目錄1、本課題的目的、意義、國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢 11.1 本課題的目的及意義 11.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢 21.2.1 國外發(fā)展狀況 .21.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 .31.2.3 存在問題和未來發(fā)展趨勢 .32、課題的設(shè)計思想和研究擬采用的方法和手段 42.1 課題的設(shè)計思想 42.2 課題研究采用的方法 52.3 預(yù)計設(shè)計過程中可能遇到的問題及解決方法和措施 53、論證完成課題的實驗條件 64、課題進度安排 65、參考文獻 701、本課題的目的、意義、國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢1.1 本課題的目的及意義我國是殘疾人口數(shù)量最多的國家，根據(jù)國家統(tǒng)計局 2006 年的統(tǒng)計報告，全國殘疾人總數(shù)約為 8296 萬人，占全國人口總數(shù)的 6.34%。殘疾人雖然身體殘障，但是他們需要得到社會的尊重與理解。他們渴望像正常人一樣學(xué)習、工作和生活。輪椅是殘疾人的必備用品之一。對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，很需要一個舒適、合適的輪椅，而掌握人因工程學(xué)的知識、并應(yīng)用人因工程學(xué)的知識設(shè)計舒適的輪椅是工程師義不容辭的責任！輪椅首先是一個坐具，這是它最基本的功能。舒適度是衡量輪椅設(shè)計優(yōu)劣的重要標準之一。輪椅設(shè)計不僅要在制造工藝和生產(chǎn)方面可行，符合安全要求，更重要的是在設(shè)計思想中體現(xiàn)人因工程學(xué)，保證人的安全、 健康和舒適的目的，使人坐者舒服、舒心、安全 [1]?，F(xiàn)今的輪椅還存在簡陋粗糙、不易使用的情況 [2]。挫敗感對人的自信心是個沉重打擊。如何改進輪椅設(shè)計，幫助患者從肢體到心靈真正康復(fù)，需要深入研究[3]。雖然市面上有許多電動、智能輪椅,但是其高昂的價格是國內(nèi)大部分殘疾人無法承受的,而手動輪椅以其價格優(yōu)勢占有大多數(shù)的使用率,卻少有發(fā)展。現(xiàn)今的手動輪椅功能單一、造型色彩單調(diào),根本無法滿足殘疾人更深層次的需求,物質(zhì)需求的不完全滿足和精神需求的無法滿足,對于殘疾人生理和心理的健康都是極為不利的。傳統(tǒng)的輪椅設(shè)計以設(shè)計產(chǎn)品為主要目標，更多的考慮輪椅本身的功能的實現(xiàn)，沒有規(guī)范化的考慮人的因素。機械是機器和機構(gòu)的總稱 [4]。人與機械相比，人是在人機系統(tǒng)中起決定性作用的 [5]。人因工程學(xué)強調(diào)人和機器作為相互聯(lián)系的兩個基本部分構(gòu)成一個整體。人因工程學(xué)高度重視輪椅的安全性、高效率性、乘坐舒1適性。特別是殘疾人的輪椅，安全性、人性化更為重要。理想的輪椅應(yīng)使坐者體重分布合理，大腿近似水平狀態(tài)，雙腳自然放到腳踏板上，雙臂不負擔身體重量，肌肉放松，可以方便的變換坐姿 [6]。大于 90°的靠背可防止骨盆的旋轉(zhuǎn)，增加坐姿的穩(wěn)定性，且使坐姿更接近自然狀態(tài) [7]。輪椅的設(shè)計者更應(yīng)該重視輪椅的人性化和個性化的設(shè)計,受迎并且擁有發(fā)展市場的輪椅必定是舒服舒適并擁有突出新穎功能的輪椅,使人、機和環(huán)境充分的結(jié)合起來 [8]。要做到這一點,就需要設(shè)計師結(jié)合人因工程學(xué)的知識，研究輪椅使用者的喜好，用理性工學(xué)的研究方法，針對生物力學(xué)對輪椅結(jié)構(gòu)的影響,對座椅、輪子、扶手及其他個性化附件用心、用智慧進行設(shè)計 [9]。1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢1.2.1 國外發(fā)展狀況自 1986 年英國開始研制第一輛智能輪椅來,許多國家投入較多資金研究智能輪椅。如美國麻省理工學(xué)院 Wheelesley 項目 [10]、法國 VAHM 項目 [11]、德國烏爾姆大學(xué) MAID(老年人及殘疾人助動器)項目 [12]、 Bremen Autonomous Wheelchair 項目、西班牙 SIAMO 項目 [13]、加拿大 AAI 公司 TAO 項目、歐盟TIDE 項目、KISS 學(xué)院 TINMAN 項目、臺灣中正大學(xué)電機系 LUOSON 項目、我國 863 智能機器人智能輪椅項目及第三軍醫(yī)大學(xué)外科研究所項目等。由于各個實驗室的目標及研究方法不盡相同,每種輪椅解決的問題及達到的能力不同。初期的研究,賦予輪椅的功能一般都是低級控制,如簡單的運動、速度控制及避障等。隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展,移動機器人大量技術(shù)用于輪椅, 智能輪椅在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上, 有更好的交互性、適應(yīng)性、自主性。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況我國自動化輪椅研究起步較晚，在機構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國外相比有一定差距 [14]。但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)接近國外先進水平的。研究單位有中科2院自動化所、上海交通大學(xué)和香港中文大學(xué)等 [15]。中科院自動化研究所在中科院創(chuàng)新工程和國家“831”計劃支持下，研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進行多模態(tài)交互的多功能輪椅移動機器人 [16] [17]。我國現(xiàn)有輪椅，特別是肢殘者與老年人大量使用的多為手動輪椅，由于輪椅本身無動力，實際使用時往往需要他人輔助，造成很多不便。為改變我國輪椅手搬人推的落后狀況，貫徹落實民政工作上為國家分憂、下為百姓解愁的方針，更好地為傷殘人員服務(wù)，滿足人們對現(xiàn)代生活質(zhì)量日益提高的需求，國內(nèi)輪椅及相關(guān)企業(yè)將積極開發(fā)研制電動輪椅。近年來，我國輪椅行業(yè)保持快速發(fā)展。不過，行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，絕大部分產(chǎn)品為一般輪椅、產(chǎn)品價格低。高端產(chǎn)品如電動輪椅和運動輪椅研發(fā)投入不足，技術(shù)水平與國外相差很大，運動輪椅則主要依靠進口。因此，有必要進行更多的研究與開發(fā)。1.2.3 存在問題和未來發(fā)展趨勢經(jīng)過近 20 年的研究發(fā)展，智能輪椅的研究有了很大的進展，功能不斷豐富，安全可靠性不斷提高，但是也存在一定的問題：(1)人機交互不夠自然。雖然已經(jīng)開發(fā)了多種智能輪椅人機交互接口，但是仍處于通過人機接口對輪椅進行簡單控制的階段，對自然交互中使用者的無意識行為與有意識行為的區(qū)分還很欠缺，無法達到自然交互的目的。(2) 輪椅的安全保障系統(tǒng)不夠完善。目前多數(shù)智能輪椅平臺較重視功能性實現(xiàn)，對于各種環(huán)境下危險發(fā)生的可能性以及相應(yīng)的保障措施研究不夠。(3)智能輪椅控制系統(tǒng)實時性較差，功耗較大，續(xù)航能力不高，離真正的實用還有一定距離。未來的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：（1）人機交互自然化。通過多種人機交互接口結(jié)合，智能輪椅系統(tǒng)能夠更加充分地與使用者進行交流和溝通，更加準確地理解使用者的操縱意圖。3（2）安全保障全面化。利用日益進步的傳感器技術(shù)，構(gòu)建完善的智能輪椅保障系統(tǒng)，通過對周圍環(huán)境更加全面的了解，實時監(jiān)測智能輪椅的運動狀態(tài)，對危險狀態(tài)進行報警和阻止，盡可能避免危險的發(fā)生。（3）產(chǎn)品化。產(chǎn)品化是任何高新技術(shù)服務(wù)于社會的必經(jīng)之路，采用嵌入式控制系統(tǒng)將是智能輪椅未來的發(fā)展方向，利用嵌入式產(chǎn)品功耗低、運算能力強的特點，將能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能輪椅產(chǎn)品。（4）模塊化。要實現(xiàn)智能輪椅的批量生產(chǎn)，智能輪椅的各項功能必須模塊化，包括導(dǎo)航系統(tǒng)、人機接口、運動控制以及機械臂等等。以便于為不同的用戶定制不同的功能模塊組合，同時也便于對各個功能模塊的升級和再開發(fā)。2、課題的設(shè)計思想和研究擬采用的方法和手段2.1 課題的設(shè)計思想（1）自動輪椅總體方案的制定：本設(shè)計的結(jié)構(gòu)有輪椅架、腳踏板、坐墊、轉(zhuǎn)動裝置、傳動裝置和控制裝置及折疊裝置，輪椅的關(guān)鍵部件中主要以便槽、靠背、坐墊的設(shè)計來考慮人因工程學(xué)在機械設(shè)計中的應(yīng)用。傳動裝置由驅(qū)動圈和主動輪組成, 轉(zhuǎn)動裝置由氣缸、連桿、螺栓、螺母組成?？刂蒲b置由剎車系統(tǒng)組成。折疊裝置由連桿、螺栓、螺母組成。自動的總體設(shè)計方案充分考慮人機交互，方便殘疾人上下輪椅和驅(qū)動輪椅；安全保障系數(shù)高；結(jié)構(gòu)分布合理；材料舒適，成本低；具有良好的可移植性，可以適應(yīng)不同的加工平臺；各個零件要達到避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求 [18]；盡可能實現(xiàn)輪椅的機械化，當執(zhí)行制造程的基本動作是由機器（機械）代替人力勞動來完成時稱為機械化 [19]；在滿足產(chǎn)品使用性能的條件下，零件圖上標注的尺寸公差等級和表面粗糙度值應(yīng)取經(jīng)濟值 [20]。（2）針對自動輪椅設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題，在設(shè)計過程中應(yīng)該考慮這些因素的影響，制定設(shè)計方案，避免或者減少這些問題的發(fā)生。2.2 課題研究采用的方法4（1）通過圖書館查閱相關(guān)的手冊及書籍； （2）通過互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料和最新動態(tài)；（3）應(yīng)用 CAD 制圖和 UG 制圖建立試驗機的機械系統(tǒng)模型，進行強度計算和運動分析。2.3 預(yù)計設(shè)計過程中可能遇到的問題及解決方法和措施在設(shè)計的過程中可能會遇到很多的麻煩，例如在設(shè)計完基礎(chǔ)零件之后進行強度校核時，有一些零件就有可能是不符合條件的，這樣就會增加計算量，因此在設(shè)計時要注意設(shè)計的合理性。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一定要結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，拆裝方便；零件結(jié)構(gòu)要素必須符合標準規(guī)定；盡量采用標準件和通用件；設(shè)計時要考慮各個機構(gòu)的協(xié)調(diào)配合；選擇合適的電動機實現(xiàn)機電一體化；通過建立數(shù)學(xué)模型在設(shè)計前找到某些指標的最優(yōu)設(shè)計方案。3、論證完成課題的實驗條件通過自己的了解以及在圖書館和網(wǎng)上的資料查閱，對本設(shè)計的基本知識已經(jīng)有了一定的認識，而且可以通過網(wǎng)上資料檢索進行查閱相關(guān)知識，并利用原有的資料進行設(shè)計。本設(shè)計中包括主要包括扶手、坐墊、車輪和靠背，根據(jù)文獻和論文資料對結(jié)構(gòu)布局要求有一定的了解。后期需要的裝配圖可以利用電腦軟件，例如 CAD 制圖和 UG 制圖等進行完成。4、課題進度安排第一周 調(diào)研、選題、查閱資料第二周 查閱文獻資料， 撰寫開題報告和外文翻譯第三周 撰寫開題報告和外文翻譯第四周 整理、修改、審訂開題報告及外文翻譯第五周 總體方案設(shè)計5第六周 擬定設(shè)計方案第七周 進行設(shè)計計算第八周 結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制總裝圖，完成設(shè)計計算第九周 結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制總裝圖，完成設(shè)計計算第十周 結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制總裝圖，完成設(shè)計計算第十一周 結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制總裝圖，完成設(shè)計計算第十二周 結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制總裝圖，完成設(shè)計計算第十三周 繪制部件圖，設(shè)計計算第十四周 繪制部件圖，設(shè)計計算，準備論文第十五周 繪制部件圖，撰寫論文第十六周 修改圖體，撰寫論文第十七周 修改圖體，撰寫論文，準備答辯第十八周 修改論文，準備答辯5、參考文獻[1] 郭伏．人因工程學(xué)[M]．沈陽 :東北大學(xué)出版社，2001 .[2] 余道清．我的輪椅朋友[J] ．中國殘疾人，2008（6）： 65．[3] 鐘雄.愿輪椅亮麗溫馨精彩紛呈[J] .中國殘疾人，2008 （6）：65.[4] 孫恒，陳作模，葛文杰．機械原理[M] ．北京：高等教育出版社， 2006．[5] 朱龍根．機械系統(tǒng)設(shè)計[M] ．北京：機械工業(yè)出版社， 2015．[6] 周美玉．工業(yè)設(shè)計應(yīng)用人機工程學(xué)[ M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，2001．[7] 朱序璋．人機工程學(xué)[M] ．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 1999．[8] 江渡，中俊，陳棟.應(yīng)用人機工程學(xué)研究輪椅的舒適性[J].機械設(shè)計與制造，2006(8):12-13.[9] Matsubara, Y., et.al. 1997. Hybrid Kansei EngineeringSystem and Design Support[J].International Journal of IndustrialErgonomics, 19, 81-92.[10] Holly A.Yanco,Anna Hazel, Alison Peacock,Suzanna Smith, and Harriet Wintermutr.Initial Report on Wheelesley:A Robotic Wheelchair System.http//www.google.com.[11] G.Bourhis, O.Horn, O.Habert.An A utonomous Vehicle for people with Motor Disabilities[J].IEEE Robotics & Automation Magazine, 2001, 8(1):20-28.[12] Erwin Parssler, Jens Scholz,Paolo Fiorini.A robotics wheel chair for crowded public 6environments[J].IEEE Robotics & Automation Magazine, 2001, 8(1):38-45.[13] Manuel Mazo.An Integral System for Assisted Mobility[J].IEEE Robotics & Automation Magazine, 2001, 8(1):46-56.[14] 原魁．智能輪椅的研究現(xiàn)狀與趨勢[J] ．中國醫(yī)療器械信息， 2009，15（1）：6－34．[15] 王景川，陳衛(wèi)東．基于多傳感器的智能輪椅設(shè)計與實現(xiàn) [J]．南京理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，33（1）：104－109．[16] 賀志軍．基于 ARM 的多功能輪椅嵌入式控制系統(tǒng)研究[D] ．碩士論文．華南理工大學(xué)，2009．[17] 周偉．多功能輪椅運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D] ．碩士論文．華南理工大學(xué)，2010．[18] 濮良貴,陳國定,吳立言.機械設(shè)計[M] .北京：高等教育出版社， 2013.[19] 周驥平，林崗．機械制造自動化技術(shù)[M] ．北京：機械工業(yè)出版社， 2014．[20] 于駿一，鄒青．機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M] ．北京：機械工業(yè)出版社， 2009．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，他們很需要一個舒適、合適的輪椅，而掌握人因工程學(xué)的知識、并應(yīng)用人因工程學(xué)的知識設(shè)計舒適的輪椅至關(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)計出符合人因工程學(xué)要求的自動輪椅。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、沒有實現(xiàn)完全自動化、造型不夠美觀、尺寸不夠科學(xué)等缺陷。本文對自動輪椅進行新穎的設(shè)計，輪椅加入自動越障功能和康復(fù)機構(gòu)。設(shè)計對現(xiàn)有的輪椅進行分析，根據(jù)人因工程學(xué)知識和我國成年人人體尺寸分析并設(shè)計輪椅椅面、靠背、扶手、康復(fù)機械腿等尺寸。運用機械原理、機械設(shè)計等知識對輪椅的零件進行設(shè)計和校核，設(shè)計合理的機構(gòu)，選擇合適的零件。最后通過查閱資料、計算分析、三維建模等科學(xué)的方法解決問題，設(shè)計了可以自動越障并具有康復(fù)功能的舒適的自動輪椅。它可以滿足老年人和殘疾人的要求，符合人因工程學(xué)理念和機械設(shè)計準則，是一個自動化多功能產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：輪椅；人因工程學(xué)；康復(fù)機構(gòu)；自動 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)展狀況 21.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 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 52.1 設(shè)計要求 52.1.1 輪椅舒適性設(shè)計的原理 52.1.2 設(shè)計原則 52.1.3 機械零件設(shè)計要求 62.2 總體方案設(shè)計 62.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 .103.3.1 椅面的座寬尺寸設(shè)計 .123.3.2 坐深尺寸設(shè)計 .123.3.3 靠背高度尺寸設(shè)計 .123.3.4 靠背寬度尺寸設(shè)計 .123.3.5 扶手設(shè)計 .133.3.6 靠背與座面夾角設(shè)計 .133.3.7 椅面傾角設(shè)計 .133.3.8 椅面高度設(shè)計 .143.3.9 外觀主體顏色設(shè)計 .143.3.10 椅面材料選擇與分析 143.3.11 康復(fù)機構(gòu)尺寸設(shè)計 14第 4 章 輪椅主要結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 .154.1 主要參數(shù)設(shè)計 .154.2 電機選擇 .15II4.2.1 選擇電動機類型 .154.2.2 電機選擇計算 .164.3 軸的設(shè)計 .174.3.1 軸的材料選擇 .174.3.2 軸的計算與校核 .174.4 鍵的設(shè)計 .184.5 軸承的設(shè)計 .184.5.1 軸承的選擇 .184.5.2 軸承的壽命計算 .184.6 V 帶的計算 .194.6.1 確定計算功率 .194.6.2 選擇 V 帶的類型 .194.6.3 確定帶輪的基準直徑并驗算帶速 .194.6.4 確定 V 帶的中心距和基準長度 .204.6.5 計算小帶輪包角 .204.6.6 計算帶的根數(shù) .214.6.7 計算單根 V 帶的初拉力 .214.6.8 計算壓軸力 .214.6.9 主要設(shè)計結(jié)論 .214.7 套筒設(shè)計 .224.8 輪架和機架的設(shè)計 .224.9 輪子的設(shè)計 .234.10 康復(fù)機構(gòu)設(shè)計 .244.10.1 膝關(guān)節(jié)設(shè)計 244.10.2 腳踝的設(shè)計 244.10.3 腳部的設(shè)計 244.10.4 下肢連接部分的設(shè)計 25第 5 章 結(jié)論 .26參 考 文 獻 .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擔。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，很需要一個舒適、合適的輪椅，而掌握人因工程學(xué)的知識、并應(yīng)用人因工程學(xué)的知識設(shè)計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)計中很重要的指標。輪椅設(shè)計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)計要符合人因工程學(xué)準則，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 [2]。隨著人們服務(wù)意識的增強，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)計的設(shè)施也逐漸成為重要的需求，對現(xiàn)有生活產(chǎn)品的人機因素研究也越來越受到人們的重視。輪椅作為老年人、殘疾人的一項重要的輔助工具，在設(shè)計和使用的過程中，包含著大量的人機工程學(xué)問題。而現(xiàn)有的許多輪椅都不符合人機工程學(xué)的尺寸要求，使用時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)計自動化的輪椅具有重要的意義?，F(xiàn)階段市面上的輪椅還存在許多問題，有些制造簡陋粗糙，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)，改進輪椅的設(shè)計值得深入研究 [4]。雖然我國市場有許多智能輪椅,但是由于價格較高導(dǎo)致國內(nèi)組多殘疾人購買不起,手動輪椅雖然便宜，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)計主要考慮輪椅本身的功能的實現(xiàn)，關(guān)注點在于產(chǎn)品本身，沒有系統(tǒng)化的考慮人的因素 [5]。人與機械相比，人是在人機系統(tǒng)中起決定性作用的 [6]。人因工程學(xué)強調(diào)人和機器作為相互聯(lián)系的兩個基本部分構(gòu)成一個整體[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)，手臂不會感到有負擔，后背放松，可以方便的變換坐姿 [8]。靠背和椅面的夾角大于 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)計舒適、安全的輪椅,需要結(jié)合人因工程學(xué)的知識，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)展狀況在文藝復(fù)興時期,歐洲出現(xiàn)了木制的輪椅。美國南北戰(zhàn)爭時期出現(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，還加裝了動力驅(qū)動裝置。在 18 世紀，國外出現(xiàn)了接近現(xiàn)代造型的輪椅，前面兩個木質(zhì)的大輪，后面單個小輪，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了輪椅行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。隨著科技的進步和生活質(zhì)量水平的提高，輪椅的設(shè)計逐步實現(xiàn)自動化和智能化 [11]。人機工程學(xué)的發(fā)展歷史并不長，在第二次世界大戰(zhàn)期間，人們在使用各種3新式武器時，因為人為因素出現(xiàn)了許多事故。為了科學(xué)的使用武器，人們開始對人―機系統(tǒng)進行研究，以保證人和機器的合理配合，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]。人機工程學(xué)還沒有全面的融入到輪椅的設(shè)計中，基于人機工程學(xué)的輪椅設(shè)計也是一門新的學(xué)問，值得研究。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況我國最早關(guān)于輪椅的記錄是南北朝時期，一個石棺上雕刻的帶輪子的椅子。我國現(xiàn)有輪椅以手動輪椅為主，因為手動輪椅沒有動力驅(qū)動裝置，所以使用時需要他人輔助，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)研制電動輪椅 [13]。中國已經(jīng)開展了自動化輪椅的研究，開發(fā)出了許多有特色的個性化自動輪椅，包括上海交通大學(xué)設(shè)計的多功能輪椅，中科院自動化所研發(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，中科院深圳先進技術(shù)研究院基于頭部動作的輪椅等。在中科院知識創(chuàng)新工程和科技助殘行動計劃的經(jīng)費支持下,中科院自動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行，利用研究人員提出的一種新的面向移動機器人應(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)進行自主導(dǎo)航，自己移動到使用者指定的位置而不需要使用者自己對輪椅進行直接控制；使用者可以通過安裝在輪椅上的機械手臂實現(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程控制輪椅的移動 [14]。我國對人機工程學(xué)的研究主要從上世紀 80 年代開始。我國人機工程學(xué)的研究主要是如何將它應(yīng)用在實際問題中。目前，人機工程學(xué)應(yīng)用范圍比較廣泛，包括人機界面設(shè)計、工藝產(chǎn)品造型設(shè)計、控制裝置設(shè)計等 [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，自動化輪椅的研究有了很大的進步，功能更加多樣化，實用起來更加方便，讓使用者更加感到安全、舒適。但是仍然存在一些問題，人機交互不夠自然，輪椅的安全保護系統(tǒng)不夠完善，輪椅控制系統(tǒng)實時性較差，許多自動化輪椅的功率和體積較大，離實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)展需要提高實用性和智能性的同時解決如何降低生產(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)容本文針對輪椅現(xiàn)階段輪椅存在的缺陷對輪椅進行設(shè)計，解決現(xiàn)有輪椅人機交互不夠自然的問題，輪椅可以自動實現(xiàn)的平地行駛、轉(zhuǎn)向和越障，通過電機、V 帶輪、軸等實現(xiàn)越障功能。解決現(xiàn)有輪椅的安全保護系統(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)計加入了康復(fù)機構(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)計輪椅的尺寸，進行越障和轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計，康復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在滿足功能和強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2.1 設(shè)計要求2.1.1 輪椅舒適性設(shè)計的原理舒適的輪椅設(shè)計應(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，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)計應(yīng)符合人的生理尺寸和生理特點。（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。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?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)計準則。（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。（11）座面的高度通常按照較低身高的人群進行設(shè)計，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行設(shè)計，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，大腿部位就不會受到多余的壓力 [20]。2.1.3 機械零件設(shè)計要求（1）最大限度地采用標準化零、部件。如螺栓、鍵和深溝球軸承等均采用標準件。（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)計時要對機架等結(jié)構(gòu)進行強度校核；合理地設(shè)計零件的截面的形狀，以增大截面的慣性矩，所以要合理地設(shè)計各支撐部分的形狀和尺寸；提高運動零件的制造精度，以降低工作時的動載荷。（4）在滿足強度、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。因此一定要對設(shè)計的軸進行校核。（6）滿足壽命準則，在設(shè)計時要對軸承等零件進行壽命計算。（7）根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求，選擇適當?shù)牟牧稀?.2 總體方案設(shè)計2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計自動輪椅主要包括以下結(jié)構(gòu)：座椅、扶手、康復(fù)機械腿、四個輪子、13 個電動機、滾珠絲杠、V 帶輪、軸、輪架等支撐部件、連桿機構(gòu)。2.2.2 主要功能和原理介紹輪椅具有輪腿式越障功能，可以自動實現(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，四個輪子上都有單獨的電機，可以實現(xiàn)平穩(wěn)、高效的行駛。電機和輪子之間用套筒連接，套筒和電機之間用圓柱銷連接。電機與輪子之間是通過螺栓、螺釘和 L 形支架連接。電機啟動，電機軸轉(zhuǎn)動，帶動與之連接的套簡轉(zhuǎn)動．從而帶動后輪轉(zhuǎn)動。套筒與電機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：越障功能的實現(xiàn)靠電機和軸實現(xiàn)。當遇到障礙時，負責平地行駛的四個輪子停止工作，負責越障的電機啟動。負責轉(zhuǎn)向和上升的電機單獨工作，互不影響，也不影響輪子的行駛。將電機和輪腿用軸連接到一起，電機驅(qū)動輪腿帶動輪子抬起越過障礙。轉(zhuǎn)向：單個輪子的轉(zhuǎn)向用電機和帶傳動實現(xiàn)，由于電機具有一定重量，為了使重心集中并提高穩(wěn)定性，盡量讓電機靠近中心座椅的位置，所以負責轉(zhuǎn)向的電機和負責抬起輪腿的電機距離較遠，遠距離傳遞運動和動力要用帶輪實現(xiàn)，所以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的電機和帶輪的前輪相連，后輪和機架部分相連。電機驅(qū)動前輪旋轉(zhuǎn)，帶傳動傳遞動力，帶動后輪旋轉(zhuǎn)，機架和輪子一起旋轉(zhuǎn)。在輪椅爬梯時四個輪子的爬梯動作獨立進行，先是一個前輪，之后是另一個前輪，兩個前輪都爬上樓梯后，向前行駛，穩(wěn)定后，后輪開始實現(xiàn)爬梯動作。帶傳動：“帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，由于 V 帶傳動允許的傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，所以采用 V 帶傳動” [22]。電機啟動，帶動 V 帶主動輪轉(zhuǎn)動，通過帶傳遞動力，從動輪轉(zhuǎn)動，和從動輪相連接的車體部分轉(zhuǎn)向，帶動輪腿實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。重心調(diào)整：平地行駛時由于地面的不平穩(wěn)，人在上面會不穩(wěn)；在爬梯時，重心發(fā)生改變，會導(dǎo)致人在座椅上不穩(wěn)，甚至發(fā)生危險，所以設(shè)計時加入自動導(dǎo)軌調(diào)平結(jié)構(gòu)，靠滾珠絲桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，絲桿上電機啟動，驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上的滾珠跟著轉(zhuǎn)動，帶動絲桿上的螺母前后移動，實現(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 對輪椅進行三維建模，按照設(shè)計尺寸進行各個零件的建模。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、機器、環(huán)境的相互作用，使機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)等因素對人的影響，強調(diào)以人為本 [23]。在進行產(chǎn)品設(shè)計時，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等。人類工效學(xué)主要研究人、人的生產(chǎn)和生活，強調(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 目標用戶分析輪椅的目標用戶是殘疾人及老年人，他們具有行動障礙，需要一個可以自動的不需要人幫助就可以行走及越障的輪椅。老年人的特點：運動反應(yīng)遲緩，記憶力降低，易產(chǎn)生抑郁、孤獨感，但具有很好的情緒控制力。殘疾人容易產(chǎn)生自卑和孤獨感，敏感多疑自尊心強，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)計要盡量讓他們坐在上面感覺舒服，長時間坐在上面不會疲勞。輪椅的驅(qū)動要簡單，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)計座椅的尺寸設(shè)計要根據(jù)人體的尺寸和結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，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標準適用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計，輪椅的座椅尺寸等設(shè)計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)衣時靜態(tài)測量的結(jié)果，在設(shè)計輪椅尺寸時要考慮人穿衣和轉(zhuǎn)動時的情況，留出設(shè)計余量。本次設(shè)計的輪椅的目標用戶主要是殘疾人和行動不便的老年人，他們運動少，所以身體的尺寸要比正常人大些。設(shè)計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)計時這些因素都要考慮進去 [25]。3.3.1 椅面的座寬尺寸設(shè)計座椅太窄人的臀部受到的壓強大，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)計的座寬要大于這個數(shù)，座椅過寬又會增加輪椅上部的重量，導(dǎo)致和輪子承擔的力大。所以座寬設(shè)計 400mm。3.3.2 坐深尺寸設(shè)計坐深是椅面的前后距離。這個設(shè)計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，座位的邊緣不能影響小腿的與運動。坐深設(shè)計尺寸為430mm。3.3.3 靠背高度尺寸設(shè)計人坐在輪椅上要經(jīng)?？吭诳勘成希糠謿埣踩撕屠夏耆吮巢恳彩怯屑膊〉?，靠背的設(shè)計要達到接近肩部，坐姿肩高約 500mm 到 600mm。頭部長時間倚靠會導(dǎo)致頸部和頭部的不適，時間長還會導(dǎo)致頸部疾病。所以靠背不要超過頸部，針對頭部需要倚靠的用戶在靠背上方設(shè)計了一個可以自由旋轉(zhuǎn)的心形靠墊（為什么設(shè)計成心形：心形底部尺寸小，頭部靠上去時，頸部不會靠上去，不會影響頸部的活動，心形美觀，充滿愛心和關(guān)懷），需要時把它移上去，不需要時挪下來?？勘掣叨鹊脑O(shè)計尺寸為 580mm。3.3.4 靠背寬度尺寸設(shè)計比人的背部寬，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)計出于安全考慮和支撐手臂，輪椅必須有扶手。扶手設(shè)計成活動的，不需要時可以轉(zhuǎn)上去放在靠背上。扶手的形狀設(shè)計成快滿月的月牙形，扶手的上半面設(shè)計成一個弧度很小的碗狀，人坐在上面時手臂自然放在里面，這部分的材料是柔軟的，如果設(shè)計成長方形，扶手面是平的，手臂放上去會不舒服；扶手的下半面是一個弧度大的碗狀，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，扶手間距寸的設(shè)計 540 mm。扶手過高，手臂不能自然放置，會導(dǎo)致肩部的不適；扶手過低，起不到支撐作用。扶手高度設(shè)計尺寸為 200 mm。扶手長度要比人體的小臂長，設(shè)計尺寸為 300 mm。3.3.6 靠背與座面夾角設(shè)計表 3-3 不同姿勢下第 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，人體坐姿是決定椎間盤壓力的主要因素，當腰椎支撐在靠背上時，軀干與大腿呈 115 度角時，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)計為 115度。3.3.7 椅面傾角設(shè)計很多椅子是沒有椅面傾角的，這樣的設(shè)計是不符合人機工程學(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更舒服。所以椅面傾角選擇 5 度。姿勢 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看到紅色。藍色安全、健康、寧靜，所以輪椅的正面的主顏色選擇深藍色。3.3.10 椅面材料選擇與分析座椅的椅面應(yīng)該平坦堅實，以保證臀部壓力的合理分布。松軟的材料，會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，人坐在堅實平坦的椅面上，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)機構(gòu)尺寸設(shè)計根據(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。機械腿的長度設(shè)計為 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)計與計算4.1 主要參數(shù)設(shè)計表 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 電機選擇4.2.1 選擇電動機類型輪椅機構(gòu)中共有 13 個電機，輪椅要實現(xiàn)越障功能，實現(xiàn)在多種常見的路面上行駛，所以對電機的要求比較高，要有大的轉(zhuǎn)矩，效率較高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能好。永磁直流無刷電機有許多優(yōu)點，如干擾小、運行壽命長、調(diào)速性能好/控制方法多、輸出轉(zhuǎn)巨大、過載能力強、調(diào)速范圍寬、啟動響應(yīng)塊、運行平穩(wěn)、效率高等 [30]。選擇直流無刷電機可以達到設(shè)計的要求。本輪椅設(shè)計中電機選擇濟南海舟電機有限公司生產(chǎn)的 ZW 系列無刷電機60DBL 系列直流無刷。濟南海舟電機有限公司，是國內(nèi)第一家生產(chǎn)直流電機的廠家公司，他們還可以根據(jù)客戶的需求定做電機的軸徑、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)動輪半徑/mm 200驅(qū)動輪寬度/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)計會有 13 個直流電機，四個驅(qū)動輪上各一個，四個用來抬起的電機，四個 V 帶輪上各一個，滾珠絲杠上一個。輪子上的電機用于驅(qū)動輪椅在水平路面上直線行走；越障和 V 帶上的電機實現(xiàn)輪腿的旋轉(zhuǎn)和上升運動?？祻?fù)機構(gòu)的電機選擇：因為康復(fù)機構(gòu)主要的幫助小腿進行康復(fù)運動。所以電機的速度要比較低，考慮到殘疾人的身體狀況，電機的轉(zhuǎn)速小于 60r/min。所以這個電機選擇深圳市踢踢電子有限公司生產(chǎn)的直流減速電機 GM25-370。GM25，25GA 系列永磁直流減速電機采用高性能電機及高效齒輪箱，具有體積小、低噪音、大扭力、較寬的調(diào)速范圍等優(yōu)點。 廣泛適用于傳感控制、自動窗簾、考勤機、售貨機和點鈔機等。4.2.2 電機選擇計算人體質(zhì)量估算 50 kg。輪椅質(zhì)量 130 kg，所以輪子承擔質(zhì)量是 180 kg。輪椅有四個輪，一個輪子承擔重量 45 kg。 摩擦因數(shù) μ = 0.25，g=9.8N/kg。摩擦力計算 F = μmg = 0.25 × 45 × 9.8 = 110.25 N。力矩計算 T = F R = 110.25 × 200 = 22050 N.mm = 22.05 N.m。所以，驅(qū)動輪上的電機轉(zhuǎn)矩選擇為 25 N.m。功率計算 P = F v = 110.25 × 2 m/s = 220.5 W。所以，驅(qū)動輪電機功率選擇 500 W ，轉(zhuǎn)速選擇 200 r/min。 V 帶電機的參數(shù)選擇，功率 1600 W，轉(zhuǎn)速 1200 r/min。抬輪子電機選擇，抬腿高度約 400 mm，抬腿重力約 100 N。速度 0.2 m/s，所以電機功率 20 W，轉(zhuǎn)速 100 r/min。絲杠電機選擇，絲杠長度，直徑 25 mm。功率 100 W，轉(zhuǎn)速 100 r/min?？祻?fù)機構(gòu)上的電機選擇型號 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4.3.1 軸的材料選擇碳鋼價格便宜，應(yīng)力集中的敏感性較低，本次設(shè)計軸的材料選擇 45 鋼。4.3.2 軸的計算與校核為了有足夠的抗磨損和抗點蝕的能力,硬度應(yīng)為 250-350 HBS，所以采用調(diào)質(zhì)處理 [31]。根據(jù)第九版機械設(shè)計 358 頁表 15-1 查得 45 鋼的抗拉強度極限 = 640 B?MPa ,屈服強度極限 = 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)強度條件計算，軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 （4-1）??Tn????3T0.2dP95W則有，軸的直徑（4-2） 3nPAd??根據(jù)式 4-2 計算和驅(qū)動電機相連的軸，所以 d ≥ 14.25 mm。取軸的直徑為 20 mm。軸的校核，對扭轉(zhuǎn)應(yīng)力強度校核，校核公式（4-3）PWT??軸的兩端為危險截面，應(yīng)對它進行扭應(yīng)力強度較核：（4-4）][maxa????P18。KN024.875.230.95max ???（4-5） 16dWp?。3058.mp?][.Tax??由此可知強度符合要求，設(shè)計合理。和轉(zhuǎn)向電機相連的軸的計算，所以，d ≥ 8.33mm。取軸的直徑為 20 mm。 N96.5809max??][7.3TT??由此可知強度符合要求，設(shè)計合理。4.4 鍵的設(shè)計根據(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4.5.1 軸承的選擇由《機械設(shè)計課程設(shè)計》 144頁，選用 GB/T 276-1994 深溝球軸承。在軸承代號6204。4.5.2 軸承的壽命計算軸承壽命計算公式為：（4-6） tPCnL???????601——基本額定動載荷，由《機械零件設(shè)計手冊》 查得 =2.30；C C19——當量動載荷，由《機械設(shè)計》查得 ；P ??arPYFXf??——載荷系數(shù)，由《機械設(shè)計》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)計要求。 4.6 V 帶的計算帶輪材料選擇 HT 200。4.6.1 確定計算功率查《機械設(shè)計》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)《機械設(shè)計》圖 8-11 選用 A 型 V 帶。4.6.3 確定帶輪的基準直徑并驗算帶速根據(jù) 《機械設(shè)計》 表 8-7 初選小帶輪基準直徑 = 75mm，由表 8-9 確定1d= 90mm。1d（4-7）12dn?已知 ，所以， = = 90 mm。21n?1d220驗算帶速 v，（4-8）106??ndv?sm/5.29因為 5 m/s 120 。1?4.6.6 計算帶的根數(shù)由《機械設(shè)計》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 計算壓軸力 Fzp 42.187sin)(2)(m0min??4.6.9 主要設(shè)計結(jié)論選用 A 型普 3 通 V 帶 3 根，帶基準長度 1100mm，帶基準直徑 = = 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)計套筒的尺寸要根據(jù)電機尺寸和輪子尺寸進行設(shè)計,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。圖 4-1 套筒設(shè)計圖4.8 輪架和機架的設(shè)計機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)計時對輪架和機架進行強度校核，它們的材料選擇 HT 150，所以強度極限 = 150 MPa。B?按式 4-15 對尺寸進行設(shè)計，（4-15）?FA?所以機架的寬度設(shè)計為 20mm，輪架設(shè)計成弓形橋形狀的結(jié)構(gòu)，為了可以承擔更多的重量。為了減輕重量和節(jié)省材料，輪架上面設(shè)計有 4 個均勻的孔。圖 4-2 為輪架的設(shè)計。圖 4-2 輪架的設(shè)計圖4.9 輪子的設(shè)計四個輪子的結(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)機構(gòu)設(shè)計輪椅不僅是一個代步工具，它還是一個康復(fù)工具。一個符合殘疾人心理特點和需求的輪椅，應(yīng)該幫助他們進行肢體的活動和康復(fù)。為了更快的幫助患者進行康復(fù)，輪椅設(shè)計了康復(fù)機構(gòu)。下肢康復(fù)訓(xùn)練輔具屬于服務(wù)機器人的范疇，是采用機器人技術(shù)幫助患者進行康復(fù)訓(xùn)練，達到恢復(fù)正常行走功能的目的 [32]?？祻?fù)機構(gòu)主要是針對下肢小腿的訓(xùn)練，是一個可以穿戴的機械腿，機械腿小腿部分可以活動，通過電機驅(qū)動，可以幫助患者實現(xiàn)小腿的運動。機械腿通過螺栓和與連接板固定在座位上，機械腿側(cè)面的連桿與旋轉(zhuǎn)軸相連。小腿的活動用電機驅(qū)動，電機和軸相連，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)帶動連桿擺動，實現(xiàn)機械腿的運動。人坐在輪椅上，小腿可以套在機械腿上，借助機械腿，小腿可以實現(xiàn)上下轉(zhuǎn)動?？祻?fù)腿模型只有小腿，包含兩個關(guān)節(jié)環(huán)，上面開孔以方便調(diào)節(jié)尺寸，因為人的腿長不一樣，尺寸可體調(diào)節(jié)可以方便更多的使用者使用。兩條機械腿可以擺動，可以完成一個擺動序列，擺動最大角度可為 45 度，保證人正?；顒?，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械腿。4.10.1 膝關(guān)節(jié)設(shè)計膝關(guān)節(jié)有一個自由度，可以協(xié)助人體完成較大幅度的屈伸活動。膝關(guān)節(jié)由三個圓環(huán)組合，三個圓環(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)計腳踝部分也要設(shè)計成環(huán)形，也可以進行回轉(zhuǎn)運動。設(shè)計時要注意方便腳部進行上下左右的自由運動，不允許出現(xiàn)腳部不舒適的情況。4.10.3 腳部的設(shè)計25腳部是一個長方體，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)動通過踝關(guān)節(jié)環(huán)實現(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)計連接部分是通過旋轉(zhuǎn)連接器實現(xiàn)的，通過旋轉(zhuǎn)連接器將膝關(guān)節(jié)和腳踝連接在一起，單個腿需要兩個旋轉(zhuǎn)連接器。每個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，可以實現(xiàn)兩部分的連接。側(cè)面固定在連桿機構(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)的機械相關(guān)的知識,并采用計算機輔助設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析等一系列先進的設(shè)計方法，對自動輪椅進行了設(shè)計，輪椅的設(shè)計融入了 V 帶傳動，連桿機構(gòu)，滾珠絲杠等常見機械元素。將機械與實際生活相結(jié)合，設(shè)計了符合人因工程的自動輪椅。自動輪椅座椅等部分的設(shè)計，以座椅舒適性為目標，結(jié)合大量的人體尺寸標準對座椅舒適性進行了研究。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價標準，我從學(xué)校的圖書館收集了許多關(guān)于人機工程學(xué)和設(shè)計的書籍，并參考了許多有價值的文獻，在對座椅舒適性理論進行歸納總結(jié)基礎(chǔ)上，把舒適性理論運用到本課題的輪椅舒適性研究中。本次設(shè)計繪制了自動座椅的總裝配圖，機械部分裝配圖，康復(fù)機構(gòu)裝配圖。并利用 UG 建模軟件對自動輪椅進行了三維建模。本次設(shè)計將自己學(xué)過的知識重新進行了回顧和應(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，機械設(shè)計也不是簡單的零件的選擇，要考慮很多實際的問題，如各個機構(gòu)的配合，實際生產(chǎn)的技術(shù)問題等。先構(gòu)思輪椅的大致構(gòu)成，要實現(xiàn)什么功能，加入什么機構(gòu)，工作原理是什么樣的。之后對確定的零件進行設(shè)計，軸的計算與校核，V 帶的選擇等等，之后繪制零件圖。但是在繪制裝配圖時發(fā)現(xiàn)有些零件設(shè)計的是不合理的，沒有考慮總體的機構(gòu)，如 V 帶的確定，沒有考慮輪椅整體的長度，在總體設(shè)計時，又進行了參數(shù)的調(diào)整。我設(shè)計的自動輪椅，還有很大的改善和擴大功能的空間。可以加上一個按摩后背的裝置，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)計的思想建立數(shù)學(xué)模型，讓設(shè)計更加貼近人體的尺寸。高質(zhì)量的設(shè)計仍有待研究，未來我們所享受的設(shè)計，將充滿無限的新鮮和趣味！