助老起身机构的结构设计

题目：助老起身机构的结构设计PAGEII摘要老年人随着年龄的增加，自身身体素质衰退，独立生活的能力也在减弱，因为膝关节力矩的不足所以独立站立的能力也在衰退。因此老年人的身心健康也受到了影响，同时对于家庭的负担也增加了。所以我们在此基础下我们设计出我们的产品。通过实验我们提出了总体设计方案，设计要求、原则和机构的工作过程我们都进行了设计。助老起身机构总体分为三大部分，第一部分是支撑装置，在此部分中我们进行了机架的设计和座板的设计，机架包括底板、支撑脚、靠背和扶手。机架的设计材料在底板、支撑脚、扶手和支撑座板机构中我们选用45#钢，可以保证我们所需要的强度和硬度，对于靠背的设计材料我们选用压制木材就可以达到我们所需要的强度和硬度。底板的设计材料我们同样选用压制木材。之后我们对底板、座板和靠背进行了力学分析，通过力学分析我们可以看出来我们对零件所采用的设计和选材都是合理的可以满足于我们的使用要求。通过对整体机构的运动分析，我们知道了我们整体机构的设计和配合都满足我们对于产品日常使用时候的要求。我们设计的产品也可以保证为老年人提供辅助的膝关节力矩，来帮助老年人起身。关键词：老年人、助老机构、座椅、力学分析、SOLIDWORKSABSTRACTWiththeincreaseofage,theoldpeople'sphysicalqualitydeclines,andtheirabilitytoliveindependentlyalsoweakens.Becauseofthelackofkneejointtorque,theirabilitytostandindependentlyalsodeclines.Therefore,thephysicalandmentalhealthoftheelderlyhasalsobeenaffected,andtheburdenonthefamilyhasalsoincreased.Sowedesignourproductsonthisbasis.Mechanicalanalysis.Throughtheexperiment,weputforwardtheoveralldesignscheme,designrequirements,principlesandtheworkingprocessofthemechanism.Thefirstpartisthesupportingdevice.Inthispart,wedesigntheframeandthebaseplate.Theframeincludesthebaseplate,thesupportingfoot,thesupportingbaseplatemechanism,thebackrestandthearmrest.Thedesignmaterialsoftheframeare45#steelinthebaseplate,supportfoot,handrailandsupportseatplatemechanism,whichcanensurethestrengthandhardnessweneed.Forthedesignmaterialsofthebackrest,wecanusepressedwoodtoachievethestrengthandhardnessweneed.Wealsochoosepressedwoodasthedesignmaterialofthebaseplate.Afterthat,wehavecarriedonthemechanicalanalysistothebaseplate,seatplateandbackrest.Throughthemechanicalanalysis,wecanseethatthedesignandmaterialselectionweadoptedforthepartsarereasonableandcanmeetouruserequirements.Throughthekinematicanalysisofthewholemechanism,weknowthatthedesignandcooperationofourwholemechanismmeetourrequirementsforthedailyuseofproducts.Ourproductscanalsoprovidetheelderlywithauxiliarykneemomenttohelpthemgetup.KEYWORDS:ElderlyPeople、Elderlycareinstitutions、chair、Mechanicalanalysis、SOLIDWORKS PAGEII目录875第1章绪论 1264721.1研究背景和意义 198711.1.1研究背景 1181621.1.2研究意义 1119601.2研究现状 2136421.3论文章节安排 524022第2章助老起身装置的方案设计 634832.1功能分析 6101102.1.1起身理论分析 6117642.1.2起身的受力分析 7284512.2设计原则 931504(1)产品定位清晰，功能合理 1116712(2)“三性”——安全、方便、易用 1126455(3)人性化设计 1199762.3设计方案 12160922.3.1机构组成 12282322.3.2工作过程 13185392.4本章小结 1422456第3章助老起身机构的结构设计 1530443.1支撑装置设计 15224293.1.1机架设计 15205863.1.2座板设计 20215143.2推进装置设计 21146553.2.1剪刀叉机构上底板的设计 22191533.2.2剪刀叉机构下底板的设计 23241253.2.3剪刀叉机构其他部位设计 24267543.3控制装置设计 25259273.4本章小结 288358第4章零件的力学分析和整体机构运动仿真 2931234.1零件的力学分析 2962714.1.1座板的力学分析 29202084.1.2剪刀叉机构上底板的力学分析 302744.1.3剪刀叉机构下底板的力学分析 32296894.2整体机构的运动分析 348783（1）SOLIDWORKS三维软件建模。 3522873（2）Motion算例建立。 3510376（3）分析结果。 35283594.3本章小结 363738第5章总结和展望 37280655.1总结 3747295.2展望 379687参考文献 3920221致谢 4112028西安工程大学 4211547本科毕业设计（论文） 421819诚信声明 42诚信声明PAGE6第1章绪论研究背景和意义研究背景对于现在的世界来说人口普遍存在一种趋势——人口老龄化。人口老龄化对于全世界都有着很严重的影响，但是对于中国来说这个人口老龄化无疑是巨大而且极其严重的问题，自从改革开放之后我们国家经济发展迅速现在已经是很繁荣了，同时人民生活水平的不断提高以及医学卫生事业的发展，致使我国人口平均寿命延长，所以导致我国老年人口在总人口中所占的比例日渐升高。随着人们的生活水平、医疗器械、卫生情况、保健行业等等与人们健康生活相关的行业都有着巨大的改善。但是由于人们生活压力过大导致了低水平的生育率，导致于我国老龄化的进程正在加快。同时老年人的很多功能都随着年龄的增长而产生衰退，在功能衰弱之中，站立是影响老年人生活独立的关键且重要的因素。在站立起身过程中，下肢力量是主要的依靠力量。在起立的过程中身体的重心是在从静止到一个动态平衡的连续运动的一个过程中。同时根据很多研究发现起立所需要的肌肉力量和关节的活动度比正常的行走和上下楼梯产生的更大更多，并且在Berger等[1]研究时发现起立所产生的膝关节力矩比正常的步行和上下楼梯产生的更大。1.1.2研究意义随着自身机能的衰退尤其是下肢力量的退化，使之大部分的老年人在起立能力上往往有所欠缺，导致了很多老年人有行走的能力但是却没有从椅子上起立的能力，往往被困在椅子上。站立困难往往是人类步入衰老生活的标志之一。因此在老年人由于站立能力不足时就会导致长时间的坐着或躺着，这会导致全身关节的僵硬以及肌肉的萎缩，从而进一步导致了很多不同程度的运动功能的障碍，使老年人的身体素质进一步下降，导致了生活中产生很多不便。所以辅助产品对于老年人的重要程度增加了，老年人对其需求也增加了。辅助产品的本意是为了老年人可以有一个健康而又独立的晚年生活。当老年人站立困难的时候往往就需要别人的照顾与服务，从开始到现在人口老龄化的进程一直如此，很多老年人普遍存在着站立困难等一些列问题，但是我国的护理和监护等人员远远不满足于我们的市场需求，导致护理与监护时会有照顾不到的地方，导致了老年人在生活当中有很多的不便，但是随着社会经济文化的发展，在生活中越来越多的老年人希望自己可以在生活中自理，所以设计一个适合老年人的辅助站立的产品不但是势在必为的问题，同时还有着与众不同的现实意义。研究现状许多国内外的专家针对老年人站立困难的问题提供了许多辅助产品来帮助老年人站立，使老年人可以从事其他一些日常活动并且在生活中的各个方面改善了老年人的自理能力。专供老年人使用的居住建筑和公共建筑，应为老年人使用提供方便设施和服务[2]。在全国范围内的公共场所，设置了残疾人专用的轮椅坡道、不锈钢栏杆以及人行道上的盲道等设施。进一步完善的无障碍设施，充分考虑了具有不同程度生理伤残缺陷者和正常活动能力衰退者的使用需求，为他们日常生活活动提供了方便。如图1.1为老年人无障碍卫生间，这些专门设计的卫浴设备在某种程度上可以代替人对老年人提供帮助。图1.1为老年人无障碍卫生间在洗浴和如厕方面也有很多辅助产品的设计来满足了老年人的特殊需求，更好的服务了老年人现有的家庭。图1.2为专门为方便老年人沐浴设计的座椅。图1.3为专门方便老年人如厕的座椅没计。如图所示的辅助产品结构设计简单，对于生活环境的要求较低，座椅整体重量较轻方便老年人使用和移动。图1.2老年人沐浴椅图1.3老年人座厕椅由于老年人下肢力量的衰退所以老年人往往在站立过程中都会使用上肢力量来辅助站立，以上产品一定程度上解决了老年人因为下肢肌肉力量衰退导致的站立困难的问题，但是老年人的上肢力量也会因为老年人年龄的增长而产生衰退，这个时候如果过度使用上肢力量，就会导致肩膀疼痛以及其他一些症状。目前针对老年人站立存在困难的问题，有许多辅助产品来帮助老年人起身站立，现有的辅助站立椅，大多采用电动推杆、液压推杆推动座板上升的方式来帮助老年人起身，但是此种方式需要电源供电，不便于投放在例如公园、广场等没有供电设施的户外区域，并且对环境要求较高，需要定期维护，相比纯机械产品，可靠性、稳定性较差；还有直接采用弹簧作为推动装置，但是弹簧的弹力会随行程变化而产生较大的变化，使得在整个辅助老年人站立的过程中稳定性较差。如图1.4为国外Pride公司为老年人设计和生产的辅助座椅。座椅采用电动控制对环境要求比较高同时整体设计成本高，使用不方便，太过于笨重。图1.4Pride公司生产的老年人辅助座椅随着科技的改变很多国内外的专家对于智能化座椅进行研究设计。生产出来的智能座椅不仅可以上下楼梯，还可以帮助下肢肌无力的老年人和残疾人进行站立训练等。如图1.5可以爬楼梯的轮椅。本产品主要针对于残疾人研究设计，同时产品的设计生产成本高，通过电力系统控制座椅对于座椅使用环境要求较高，同时还要关注电力系统电力是否充足，机构复杂需要定期维护，不便于维修和携带。图1.5爬楼梯轮椅针对于老年人的辅助功能座椅的设计中，我们不仅要考虑到设计产品的成本问题还需要考虑到老年人使用座椅是否方便等问题。在设计中必须体现人性化和对老年人关爱的思想和原则，使辅助产品真正走入老年人的生活，延缓他们老化速度，改善他们的生活质量。1.3论文章节安排本论文总共分成五章第一章为绪论部分，主要介绍了我国老龄化趋势和老龄化产业的发展，以及有针对性老年人辅助产品设计的重要性，提出了本文的研究思路和章节安排。第二章为助老起身装置的方案设计，总体方案的设计方法要通过我们现有实验的实验结果分析得来，得到了我们设计产品的原则和要求和我们应该如何设计我们的产品，还介绍了我们产品的主要组成结构。第三章为助老起身机构的结构设计，具体分析了我们助老起身机构的整体机构组成，有支撑装置设计包括机架设计（底板、支撑脚、支撑座板机构和靠背扶手）和座板设计，推进装置设计，控制装置设计。第四章为零件的力学分析和整体机构的运动分析，对零件座板、靠背、底板进行力学分析得到其分析结果和对整体机构进行运动分析得到其分析结果，通过结果我们知道了我们设计是否满足于设计和使用要求。第五章为总结和展望，总结指出了论文整体的创作点和我们设计的过程，展望指出了我们产品以后的未来发展趋势和我们产品以后的发展空间。PAGE33第2章助老起身装置的方案设计功能分析2.1.1起身理论分析通过我们对生活中一些理论知识进行分析，我们可以了解老年人和青年人在站里过程中不同之处，从而讨论下肢力量的衰退对于站立起身的影响。揭示老年人站立起身的限制关节[3]，为产品设计提出理论依据。同时我们根据生物力学研究领域的惯例设定：躯体围绕某一关节弯曲，则代表该关节两个相邻骨骼之间角度下降，关节角度取负值；躯体围绕某关节伸展，则该关节两个相邻骨骼之间的角度增加，关节角度取正值。得到我们所需要的关节定义，膝关节角度的定义为：大腿延长线与小腿直线之间的夹角，一般为正值。髋关节角度的定义为：上身延长线与大腿直线之间的夹角，一般为负值。图2.1为膝关节和髋关节定义图。图2.1膝关节和髋关节定义在理论上在站立起身过程中老年人所用的时间比青年人明显较长。老年人在站立起身时，由于自身身体机能的衰退导致站立起身时间长于青年人。同时老年人还因为重心不稳所以在站立起身过程中也会影响站立起身所用的时间。我们可以把站立起身的过程分为四个阶段：第一阶段，准备站立起身，这时人还在座椅上处于一个平衡状态。第二阶段，身体稍微前倾，产生一个向上和向前的动力。第三阶段。身体离开椅面，这时膝关节和髋关节的角度会达到最大值。第四阶段，身体完全站直处于平衡状态。在站立起身过程中最重要的阶段就是第二阶段和第三阶段。如图2.2为站立起身过程阶段图。图2.2站立起身过程阶段图2.1.2起身的受力分析（一）膝关节、髋关节角度分析通过理论我们可以知道膝关节角度为正值和髋关节的角度为负值。在我们站立起身的过程中膝关节角度和髋关节角度也是不断变化的。因为年龄的影响青年人和老年人的角度变化也是不同的。如图2．3是老年人在站立起身过程中，膝关节和髋关节角度变化。最后我们可以看到膝关节和髋关节角度并没有归零，这是由于部分老人不能完全垂直站立导致的。图2.3老年人关节角度变化如图2．4为青年人在站立起身过程中，膝关节和髋关节角度变化。我们可以看出髋关节角度在最后超过零值，这是由于有些青年人在站立起身过程中速度过快、同时自身的柔韧性较好，从而导致髋部向前弯曲因此没有保持垂直站立姿势。图2.4青年人关节角度变化通过图2.3与图2.4的对比我们发现在站立起身过程中老年人的髋关节角度最大值大于青年人髋关节角度最大值。这是由于在老年人站立起身过程中由于下肢力量的不足所导致髋关节角度变大，髋关节角度变大可减轻膝关节受力，为老年人补充下肢力量，更有利于老年人的站立起身。（二）膝关节、髋关节力矩分析图2．5和图2．6为老年人和青年人在站立起身过程中膝关节力矩和髋关节力矩的变化过程。为便于对比分析，横坐标表示站立动作完成率，纵坐标表示规整后的关节力矩。S为站立动作的完成率，计算公式为式2．1，其中T表示完成站立运动所需时间，F表示当前时间。S=(2.1)图2.5老年人战力起身过程中关节力矩变化图2.6青年人站立起身过程中关节力矩变化对比老年人和青年人两组人员的关节力矩变化可知，老年人髋关节力矩最大值出现的较早，基本上在未离开椅面的时候就已经达到最大。但是由图2.5和图2.6可见，无论是老年人还是青年人，在站立起身过程中膝关节力矩占据需要完成站立起身所需的下肢关节力矩的大部分。老年人年龄增大导致自身身体机能的下降导致自身对于下肢的控制能力减弱，与此同时自身肌肉力量的下降，导致了自身站立起身的困难。设计原则设计是为了满足社会对设计之物的最广大的要求所做出的“响应"行为，是以取得人类群体价值的身体、生理与心理上的为主要目标，不仅要创造给予客观构想的使用价值，还要创造基于人类群体的审美以及人类历史与文化的主观价值。我们设计则很难对老年人产品时必须要考虑到产品设计的意义，在设计理念化为实际操作的过程中，始终贯穿“以人为本"的设计原则。在任何产品的设计中我们都应该以人为本来进行设计，从老年人自身身体尺寸出发是我们设计产品时最基本设计依据。老年人由于身体机能的衰退导致了身体各个部分都会产生萎缩，其中最明显的表现就是身高上的萎缩。根据老年医学的研究，当人在28-30岁时自身身体素质是最好的时候，自身身高也是最高的时候。之后在人们35-40岁之后们的身体素质也会慢慢衰退。一般情况下当人在70岁以后自身的身高会比自己在青年时的身高降低2.5%~3%，同时男性和女性的萎缩也是不一样的，在女性当中最大的降低量可以达到6%。所以在运用老年人身高降低率可以近似地计算出来老年人各个部位基本的大致尺寸[4]。如果以中国成年男性和成年女性的基本尺寸按照降低率2.8%来计算，我们通过计算就可以确定老年人的大致身体尺寸。假设中国成年男性和成年女性的基本尺寸为S，老年人的基本尺寸为S1,则计算公式见公式2.2。S1=S*(100-2.8)%(2.2)如图2.7人体主要尺寸图2.7人体主要尺寸在设计时我们还应该考虑老年人坐下的时候，自身的尺寸是多少。如下图所示为图2.8坐姿人体尺寸及部位图图2.8坐姿人体尺寸及部位图助老起身机构的结构设计必须以人为本，不仅要使辅助起身座椅与人体接触部分对人体产生的压力和影响和人体的生理特性相匹配，更要使座椅与人体的自然姿势及几何尺寸取得良好的配合。在我们设计座椅时应该注意以下几点：(1)在座椅被使用时，应使老年人上半身的中心落在臀部的骨骼上，同时座椅的高度设计要和膝盖以下腿部高度相当，让当老年人坐着的时候，脚部正好可以平放在地面，让脚部和下肢基本上不受力的作用。(2)坐深。主要是指座面的前沿到后沿的肌力。坐深设计合理可以使臀部得到完全的支撑，靠背在支撑腰椎部位时要方便支撑，还可以避免座面与大腿接触产生的不适感。(3)座宽。即座椅座板的从右到左的距离。座宽要满足臀部横宽所需要的尺度，当满足时臀部可以被完全的释放。研究表明，当臀部与座面的接触面积增大能改善压力集中的现象，从而减缓坐骨下肌肉的疲劳[5]。(4)靠背与扶手。在座椅设计的时候必须有靠背和扶手。扶手用于支持手臂的力量从而减轻肩膀负担，使人们感到舒适，同时扶手还可以帮助老年人就坐、起身等；靠背则需要使人体的腰部与座椅背尽可能地以一种舒适的方式贴合在一起，于此同时还要符合人体脊柱的弯曲曲线，而且能支撑老人的头部和肩膀从而减小颈部与脊椎的受力使老年人感到舒适。(5)椅垫。坐垫能使老年人用一种较稳定的姿势入座。选用合适的材料在我们设计时应该中要考虑。通常坐垫对其柔软性有较高的要求，如果坐垫太过于柔软会让使用者身体弯曲，从而导致全身肌肉与骨骼受力不均，进一步导致腰酸背痛等一系列现象的产生；不仅如此我们在设计时也应增加材料的渗透性和透气性等，同时在设计时我们可以把坐垫设计成环形结构，这样可以防止老年人因为长时间的坐姿对身体产生不好的影响，也可以很好的避免长时间坐着而对老年人的身体产生压迫。在设计要求中我们需要明白老年人在生活中需要什么，这就要求我们应该针对老年人在生活中产生的不便来设计我们的产品，让我们设计的产品在生活中可以很好的满足老年人的活动需要。所以在我们进行产品设计时应该有以下几条要求：(1)产品定位清晰，功能合理随着年龄的增长老年人的生理和心理都不同于青年人，同时老年人群体中也有个别差异，其选择能力与多样化价值观不容轻忽，所以产品设计不能千篇一律。(2)“三性”——安全、方便、易用老年人在生理和心理等特点因素都由于不同的原因而不同，所以针对对于老年人产品设计时应更加注重产品的安全性、实用性、方便性等。由于老年人的机能衰退所以导致了他们比青年人更容易受到外来的意外伤害，安全性原则在任何产品设计时都是最基本和很重要的条件，所以在老年辅助产品设计时我们应该更加全面的考虑到安全性原则。我们设计时在满足老年人对产品使用时的安全性要求的同时，还要提高产品的便捷性，使产品易于学习使用，而且能够满足老年人各方面的需求。(3)人性化设计设计不仅仅是对功能问题的简单回答，更是对人生活与体验的全面且深入的研究。我们要研究产品时应该从各个方面来研究人体结构功能、心理、力学等方面与产品设计之间关系，从而不仅仅是要产品满足于使用功能，更是要符合老年人的行为、心理、审美等等的需求。设计方案2.3.1机构组成我们在设计助老起身机构时其机构应该包括椅身、和座板，在椅身下部平板和座板之间包含有空间固定的剪刀叉机构，剪刀叉机构设计时呈对称分布，在其左右两侧的上下两端各固定有一根滑轨，在滑轨上设有滑块，剪刀叉机构的左右两侧还分别设有一对交叉分布的剪刀叉连杆，剪刀叉连杆的上下两端又分别与滑块连接，滑块上还连接有曲柄滑块机构，曲柄滑块机构的顶端与椅身之间连接有拉力弹簧；在剪刀叉机构的顶部还固定有滚轮，通过滚轮与座板接触进而推动座板翻转。如图2.9所示为机构整体结构图。图2.9机构整体结构图如上图中的剪刀叉机构包括剪刀叉下底座和剪刀叉上底座，两者之间固定有剪刀叉连杆。同时剪刀叉下底座固定在椅身下部的平板上。剪刀叉机构中包括剪刀叉连杆三和剪刀叉连杆四。剪刀叉连杆三的下端与剪刀叉机构的下底座固定，另一端与剪刀叉机构上底座的滑块相连接；剪刀叉连杆四的上端与剪刀叉机构的上底座固定，另一端与剪刀叉机构下底座的滑块相连接。同时剪刀叉机构的上底座的顶部固定有滚轮，利用剪刀叉机构将水平推力转换为竖直推力，然后通过固定滚轮来直接推动座板上升。座板的两侧设有扶手，扶手的一端与椅身上部铰接另一端通过释放杆与椅身下部连接，在释放杆的底部连接有锁死钩，锁死钩固定在椅身下部的平板上，利用锁死钩将曲柄滑块机构的滑块限位，阻止其水平运动。曲柄滑块机构采用左右对称的结构，在其左右两侧各设有一对呈V型分布的曲柄连杆一和曲柄连杆二，曲柄连杆一的顶部与曲柄连杆二铰接，底部与剪刀叉机构下部的滑块固定；曲柄连杆二的底部与椅身后端铰接，推动剪刀叉机构底部做水平运动，利用曲柄滑块机构在运动过程中力的分解效果不同，进而使滑块受到一个较平稳的推力。2.3.2工作过程使用者坐在椅子上时，椅子为收起状态，如图2.10所述的收起状态。使用者想要站立时，只需要轻按扶手8使其绕椅身1转动一定角度，带动释放杆9抬起锁死钩13，释放滑块14，由于拉力弹簧12作用在曲柄连杆一10和曲柄连杆二11的铰接处，利用曲柄滑块机构在运动过程中力的分解效果不同，进而给滑块14在水平方向上输出一个较平稳的推力，使其沿滑轨15做水平运动，减弱拉力弹簧12随行程变化弹力会产生较大变化的效应，滑块14带动剪刀叉连杆一3与剪刀叉连杆二4相对转动，抬起剪刀叉上底座5，剪刀叉上底座5上表面的滚轮6与座板7发生相对转动，使得座板7绕椅身1转动一个角度，如图2。11中的升起状态所示，从而给使用者提供一个平稳的站立助力。图2.10收起状态使用者坐下时的蓄能过程为：初始状态为图2.11的升起状态所示，使用者坐下，给座板7施加一个压力，使其绕椅身1转动，通过座板7与滑轮6之间的相对滚动，使得剪刀叉上底座5下移，剪刀叉连杆一3与剪刀叉连杆二4相对转动，剪刀叉连杆二4施加于滑块14的水平分力使其沿滑轨15水平右移，带动曲柄连杆一10和曲柄连杆二11发生相对转动，一端连于曲柄连杆一10和曲柄连杆二11铰接处的拉力弹簧12被拉伸，当座板7到达水平位置时，压下扶手8，带动释放杆9放下锁死钩13，将滑块14限位，从而实现将人体的位势能转化为弹簧的弹性势能并存储起来。图2.11升起状态2.4本章小结本章通过对老年人功能的分析得到了老年人起身的受力分析，得出老年人在站立起身过程中由于自身膝关节力矩不足导致站立起身困难，从而设计出助老起身机构。在设计中要求以人为本的理念，坚持以老年人为设计的中心思想。针对膝关节力矩不足，增加膝关节力矩辅助为特点，从而有效地解决了老年人站立起身困难的情况。纯机械结构的设计让老年人使用起来更方便，维护起来更便捷。第3章助老起身机构的结构设计支撑装置设计支撑装置包括机架、座板、扶手等。3.1.1机架设计设计原则机架是指在机器（或仪器）中支撑或容纳零、部件的零件。它是底座、床身、立柱、机体、壳体、箱体以及基础平台等零件的统称。（1）机架设计有以下几个原则：1）机架刚度。刚度也是评定机架工作能力的主要准则；2）机架强度。强度则依据机器运转过程中可能发生的最大载荷来校核；3）机架稳定性。机架受压弯结构以及受压结构皆存在失稳等问题。对于机床、精密仪器等设备还须考虑其热变形。（2）机架设计的一般要求有以下几点：1）在满足刚度、强度前提下，应尽量减轻机架重量，降低其成本；2）有良好的抗振性能、噪声小；3）机构结构设计合理，有良好的加工工艺，便于机加工以及铸焊；4）结构符合安装要求，便于使用和调整维修；5）温场控制得当，热变形对于机架影响小，对机构精度影响小；6）各结构受力合理，导轨应有良好的耐磨性；7）造型合理[6]。结构设计在设计时我们需要充分考虑和分析助老起身机构的布局和各个载荷的分布情况。在设计时我们应该考虑好助老起身机构的材料，在制造时我们采用45号钢材。加上我们所需要的标准件或自己设置的一些零件，靠背我们采用木质结构。靠背与机架连接时具有10°的角度，老年人坐在座椅上会放松自己的身体让老年人达到更好的休息。图3.1为机架与靠背的整体图图3.1机架与靠背整体图在制造过程中我们可以通过铸造来加工出来组成机架的各个部分，各个部分都为中空结构，厚度为2mm，再通过焊接的方式将它们连接到一起。从而可以达到我们所需要的强度。机架材料45钢的技术参数如表3.1所示表3.145钢的技术参数材料45钢抗拉强度600MPa屈服强度355MPa伸长率16%断面收缩率40%材料密度7.85g/cm345钢的强度较高，塑性和韧性尚好。相比普通的A3钢，具有更高的强度，抗变形能力，在机械领域有着广泛的应用。在钢板经过热处理再回火可以达到HRC42-46，既可以保证它良好的机械性能，又能得到表面的硬度要求[7]。靠背材料为木质材料，通过挤压将多层木材挤压到一起，形成一个具有一定强度和硬度的板材。一、底板设计底板主要是为了支撑剪刀叉机构，让剪刀叉机构在运动时有一个稳定的外部条件。所以在设计的时候我们需要设计一个足够的宽度以保证我们的剪刀叉机构可以安全的放在底板上。如图3.2为我们设计底板的二维图。在设计好底板的二维图之后我们通过软件的拉伸来得到地板的三维图，如图3.3为底板的三维图。图3.2底板二维图图3.3底板三维图如上图所示底板的厚度我们拉伸为10mm，当厚度为10mm可以满足底板的使用要求。同时在底板四周我们留有与座椅支撑脚相结合的空间，以便于整体之间的配合。二、支撑脚的设计支撑脚在设计的时候要充分的考虑到整体装配图的受力情况保证整体座椅在工作的时候安全可靠。因为曲柄连杆机构有一端在座椅的支撑脚上所以我们在设计的时候还要考虑到和曲柄连杆连接处的位置。同时我们在设计的时候也要考虑到整体座椅的重量要避免座椅的整体重量太高。如图3.4为支撑脚的二维图。图3.4支撑脚二维图通过对二维图的拉伸我们得到支撑脚的三维图，在我们设计座椅时我们设定的高度为451mm所以在我们设计座椅支撑脚的时候支撑脚的高度则为4mm。两个前支撑脚不需要和曲柄连杆连接为长方体，后面的支撑脚需要和曲柄连杆相连，则在后支撑脚上需要有与曲柄连杆链接的地方。曲柄连杆连接处距离支撑脚下底面295mm。如图3.5为后支撑脚的拉伸三维图。图3.5支撑脚三维图三、扶手结构的设计。在设计扶手的时候扶手的厚度和宽度也要合理，老年人将手放上去之后要感到舒适。在扶手设计中我们设计为四部分，四部分分别通过铰链相连接。扶手的第二部分为老年人放手的地方尺寸为：长400mm，宽50mm，高10mm。如图3.6所示为扶手装配图。图3.6扶手装配图在扶手的四部分中，第一部分和座椅的前支撑脚连接，通过第四部分的短横梁和剪刀叉机构的下底板相连接，剪刀叉机构的下底板和座椅底板固定从而使扶手与座椅相连接。在工作的时候老年人通过向下压第二部分的前端使扶手整体围绕第一部分和第二部分的衔接点转动从而带动第三部分和第四部分运动。在整体扶手的现实工作过程中不需要受到很大的力的作用，所以我们在设计的时候只要让他满足一定条件就可以。四、靠背的设计。在设计靠背的时候我们需要考虑到老年人的需求，对于靠背的设计要出于人性化的考虑，充分考虑到人体的设计，让老年人有一个舒适的休息。所以靠背要和竖直方向有一定的角度。当角度为10°时老年人的身体会得到比较好的放松，如图3.7为靠背的二维设计图。图3.7靠背的二维图在设计出靠背的二维图之后我们采用拉伸来得到靠背的三维图。靠背前端的伸长部分我们用来安放座板。如图3.8为靠背的三维设计图。图3.8靠背和扶手的三维图通过对底板、支撑脚、扶手和靠背的设计，我们得到它们的三维图，通过装配我们得到了机架的整体[8]。3.1.2座板设计座板在设计的时候我们需要考虑材料，在通常生活之中我们常见的座板都是采用木质材料，所以我们在设计的时候也采用木质材料，木质材料既可以保证我们所需要的强度和硬度，又可以减轻我们整个座椅的重量方便老年人移动，同时还减轻了我们的设计成本让坐椅更优化。座板设计的三维图如下图3.9所示。图3.9座板三维图座板的具体尺寸如图3.10座板的三视图所示。图3.10座板的三视图座板和机架通过铰链链接在一起，铰链安装两个同时对称安装，一个铰链距离座板中心位置100mm。整体装配如图3.11所示。图3.11整体装配图铰链是用来连接两个固体并允许两者之间做相对转动的机械装置。在选用时我们选用一般铰链，选择不锈钢材质。铰链受力简单，承重能力强，结实耐用，安装方便对于环境的要求很低。通过铰链我们可以实现座板绕机架旋转，为老人起身产生帮助。同时铰链还可以减少座板绕机架转动时产生的噪声。不过在使用铰链时我们应该在每2-3个月定期的加点润滑油保养[9]，如图3.12为所选铰链的形状和尺寸。图3.12铰链形状和尺寸3.2推进装置设计在助老起身机构的结构设计中，推进装置我们选用弹簧控制的固定剪刀叉机构[10]。帮助老年人站立起身的辅助力主要来源于弹簧从伸长状态到正常时产生的拉力来提供的推力。剪刀叉机构可以承载大范围的负载，同时运动的时候噪声小且不消耗能源，对于环境的要求较低，在恶劣环境下的可靠性和安全性都较高，符合我们现在社会的环保和节能等等的要求[11]。图3.13为剪刀叉机构示意图。图3.13剪刀叉机构示意图3.2.1剪刀叉机构上底板的设计在设计剪刀叉机构的上底板时我们应该要注意滚轮安装架的位置，我们需要通过滚轮来推动座板绕扶手第一部分的翻转。我们计算好剪刀叉机构的尺寸然后再软件中画出剪刀叉机构的上底板二维图通过拉伸切除等来的到剪刀叉机构的三维图。如图3.14为剪刀叉机构上底板的三维图。图3.14剪刀叉机构上底板的三维图导出三视图。图3.15剪刀叉机构上底板的三视图。图3.15剪刀叉机构上底板的三视图剪刀叉机构上底板材料选用45#钢，其主要工作就是为了固定滚轮位置方便滚轮与座板的接触，在三视图中我们可以看出来剪刀叉机构的上底板尺寸大小是多少。我们可以知道滚轮位置。3.2.2剪刀叉机构下底板的设计在设计剪刀叉机构的上底板时我们应该要注意滚轮安装架的位置，我们需要通过滚轮来推动座板绕扶手第一部分的翻转。我们计算好剪刀叉机构的尺寸然后再软件中画出剪刀叉机构的上底板二维图通过拉伸切除等来的到剪刀叉机构的三维图。如图3.16为剪刀叉机构下底板的三维图。图3.17为剪刀叉机构下底板的三视图。图3.16剪刀叉机构下底板的三维图图3.17剪刀叉机构下底板的三视图剪刀叉机构下底板的材料也选用45#钢，下底板与座椅底板固定主要起到固定整个剪刀叉机构的作用。3.2.3剪刀叉机构其他部位设计一、上滑块的设计上滑块的设计中材料我们选用45#钢，与剪刀叉机构的上底板上的圆柱横梁相结合用来随着剪刀叉机构的升降沿着横梁做往复运动。如图3.18为上滑块图。图3.18上滑块图二、下滑块的设计下滑块的设计中材料我们选用45#钢，与剪刀叉机构的下底板上的圆柱横梁相结合用来随着剪刀叉机构的升降沿着横梁做往复运动，因为下滑快还与曲柄连杆结构相连接所以在下滑块中我们还需要设计出与曲柄连杆相连的横杆。如图3.19为下滑块图。图3.19下滑块图三、剪刀叉机构剪刀的设计剪刀叉机构剪刀的设计中材料为45#钢，通过上下滑块和剪刀叉机构的上下底板相连接，通过曲柄连杆机构控制让剪刀叉机构可以自由升降。如图3.20为剪刀叉机构剪刀的三维设计图。图3.20剪刀叉机构剪刀的三维设计图在剪刀叉机构中剪刀中间有横梁连接，横梁可以保证剪刀绕着横梁转动。如图3.21为横梁的三维设计图。图3.21横梁的三维设计图四、滚轮的设计通过剪刀叉机构的向上移动使滚轮转动让座板通过铰链翻转，给老年人起身提供辅助的力矩。滚轮的直径为60mm。如图3.22为滚轮的三维设计图。图3.22滚轮的三维设计图3.3控制装置设计通过剪刀叉机构的整体图我们可以看出来，通过剪刀叉机构的升降可以控制座板的翻转，从而提供老年人起身的辅助力矩。我们的控制装置采用又弹簧控制的曲柄连杆机构。通过拉力弹簧12固连在曲柄连杆一10和曲柄连杆二11的转动副处，采用对称曲柄滑块的设计，拉力弹簧12作为动力输入，从而拉动曲柄连杆一10推动滑块14前进。当滑块14沿着滑轨15向前移动时，随着拉力弹簧12的距离缩短，拉力弹簧12的弹力减小，同时拉力弹簧12与曲柄连杆一10的夹角增大，拉力弹簧12分解在曲柄连杆一10上的力变小，但是，由于曲柄连杆一10与滑轨15的夹角减小，曲柄连杆一10分解在滑轨15上的力增大，即推动滑块14的分力在增大，因此在这三者的共同作用下，通过参数的选取，即可以使滑块14受到的推力变化不是很大，进而满足要求。如图3.23所示曲柄连杆和弹簧图。图3.23曲柄连杆和弹簧图通过简化我们可以得到如图3.24的简图。图3.24简图通过简图我们计算各个部位的长度。设曲柄连杆一10的长度为lAB，设曲柄连杆二11的长度为lBC,设拉力弹簧12产生的拉力为Ft，初始长度为l，劲度系数为k，设FBC为Ft分解在曲柄连杆一10上的分力，设F为滑块14受到的阻力，设滑块14与滑轨15间的摩擦系数为μ，设D点的坐标为(xD,yD)，建立直角坐标系，各构件间的夹角如图3.26所示。由运动学分析可知B点坐标为：xB＝lABcosβ，yB＝lABsinβ，C点的坐标：xC=lABcosβ+，yC=0。则可以得到拉力弹簧12产生的拉力为：。假设转动副间的摩擦很小，且运动很缓慢，可视为静平衡状态则。因此，通过选取合适的初始参数，即曲柄连杆一10的长度lAB，曲柄连杆二11的长度lBC,拉力弹簧12的初始长度l，劲度系数k，D点的坐标为(xD,yD)，滑块14与滑轨15间的摩擦系数μ，就可以使滑块14受到的推力变化不是很大。结合本发明的实际尺寸要求，要求在100mm的行程范围内输出一个近似为350N左右的推力，采用试凑法调整各项参数为lAB＝130mm，lBC＝165mm，yD＝63mm，xD＝155mm，l＝66mm，k＝4.7N/mm，μ＝0.1，可以得到滑块14的位移随曲柄连杆二11转角的变化曲线，如图3.25所示，及滑块14受力F随曲柄连杆二11转角变化曲线，如图3.26所示。从图中可以看出，当曲柄连杆二11的转角在10°～60°之间时，滑块14的行程为291.5-185.6＝105.9mm，满足要求，滑块14受到的阻力F在346.4N～352.7N之间，若直接采用拉力弹簧12做输出，其输出的力的变化将达到105.9mm×4.7N/mm＝497.73N，可见该曲柄滑块机构能够满足本发明的要求。图3.25图3.26通过设计我们可以得到整个机构的整体装配图。如图3.27所示为整体装配图。图3.27整体装配图3.4本章小结本章主要讲述了助老起身机构的结构设计过程和形式。通过计算我们得到我们所需要的数据，通过软件画出图形再进行装配。座板采用翻转的形式，当座板绕机架翻转来提供起身过程中膝关节所需要的辅助力矩。采用有弹簧拉力控制的曲柄连杆机构作为动力源，进而推动剪刀叉机构，通过剪刀叉机构上的滚轮来推动座板绕机架的翻转。第4章零件的力学分析和整体机构运动仿真零件的力学分析座板的力学分析座板在实际工作时，需要承受的是垂直向上的载荷，为了保证可靠性，防止在座板工作运动过程中发生失效，所以我们要对座板进行有限元分析，从而获得座板的等效力图，总变形，安全因子以及应变能，并进行分析来保证设计的可靠性和稳定性。以下为座板力学分析过程。三维模型的建立[12]。在SOLIDWORKS软件里面画图，先画出座板的二维图，在进行拉伸得到座板的三维整体图。得到三维整体图之后，在SOLIDWORKS软件中的插件打开SOLIDWORKSSimulation从而可以进行力学分析。材料设定。本次对座椅座板力学分析中我们选用的材料为木质材料，打开SOLIDWORKSSimulation之后，在材质中选择我们所需要的材料轻木，材料属性是软件自带数据。（3）网格划分。在选定好材料之后，我们在夹具里面选择固定几何体，选择我们所需要固定的面。之后我们在外部载荷里面添加我们受力面以及受力面所受的力。之后我们右击网格点击生成网格我们就得到我们要分析图的网格化，通过网格细节我们知道了网格节总数为22328个，单元总数为12629个。图4.1为座板网格规划图。图4.1座板网格规划图（4）计算结果。在SOLIDWORKSSimulation中我们运算我们设定的算例。可以得到座板的应力图和位移图。图4.2为座板应力图，图4.3为座板位移图。图4.2座板应力图图4.3座板位移图从座板的应力图和位移图上显示的数据我们可以知道座板受力过程中最大的变形位置出现在座板的中间部位，最大的最大的变形量为0.6mm，同时我们还可以看出来座板最大的应力出现在座板两边的位置，最大的应力为2.1×106N/m^2。由于零件所选取的材料是轻木，材料的屈服力是2×107N/m^2。通过比较我们可以发现最大应力小于材料的屈服力[13]，所以座板的设计和材料的选取都是合理的，可以满足使用要求。剪刀叉机构上底板的力学分析针对剪刀叉机构上底板的力学分析主要是分析剪刀叉机构上底板上的滚轮机构，其在实际工作时，需要承受的是向上的载荷，同时这个向上的载荷为350N。为了保证可靠性，防止在剪刀叉机构上底板工作运动过程中发生失效，所以我们要对其进行有限元分析，从而获得剪刀叉机构上底板的等效力图，总变形，安全因子以及应变能，并进行分析来保证设计的可靠性和稳定性。剪刀叉机构上底板的力学分析与其他零件的力学分析过程都一样。以下为剪刀叉机构上底板力学分析过程。（1）三维模型的建立。在SOLIDWORKS软件[14]里面画图，先画出剪刀叉机构上底板的二维视图，在进行拉伸和切除得到剪刀叉机构上底板的三维整体图。得到三维整体图之后，在SOLIDWORKS软件中打开SOLIDWORKSSimulation插件从而可以对剪刀叉机构上底板进行力学分析。（2）材料设定。本次对剪刀叉机构上底板力学分析中我们选用的材料为45#钢[15]，打开SOLIDWORKSSimulation之后，在材质中选择我们所需要的材料45#钢，材料属性是软件自带数据。（3）网格划分。在选定好材料之后，我们在夹具里面选择固定几何体，通过对实际生活中座椅的观察我们从而选择所需要固定的面，之后我们在外部载荷里面添加我们受力面以及受力面所受的力因为剪刀叉机构上底板并不需要承受很大的力所以我们施加的力为350N。之后我们右击网格点击生成网格我们就得到我们要分析图的网格化，通过网格细节我们知道了网格节总数为18493个，单元总数为9981个。图4.4为剪刀叉机构上底板网格规划图。图4.4剪刀叉机构上底板网格规划图（4）计算结果。在SOLIDWORKSSimulation中我们运算我们设定的算例。可以得到剪刀叉机构上底板的应力图和位移图。图4.5为剪刀叉机构上底板应力图，图4.6为剪刀叉机构上底板位移图。图4.5剪刀叉机构上底板应力图图4.6剪刀叉机构上底板位移图从剪刀叉机构上底板的应力图和位移图上显示的数据我们可以知道剪刀叉机构上底板受力过程中最大的变形位置出现在剪刀叉机构上底板的中部，最大的变形量为3.689×10-6mm，同时我们还可以看出来剪刀叉机构上底板最大的应力为1.049×105N/m^2。由于零件所选取的材料是45#钢，材料的屈服力是5.3×108N/m^2。通过比较我们可以发现最大应力小于材料的屈服力，所以剪刀叉机构上底板的设计和材料的选取都是合理的，可以满足使用要求。剪刀叉机构下底板的力学分析剪刀叉机构下底板在实际工作时，因为剪刀叉机构下底板装在座椅底板上并且通过剪刀与剪刀叉机构上底板相连接。所以剪刀叉机构下底板需要承受向下的350N的力通过剪刀叉机构下底板上的横轴承受。为了保证可靠性，防止在剪刀叉机构下底板横轴工作运动过程中发生失效，所以我们要对剪刀叉机构下底板横轴进行有限元分析，从而获得剪刀叉机构下底板横轴的等效力图，总变形，安全因子以及应变能，并进行分析来保证设计的可靠性和稳定性。剪刀叉机构下底板横轴的力学分析与其他零件的力学分析过程都一样。以下为剪刀叉机构下底板横轴力学分析过程。（1）三维模型的建立。在SOLIDWORKS软件里面画图，先画出剪刀叉机构下底板的二维视图，在通过拉伸和切除得到剪刀叉机构下底板的三维整体图。得到三维整体图之后，在SOLIDWORKS软件中打开SOLIDWORKSSimulation插件从而可以对剪刀叉机构下底板横轴进行力学分析。（2）材料设定。本次对剪刀叉机构下底板横轴力学分析中我们选用的材料为45#钢，打开SOLIDWORKSSimulation之后，在材质中选择我们所需要的材料45#钢，材料属性是软件自带数据。（3）网格划分。在选定好材料之后，我们在夹具里面选择固定几何体，通过对实际生活中座椅的观察我们从而选择所需要固定的面，之后我们在外部载荷里面添加我们受力面以及受力面所受的力因为剪刀叉机构下底板横轴只需要承担350N的力，所以我们添加为350N的力。之后我们右击网格点击生成网格我们就得到我们要分析图的网格化，通过网格细节我们知道了网格节总数为20105个，单元总数为11135个。图4.7为剪刀叉机构下底板网格规划图。图4.7剪刀叉机构下底板网格规划图（4）计算结果。在SOLIDWORKSSimulation中我们运算我们设定的算例。可以得到剪刀叉机构下底板横轴的应力图和位移图。图4.8为剪刀叉机构下底板横轴应力图，图4.9为剪刀叉机构下底板横轴位移图。图4.8剪刀叉机构下底板横轴应力图图4.9剪刀叉机构下底板横轴位移图从剪刀叉机构下底板横轴的应力图和位移图上显示的数据我们可以知道剪刀叉机构下底板横轴受力过程中最大的变形部位在中间部位。最大的变形量为0.05607mm，同时我们还可以看出来剪刀叉机构下底板横轴的最大应力出现在中间部位，最大的应力为1.831×107N/m^2.由于零件所选取的材料是45#钢，材料的屈服力是5.3×108N/m^2。通过比较我们可以发现最大的应力小于材料的屈服力，所以座椅剪刀叉机构下底板横轴的设计和材料的选取都是合理的，可以满足使用要求。整体机构的运动分析助老起身机构的运动主要为，弹簧在伸长向正常状态运动时的拉力来控制的曲柄连杆机构往复运动作为动力源，曲柄连杆的另一端连接在剪刀叉机构上，从而使曲柄连杆推动剪刀叉机构，在剪刀叉机构上底板上安装一个滚轮，滚轮与座椅座板接触，通过剪刀叉机构上的滚轮来推动座椅座板绕机架的翻转。推动行程根据我们的设计得出为100mm。通过对助老起身机构的运动仿真，观察此机构的的运动规律。（1）SOLIDWORKS三维软件建模。在SOLIDWORKS三维软件中设计画出助老起身机构的结构，并按照配合要求进行装配，使座板拥有两个自由度，并通过滚轮和剪刀叉机构相连接。（2）Motion算例建立。打开SOLIDWORKSMotion插件，新建算例，进行运动马达添加，并设置推杆的运动关系。如图4.10为位移时间图，图4.11为速度时间图，图4.12为加速度时间图，图4.13为猝动时间图。图4.10位移时间图图4.11速度时间图图4.12加速度时间图图4.13猝动时间图（3）分析结果。通过运动结果图的分析，我们可以看出来我们所设计的助老起身机构的结构设计是完全可行的。既可以保证在老年人起身的时候为老年人提供辅助的膝关节力矩，又可以给老年人舒适的感觉。图4.14为老年人坐下座椅图，图4.15为老年人起身之后座椅运动图。图4.14老年人坐下座椅图图4.15老年人起身之后座椅运动图通过图4.14，图4.15我们可以看出来在老年人起身过程中通过按下扶手让弹簧从伸长状态向自然状态运动所产生的拉力，来推动曲柄滑块机构进而推动剪刀叉机构再通过剪刀叉机构上的滚轮推动座椅座板绕机架翻转是可以帮助老年人站立起身的。本章小结在助老起身机构的结构设计，我们对其结构零件进行力学分析，我们得到的结果是零件的设计与材料的选取都满足我们整体设计时的要求。在整体的运动时满足于我们对整体运动的要求。第5章总结和展望总结通过对于本产品的设计，