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1、毕业设计题目：手推折叠轮椅的设计姓名：樊有鑫所在院系：机电工程学院专业班级：07机一指导老师：尹飞鸿2011年4月摘要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
2、限制，及各类参考文献中得出了最适合此类机构的是WatIl型六连杆机构，并且进行了应用材料确实定、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，并且没有别离的零件，不需使用任何拆卸工具即可以到达收折后体积小、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：手推折叠轮椅；Wattl六联杆机构；3D模型；有限元分析AbstractMostofthefoldingwheelchaircanonlybefoldedinlateraldirectionandth
3、efoldedvolumeisstilltoobigtocarryortotransportanditbecomesaterribleburdenforactivewheelchairusers.Therearetwoorthreefoldingwheelchairssellinginthemarket,whichcanbefoldedintothesizeofasuitcaseandiscalledassemblywheelchairZ,Theirmajordefectislengthyandcomplicatedassemblingprocedures.Everytimetheuserfo
4、ldsorunfoldsthewheelchair,atediousprocessmustbeconducted,whichcausessevereproblemstodailywheelchairusers.Thisresearchdevelopedalinkage-typeportablewheelchair.AnoptimalWatt-Isix-barmechanismwasfoundaccordingtothedesignrequirementsanddesignconstraints.Afull-sizemockupwasbuiltafterthedimensionalanalysi
5、swasaccomplished.Theportablewheelchairdevelopedinthisresearchhasone-DOFwithnoseparatedparts.Itrequiresnotoolstooperate.Thenewdesignhascompactfoldedvolumeandlightweight.Itiseasytooperateandcanbedraggedlikealuggagecase.Therefore,itisanidealmobiletoolforeldersandhandicappedpersons.Keywords：hand-pushwhe
6、elchair；Watt-Isix-bar;3DModel;Finiteelementanalysis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，而产品设计那么是关键。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；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、经济性及平安性。1.1 折叠轮椅的研究现状由于
7、现代医学的开展和进步，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，其身体各局部器官正逐渐退化，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。根据中华人民共和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开展报告提供的数据，2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达ll%o世界上60岁以上人口超过1亿的只有中国。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增。在60岁以上的老年人口中，有相当
8、一局部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。另据第二次全国残疾人抽样调查数据推算，全国各类残疾人的总数为8296万人。其中肢体残疾有2412万人，占29.07%；多重残疾1352万人，占16.30%。在肢体残疾和多重残疾的群体中，有相当一局部在生活、工作中，在治疗疾病和康复训练中，也需要使用轮椅。如今，随着老年群体病人的增加，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。1.2 设计所需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平安标准是相当重视的。而经过现有的手推型轮椅收折机构的分类和分析后，
9、本课题所涉及的主要内容有：（1）需通过200Kg的配重检验，以到达平安标准的相关规定；（2）能产生导引轮椅翻转收折的动作机构；13）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，到达轻量化的设计。第二章折叠轮椅的方案选择2.1 折叠轮椅的结构方案归纳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。(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(cro
10、ssingpairs),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，到达收折的效用，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(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，假设将后杆10视为地杆，可将此收折机构归纳为Wattl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
11、著的效果，单一动作即可到达轮椅的展开或收折，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预情形，左右的梯接位置不同，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，但是所到达的成效并
12、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 折叠轮椅的结构设计本课题所设计的手推式折叠轮椅，如下图2.2.1,此型轮椅为连杆数6、接头数7的图2.2.1手推式折叠轮椅的结构设计图如下图，活动构件数为5,低副数PL=7,没有高副，故自由度F=3n-2PL-PH=3X5-27-0=1o第三章折叠轮椅的材料选择与力学分析3.1 根据强度理论选择折叠轮椅的材料取一等截面直杆，在其外表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。从杆件外表可观察到：ab和Cd直线分别平
13、移至albl和Cldl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。根据观察到的外表现象，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。如下图3.1.1bl图3.1.1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,那么该横截面上的正应力为=NA(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
14、证杆件正常工作，那么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b=今cr(MPa)式中b表示杆件材料的许用应力，MPao本设计的轮椅主结构将采用直径为2CM管材，截面积A=-J2=314(mn),假设需4通过20Okg的重量，那么b=63.7(MPa).目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝A合金管材，其最大的抗拉强度是370M2,即最大许用应力为370M2,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。3.2 根据刚度理论选择折叠轮椅的材料圆轴扭转时的刚度条件为：圆轴的最大单位长度扭转角m不超过许用单位长度扭转T角内，即(rad)O/
15、PTQ1000T180,或Omax=F-X6()mGlp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axW或ax网式中，y和分别为许用挠度和许用转角。扭转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，如下图3.2.IoMeMC图3.2.1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O表示，0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，外表纵向线的倾斜角用/表示。如下
16、图322图3.2.2杆件扭转时的变形Jrd 4又(1 Ci) 0.1(74(I-Gf4)32所用的硬铝合金管材的许用单位长度扭转角。二1()m,切变模量G=8l(m,(mm4),根据上面的公式，得。a=理更X图二GIp0.73(o)m=1(o)m所以，该硬铝合金管材的刚度足够。弯曲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3.2.3(a),(b)所示，图(a)所示为纯弯曲，图(b)所示为横力弯曲。图3.2.3杆件弯曲时的变形下
17、面着重介绍本设计的轮椅主结构梁的弯曲刚度。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下图3.2.4(a)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。(式中Iz截面的惯性矩，加l,W7抗弯截面模量，mn1)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z=之(1-/)，和抗弯截面模型WZ=贮(1-/)，根据弯曲时的刚度条件6432y,通过实验和分析，本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。第四章折叠轮椅的三维建模本轮椅设计的原那么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
18、此对于轮椅各局部的设计尺寸都采用大型轮椅的规格进行设计。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）展开全宽在60Omm内；（2）地板到扶手上方的最大尺度全高为90Omm之内；（3）地板到座位的高度为500mm；4）坐长尺寸为45Omm之内；（5）装置坐垫的两管内侧座宽尺度为45Omm之内；（6）从座管上方到扶手管上方的尺度为20Omm之内；（7）从坐垫到背靠上端的尺度为380mm之内；18）脚架的最低距离地高为50mm以上。根据以上数据，并利用UG4.0进行轮椅的3D绘图，将主体框架描述出来。图4.1折叠轮椅的3D结构模型图4.2手推折叠轮椅的侧视
19、图第五章折叠轮椅的有限元分析第六章折叠轮椅的设计和制作前景6.1 折叠轮椅的设计前景轮椅开发和生产技术随着社会的开展，也在快速的开展，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、功能多样等等方面开展。还有随着社会的开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，如西班牙、意大利等国，中国科学院自动化研究所也成功研制了一种具有视觉和口
20、令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。机器人轮椅关键技术是平安导航问题，采用的根本方法是靠超声波和红外测距，个别也采用了口令控制。超声波和红外导航的主要缺乏在于可控测范围有限，视觉导航可以克服这方面的缺乏。在机器人轮椅中，轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成局部。对使用者来说，机器人轮椅应具有与人交互的功能。这种交互功能可以很直观地通过人机语音对话来实现。尽管个别现有的移动轮椅可用简单的口令来控制，但真正具有交互功能的移动机器人和轮椅尚不多见。有理由相信，未来的轮椅设计领域将有广阔的开展空间。6.2 折叠轮椅的制作前景当今世界各大城市都面临老龄化问题，根据联合国预测，1990-20
21、20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。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会。许多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近20%。在他们当中，有相当多的人因行走不便不得不依靠轮椅才能够正常生活。我国轮椅产品在国际上的竞争力很强，其本钱优势比拟明显，从台湾地区“统计局”发布的对美出口的轮椅及代步车情况来看，我国大陆出口的轮椅及代步车价格普遍低于韩国和我国的台湾地区。2003年台湾对美的平均出口价为641美元/辆，韩国对美的平均出口价为526美元/辆，而我国大陆仅仅为377美元/辆。价格差距十分的明显。
22、不过正因为价格低廉，所以我国轮椅产品在国际上的竞争具有较大的优势，出口市场十分看好。我国轮椅的出口市场多且规模都不小，尤其是欧美、澳、日和一些中东、东南亚国家和地区。我国轮椅出口市场潜力还有待进一步开发，潜力巨大。参考文献1机械原理与机械设计张策北京：机械工业出版社，20042机械工程材料许德珠，朱起凡，吕惮北京：高等教育出版社，20013携带式轮椅的创新设计徐正会，吴家程中国台湾，20084折叠式轮椅的研发徐正会，黎淳弘中国台湾，20045连杆结构设计华大年，华继宏，吕静平上海：上海科技出版社，19956机械根底朱红雨北京：中国传媒大学出版社，20087机械设计吴克坚，于晓红，钱瑞明北京:高等教育出版社，20038现代设计理论与方法张鄂北京：科学出版社，20079现代设计方法赵松年，佟杰新，卢秀春北京：机械工业出版社，199910数控加工工艺韩鸿鸾，刘德成北京：中国电力出版社，2008
