能轮椅方向的研究开始比较晚，轮椅机构的复杂程度也相对较低，灵活性也相对较弱，与国外发展水平相比有一定的差距。随着我国人口老龄化加重、下肢残疾人口数量不见减少，促使我国相关研究机构研发出具有自身特色的轮椅机构，技术更加接近国际水平，研究方向偏向于护理型轮椅辅助机构，能够实现辅助患者日常生活行动，具有优良的智能识别避障能力，此外，也能实现人机交互，辅助使用者进行简单的户外活动。中国科学院自动化研究所设计研发了一款具有口令和视觉导航功能、可以与人进行语音交互的智能轮椅。这款智能轮椅的设计研发侧重方向是人机控制界面的开发设计,在系统的研发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科研成果,使人可以通过语音控制轮椅的行进方向,还能够实现简单的人机对话。哈尔滨工程大学设计的可如厕多功能轮椅可以折叠成床，辅助使用者上下床，实现如厕功能，背靠板、腿托板角度可调节，前后轮轮距可调节等这多细节设计。图1.3中国科学院自动化研究所研制图1.4哈尔滨工程大学可如厕轮椅中科院自动化研究所、上海交通大学等高校、研究院在智能轮椅的研究上具有自身特色，总的来说，围绕辅助性这一关键点多方位发展，更好的服务于老年人、残疾人。通过以上研究说明，目前，轮椅的研究方向智能化、模块化、人性化、产品化。（1）对于智能化来说，轮椅发展至今已不是这一群体的代步工具，除了基本的自动行走，要进一步提高智能性，优化控制算法，加强人机交互能力，可以实现使用者通过简单的表达控制轮椅执行下一步的动作，辅助使用者完成简单的家务、进行简单的户外活动等；（2）模块化层次上，将整个系统划分为各个功能模块，可以根据人群相异的实际需要，组合出不同功能的产品，控制成本，降低价格的同时，对于实现轮椅的兼容性、产品化具有重大意义；（3）人性化方面，设计不仅要满足使用者的生理需求，也应该充分照顾到这一特殊群体的心理需求，追求更好的舒适性、便捷性；（4）产品化方面，采用开放式的结构、差异化配置、个性化等要求呼声越来越大，使用者也期望在生理和心理两面都符合自身需求，而个性化的设计可以根据不同使用者组合不同的产品，满足不同用户对安全性的不同要求，更加契合其使用需求，也会在价格方面更容易被接受，而不会出现被价格劝退和轮椅功能浪费的情况。1.3本文的主要研究内容鉴于市面上大多数轮椅都是普通轮椅，只能满足代步的需求，为了解决行动不便的老年人及残疾人群，本文设计一款可折叠，并且可实现如厕功能的便捷轮椅，此外并具有普通轮椅的行走功能。同时，设计应满足基本要求：一是，满足轮椅设计标准，符合国家轮椅器械标准，可靠性、安全性有保证，同时兼顾用户体验的舒适性；二是，便捷轮椅的机构设计要人性化、功能化、便捷化，能实现代步、如厕等要求。因此，本文的主要研究内容如下：通过查阅文献资料和市场调研，明确国内轮椅研究现状以及发展趋势，融合市场上现有产品的优点，结合此类弱势群体的实际使用轮椅时面临的问题，确认整体设计方案为设计一款具有如厕、折叠、升降功能，同时具有普通轮椅的行走功能的多功能便捷轮椅,并实现使用者的简单转移功能，根据国家轮椅器械相关标准和人机工程学确定整体设计方案以及各模块总体尺寸参数等指标，根据各模块功能选择电机型号。(2)根据模块化设计方法，设计便捷轮椅的折叠机构、升降机构、如厕机构、转移机构和行走机构;对各功能模块进行详细的机构分析，在SolidWorks环境下进行虚拟三维建模，在装配过程中验证各机构之间是否存在干涉，保证产品的合理性、可靠性、顺滑性，对支撑件、连接件等关键部件受力分析，验证机构的安全性、合理性并对机构设计方案进行优化。第2章总体设计方案2.1引言轮椅的设计是一种具有创造性的活动，旨在满足行动不便的老年人或者残疾人的生理需求。在设计之前，要充分了解用户的使用需求，调查市场上此类产品的发展现状和趋势。本文的便捷轮椅设计主要实现升降、折叠、如厕、转移功能，从而帮助尤其是下肢能力障碍的弱势群体生活更加方便，可以实现在无人帮助的情况下从床上到轮椅上的转移、如厕等日常行为[6]。通过机械原理和机械设计等课程的机械结构设计相关理论和方法，寻找解决问题、实现设计目标的途径。针对这些功能要求，本章将叙述设计中执行的国家轮椅器械标准、人机工程学理论和我国成年人人体尺寸标准等内容，将此类标准和机械设计方法结合在一起，设计便捷轮椅的机构构型，并确定关键的机构部件尺寸。2.2国内市场中轮椅机构分析查阅轮椅专利资料，分析市场中现有的轮椅主要机构如下：1.水平升降式机构对于乘坐轮椅的人来说，坐姿状态下自身所能触及的范围非常有限，这给生活带来了极大的不便。在轮椅座椅下方设计一个升降机构，通过电机带动升降机构的运动，推动座椅在一定范围内上下移动。设计中要考虑到升降机构的支撑是否会带来轮椅侧翻的风险，因此，设计时要保证机构运动的安全性，升降机构和轮椅座椅的接触面积要大，支撑点要对称，防止侧翻发生给轮椅使用者带来的危害。图2.1升降机构轮椅①图2.2升降机构轮椅②2.爬楼机构国外对于爬楼机构的研究远远早于国内，技术也相对成熟。近几年来，国内的研究也取得许多成果，主要的爬楼机构有履带式、星轮式、步进式。爬楼机构的出现很大程度上扩大了轮椅的使用场景，增强了轮椅的越障能力，这对行动不便的老年人和残疾人来说是一大进步。但目前来说，类似机构轮椅机构复杂，成本较大，价格也相对昂贵，机构的稳定性、安全性也是一个核心问题，除此之外，像履带式结构在使用中磨损较大，这也是爬楼机构的一些缺点。图2.3履带式爬楼轮椅图2.4星轮式爬楼轮椅3.折叠机构折叠机构的出现，主要用在轮椅靠背和腿部支撑的角度调节，可以让使用者根据自身习惯调整出最舒适的坐姿，减轻长期保持坐姿给身体带来的危害，也可在两者调节的配合下，将轮椅调整成轮椅床，方便使用者坐姿和躺姿的变换，也便于其独立完成从床上到轮椅上的转移。图2.5可折叠轮椅4.辅助站立机构辅助站立机构能给使用者带来诸多生活上的便利。但是设计时要充分考虑从坐姿到站姿变换中重心的稳定性问题，保证机构使用的安全性。辅助站立机构一般要与折叠机构配合使用，先将轮椅靠背、座椅和腿部支撑调成同一水平面内，再通过支撑，将形成的平板支撑到一定倾斜角度，达到站立的效果。图2.6可站立式轮椅2.3产品设计需求及标准产品设计需求的分析是实现设计的重要一环。产品需求可以指导设计的方向，规划产品的设计方案，使产品更加具有市场竞争力。便捷轮椅作为辅助行走和日常生活的设备，目的在于解决行动不便的老年人和残疾人日常活动不方便的问题，根据这类弱势群体心理和生理需求，便捷轮椅的结构设计需要符合国内研究趋势，整合市场中轮椅的优点，改进其主要缺点，简化轮椅操作方式，同时必须充分兼顾安全性、舒适性等要求，据此确定设计的总体方案。本文设计的便捷轮椅将依据国家轮椅器械有关标准和人机工程学相关理论作为轮椅设计的设计标准，充分考虑设计的外形尺寸标准、安全性、便捷性、舒适性和标准化原则，设计一款具有折叠功能、如厕功能、患者转移功能和行走功能的便捷轮椅。此外，要充分考虑使用者的生理和心理需求。肢体残疾的弱势群体通常无法正常进行日常活动，与常人的不一样，使他们不仅在身体上有重大负担，心理上也会感到自卑和焦虑。轮椅此类辅助工具可以很好的满足他们的生理需求，让他们和正常人的生活方式更贴近一步，这也能给他们心里带来安慰，增强自尊心和自信心，减轻他们的自卑感。同时，对于此类人群，坐姿是他们长时间保持的姿态，而久坐又给身体带来更大的负担，严重时会影响到人体健康。因此，设计中要同时考虑到使用者的心理和生理需求，将人性化的设计加入到便捷轮椅中，比如，简单的坐姿调整机构，便于使用者调整坐姿，增加舒适度等。2.3.1人机工程学概述人机工程学[7]产生于欧洲，在美国得到发展并走向成熟。“人机工程学”的定义可以总结为：研究人、机器、环境组成的系统，综合运用人体测量学、卫生学、生理学、心理学、工程技术等知识，研究三者相互联系而产生的关系，提供简化操作、简单安全、高效舒适的人—机—环境系统优化设计的理论和方法，创造出更加舒适、安全的工作环境，使工作效率达到更高的水平。这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用的关系决定着系统总体的性能。我国对人机工程学研究起步较晚，但是发展较为迅速。目前，这门学科的研究已经深入诸多领域，并在交通运输、医疗卫生、工农业等大量领域得到实际应用，也实现了本学科和工程技术相关学科的交融渗透，并不断扩大其应用领域。在本文设计的“人—机—环境”系统中，“人”指的是行动不便的老年人及残疾人等，“机”指便捷轮椅机构，“环境”指的是使用者使用轮椅时所在的室内或室外环境[8]。将人机工程学融入到本文便捷轮椅的设计中，使产品更加人性化，提升使用的安全性、舒适性。2.3.2国家轮椅器械相关标准在本文设计中，确定便捷轮椅的主要尺寸时，参考《GB/T12996-2012电动轮椅车》和《GB/T18029.6-2009轮椅车第6部分：电动轮椅车最大速度、加速度和减速度的测定》等相关标准，如下表2.1和表2.2所示。表2.1中涉及室内、外型和道路型，本文设计参考道路型，取总长度低于1600mm，总宽度低于750mm。表2.1电动轮椅外形尺寸室内、外型/mm道路型/mm总长≤1200≤1600总宽≤700≤750总高≤1200—表2.2电动轮椅最大行驶速度和最大加速度最大行驶速度/m/s最大加速度/m/s²水平路面1.661.3倾斜路面10°0.8国家成年人人体尺寸相关标准机构和人体尺寸很大程度决定人使用机械器具时是否舒适、便捷[9]。人体尺寸是便捷轮椅尺寸确定的基础。在本文的设计中，人体尺寸参考国标《GB10000-88中国成年人人体尺寸》，具体数据如图2.7、图2.8、图2.9、图2.10和表2.3、表2.4、表2.5所示。图2.7人体主要尺寸图2.8人体坐姿主要尺寸表2.3中国成年人人体主要尺寸（mm）男（18～60周岁）女（18～55周岁）测量项目5%10%50%90%95%5%10%50%90%95%4.1.1身高15831604167817541775148415031570164016594.1.2体重485059717542445263664.1.3上臂长2892943133333382622672843033084.1.4前臂长2162202372532581931982132292344.1.5大腿长4284364654965054024104384674764.1.6小腿长338344369396403313319344370376表2.4中国成年人坐姿尺寸（mm）男（18～60周岁）女（18～55周岁）测量项目5%10%50%90%95%5%10%50%90%95%4.3.1坐高8588709089479588098198558919014.3.2颈椎点高6156246576917015795876176486574.3.3坐姿眼高7497617988368476957047397737834.3.4坐姿肩高5575665986316415185265565855944.3.5坐姿肘高2282352632912982152232512772844.3.6坐姿大腿厚1121161301461511131171301461514.3.7坐姿膝高4564644935235324244314584854934.3.8小腿加足3833894134394483423503823994054.3.9坐深4214294574864944014084334334694.3.10臀膝距5155245545855954955025295615704.3.11下肢长92193799210461063851865912960975图2.9人体侧向尺寸图2.10人体水平尺寸表2.5中国成年人人体侧向和正向尺寸（mm）男（18～60周岁）女（18～55周岁）测量项目5%10%50%90%95%5%10%50%90%95%4.4.1坐高2532592803073152332392602892994.4.2坐姿颈椎高1861912122372451701761992302394.4.3坐姿眼高3443513753974033203283513713774.4.4坐姿肩高3984054314604693633713974284384.4.5坐姿颈肘高2822883063273342902963173403464.4.8小腿加足高7918068679449707457608259199494.4.9坐深6506657358598956596807729049504.4.10臀膝距8058208759489708248409009751000便捷轮椅设计数据选取应符合大多数使用者的情况，因此，根据表中数据，取男性百分位数为95的数据作为设计数据上限值，保证便捷轮椅的设计具有普遍适用性。2.4便捷轮椅功能需求及机构方案2.4.1便捷轮椅功能需求分析综合轮椅设计发展现状和使用者实际诉求，得出便捷轮椅基本功能需求如下：（1）行走功能。行动不便的老年人和残疾人生活中最大的问题就是如何正常行动，在各种生活场景下，这个问题都是个亟待解决的困难，良好的行走功能可以帮助他们行动，也是轮椅最基本的、必须的功能。（2）升降功能。传统轮椅功能单一，对于使用者来说，很多场景依旧需要他人的辅助，比如说从床上转移到轮椅上，拿高处的物品等问题，升降功能可以很好地使轮椅与床平齐，能够良好的实现人从床到轮椅的转移，也可以满足使用者取放一定高度物品的需求。（3）如厕功能。对于行动不便的老年人和残疾人来说，他们要长期坐在轮椅上，具有如厕功能可以让他们生活更加便捷，增加其独立生活的能力，实现这一功能使轮椅的设计更加人性化。（4）折叠功能。长期使用轮椅对使用者的身体也是一种负担，因此设计轮椅时，将背靠和脚踏板设计成可活动、折叠的机构，方便使用者调节角度，减轻身体负担，不但满足使用者的需求，更考虑其使用体验，使产品向人性化方向发展，提升舒适性[10]-[12]。2.4.2便捷轮椅机构方案1-扶手2-坐便盖3-靠背4-升降杆5-升降底架6-外骨架7-轮椅底架8-腿部支撑图2.11便捷轮椅总体结构示意图如图2.11所示，为便捷轮椅总体结构示意图，具体包括靠背3、扶手1、座椅、坐便盖2、便盆、升降连杆4、底架7、外骨架6、腿部支撑8、脚托等结构。靠背、扶手、坐便机构连接座椅，靠背可进行角度调节，保证患者舒适度的同时，可以放平靠背，配合腿部支撑的调节，组成轮椅床，方便患者的使用；坐便盖可取下，方便患者快速便捷实现如厕功能；升降杆下端连接底架，通过电动推杆实现座椅机构的升降功能；腿部支撑连接在外骨架上，可通过电动推杆调节角度，与上述机构配合，实现坐姿、躺姿变换。图2.12便捷轮椅机构运动简图（机构简化）如图2.12所示，为便捷轮椅机构运动简图（机构简化）。此机构一共有6个活动构件和8个平面低副组成。根据平面机构自由度公式，计算其自由度：F=3（2—1）式中，F为机构自由度，n为活动构件数目，pl为平面低副数目，ph为平面高副数目。本机构活动构件数为6，低副数目为8，高副数目为0，所示机构自由度为2，所需原动件数目为2。2.5便捷轮椅尺寸设计参数根据前面所述轮椅尺寸确定原则，参考国家相关标准规定，最终确定便捷轮椅尺寸选取如表2.6所示。表2.6便捷轮椅尺寸设计参数轮椅参数名称设计参数数值总长1112mm总高1000mm总宽656mm座椅高424mm座椅宽435mm座椅长425mm背靠调节角度70°腿托调节角度60°2.6本章小结本章内容根据轮椅功能需求、国家轮椅相关标准和人机工程学，确定轮椅的主要设计尺寸，并确定轮椅的机构方案，在有限的条件下实现提出的折叠、升降、如厕和行走功能，为老年人和残疾人等行动不便的弱势群体带来生活便捷，结合人机工程学，了解轮椅的设计不仅满足使用者的功能需求，更要照顾到这一特殊群体的心理状况，使设计更加人性化。

第3章机械结构设计3.1引言本章内容是，在第2章确定的总体设计方案的基础上，采用模块化设计的方法对便捷轮椅的各个功能模块进行详细的设计说明，并在SolidWorks环境下进行虚拟三维建模，并在装配过程中优化零件设计、验证各机构之间是否存在干涉，保证机构运转的顺畅性。3.2便捷轮椅总体布局便捷轮椅机构总体分为两层。上半层是主体构架部分和升降机构，如图3.1所示。主要包括：靠背、座椅、扶手、如厕机构，主要完成承载、靠背角度调节、升降等功能，如厕机构中，坐便盖可自由取下，配合便盆实现让患者更便捷解决如厕问题的功能；下半层结构如图3.2所示，主要包括：底架、外骨架、腿部支撑、行走轮椅等机构。腿部支撑可通过推杆调整角度，满足患者乘坐的舒适性需求，也可配合靠背的角度调节，调节成轮椅床，行走机构，轮子通过电机带动实现基本的行走功能[13]。图3.1便捷轮椅上半部分图3.2便捷轮椅下半部分3.3便捷轮椅升降机构设计3.3.1升降机构概述及设计便捷轮椅升降机构的设计要满足几点要求：（1）结构简便，不影响其他机构的运行；（2）占空间体积小，不影响其他机构设计，承载量大。本文设计采用剪叉式结构，此结构的优点是可实现垂直升降，结构紧凑、简单，承载量足够。升降距离为424mm~527mm，行程为103mm，如图3.3所示。1-座椅架2-扶手3-升降杆4-升降底架5-电动推杆6-连接架7-滑槽图3.3升降机构两侧分别采用电动推杆作为驱动装置，带动剪叉式结构收缩、展开，从而实现座椅在垂直方向上的上升、下降。本文的升降机构安装在座椅下方，剪叉式结构在座椅左右两侧，保证安装的对称性以及电动推杆驱动的同步性，防止因座椅承载的重心偏移而发生侧翻，升降机构上方连接在座椅上支撑面积大，保证了升降的安全性。升降机构可以满足患者高处取物或者从床上到轮椅上的转移的基本需求。升降机构的安全性、稳定性对轮椅至关重要，不但影响患者在各种环境中使用效果，也关系到使用的安全问题，因此，对升降机构的设计是非常必要的。3.3.2升降机构关键联接件建模便捷轮椅的升降机构主要通过两个电动推杆来驱动，剪叉式升降杆上方配合构架直接焊接在座椅架上，下方配合升降底架，都通过销连接，由于载荷较大，且需要保证产品的安全性，因此，要保证关键联接件的强度。下图为关键部件在SolidWorks环境下的三维建模。图3.4升降推杆图3.5升降底架3.4如厕机构设计如厕机构是便捷轮椅设计中的重要一环，实现如厕功能也是使轮椅充分满足老年人或者残疾使用者的需求，手动将坐便盖抽出进行如厕，操作简单便捷。如厕结构设计如图3.6所示。a）b）1-便盆2-座椅架3-挂把4-坐便盖5-坐垫6-把手7-滑槽图3.6如厕机构如厕便盆采用悬挂式结构，左侧悬挂可以取下，右侧有连接在座椅架上的挂把，可旋转角度，取放清理方便。虽然，相比电动驱动的开合式坐便机构不够便捷，但是采用手动取放的坐便盖和便盆结构，机构简单，不影响其他机构的设计运行，也不涉及电驱动的复杂设计问题。3.5折叠机构设计便捷轮椅的功能需求之一是轮椅可以靠背和腿部支撑可以调整角度，变换坐姿[14][15]。因此，本文便捷轮椅设计了靠背和腿部支撑可调节的机构。同时，考虑到老年人或者残疾人长时间使用轮椅的身体负担，因此，靠背和腿部支撑的调节为单独调节，坐姿时，使用者可以根据实际情况调整坐姿角度，保证舒适性。折叠机构设计要遵循的原则：（1）结构简单，便于调节；（2）轮椅结构紧凑，不干涉其他机构的运行。靠背角度调节直接通过调角器电机实现，腿部支撑的调节通过装在底架上的电动推杆实现，具体如图3.7所示。1-腿部支撑2-电动推杆3-轮椅底架4-外骨架图3.7腿部折叠机构3.6患者转移机构对于下肢行动不便的人群来说，日常行动已经是一件很困难的事，普通轮椅智带给他们一般的行动体验，在日常生活中，上下床、上下车等问题对他们来说依然是有障碍的。本文便捷轮椅设计中，通过对座椅架和座椅部分的设计，能够实现患者无缝转移。通过电动推杆推动座椅在座椅架滑槽上滑行，来调整座椅位置，配合升降机构使用，能够直接把座椅送到床上、沙发上、汽车座椅上，让患者在原地实现这些位置到轮椅上或者轮椅到这些位置的转移。使使用者的生活、出行更加便捷轻松。采用电动推杆设计的优点：（1）机构简单，便于调节；（2）可以通过选择电动推杆的行程来控制座椅的行进距离，调节方便，能很好的保证机构运行的安全性；（3）机构占空间小，不影响其他机构的设计。图3.8座椅架滑轨图3.9座椅滑槽和推杆安装槽如图3.10所示，为轮椅患者转移机构工作原理图。a）工作前b）工作中图3.10患者转移机构工作原理图3.7在SolidWorks环境下的三维建模3.7.1便捷轮椅三维建模在确定便捷轮椅的机构和尺寸之后，通过SolidWorks软件对便捷轮椅的背靠、座椅、扶手、升降杆、升降底架、轮椅底架、腿部支撑、电动推杆及其他零部件等机构进行三维建模[16]。完成对便捷轮椅零部件的建模只是第一步，然后要将零部件装配起来，在装配过程中，可以验证机构设计是否合理，尺寸是否合适。根据便捷轮椅的结构特点，本文设计中采用自底向上和自顶向下相结合的装配方法，装配时将零部件装配成两个子装配体，在根据约束将两个子装配体组合成完整装配体。在整个装配过程中，反复验证零部件的尺寸是否合理、机构之间是否会发生干涉，并进行修改，在不断的验证过程中最终完成对便捷轮椅的装配，如图3.10所示。图3.10便捷轮椅三维模型根据人机工程学，便捷轮椅设计背靠和腿部支撑的角度调节机构，可以使使用者根据自身情况调整坐姿，达到最舒服的姿势，减轻久坐的身体负担。如图3.11所示。腿部支撑调节角度为60°，背靠调节角度为70°。a）b）图3.11座椅姿态调节3.7.2关键零部件建模对关键零部件进行结构分析，研究其约束特征。在SolidWorks中，利用建模模块功能，根据设计尺寸，用草图、拉伸、凸台、旋转、扫描等功能完成零部件的三维模型。完成建模之后，在装配中遇到问题可直接进行尺寸修改，为之后的工作带来便捷。图3.12为部分关键零件的三维模型。a）旋转固定头b）电机连接板c）前支撑架d）万向轮前叉图3.12关键零部件建模3.8本章小结本章叙述了便捷轮椅各个功能模块的机构设计，并阐述了对零部件的SolidWorks三维建模和装配。首先，根据便捷轮椅的功能要求，采用模块化设计的方法设计了各个功能模块机构，并简单说明各个机构的运动。采用自底向上、自顶向下结合的建模方法，对零部件进行装配并优化模型的尺寸设计和模型，最后列举了便捷轮椅中一些关键零件的三维模型。

第4章电机功率计算4.1水平路面行走电机功率计算便捷轮椅重m1约为60kg，取人体重量m2取值75kg，总重135kg。根据第2章相关标准，电动轮椅水平路面最大行驶速度vH=1.66m/s，加速度aH=1.3m/s²。摩擦系数取水泥地面值。行驶时摩擦力、空气阻力、惯性力合力和电机提供的动力为一对平衡力。静摩擦力：F动摩擦力：F空气阻力：F式中：μs——静摩擦系数，取0.4；μd——动摩擦系数，取0.032；C——空气阻力系数，大约取1；ρ——空气密度，取1.293kg/m³；S——户外迎风面积，取极限值2m×0.5m；v——户外与空气相对运动速度，取最大值v≈vH=1.66m/s。户外惯性力：F在水平路面行驶所需功率：P=轮椅行驶中取最少2个电机驱动情况，此时单个电机所需最大功率：P式中：k——电机数量，取2；η——机械传动效率，取0.8.计算得：Ps约为230W。4.2升降电机功率计算升降时，主要承载的有上半部分轮椅重量、人体重量，则电动推杆驱动力约为：F=式中：m1——上半部分轮椅重量，取40kg；m2——人体重量，取75kg。计算得出：F约为1127N。单个电动推杆的驱动力为563.5N。4.3本章小结本章对轮椅水平路面行走功率和升降机构功率进行简单计算，最后得到轮椅在水平路面行走和升降时所需最大功率。第5章工程定额概算5.1便捷轮椅制造过程成本预算5.1.1非标设备制作定额说明1、关于材料主材钢板主要用的是45号钢，使用其他材料的，则另加额外的费用。用量较小、基本价格影响较小的零散材料的定额不计入其中，归为其他材料费用。外购件以及协作构件不计算在定额中，按照图纸计量其使用量，按采购或协作合同的价格计算其价格。2、关于机械基本价格影响较小的零散小型机件包含在定额计算中，不用单独列出台班量，统称为其他机械费用。3、定额中关于“各种零件检测、齿轮胶合承载、承压承载、零部件刷油”等，仅仅在编制非标设备制作预算中可以适用。4、有关费用系数的计算仪器的拆装等费用按照定额人工费的8%计算，其中，人工的工资占25%。在对身体有害的环境下制作的非标设备还需要增加额外的施工降效费用，按照定额人工费用的10%计算。预热焊接人工的费用按照定额人工费额外增加10%。制作零件的废物损失计为直接费的1%。根据质量监督部门的制度，检查的费用按照直接费用的5%计算。5.1.2便捷轮椅制作定额基价表表5.1便捷轮椅各部件总报价表项目数量材料费用(元)加工费用(元)总价(元)平键210×2020角接触球轴承235×2070内六角圆柱头螺栓210×2020垫片164×16064开口销181×18018销轴141×14014万向轮235×2070万向轮轮毂250×20100万向轮前叉218×2160196轮椅前支撑架220×2160200升降底座125180205坐便盖120140160扶手215×2100130扶手支架215×2100130坐垫135150185座椅支架125180205背靠145170215背靠后支撑120160200电动推杆5180×50900底部托架120150170升降连杆A250×2180280升降连杆B250×2170270底部连杆130130160驱动轮260×20120驱动轮轮毂250×20100驱动轮固定座230×2060电机连接板215×2100130减速电机2450×20900便盆180120200合计5492由表5.1可以看出，本次便捷轮椅设计的总成本大约在5492元。5.2便捷轮椅制作过程管理5.2.1便捷轮椅制作时间安排在整个便捷轮椅的设计制作过程中，用了前三周的时间来做调研、查文献、查专利、分析市场概况，了解一个轮椅机构设计的原理、方法，初步确定设计的路线、概念模型和设计所实现的功能。接下来四周的时间里，细化轮椅的设计目标和总体的设计方案，并不断改进最初的设计概念模型，在这个过程中整理文献资料，完成学校发布的初期毕业设计任务，并撰写开题报告。之后大概五周多的时间中，都在完成便捷轮椅的机构设计。根据前期查阅的文献，确定轮椅实现的主要功能，再把各个功能分成单独的模块，分别在SolidWorks环境下进行三维建模，完成初步的零部件设计后，分部分把零部件装配起来，最终完成一个完整装配体的建模。在这个过程中，对初次建模的零部件形状设计、尺寸设计等不断修改，保证能够满足配合条件，并且不存在机构之间的干涉问题。确定最终设计模型后，绘制零部件图纸。这一过程是关键步骤，也是整个工作的核心内容。完成设计之后，整理图纸，通过查阅机械手册等资料，确定机构的材料、电机和推杆等通用件的型号，查询机构加工费用，撰写详细的设计说明书。整个过程也是在丁海涛老师帮助引导下顺利进行，解决诸多难题不断完自己的毕业设计。5.2.2便捷轮椅制作的质量保证便捷轮椅的整个设计过程中，所有的尺寸设计、参数选取、材料选用都是查阅资料和相关国家标准后，严格按照标准执行。并在设计中对零部件的强进行校核，使其达到国家标准，严格保证产品的质量。结论行动不便的老年人和残疾人的日常生活行动、护理等问题一直是社会关注的热点问题，尤其对于现在人口老龄化严重的中国来说，这一问题亟待解决。而解决这一问题，不仅仅是满足这部分弱势群体的生理、心理需求，更重要是这是一种社会责任。种种原因都在促使轮椅行业不断进步、增长。本文基于此，设计一款有折叠、如厕、升降、行走等多种机构的便捷轮椅，本文对轮椅结构研究设计的成果如下：（1）进行市场分析和轮椅使用者心理、生理需求分析。通过对目前市场上轮椅主要结构和近几年相关专利、研究文献分析，总结出轮椅结构、功能发展的趋势；根据实际使用者使用需求确定了能够满足其生理、心理需求的结构设计，并确定采用模块化的设计方法满足使用者的个性化需求。（2）便捷轮椅总体方案设计。说明轮椅设计的标准及需求，根据国家轮椅器械相关标准和人机工程学理论确定了设计的主要尺寸和总体设计方案。（3）便捷轮椅机构设计。根据便捷轮椅的各个功能模块，采用模块化的设计方法分别对各个功能机构进行详细的设计说明。在SolidWorks环境下，对便捷轮椅零部件进行虚拟三维建模，完成建模后，采用自顶向下、自底向上结合的建模方法，完成零部件装配工作。装配体分为两个子装配体分别装配，然后在组合成完整的装配体。在装配过程中，可以根据约束条件判断机构之间是否存干涉等问题，并通过对零部件尺寸的修改解决这一问题。（4）对便捷轮椅的造价进行工程概算。本文的设计中取得了一些成果，但是本次对机构的简洁性、平顺性优化研究依然有很大的进步空间：（1）本文只对机构进行了设计和是否存在干涉检查，机构的平顺性、简化等问题可以进一步深入探讨。例如，腿部支撑的调节是否会影响使用者的上下车；扶手的固定设计是否会影响使用者从床上转移到轮椅上的便捷性。（2）本文设计的机构是否方便加入电控系统，是否能加入上下楼机构、减震机构等新的功能模块。（3）本文没有对控制部分进行研究说明，根据轮椅发展趋势，智能轮椅的研究已经成为主流，有待在以后的工作中对控制系统进行补充完成。参考文献[1]魏嘉木.人口老龄化背景下对我国养老产业发展现状分析[J].现代商业,2017(27):24-25.[2]中国人口老龄化发展趋势预测研究报告[J].中国妇运,2007(02):15-18.[3]李雪莲.老年智能轮椅设计研究[J].机械设计,2014,31(04):100-105.[4]廖晓辉,沈大中,王东署.智能轮椅的研究现状与关键技术分析[J].制造业自动化,2008(04):1-6.[5]黄靖康.多功能轮椅结构设计与优化[D].湖北工业大学,2018.[6]HongboWang,LiyuXie,XiongZhao,JianyeNiu.Mechatronicssystemdesignandexperimentresearchforanovelpatienttransferapparatus[P].Proceedingsofthe3rdInternationalConfe