I摘要在世界的殘疾人的數(shù)量中，我國殘疾人占很大比重。目前，我國的殘疾人數(shù)量正在增加。輪椅是殘疾人的必備用品之一。為了讓病人舒適的養(yǎng)病，他們很需要一個(gè)舒適、合適的輪椅，而掌握人因工程學(xué)的知識(shí)、并應(yīng)用人因工程學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)舒適的輪椅至關(guān)重要。本文的研究目的就是滿足殘疾人的需求，讓輪椅更人性化，最終設(shè)計(jì)出符合人因工程學(xué)要求的自動(dòng)輪椅。技術(shù)和成本都是目前輪椅發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段的輪椅還存在功能單一、沒有實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化、造型不夠美觀、尺寸不夠科學(xué)等缺陷。本文對(duì)自動(dòng)輪椅進(jìn)行新穎的設(shè)計(jì)，輪椅加入自動(dòng)越障功能和康復(fù)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有的輪椅進(jìn)行分析，根據(jù)人因工程學(xué)知識(shí)和我國成年人人體尺寸分析并設(shè)計(jì)輪椅椅面、靠背、扶手、康復(fù)機(jī)械腿等尺寸。運(yùn)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)對(duì)輪椅的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，設(shè)計(jì)合理的機(jī)構(gòu)，選擇合適的零件。最后通過查閱資料、計(jì)算分析、三維建模等科學(xué)的方法解決問題，設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)越障并具有康復(fù)功能的舒適的自動(dòng)輪椅。它可以滿足老年人和殘疾人的要求，符合人因工程學(xué)理念和機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，是一個(gè)自動(dòng)化多功能產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：輪椅；人因工程學(xué)；康復(fù)機(jī)構(gòu)；自動(dòng) IIAbstractOur country with the largest number of disabled people in the world.The twice sampling survey of disabled people showed that there exists a surge in the number of disabled people.Wheelchair is one of the necessary supplies for the disabled.In order to make the patient comfortable recuperate,they need a comfortable and suitable wheelchair.It is important that apply the knowledge of Human Factors Engineering to the design of comfortable wheelchair.The objective of this study is meeting the needs of people with disabilities,and let the wheelchair more humane.Finally,design automatic wheelchair which meets the requirements of Human Factors Engineering.Technology and cost are the facing challenges of the development of wheelchair at present.Wheelchairs at the present stage have defects,for example,the function is single,have not achieved full automation,the shape is not beautiful enough,the size is not scientific enough,and so on.This paper add novel design to the automatic wheelchair.I design stair-climbing wheelchair which has rehabilitation mechanism.This paper analysis of existing wheelchair and use the knowledge of Human Factors Engineering and the adult human body size of our country to design the size of chair face, back, arm rest and rehabilitation training mechanical leg.According to the knowledge of Mechanical Design and Theory of Machines and ,design and check the links of wheelchair to design reasonable mechanisms and choice suitable parts.Finally,use the scientific methods such as consult data,analysis and calculation and design three-dimensional modeling to solve the problem.I has designed stair-climbing and comfortable wheelchair which has rehabilitation mechanism.It not only meet the needs of people with disabilities and the older people,but also meets the requirements of Human Factors Engineering and Mechanical Design.And it is a automatic and multifunctional product.Keywords:Wheelchairs; Human Factors Engineering; AutomaticI目錄摘要 .IAbstract II第 1 章 緒論 .11.1 課題研究的目的和意義 11.2 國內(nèi)外研究狀況 21.2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r 21.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 31.2.3 目前面臨的問題與挑戰(zhàn) 31.3 本文研究的主要內(nèi)容 4第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 52.1 設(shè)計(jì)要求 52.1.1 輪椅舒適性設(shè)計(jì)的原理 52.1.2 設(shè)計(jì)原則 52.1.3 機(jī)械零件設(shè)計(jì)要求 62.2 總體方案設(shè)計(jì) 62.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.2.2 主要功能和原理介紹 62.2.3 輪椅三維建模分析 7第 3 章 座椅人因工程學(xué)分析 .103.1 目標(biāo)用戶分析 .103.2 使用環(huán)境分析 .103.3 座椅尺寸分析與設(shè)計(jì) .103.3.1 椅面的座寬尺寸設(shè)計(jì) .123.3.2 坐深尺寸設(shè)計(jì) .123.3.3 靠背高度尺寸設(shè)計(jì) .123.3.4 靠背寬度尺寸設(shè)計(jì) .123.3.5 扶手設(shè)計(jì) .133.3.6 靠背與座面夾角設(shè)計(jì) .133.3.7 椅面傾角設(shè)計(jì) .133.3.8 椅面高度設(shè)計(jì) .143.3.9 外觀主體顏色設(shè)計(jì) .143.3.10 椅面材料選擇與分析 143.3.11 康復(fù)機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 14第 4 章 輪椅主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 .154.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì) .154.2 電機(jī)選擇 .15II4.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型 .154.2.2 電機(jī)選擇計(jì)算 .164.3 軸的設(shè)計(jì) .174.3.1 軸的材料選擇 .174.3.2 軸的計(jì)算與校核 .174.4 鍵的設(shè)計(jì) .184.5 軸承的設(shè)計(jì) .184.5.1 軸承的選擇 .184.5.2 軸承的壽命計(jì)算 .184.6 V 帶的計(jì)算 .194.6.1 確定計(jì)算功率 .194.6.2 選擇 V 帶的類型 .194.6.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速 .194.6.4 確定 V 帶的中心距和基準(zhǔn)長度 .204.6.5 計(jì)算小帶輪包角 .204.6.6 計(jì)算帶的根數(shù) .214.6.7 計(jì)算單根 V 帶的初拉力 .214.6.8 計(jì)算壓軸力 .214.6.9 主要設(shè)計(jì)結(jié)論 .214.7 套筒設(shè)計(jì) .224.8 輪架和機(jī)架的設(shè)計(jì) .224.9 輪子的設(shè)計(jì) .234.10 康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .244.10.1 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 244.10.2 腳踝的設(shè)計(jì) 244.10.3 腳部的設(shè)計(jì) 244.10.4 下肢連接部分的設(shè)計(jì) 25第 5 章 結(jié)論 .26參 考 文 獻(xiàn) .27致謝 291第 1 章 緒論1.1 課題研究的目的和意義我國的殘疾人數(shù)量正在增加，全國有殘疾人的家庭大約有 7000 多萬。殘疾人成為許多家庭的負(fù)擔(dān)。1987 年我國殘疾人人口數(shù)量大約有 5165 萬，占全國總?cè)丝诘?4.91%。最近一次全國殘疾人抽樣調(diào)查顯示，我國殘疾人將近8297 萬人，占全國人口的 6.35%[1]。我國這么多的殘疾人需要得到社會(huì)的關(guān)注，許多有下肢殘障的人不能正常的行走，輪椅是他們的必備用品之一。對(duì)于殘疾人來說輪椅不僅僅是代步工具，讓病人舒適的養(yǎng)病，很需要一個(gè)舒適、合適的輪椅，而掌握人因工程學(xué)的知識(shí)、并應(yīng)用人因工程學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)舒適的輪椅具有重要的意義！輪椅的基本功能是幫助殘疾人行走，如何讓殘疾人舒適的使用輪椅才是最重要的，舒適度是輪椅設(shè)計(jì)中很重要的指標(biāo)。輪椅設(shè)計(jì)不但要有美觀的工藝、合理的結(jié)構(gòu)，便于生產(chǎn)、制造，符合安全要求，而且尺寸的設(shè)計(jì)要符合人因工程學(xué)準(zhǔn)則，保證人的健康、安全和舒適，讓用戶感到安全和舒服，科技的發(fā)展更加需要符合人因工程學(xué)的設(shè)計(jì) [2]。隨著人們服務(wù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們更加注重產(chǎn)品的舒適度和安全性，根據(jù)老年人、殘疾人的需求而設(shè)計(jì)的設(shè)施也逐漸成為重要的需求，對(duì)現(xiàn)有生活產(chǎn)品的人機(jī)因素研究也越來越受到人們的重視。輪椅作為老年人、殘疾人的一項(xiàng)重要的輔助工具，在設(shè)計(jì)和使用的過程中，包含著大量的人機(jī)工程學(xué)問題。而現(xiàn)有的許多輪椅都不符合人機(jī)工程學(xué)的尺寸要求，使用時(shí)容易造成身體的不適，甚至存在安全隱患。因此，為了提高輪椅的安全性和舒適性，基于人因工程學(xué)設(shè)計(jì)自動(dòng)化的輪椅具有重要的意義。現(xiàn)階段市面上的輪椅還存在許多問題，有些制造簡(jiǎn)陋粗糙，使用起來不方便 [3]。為了幫助患者在肢體和心靈上都的到真正的康復(fù)，改進(jìn)輪椅的設(shè)計(jì)值得深入研究 [4]。雖然我國市場(chǎng)有許多智能輪椅,但是由于價(jià)格較高導(dǎo)致國內(nèi)組多殘疾人購買不起,手動(dòng)輪椅雖然便宜，但是使用起來不是很方便，功能單一，2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無法全面的滿足殘疾人的需求,不利于殘疾人生理和心理的健康發(fā)展。傳統(tǒng)的輪椅設(shè)計(jì)主要考慮輪椅本身的功能的實(shí)現(xiàn)，關(guān)注點(diǎn)在于產(chǎn)品本身，沒有系統(tǒng)化的考慮人的因素 [5]。人與機(jī)械相比，人是在人機(jī)系統(tǒng)中起決定性作用的 [6]。人因工程學(xué)強(qiáng)調(diào)人和機(jī)器作為相互聯(lián)系的兩個(gè)基本部分構(gòu)成一個(gè)整體[7]。人因工程學(xué)高度重視輪椅的安全性、高效率性、乘坐舒適性。特別是殘疾人的輪椅，安全性、人性化更為重要。舒適的輪椅要使人體的體重合理分布，大腿接近水平放置，腳和小腿呈自然放松狀態(tài)，手臂不會(huì)感到有負(fù)擔(dān)，后背放松，可以方便的變換坐姿 [8]?？勘澈鸵蚊娴膴A角大于 90°可以讓坐姿更加穩(wěn)定，使坐姿更接近自然狀態(tài)，防止脊椎的變形 [9]。設(shè)計(jì)舒適、安全的輪椅,需要結(jié)合人因工程學(xué)的知識(shí)，研究輪椅使用者的喜好，用理性工學(xué)的研究方法,根據(jù)生物學(xué)和人體學(xué)知識(shí)分析輪椅結(jié)構(gòu)，讓扶手、椅面、靠背等尺寸更加貼合人體尺寸，并根據(jù)人用戶的需求增加新穎附件 [10]。1.2 國內(nèi)外研究狀況1.2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r在文藝復(fù)興時(shí)期,歐洲出現(xiàn)了木制的輪椅。美國南北戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期出現(xiàn)了具有金屬輪子的輪椅，椅面用藤條制造。第一次世界大戰(zhàn)期間美國出現(xiàn)了用蘆桿制作的輪椅供傷患者使用。英國開發(fā)了手搖式的輪椅，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，還加裝了動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。在 18 世紀(jì)，國外出現(xiàn)了接近現(xiàn)代造型的輪椅，前面兩個(gè)木質(zhì)的大輪，后面單個(gè)小輪，中間是有著扶手的椅子。1 9 3 2 年，荷波特和亨利發(fā)明了第一部現(xiàn)代的可折疊式輪椅,這種輪椅的輪子和主要骨架是鋼制材料，座椅是帆布式，這種輪椅大量應(yīng)用在二戰(zhàn)中，這在很大程度上推動(dòng)了輪椅行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步和生活質(zhì)量水平的提高，輪椅的設(shè)計(jì)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化 [11]。人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展歷史并不長，在第二次世界大戰(zhàn)期間，人們?cè)谑褂酶鞣N3新式武器時(shí)，因?yàn)槿藶橐蛩爻霈F(xiàn)了許多事故。為了科學(xué)的使用武器，人們開始對(duì)人―機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以保證人和機(jī)器的合理配合，降低事故發(fā)生的概率，從而催生出了這門嶄新的交叉性學(xué)科 [12]。人機(jī)工程學(xué)還沒有全面的融入到輪椅的設(shè)計(jì)中，基于人機(jī)工程學(xué)的輪椅設(shè)計(jì)也是一門新的學(xué)問，值得研究。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國最早關(guān)于輪椅的記錄是南北朝時(shí)期，一個(gè)石棺上雕刻的帶輪子的椅子。我國現(xiàn)有輪椅以手動(dòng)輪椅為主，因?yàn)槭謩?dòng)輪椅沒有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，所以使用時(shí)需要他人輔助，不是很方便。為了使殘疾人的生活質(zhì)量得到提高，國內(nèi)正在積極開發(fā)研制電動(dòng)輪椅 [13]。中國已經(jīng)開展了自動(dòng)化輪椅的研究，開發(fā)出了許多有特色的個(gè)性化自動(dòng)輪椅，包括上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的多功能輪椅，中科院自動(dòng)化所研發(fā)的多模態(tài)交互智能輪椅、采用嵌入式控制系統(tǒng)智能輪椅，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院基于頭部動(dòng)作的輪椅等。在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程和科技助殘行動(dòng)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持下,中科院自動(dòng)化所最近完成了一種采用基于嵌入式控制與傳感器系統(tǒng)的低成本輪椅的研制開發(fā)工作。智能輪椅的研究也在積極進(jìn)行，利用研究人員提出的一種新的面向移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的 MR(Mobile Robot)二維碼，智能輪椅可以利用自身的視覺系統(tǒng)在房間內(nèi)進(jìn)行自主導(dǎo)航，自己移動(dòng)到使用者指定的位置而不需要使用者自己對(duì)輪椅進(jìn)行直接控制；使用者可以通過安裝在輪椅上的機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)開門、端水、從地上撿物品等原來根本不可能完成的任務(wù)；患者的家屬可以通過無線局域網(wǎng)監(jiān)控輪椅的情況，還可以通過遙控操作方式遠(yuǎn)程控制輪椅的移動(dòng) [14]。我國對(duì)人機(jī)工程學(xué)的研究主要從上世紀(jì) 80 年代開始。我國人機(jī)工程學(xué)的研究主要是如何將它應(yīng)用在實(shí)際問題中。目前，人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用范圍比較廣泛，包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)、工藝產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、控制裝置設(shè)計(jì)等 [15]。1.2.3 目前面臨的問題與挑戰(zhàn)4經(jīng)過將近 20 年的努力和探索，自動(dòng)化輪椅的研究有了很大的進(jìn)步，功能更加多樣化，實(shí)用起來更加方便，讓使用者更加感到安全、舒適。但是仍然存在一些問題，人機(jī)交互不夠自然，輪椅的安全保護(hù)系統(tǒng)不夠完善，輪椅控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，許多自動(dòng)化輪椅的功率和體積較大，離實(shí)用性的要求還有一定的差距 [16]。技術(shù)和成本都是目前輪椅發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，未來輪椅的發(fā)展需要提高實(shí)用性和智能性的同時(shí)解決如何降低生產(chǎn)的難度和成本的問題。未來輪椅的功能將更加多元化。1.3 本文研究的主要內(nèi)容本文針對(duì)輪椅現(xiàn)階段輪椅存在的缺陷對(duì)輪椅進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決現(xiàn)有輪椅人機(jī)交互不夠自然的問題，輪椅可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的平地行駛、轉(zhuǎn)向和越障，通過電機(jī)、V 帶輪、軸等實(shí)現(xiàn)越障功能。解決現(xiàn)有輪椅的安全保護(hù)系統(tǒng)不夠完善的問題，本文在輪椅加入了座椅調(diào)平結(jié)構(gòu)。根據(jù)行動(dòng)不便的老年人和那些患病在床需要康復(fù)的人群的需求，輪椅的設(shè)計(jì)加入了康復(fù)機(jī)構(gòu)，康復(fù)座椅能夠給予需要康復(fù)人群一種生活自立的信心和勇氣，在相當(dāng)程度上改善了自卑和依賴的心理，豐富了單調(diào)的生活，同時(shí)起到一定的鍛煉肢體的作用。根據(jù)人因工程學(xué)分析，設(shè)計(jì)輪椅的尺寸，進(jìn)行越障和轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計(jì)，康復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在滿足功能和強(qiáng)度要求的前提下盡量減小輪椅的尺寸。5第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)要求2.1.1 輪椅舒適性設(shè)計(jì)的原理舒適的輪椅設(shè)計(jì)應(yīng)該使使用者身體各部位的脊柱處于自然生理體位，使人體保持正常的生理曲度。各部分肌肉處于放松狀態(tài)，便于伸展和變換坐姿，臀部等受壓部位不能影響人體正常的血液循環(huán)。舒適度高的輪椅設(shè)計(jì)，應(yīng)該是自然放松狀態(tài)下的人體曲線能與輪椅背靠曲線充分吻合 [17]。2.1.2 設(shè)計(jì)原則 （1）輪椅的形式和結(jié)構(gòu)組成要與其功能和用途匹配。（2）椅面高、扶手、靠背等尺寸要與人體測(cè)量尺寸相接近，由于不同人的身材又差異，應(yīng)使尺寸可調(diào)。（3）座椅的總體設(shè)計(jì)應(yīng)符合人的生理尺寸和生理特點(diǎn)。（4）在座面的邊緣，應(yīng)盡量減小腿部與椅面之間的壓力。（5）身體的主要重量應(yīng)由臀部坐骨結(jié)節(jié)承擔(dān)。背結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)給予腰部以充分的支撐，使脊柱接近于正常自然彎曲狀態(tài) [18]。（6）椅墊要用合適的材料制造并具有適當(dāng)?shù)挠捕?。?）輪椅要保持人的上身穩(wěn)定，方便調(diào)節(jié)坐姿。（8）輪椅的一切設(shè)計(jì)都要保證患者的安全與舒適。（9）輪椅座位的深淺、寬窄靠背的高度及腳踏板到坐墊的距離都要符合乘坐者的要求和人因工程學(xué)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。（10）輪椅應(yīng)使就坐者大腿保持水平，小腿和腳部自然放置并可以自由活動(dòng)。（11）座面的高度通常按照較低身高的人群進(jìn)行設(shè)計(jì)，建議座面高度要比6人體膝下高度低 3~5cm[19]。（12）一般座深按較小身材的人群進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣較低身高的人坐著舒適，身體高的人由于小腿可以得到穩(wěn)定的支持，大腿部位就不會(huì)受到多余的壓力 [20]。2.1.3 機(jī)械零件設(shè)計(jì)要求（1）最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化零、部件。如螺栓、鍵和深溝球軸承等均采用標(biāo)準(zhǔn)件。（2）力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用材少、易加工、易裝配 [21]。（3）采用強(qiáng)度高的材料，如用 45 鋼作為軸、圓柱銷和套筒等零件的材料；使零件具有足夠的截面尺寸，因此設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)機(jī)架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核；合理地設(shè)計(jì)零件的截面的形狀，以增大截面的慣性矩，所以要合理地設(shè)計(jì)各支撐部分的形狀和尺寸；提高運(yùn)動(dòng)零件的制造精度，以降低工作時(shí)的動(dòng)載荷。（4）在滿足強(qiáng)度、剛度和人因工程學(xué)尺寸要求的前提下，盡可能減少尺寸和質(zhì)量。（5）零件中的應(yīng)力不得超過允許的限度。因此一定要對(duì)設(shè)計(jì)的軸進(jìn)行校核。（6）滿足壽命準(zhǔn)則，在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)軸承等零件進(jìn)行壽命計(jì)算。（7）根據(jù)零件的工作條件及對(duì)零件的特殊要求，選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?.2 總體方案設(shè)計(jì)2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)輪椅主要包括以下結(jié)構(gòu)：座椅、扶手、康復(fù)機(jī)械腿、四個(gè)輪子、13 個(gè)電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠、V 帶輪、軸、輪架等支撐部件、連桿機(jī)構(gòu)。2.2.2 主要功能和原理介紹輪椅具有輪腿式越障功能，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平地高效行駛、越障行駛和轉(zhuǎn)向。7平地行駛：采用四輪同步驅(qū)動(dòng)，四個(gè)輪子上都有單獨(dú)的電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效的行駛。電機(jī)和輪子之間用套筒連接，套筒和電機(jī)之間用圓柱銷連接。電機(jī)與輪子之間是通過螺栓、螺釘和 L 形支架連接。電機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與之連接的套簡(jiǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)．從而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。套筒與電機(jī)軸之間的配合采用較小的過盈配合，套筒與輪子之間的配合采用較緊的過盈配合。越障：越障功能的實(shí)現(xiàn)靠電機(jī)和軸實(shí)現(xiàn)。當(dāng)遇到障礙時(shí)，負(fù)責(zé)平地行駛的四個(gè)輪子停止工作，負(fù)責(zé)越障的電機(jī)啟動(dòng)。負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向和上升的電機(jī)單獨(dú)工作，互不影響，也不影響輪子的行駛。將電機(jī)和輪腿用軸連接到一起，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪腿帶動(dòng)輪子抬起越過障礙。轉(zhuǎn)向：?jiǎn)蝹€(gè)輪子的轉(zhuǎn)向用電機(jī)和帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，由于電機(jī)具有一定重量，為了使重心集中并提高穩(wěn)定性，盡量讓電機(jī)靠近中心座椅的位置，所以負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的電機(jī)和負(fù)責(zé)抬起輪腿的電機(jī)距離較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力要用帶輪實(shí)現(xiàn)，所以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的電機(jī)和帶輪的前輪相連，后輪和機(jī)架部分相連。電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪旋轉(zhuǎn)，帶傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)后輪旋轉(zhuǎn)，機(jī)架和輪子一起旋轉(zhuǎn)。在輪椅爬梯時(shí)四個(gè)輪子的爬梯動(dòng)作獨(dú)立進(jìn)行，先是一個(gè)前輪，之后是另一個(gè)前輪，兩個(gè)前輪都爬上樓梯后，向前行駛，穩(wěn)定后，后輪開始實(shí)現(xiàn)爬梯動(dòng)作。帶傳動(dòng)：“帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉和緩沖吸振等特點(diǎn)，由于 V 帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，所以采用 V 帶傳動(dòng)” [22]。電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng) V 帶主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過帶傳遞動(dòng)力，從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，和從動(dòng)輪相連接的車體部分轉(zhuǎn)向，帶動(dòng)輪腿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。重心調(diào)整：平地行駛時(shí)由于地面的不平穩(wěn)，人在上面會(huì)不穩(wěn)；在爬梯時(shí)，重心發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致人在座椅上不穩(wěn)，甚至發(fā)生危險(xiǎn)，所以設(shè)計(jì)時(shí)加入自動(dòng)導(dǎo)軌調(diào)平結(jié)構(gòu)，靠滾珠絲桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，絲桿上電機(jī)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上的滾珠跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絲桿上的螺母前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)重心的改變。重心調(diào)整之后座位重新水平。2.2.3 輪椅三維建模分析8利用 UG 對(duì)輪椅進(jìn)行三維建模，按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行各個(gè)零件的建模。圖 2-1 輪椅部分效果圖 19圖 2-2 輪椅部分效果圖 210第 3 章 座椅人因工程學(xué)分析人因工程學(xué)是一門科學(xué)，主要研究人、機(jī)器、環(huán)境的相互作用，使機(jī)器更加貼近人的生理結(jié)構(gòu)和人的需求研究在工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等因素對(duì)人的影響，強(qiáng)調(diào)以人為本 [23]。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要研究人體形態(tài)特征參數(shù)、人的反應(yīng)特性、人的注意力、人的生理和心理特點(diǎn)等。人類工效學(xué)主要研究人、人的生產(chǎn)和生活，強(qiáng)調(diào)為人類服務(wù)和提高生活質(zhì)量，人類工效學(xué)在科技的發(fā)展中起到越來越重要的作用 [24]。3.1 目標(biāo)用戶分析輪椅的目標(biāo)用戶是殘疾人及老年人，他們具有行動(dòng)障礙，需要一個(gè)可以自動(dòng)的不需要人幫助就可以行走及越障的輪椅。老年人的特點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)反應(yīng)遲緩，記憶力降低，易產(chǎn)生抑郁、孤獨(dú)感，但具有很好的情緒控制力。殘疾人容易產(chǎn)生自卑和孤獨(dú)感，敏感多疑自尊心強(qiáng)，容易抱怨，情緒不穩(wěn)定但富有同情心。他們渴望得到關(guān)懷，渴望可以像正常人一樣生活。他們期盼可以得到鍛煉和康復(fù)，最終擺脫輪椅。輪椅的設(shè)計(jì)要盡量讓他們坐在上面感覺舒服，長時(shí)間坐在上面不會(huì)疲勞。輪椅的驅(qū)動(dòng)要簡(jiǎn)單，通俗易懂。3.2 使用環(huán)境分析輪椅的使用環(huán)境是路常見路面，以戶外為主。輪子的材料要盡量滿足所有常見的路面要求。所以結(jié)構(gòu)的材料要幾既耐寒又耐熱。滿足冬夏使用的要求。3.3 座椅尺寸分析與設(shè)計(jì)座椅的尺寸設(shè)計(jì)要根據(jù)人體的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要是人坐在輪椅上舒適、自然。人體尺寸分析參考 1989 年 7 月 1 日實(shí)施的 GB10000-1988 《中國成年人人體尺寸》，表 3-1 是中國成年人坐姿人體尺寸，表 3-2 是中國成年人人體水平尺寸這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，輪椅的座椅尺寸等設(shè)計(jì)參考下表中國成年人人體尺寸。11表 3-1 中國成年人坐姿人體尺寸/mm男（18-60 歲） 女（18-55 歲）95百分位 5 50座高 858 908坐姿頸椎點(diǎn)高 615 657坐姿眼高 749 798坐姿肩高 557 598坐姿肘高 228 263坐姿大腿厚 112 130坐姿膝高 456 493小腿加足高 383 413坐深 421 457臂膝距 515 554坐姿下肢長 921 99295870184764129815153244849459510635 50 95809 855 901579 617 657695 739 783518 556 594215 251 284113 130 151424 458 493342 382 405401 433 469495 529 570851 912 975表 3-2 中國成年人人體水平尺寸/mm男（18-60 歲） 女（18-55 歲）百分位 5 50 95 5 50 95胸寬 253 280 315 233 260 299肩寬 344 375 403 320 351 377最大肩寬 398 431 469 363 397 438臀寬 282 306 334 290 317 346坐姿臀寬 295 321 355 310 344 382坐姿兩肘間寬 371 422 489 348 404 378臀圍 805 875 970 824 900 100012表 3-1 和表 3-2 給的尺寸參考是裸體或者穿內(nèi)衣時(shí)靜態(tài)測(cè)量的結(jié)果，在設(shè)計(jì)輪椅尺寸時(shí)要考慮人穿衣和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的情況，留出設(shè)計(jì)余量。本次設(shè)計(jì)的輪椅的目標(biāo)用戶主要是殘疾人和行動(dòng)不便的老年人，他們運(yùn)動(dòng)少，所以身體的尺寸要比正常人大些。設(shè)計(jì)的輪椅要滿足大多數(shù)用戶的身體尺寸和使用要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)這些因素都要考慮進(jìn)去 [25]。3.3.1 椅面的座寬尺寸設(shè)計(jì)座椅太窄人的臀部受到的壓強(qiáng)大，造成使用者的不適和身體的疲勞，因此，座寬要大于人的臀寬，根據(jù)上表的數(shù)據(jù)最大臀寬是 346mm，設(shè)計(jì)的座寬要大于這個(gè)數(shù)，座椅過寬又會(huì)增加輪椅上部的重量，導(dǎo)致和輪子承擔(dān)的力大。所以座寬設(shè)計(jì) 400mm。3.3.2 坐深尺寸設(shè)計(jì)坐深是椅面的前后距離。這個(gè)設(shè)計(jì)要使臀部得到充分的支持。人在座椅上，小腿要左右自由擺動(dòng)，座位的邊緣不能影響小腿的與運(yùn)動(dòng)。坐深設(shè)計(jì)尺寸為430mm。3.3.3 靠背高度尺寸設(shè)計(jì)人坐在輪椅上要經(jīng)常靠在靠背上，部分殘疾人和老年人背部也是有疾病的，靠背的設(shè)計(jì)要達(dá)到接近肩部，坐姿肩高約 500mm 到 600mm。頭部長時(shí)間倚靠會(huì)導(dǎo)致頸部和頭部的不適，時(shí)間長還會(huì)導(dǎo)致頸部疾病。所以靠背不要超過頸部，針對(duì)頭部需要倚靠的用戶在靠背上方設(shè)計(jì)了一個(gè)可以自由旋轉(zhuǎn)的心形靠墊（為什么設(shè)計(jì)成心形：心形底部尺寸小，頭部靠上去時(shí)，頸部不會(huì)靠上去，不會(huì)影響頸部的活動(dòng)，心形美觀，充滿愛心和關(guān)懷），需要時(shí)把它移上去，不需要時(shí)挪下來?？勘掣叨鹊脑O(shè)計(jì)尺寸為 580mm。3.3.4 靠背寬度尺寸設(shè)計(jì)比人的背部寬，考慮到座椅的美觀和生產(chǎn)方便，靠背寬度和座面寬度相同，也是 400mm。133.3.5 扶手設(shè)計(jì)出于安全考慮和支撐手臂，輪椅必須有扶手。扶手設(shè)計(jì)成活動(dòng)的，不需要時(shí)可以轉(zhuǎn)上去放在靠背上。扶手的形狀設(shè)計(jì)成快滿月的月牙形，扶手的上半面設(shè)計(jì)成一個(gè)弧度很小的碗狀，人坐在上面時(shí)手臂自然放在里面，這部分的材料是柔軟的，如果設(shè)計(jì)成長方形，扶手面是平的，手臂放上去會(huì)不舒服；扶手的下半面是一個(gè)弧度大的碗狀，這部分的材料是硬的。兩扶手間距要比座面寬度大，又不能妨礙手臂的活動(dòng)，扶手間距寸的設(shè)計(jì) 540 mm。扶手過高，手臂不能自然放置，會(huì)導(dǎo)致肩部的不適；扶手過低，起不到支撐作用。扶手高度設(shè)計(jì)尺寸為 200 mm。扶手長度要比人體的小臂長，設(shè)計(jì)尺寸為 300 mm。3.3.6 靠背與座面夾角設(shè)計(jì)表 3-3 不同姿勢(shì)下第 3 和第 4 腰椎間椎間盤的內(nèi)壓力靠背和座面夾角直接影響用戶的坐姿，經(jīng)研究證實(shí)，人體坐姿是決定椎間盤壓力的主要因素，當(dāng)腰椎支撐在靠背上時(shí)，軀干與大腿呈 115 度角時(shí)，腰椎彎曲形狀接近于正常自然狀態(tài)，因而是最舒適的坐姿 [26]。所以夾角設(shè)計(jì)為 115度。3.3.7 椅面傾角設(shè)計(jì)很多椅子是沒有椅面傾角的，這樣的設(shè)計(jì)是不符合人機(jī)工程學(xué)的理論的，人靠在靠背上，臀部自然向下使勁，靠近靠背一側(cè)的椅面要向下傾斜一些人會(huì)更舒服。所以椅面傾角選擇 5 度。姿勢(shì) 椎間盤內(nèi)壓力/%站立 100平躺 24直腰坐 140彎腰坐 190143.3.8 椅面高度設(shè)計(jì)人在座椅上，大腿近似水平狀態(tài)，小腿自然放松。椅面高度取 400 mm。3.3.9 外觀主體顏色設(shè)計(jì)在可見光中，紅光波長最長，它容易引起人們的興奮和警覺，但是人的眼睛不容易適應(yīng)紅色的刺激，長期接觸紅色會(huì)引起視覺疲勞 [27]。為了醒目，又不使使用者疲勞，輪椅座椅的后面用紅色，這樣人坐在輪椅上看不到紅色，但是從后面走過來的人會(huì)看到紅色。藍(lán)色安全、健康、寧靜，所以輪椅的正面的主顏色選擇深藍(lán)色。3.3.10 椅面材料選擇與分析座椅的椅面應(yīng)該平坦堅(jiān)實(shí)，以保證臀部壓力的合理分布。松軟的材料，會(huì)增加臀部與大腿的受壓面積，造成軀干的不穩(wěn)定和臀部的不適，而且不容易變換坐姿，容易產(chǎn)生疲勞。研究表明，人坐在堅(jiān)實(shí)平坦的椅面上，股骨頭不承受過分壓迫，處于正常位置，體壓分布合理 [28]。因此，椅面的材料要有一定硬度，同時(shí)考慮殘疾人和老面人的身體狀況，選擇合適的材料。本次設(shè)計(jì)椅面和靠背的材料選擇航太鋁合金。一般用作輪椅的航太鋁合金主要是 7000 系列鋁合，航太鋁合金，屬于航空系列材料，是鋁鎂鋅銅合金。它是經(jīng)過熱處理的合金,硬度較高,有良好的耐磨性 [29]。 用航太鋁合金做的輪椅承重大，重量輕，推起來輕巧耐用！3.3.11 康復(fù)機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)根據(jù) GB 10000-1988 《中國成年人人體尺寸》給定的人體尺寸數(shù)據(jù)的均值，推算出我國成年人人體各部分尺寸與身高 H 的比例關(guān)系，小腿長 L=0.247H，小腿重心位置 O=0.433L，小腿旋轉(zhuǎn)半徑 R=0.528L，腳踝高度 0.045H，腳掌長0.147H，腳掌寬 0.057H。機(jī)械腿的長度設(shè)計(jì)為 560 mm。腳步的長度為 400 mm，寬度為 150 mm，厚度為 40 mm。15第 4 章 輪椅主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)表 4-1 輪椅主要參數(shù)重量估算 130 kg,百度拇指醫(yī)生網(wǎng)站查得數(shù)據(jù)，一般輪椅之質(zhì)量是 20-30 斤，估算約 25 斤，近似為 130 kg。 4.2 電機(jī)選擇4.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型輪椅機(jī)構(gòu)中共有 13 個(gè)電機(jī)，輪椅要實(shí)現(xiàn)越障功能，實(shí)現(xiàn)在多種常見的路面上行駛，所以對(duì)電機(jī)的要求比較高，要有大的轉(zhuǎn)矩，效率較高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能好。永磁直流無刷電機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，如干擾小、運(yùn)行壽命長、調(diào)速性能好/控制方法多、輸出轉(zhuǎn)巨大、過載能力強(qiáng)、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)響應(yīng)塊、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高等 [30]。選擇直流無刷電機(jī)可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。本輪椅設(shè)計(jì)中電機(jī)選擇濟(jì)南海舟電機(jī)有限公司生產(chǎn)的 ZW 系列無刷電機(jī)60DBL 系列直流無刷。濟(jì)南海舟電機(jī)有限公司，是國內(nèi)第一家生產(chǎn)直流電機(jī)的廠家公司，他們還可以根據(jù)客戶的需求定做電機(jī)的軸徑、電壓、額定轉(zhuǎn)速等參主要參數(shù) 數(shù)值輪椅總體長度/mm 1300輪椅總體寬度/mm 840輪椅總體高度/mm 380驅(qū)動(dòng)輪半徑/mm 200驅(qū)動(dòng)輪寬度/mm 30輪子行走速度/km/h 7.2質(zhì)量/kg 13016數(shù)。本次輪椅設(shè)計(jì)會(huì)有 13 個(gè)直流電機(jī)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上各一個(gè)，四個(gè)用來抬起的電機(jī)，四個(gè) V 帶輪上各一個(gè)，滾珠絲杠上一個(gè)。輪子上的電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)輪椅在水平路面上直線行走；越障和 V 帶上的電機(jī)實(shí)現(xiàn)輪腿的旋轉(zhuǎn)和上升運(yùn)動(dòng)?？祻?fù)機(jī)構(gòu)的電機(jī)選擇：因?yàn)榭祻?fù)機(jī)構(gòu)主要的幫助小腿進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以電機(jī)的速度要比較低，考慮到殘疾人的身體狀況，電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于 60r/min。所以這個(gè)電機(jī)選擇深圳市踢踢電子有限公司生產(chǎn)的直流減速電機(jī) GM25-370。GM25，25GA 系列永磁直流減速電機(jī)采用高性能電機(jī)及高效齒輪箱，具有體積小、低噪音、大扭力、較寬的調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)。 廣泛適用于傳感控制、自動(dòng)窗簾、考勤機(jī)、售貨機(jī)和點(diǎn)鈔機(jī)等。4.2.2 電機(jī)選擇計(jì)算人體質(zhì)量估算 50 kg。輪椅質(zhì)量 130 kg，所以輪子承擔(dān)質(zhì)量是 180 kg。輪椅有四個(gè)輪，一個(gè)輪子承擔(dān)重量 45 kg。 摩擦因數(shù) μ = 0.25，g=9.8N/kg。摩擦力計(jì)算 F = μmg = 0.25 × 45 × 9.8 = 110.25 N。力矩計(jì)算 T = F R = 110.25 × 200 = 22050 N.mm = 22.05 N.m。所以，驅(qū)動(dòng)輪上的電機(jī)轉(zhuǎn)矩選擇為 25 N.m。功率計(jì)算 P = F v = 110.25 × 2 m/s = 220.5 W。所以，驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)功率選擇 500 W ，轉(zhuǎn)速選擇 200 r/min。 V 帶電機(jī)的參數(shù)選擇，功率 1600 W，轉(zhuǎn)速 1200 r/min。抬輪子電機(jī)選擇，抬腿高度約 400 mm，抬腿重力約 100 N。速度 0.2 m/s，所以電機(jī)功率 20 W，轉(zhuǎn)速 100 r/min。絲杠電機(jī)選擇，絲杠長度，直徑 25 mm。功率 100 W，轉(zhuǎn)速 100 r/min?？祻?fù)機(jī)構(gòu)上的電機(jī)選擇型號(hào) 12560-130，轉(zhuǎn)速為 35 r/min，額定電壓 12 v，額定功率 0.31 w。外形尺寸：外徑 25 mm，長度 57.8mm，輸出軸徑 4mm，軸長 10mm。174.3 軸的設(shè)計(jì)4.3.1 軸的材料選擇碳鋼價(jià)格便宜，應(yīng)力集中的敏感性較低，本次設(shè)計(jì)軸的材料選擇 45 鋼。4.3.2 軸的計(jì)算與校核為了有足夠的抗磨損和抗點(diǎn)蝕的能力,硬度應(yīng)為 250-350 HBS，所以采用調(diào)質(zhì)處理 [31]。根據(jù)第九版機(jī)械設(shè)計(jì) 358 頁表 15-1 查得 45 鋼的抗拉強(qiáng)度極限 = 640 B?MPa ,屈服強(qiáng)度極限 = 355 MPa。366 頁表 15-3 查得 45 鋼的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力s?= 40 MPa，取 = 105。][T?0A按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （4-1）??Tn????3T0.2dP95W則有，軸的直徑（4-2） 3nPAd??根據(jù)式 4-2 計(jì)算和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連的軸，所以 d ≥ 14.25 mm。取軸的直徑為 20 mm。軸的校核，對(duì)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力強(qiáng)度校核，校核公式（4-3）PWT??軸的兩端為危險(xiǎn)截面，應(yīng)對(duì)它進(jìn)行扭應(yīng)力強(qiáng)度較核：（4-4）][maxa????P18。KN024.875.230.95max ???（4-5） 16dWp?。3058.mp?][.Tax??由此可知強(qiáng)度符合要求，設(shè)計(jì)合理。和轉(zhuǎn)向電機(jī)相連的軸的計(jì)算，所以，d ≥ 8.33mm。取軸的直徑為 20 mm。 N96.5809max??][7.3TT??由此可知強(qiáng)度符合要求，設(shè)計(jì)合理。4.4 鍵的設(shè)計(jì)根據(jù)軸的直徑選擇鍵，選擇普通平鍵，根據(jù) GB/T 1096 - 2003確定鍵的尺寸，b× h = 6 × 6，鍵的長度 L ≈ （1.5 - 2 ）d = 40 mm 4.5 軸承的設(shè)計(jì)4.5.1 軸承的選擇由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》 144頁，選用 GB/T 276-1994 深溝球軸承。在軸承代號(hào)6204。4.5.2 軸承的壽命計(jì)算軸承壽命計(jì)算公式為：（4-6） tPCnL???????601——基本額定動(dòng)載荷，由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》 查得 =2.30；C C19——當(dāng)量動(dòng)載荷，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得 ；P ??arPYFXf??——載荷系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》318 頁表 13-6 查得 = 1.1；f f——純徑向載荷；rF——純軸向載荷。a為指數(shù)，對(duì)于球軸承，?3??公式 中 和 由 確定，選取 ， 。??arPYFXf??raF1X?0YhnPCLrh 25341.06016?????????????所以，符合設(shè)計(jì)要求。 4.6 V 帶的計(jì)算帶輪材料選擇 HT 200。4.6.1 確定計(jì)算功率查《機(jī)械設(shè)計(jì)》156 頁表 8-8 得工作情況系數(shù) = 1.1，故AKWPKA76.1.ca???4.6.2 選擇 V 帶的類型根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 8-11 選用 A 型 V 帶。4.6.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速根據(jù) 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表 8-7 初選小帶輪基準(zhǔn)直徑 = 75mm，由表 8-9 確定1d= 90mm。1d（4-7）12dn?已知 ，所以， = = 90 mm。21n?1d220驗(yàn)算帶速 v，（4-8）106??ndv?sm/5.29因?yàn)?5 m/s 120 。1?4.6.6 計(jì)算帶的根數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 8-4 查得 = 0.93 kW，表 8-5 查得 = 0.00 kW，表0P0P?8-6 查得 = 1.00，表 8-2 查得 = 0.91。?KLK于是， KWPLr 83.09.13.0)(0 ????????根據(jù)式（4-14）確定帶的根數(shù)，（4-14）LArcaPK?)(z0??z = 2.12 ，取 3 根。4.6.7 計(jì)算單根 V 帶的初拉力由表 8-3 查得 A 型帶的單位長度質(zhì)量 q = 0.105 kg/m，所以 NvzKPFca09.18)5.2(0)( 2min0 ?????4.6.8 計(jì)算壓軸力 Fzp 42.187sin)(2)(m0min??4.6.9 主要設(shè)計(jì)結(jié)論選用 A 型普 3 通 V 帶 3 根，帶基準(zhǔn)長度 1100mm，帶基準(zhǔn)直徑 = = 90 1d2mm，中心距控制在 392.13~441.63mm。單根帶初拉力 118 N。224.7 套筒設(shè)計(jì)套筒的尺寸要根據(jù)電機(jī)尺寸和輪子尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),套筒直徑是 20 mm。套筒上的銷孔與筒端距離 10 mm。套筒材料選擇 45 鋼。圓柱銷的尺寸選擇，銷孔 8 mm。圖 4-1 為套筒的設(shè)計(jì)。圖 4-1 套筒設(shè)計(jì)圖4.8 輪架和機(jī)架的設(shè)計(jì)機(jī)架主要支撐輪椅椅面和人體的重量。椅面和靠背部分密度約為 2.7 × 103 kg/cm3。23體積估算，V = 20×580×400 ＋ 20×400×430 = 8080000 mm3 = 0.00808 m3體積估算為 0.01 m3。質(zhì)量估算，m = ρ×v = 0.01 m3 × 2.7 × 103 kg/cm3 = 27 kg加上人的質(zhì)量，質(zhì)量約為 70 kg。g 取 9.8 N/kg，所以，支撐部分需要承重約 686 N。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)輪架和機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度校核，它們的材料選擇 HT 150，所以強(qiáng)度極限 = 150 MPa。B?按式 4-15 對(duì)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，（4-15）?FA?所以機(jī)架的寬度設(shè)計(jì)為 20mm，輪架設(shè)計(jì)成弓形橋形狀的結(jié)構(gòu)，為了可以承擔(dān)更多的重量。為了減輕重量和節(jié)省材料，輪架上面設(shè)計(jì)有 4 個(gè)均勻的孔。圖 4-2 為輪架的設(shè)計(jì)。圖 4-2 輪架的設(shè)計(jì)圖4.9 輪子的設(shè)計(jì)四個(gè)輪子的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，為了減輕輪子的重量及節(jié)省制造材料和成本，輪子上開有均勻的孔。輪轂的材料為鋁合金，輪胎的材料為橡膠。244.10 康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)輪椅不僅是一個(gè)代步工具，它還是一個(gè)康復(fù)工具。一個(gè)符合殘疾人心理特點(diǎn)和需求的輪椅，應(yīng)該幫助他們進(jìn)行肢體的活動(dòng)和康復(fù)。為了更快的幫助患者進(jìn)行康復(fù)，輪椅設(shè)計(jì)了康復(fù)機(jī)構(gòu)。下肢康復(fù)訓(xùn)練輔具屬于服務(wù)機(jī)器人的范疇，是采用機(jī)器人技術(shù)幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到恢復(fù)正常行走功能的目的 [32]?？祻?fù)機(jī)構(gòu)主要是針對(duì)下肢小腿的訓(xùn)練，是一個(gè)可以穿戴的機(jī)械腿，機(jī)械腿小腿部分可以活動(dòng)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以幫助患者實(shí)現(xiàn)小腿的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械腿通過螺栓和與連接板固定在座位上，機(jī)械腿側(cè)面的連桿與旋轉(zhuǎn)軸相連。小腿的活動(dòng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)和軸相連，軸上有連接部件，連接部件和小腿上的連桿相連，連接部件旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)。人坐在輪椅上，小腿可以套在機(jī)械腿上，借助機(jī)械腿，小腿可以實(shí)現(xiàn)上下轉(zhuǎn)動(dòng)?？祻?fù)腿模型只有小腿，包含兩個(gè)關(guān)節(jié)環(huán)，上面開孔以方便調(diào)節(jié)尺寸，因?yàn)槿说耐乳L不一樣，尺寸可體調(diào)節(jié)可以方便更多的使用者使用。兩條機(jī)械腿可以擺動(dòng)，可以完成一個(gè)擺動(dòng)序列，擺動(dòng)最大角度可為 45 度，保證人正?；顒?dòng)，并且表面打光滑，沒有什么毛糙部分，這樣既美觀又安全，使人能夠舒適穿戴此機(jī)械腿。4.10.1 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度，可以協(xié)助人體完成較大幅度的屈伸活動(dòng)。膝關(guān)節(jié)由三個(gè)圓環(huán)組合，三個(gè)圓環(huán)是面與面接觸，可以自由旋轉(zhuǎn)，還可以可通過調(diào)整穿戴位置與骨骼膝關(guān)節(jié)同軸。關(guān)節(jié)環(huán)通過螺釘與連桿連接。4.10.2 腳踝的設(shè)計(jì)腳踝部分也要設(shè)計(jì)成環(huán)形，也可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)要注意方便腳部進(jìn)行上下左右的自由運(yùn)動(dòng)，不允許出現(xiàn)腳部不舒適的情況。4.10.3 腳部的設(shè)計(jì)25腳部是一個(gè)長方體，要比人的腳掌的尺寸要大一些，但是不能過大，足夠腳部可以平穩(wěn)舒適的放在上面即可。腳部結(jié)構(gòu)的側(cè)面通過六角螺釘與連桿連接，腳部的轉(zhuǎn)動(dòng)通過踝關(guān)節(jié)環(huán)實(shí)現(xiàn)。為了固定人的腳的位置，腳部結(jié)構(gòu)的兩側(cè)開孔，開孔處通過螺釘連接腳部固定的夾子，夾子是弓形的，由于夾子要和人的腳部接觸，所以夾子的內(nèi)側(cè)可以采用柔軟的材料。4.10.4 下肢連接部分的設(shè)計(jì)連接部分是通過旋轉(zhuǎn)連接器實(shí)現(xiàn)的，通過旋轉(zhuǎn)連接器將膝關(guān)節(jié)和腳踝連接在一起，單個(gè)腿需要兩個(gè)旋轉(zhuǎn)連接器。每個(gè)連接器上都開有一排孔，是為了根據(jù)不同人的小腿長度改變長度，另一側(cè)的圓環(huán)與膝關(guān)節(jié)環(huán)和踝關(guān)節(jié)環(huán)相連。連接器上的孔中可以插入螺釘，可以實(shí)現(xiàn)兩部分的連接。側(cè)面固定在連桿機(jī)構(gòu)上。26第 5 章 結(jié)論通過查閱國內(nèi)外資料,根據(jù)自己所學(xué)的機(jī)械相關(guān)的知識(shí),并采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析等一系列先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)自動(dòng)輪椅進(jìn)行了設(shè)計(jì)，輪椅的設(shè)計(jì)融入了 V 帶傳動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠等常見機(jī)械元素。將機(jī)械與實(shí)際生活相結(jié)合，設(shè)計(jì)了符合人因工程的自動(dòng)輪椅。自動(dòng)輪椅座椅等部分的設(shè)計(jì)，以座椅舒適性為目標(biāo)，結(jié)合大量的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)對(duì)座椅舒適性進(jìn)行了研究。由于人體結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，目前還沒有成熟的舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，我從學(xué)校的圖書館收集了許多關(guān)于人機(jī)工程學(xué)和設(shè)計(jì)的書籍，并參考了許多有價(jià)值的文獻(xiàn)，在對(duì)座椅舒適性理論進(jìn)行歸納總結(jié)基礎(chǔ)上，把舒適性理論運(yùn)用到本課題的輪椅舒適性研究中。本次設(shè)計(jì)繪制了自動(dòng)座椅的總裝配圖，機(jī)械部分裝配圖，康復(fù)機(jī)構(gòu)裝配圖。并利用 UG 建模軟件對(duì)自動(dòng)輪椅進(jìn)行了三維建模。本次設(shè)計(jì)將自己學(xué)過的知識(shí)重新進(jìn)行了回顧和應(yīng)用，通過與導(dǎo)師和同學(xué)的交流和討論，學(xué)到很多東西，機(jī)械設(shè)計(jì)也不是簡(jiǎn)單的零件的選擇，要考慮很多實(shí)際的問題，如各個(gè)機(jī)構(gòu)的配合，實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)問題等。先構(gòu)思輪椅的大致構(gòu)成，要實(shí)現(xiàn)什么功能，加入什么機(jī)構(gòu)，工作原理是什么樣的。之后對(duì)確定的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，軸的計(jì)算與校核，V 帶的選擇等等，之后繪制零件圖。但是在繪制裝配圖時(shí)發(fā)現(xiàn)有些零件設(shè)計(jì)的是不合理的，沒有考慮總體的機(jī)構(gòu)，如 V 帶的確定，沒有考慮輪椅整體的長度，在總體設(shè)計(jì)時(shí)，又進(jìn)行了參數(shù)的調(diào)整。我設(shè)計(jì)的自動(dòng)輪椅，還有很大的改善和擴(kuò)大功能的空間?？梢约由弦粋€(gè)按摩后背的裝置，使得老年人在得到鍛煉之余還可以享受后背的按摩；還有可以加上收音機(jī)或者 mp3，也可以讓一些老年人在鍛煉之余得到其他一些的放松。還可以用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想建立數(shù)學(xué)模型，讓設(shè)計(jì)更加貼近人體的尺寸。高質(zhì)量的設(shè)計(jì)仍有待研究，未來我們所享受的設(shè)計(jì)，將充滿無限的新鮮和趣味！