緒論1.1課題背景及研究目的意義我國是全球人口大國，是人口數(shù)量最多的國家，人口問題復(fù)雜。伴隨著社會地進(jìn)步發(fā)展，我國人口老齡化問題越來越嚴(yán)重，尤其對行動不便的老年人的護(hù)理照顧問題逐漸成為全社會關(guān)注的熱點，良好解決此問題是全社會的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)[1]。按照世界衛(wèi)生組織的規(guī)定，65歲以上人口數(shù)占總?cè)丝跀?shù)量比率多于7%的社會稱為“老齡化社會”。從20世紀(jì)末以來，我國的人口老齡化速度不斷加快。65歲及從1990年到2000年10年之間，我國65歲及以上老年人口數(shù)量已經(jīng)從6299萬增長到8811萬，所占比率不斷攀升，占總?cè)丝诘谋壤龔?.57%增長到6.96%，目前我國人口已經(jīng)進(jìn)入老年型。預(yù)計到2040年，65歲及以上老年人口數(shù)量占總?cè)丝跀?shù)的比例可能超約20%。同時，老年人口高齡化趨勢日趨明顯：80歲及以上高齡老年人數(shù)量以每年5%的速度增長，預(yù)計2040年將要增長到7400多萬人次[2]。這一問是對我國老年人保障體系的挑戰(zhàn)。此外，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，交通事故和各種工程事故致殘人數(shù)在逐年增加。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，每年我國殘疾人數(shù)量大約增加70萬到80萬人次;也就是說，每個小時就會有近九十人由于意外事故致殘。根據(jù)2006年的第二次全國殘疾人人口普查數(shù)據(jù)估計，我國身體殘疾人數(shù)約占全國總?cè)藬?shù)的6.5%，其中肢體殘疾的殘障人士所占比例約為三分之一，龐大的殘障人士群體使得這一特殊群體的巨大的特殊需求急需保障。為了更好的解決行動不便的老年人和肢體殘疾的弱勢群體的日常行動等問題，研究出成熟的輔助工具成為社會的一大關(guān)注點。這不僅僅是技術(shù)問題，也是社會責(zé)任感的深切體現(xiàn)。因此，研究輪椅的便捷性、可靠性也成為了一大重要課題[3]。目前，國內(nèi)市場上提供輔助功能的輪椅工具主要有電動和手動兩類。手動輪椅結(jié)構(gòu)簡單，功能比較單一，對于老年人有一定操作難度，對于殘疾人等群體又不能滿足使用要求；而電動輪椅品類復(fù)雜，功能豐富，價格昂貴，其繁雜的功能對于使用者不具有特殊性，不能滿足不同情況使用者的需求。因此，優(yōu)化輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡化操作繁瑣程度，降低生產(chǎn)所需成本，制造出產(chǎn)品化的輪椅輔助工具是必要的[4][5]。能夠良好的滿足行動不便的老年人和殘疾人士的生理、心理需求，幫助他們改善生活質(zhì)量，引導(dǎo)他們更好地融入正常人的生活環(huán)境，減輕其家人和社會的負(fù)擔(dān)具有重大意義。1.2輪椅國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀關(guān)于輪椅的發(fā)展歷史，目前世界范圍內(nèi)公認(rèn)的最早的記錄有兩個，一個在中國南北朝時期，另一個是古希臘時期留存下來的花瓶上的描繪的是類似輪椅的圖案。1933年，因為美國的一位采礦工程師在工作中發(fā)生意外致使下肢癱瘓，之后在他的鄰居哈瑞·詹寧斯的熱心幫忙下，他們制作了世界上第一臺可折疊的便攜式輪椅，并提出了專利申請，之后兩人聯(lián)合成立了第一家輪椅生產(chǎn)公司。在1986年，英國開始投身于智能輪椅的研究之后，其他歐美國家以及日本紛紛效仿，加大在智能輪椅研究方面投入的資金。其中，一些發(fā)達(dá)國家，如美國、日本等公司研制的智能輪椅更是智能化程度高、交互性強、適應(yīng)性強。比如，美國WELLESLEY項目，給智能輪椅裝備計算機控制和傳感器，通過配備的計算機來實現(xiàn)人機交互的功能，這一研究在展覽會上取得極好的成績；法國VAHM項目將輪椅的控制方式詳細(xì)劃分為自動、半自動、手動三種模式，尤其輪椅處于自動模式時，智能化程度比較高，在市場上得到用戶青睞，其普及程度較其他產(chǎn)品也較高；西班牙SIAMO項目研究智能輪椅控制系統(tǒng)的模塊化，著重開發(fā)人機交互功能，便于用戶控制輪椅。而亞洲市場中，以日、韓的發(fā)展為引導(dǎo)，除了控制系統(tǒng)的深入研究外，日本推出了一款智能輪椅，在使用者上方，安裝了視覺傳感器，能夠很好的將環(huán)境信息反饋給使用者，便于其進(jìn)行操作避障。圖1.1美國WELLESLEY智能輪椅圖1.2法國VAHM智能輪椅從這些發(fā)展歷史中可以看到各公司的輪椅研究旨在實現(xiàn)更智能化和多樣化的功能，實現(xiàn)人機交互功能，總的來說是使輪椅使用者的使用體驗更加貼近正常人，日?；顒幽軌蚋毩?、便捷。對比國外的發(fā)展趨勢，我國在智能輪椅方向的研究開始比較晚，輪椅機構(gòu)的復(fù)雜程度也相對較低，靈活性也相對較弱，與國外發(fā)展水平相比有一定的差距。隨著我國人口老齡化加重、下肢殘疾人口數(shù)量不見減少，促使我國相關(guān)研究機構(gòu)研發(fā)出具有自身特色的輪椅機構(gòu)，技術(shù)更加接近國際水平，研究方向偏向于護(hù)理型輪椅輔助機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)輔助患者日常生活行動，具有優(yōu)良的智能識別避障能力，此外，也能實現(xiàn)人機交互，輔助使用者進(jìn)行簡單的戶外活動。中國科學(xué)院自動化研究所設(shè)計研發(fā)了一款具有口令和視覺導(dǎo)航功能、可以與人進(jìn)行語音交互的智能輪椅。這款智能輪椅的設(shè)計研發(fā)側(cè)重方向是人機控制界面的開發(fā)設(shè)計,在系統(tǒng)的研發(fā)中綜合運用模式識別實驗室有關(guān)圖像處理、計算機視覺和語音識別等科研成果,使人可以通過語音控制輪椅的行進(jìn)方向,還能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的人機對話。哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計的可如廁多功能輪椅可以折疊成床，輔助使用者上下床，實現(xiàn)如廁功能，背靠板、腿托板角度可調(diào)節(jié)，前后輪輪距可調(diào)節(jié)等這多細(xì)節(jié)設(shè)計。圖1.3中國科學(xué)院自動化研究所研制圖1.4哈爾濱工程大學(xué)可如廁輪椅中科院自動化研究所、上海交通大學(xué)等高校、研究院在智能輪椅的研究上具有自身特色，總的來說，圍繞輔助性這一關(guān)鍵點多方位發(fā)展，更好的服務(wù)于老年人、殘疾人。通過以上研究說明，目前，輪椅的研究方向智能化、模塊化、人性化、產(chǎn)品化。（1）對于智能化來說，輪椅發(fā)展至今已不是這一群體的代步工具，除了基本的自動行走，要進(jìn)一步提高智能性，優(yōu)化控制算法，加強人機交互能力，可以實現(xiàn)使用者通過簡單的表達(dá)控制輪椅執(zhí)行下一步的動作，輔助使用者完成簡單的家務(wù)、進(jìn)行簡單的戶外活動等；（2）模塊化層次上，將整個系統(tǒng)劃分為各個功能模塊，可以根據(jù)人群相異的實際需要，組合出不同功能的產(chǎn)品，控制成本，降低價格的同時，對于實現(xiàn)輪椅的兼容性、產(chǎn)品化具有重大意義；（3）人性化方面，設(shè)計不僅要滿足使用者的生理需求，也應(yīng)該充分照顧到這一特殊群體的心理需求，追求更好的舒適性、便捷性；（4）產(chǎn)品化方面，采用開放式的結(jié)構(gòu)、差異化配置、個性化等要求呼聲越來越大，使用者也期望在生理和心理兩面都符合自身需求，而個性化的設(shè)計可以根據(jù)不同使用者組合不同的產(chǎn)品，滿足不同用戶對安全性的不同要求，更加契合其使用需求，也會在價格方面更容易被接受，而不會出現(xiàn)被價格勸退和輪椅功能浪費的情況。1.3本文的主要研究內(nèi)容鑒于市面上大多數(shù)輪椅都是普通輪椅，只能滿足代步的需求，為了解決行動不便的老年人及殘疾人群，本文設(shè)計一款可折疊，并且可實現(xiàn)如廁功能的便捷輪椅，此外并具有普通輪椅的行走功能。同時，設(shè)計應(yīng)滿足基本要求：一是，滿足輪椅設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，符合國家輪椅器械標(biāo)準(zhǔn)，可靠性、安全性有保證，同時兼顧用戶體驗的舒適性；二是，便捷輪椅的機構(gòu)設(shè)計要人性化、功能化、便捷化，能實現(xiàn)代步、如廁等要求。因此，本文的主要研究內(nèi)容如下：通過查閱文獻(xiàn)資料和市場調(diào)研，明確國內(nèi)輪椅研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，融合市場上現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)點，結(jié)合此類弱勢群體的實際使用輪椅時面臨的問題，確認(rèn)整體設(shè)計方案為設(shè)計一款具有如廁、折疊、升降功能，同時具有普通輪椅的行走功能的多功能便捷輪椅,并實現(xiàn)使用者的簡單轉(zhuǎn)移功能，根據(jù)國家輪椅器械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和人機工程學(xué)確定整體設(shè)計方案以及各模塊總體尺寸參數(shù)等指標(biāo)，根據(jù)各模塊功能選擇電機型號。(2)根據(jù)模塊化設(shè)計方法，設(shè)計便捷輪椅的折疊機構(gòu)、升降機構(gòu)、如廁機構(gòu)、轉(zhuǎn)移機構(gòu)和行走機構(gòu);對各功能模塊進(jìn)行詳細(xì)的機構(gòu)分析，在SolidWorks環(huán)境下進(jìn)行虛擬三維建模，在裝配過程中驗證各機構(gòu)之間是否存在干涉，保證產(chǎn)品的合理性、可靠性、順滑性，對支撐件、連接件等關(guān)鍵部件受力分析，驗證機構(gòu)的安全性、合理性并對機構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。第2章總體設(shè)計方案2.1引言輪椅的設(shè)計是一種具有創(chuàng)造性的活動，旨在滿足行動不便的老年人或者殘疾人的生理需求。在設(shè)計之前，要充分了解用戶的使用需求，調(diào)查市場上此類產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。本文的便捷輪椅設(shè)計主要實現(xiàn)升降、折疊、如廁、轉(zhuǎn)移功能，從而幫助尤其是下肢能力障礙的弱勢群體生活更加方便，可以實現(xiàn)在無人幫助的情況下從床上到輪椅上的轉(zhuǎn)移、如廁等日常行為[6]。通過機械原理和機械設(shè)計等課程的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)理論和方法，尋找解決問題、實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的途徑。針對這些功能要求，本章將敘述設(shè)計中執(zhí)行的國家輪椅器械標(biāo)準(zhǔn)、人機工程學(xué)理論和我國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，將此類標(biāo)準(zhǔn)和機械設(shè)計方法結(jié)合在一起，設(shè)計便捷輪椅的機構(gòu)構(gòu)型，并確定關(guān)鍵的機構(gòu)部件尺寸。2.2國內(nèi)市場中輪椅機構(gòu)分析查閱輪椅專利資料，分析市場中現(xiàn)有的輪椅主要機構(gòu)如下：1.水平升降式機構(gòu)對于乘坐輪椅的人來說，坐姿狀態(tài)下自身所能觸及的范圍非常有限，這給生活帶來了極大的不便。在輪椅座椅下方設(shè)計一個升降機構(gòu)，通過電機帶動升降機構(gòu)的運動，推動座椅在一定范圍內(nèi)上下移動。設(shè)計中要考慮到升降機構(gòu)的支撐是否會帶來輪椅側(cè)翻的風(fēng)險，因此，設(shè)計時要保證機構(gòu)運動的安全性，升降機構(gòu)和輪椅座椅的接觸面積要大，支撐點要對稱，防止側(cè)翻發(fā)生給輪椅使用者帶來的危害。圖2.1升降機構(gòu)輪椅①圖2.2升降機構(gòu)輪椅②2.爬樓機構(gòu)國外對于爬樓機構(gòu)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于國內(nèi)，技術(shù)也相對成熟。近幾年來，國內(nèi)的研究也取得許多成果，主要的爬樓機構(gòu)有履帶式、星輪式、步進(jìn)式。爬樓機構(gòu)的出現(xiàn)很大程度上擴(kuò)大了輪椅的使用場景，增強了輪椅的越障能力，這對行動不便的老年人和殘疾人來說是一大進(jìn)步。但目前來說，類似機構(gòu)輪椅機構(gòu)復(fù)雜，成本較大，價格也相對昂貴，機構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性也是一個核心問題，除此之外，像履帶式結(jié)構(gòu)在使用中磨損較大，這也是爬樓機構(gòu)的一些缺點。圖2.3履帶式爬樓輪椅圖2.4星輪式爬樓輪椅3.折疊機構(gòu)折疊機構(gòu)的出現(xiàn)，主要用在輪椅靠背和腿部支撐的角度調(diào)節(jié)，可以讓使用者根據(jù)自身習(xí)慣調(diào)整出最舒適的坐姿，減輕長期保持坐姿給身體帶來的危害，也可在兩者調(diào)節(jié)的配合下，將輪椅調(diào)整成輪椅床，方便使用者坐姿和躺姿的變換，也便于其獨立完成從床上到輪椅上的轉(zhuǎn)移。圖2.5可折疊輪椅4.輔助站立機構(gòu)輔助站立機構(gòu)能給使用者帶來諸多生活上的便利。但是設(shè)計時要充分考慮從坐姿到站姿變換中重心的穩(wěn)定性問題，保證機構(gòu)使用的安全性。輔助站立機構(gòu)一般要與折疊機構(gòu)配合使用，先將輪椅靠背、座椅和腿部支撐調(diào)成同一水平面內(nèi)，再通過支撐，將形成的平板支撐到一定傾斜角度，達(dá)到站立的效果。圖2.6可站立式輪椅2.3產(chǎn)品設(shè)計需求及標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計需求的分析是實現(xiàn)設(shè)計的重要一環(huán)。產(chǎn)品需求可以指導(dǎo)設(shè)計的方向，規(guī)劃產(chǎn)品的設(shè)計方案，使產(chǎn)品更加具有市場競爭力。便捷輪椅作為輔助行走和日常生活的設(shè)備，目的在于解決行動不便的老年人和殘疾人日?；顒硬环奖愕膯栴}，根據(jù)這類弱勢群體心理和生理需求，便捷輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要符合國內(nèi)研究趨勢，整合市場中輪椅的優(yōu)點，改進(jìn)其主要缺點，簡化輪椅操作方式，同時必須充分兼顧安全性、舒適性等要求，據(jù)此確定設(shè)計的總體方案。本文設(shè)計的便捷輪椅將依據(jù)國家輪椅器械有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和人機工程學(xué)相關(guān)理論作為輪椅設(shè)計的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮設(shè)計的外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)、安全性、便捷性、舒適性和標(biāo)準(zhǔn)化原則，設(shè)計一款具有折疊功能、如廁功能、患者轉(zhuǎn)移功能和行走功能的便捷輪椅。此外，要充分考慮使用者的生理和心理需求。肢體殘疾的弱勢群體通常無法正常進(jìn)行日?；顒?，與常人的不一樣，使他們不僅在身體上有重大負(fù)擔(dān)，心理上也會感到自卑和焦慮。輪椅此類輔助工具可以很好的滿足他們的生理需求，讓他們和正常人的生活方式更貼近一步，這也能給他們心里帶來安慰，增強自尊心和自信心，減輕他們的自卑感。同時，對于此類人群，坐姿是他們長時間保持的姿態(tài)，而久坐又給身體帶來更大的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時會影響到人體健康。因此，設(shè)計中要同時考慮到使用者的心理和生理需求，將人性化的設(shè)計加入到便捷輪椅中，比如，簡單的坐姿調(diào)整機構(gòu)，便于使用者調(diào)整坐姿，增加舒適度等。2.3.1人機工程學(xué)概述人機工程學(xué)[7]產(chǎn)生于歐洲，在美國得到發(fā)展并走向成熟?！叭藱C工程學(xué)”的定義可以總結(jié)為：研究人、機器、環(huán)境組成的系統(tǒng)，綜合運用人體測量學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、工程技術(shù)等知識，研究三者相互聯(lián)系而產(chǎn)生的關(guān)系，提供簡化操作、簡單安全、高效舒適的人—機—環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的理論和方法，創(chuàng)造出更加舒適、安全的工作環(huán)境，使工作效率達(dá)到更高的水平。這個系統(tǒng)中，人、機、環(huán)境三個要素之間相互作用的關(guān)系決定著系統(tǒng)總體的性能。我國對人機工程學(xué)研究起步較晚，但是發(fā)展較為迅速。目前，這門學(xué)科的研究已經(jīng)深入諸多領(lǐng)域，并在交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)等大量領(lǐng)域得到實際應(yīng)用，也實現(xiàn)了本學(xué)科和工程技術(shù)相關(guān)學(xué)科的交融滲透，并不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。在本文設(shè)計的“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)中，“人”指的是行動不便的老年人及殘疾人等，“機”指便捷輪椅機構(gòu)，“環(huán)境”指的是使用者使用輪椅時所在的室內(nèi)或室外環(huán)境[8]。將人機工程學(xué)融入到本文便捷輪椅的設(shè)計中，使產(chǎn)品更加人性化，提升使用的安全性、舒適性。2.3.2國家輪椅器械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在本文設(shè)計中，確定便捷輪椅的主要尺寸時，參考《GB/T12996-2012電動輪椅車》和《GB/T18029.6-2009輪椅車第6部分：電動輪椅車最大速度、加速度和減速度的測定》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如下表2.1和表2.2所示。表2.1中涉及室內(nèi)、外型和道路型，本文設(shè)計參考道路型，取總長度低于1600mm，總寬度低于750mm。表2.1電動輪椅外形尺寸室內(nèi)、外型/mm道路型/mm總長≤1200≤1600總寬≤700≤750總高≤1200—表2.2電動輪椅最大行駛速度和最大加速度最大行駛速度/m/s最大加速度/m/s2水平路面1.661.3傾斜路面10°0.8國家成年人人體尺寸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)和人體尺寸很大程度決定人使用機械器具時是否舒適、便捷[9]。人體尺寸是便捷輪椅尺寸確定的基礎(chǔ)。在本文的設(shè)計中，人體尺寸參考國標(biāo)《GB10000-88中國成年人人體尺寸》，具體數(shù)據(jù)如圖2.7、圖2.8、圖2.9、圖2.10和表2.3、表2.4、表2.5所示。圖2.7人體主要尺寸圖2.8人體坐姿主要尺寸表2.3中國成年人人體主要尺寸（mm）男（18～60周歲）女（18～55周歲）測量項目5%10%50%90%95%5%10%50%90%95%4.1.1身高15831604167817541775148415031570164016594.1.2體重485059717542445263664.1.3上臂長2892943133333382622672843033084.1.4前臂長2162202372532581931982132292344.1.5大腿長4284364654965054024104384674764.1.6小腿長338344369396403313319344370376表2.4中國成年人坐姿尺寸（mm）男（18～60周歲）女（18～55周歲）測量項目5%10%50%90%95%5%10%50%90%95%4.3.1坐高8588709089479588098198558919014.3.2頸椎點高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下肢長92193799210461063851865912960975圖2.9人體側(cè)向尺寸圖2.10人體水平尺寸表2.5中國成年人人體側(cè)向和正向尺寸（mm）男（18～60周歲）女（18～55周歲）測量項目5%10%50%90%95%5%10%50%90%95%4.4.1坐高2532592803073152332392602892994.4.2坐姿頸椎高1861912122372451701761992302394.4.3坐姿眼高3443513753974033203283513713774.4.4坐姿肩高3984054314604693633713974284384.4.5坐姿頸肘高2822883063273342902963173403464.4.8小腿加足高7918068679449707457608259199494.4.9坐深6506657358598956596807729049504.4.10臀膝距8058208759489708248409009751000便捷輪椅設(shè)計數(shù)據(jù)選取應(yīng)符合大多數(shù)使用者的情況，因此，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，取男性百分位數(shù)為95的數(shù)據(jù)作為設(shè)計數(shù)據(jù)上限值，保證便捷輪椅的設(shè)計具有普遍適用性。2.4便捷輪椅功能需求及機構(gòu)方案2.4.1便捷輪椅功能需求分析綜合輪椅設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀和使用者實際訴求，得出便捷輪椅基本功能需求如下：（1）行走功能。行動不便的老年人和殘疾人生活中最大的問題就是如何正常行動，在各種生活場景下，這個問題都是個亟待解決的困難，良好的行走功能可以幫助他們行動，也是輪椅最基本的、必須的功能。（2）升降功能。傳統(tǒng)輪椅功能單一，對于使用者來說，很多場景依舊需要他人的輔助，比如說從床上轉(zhuǎn)移到輪椅上，拿高處的物品等問題，升降功能可以很好地使輪椅與床平齊，能夠良好的實現(xiàn)人從床到輪椅的轉(zhuǎn)移，也可以滿足使用者取放一定高度物品的需求。（3）如廁功能。對于行動不便的老年人和殘疾人來說，他們要長期坐在輪椅上，具有如廁功能可以讓他們生活更加便捷，增加其獨立生活的能力，實現(xiàn)這一功能使輪椅的設(shè)計更加人性化。（4）折疊功能。長期使用輪椅對使用者的身體也是一種負(fù)擔(dān)，因此設(shè)計輪椅時，將背靠和腳踏板設(shè)計成可活動、折疊的機構(gòu)，方便使用者調(diào)節(jié)角度，減輕身體負(fù)擔(dān)，不但滿足使用者的需求，更考慮其使用體驗，使產(chǎn)品向人性化方向發(fā)展，提升舒適性[10]-[12]。2.4.2便捷輪椅機構(gòu)方案1-扶手2-坐便蓋3-靠背4-升降桿5-升降底架6-外骨架7-輪椅底架8-腿部支撐圖2.11便捷輪椅總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.11所示，為便捷輪椅總體結(jié)構(gòu)示意圖，具體包括靠背3、扶手1、座椅、坐便蓋2、便盆、升降連桿4、底架7、外骨架6、腿部支撐8、腳托等結(jié)構(gòu)?？勘场⒎鍪?、坐便機構(gòu)連接座椅，靠背可進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，保證患者舒適度的同時，可以放平靠背，配合腿部支撐的調(diào)節(jié)，組成輪椅床，方便患者的使用；坐便蓋可取下，方便患者快速便捷實現(xiàn)如廁功能；升降桿下端連接底架，通過電動推桿實現(xiàn)座椅機構(gòu)的升降功能；腿部支撐連接在外骨架上，可通過電動推桿調(diào)節(jié)角度，與上述機構(gòu)配合，實現(xiàn)坐姿、躺姿變換。圖2.12便捷輪椅機構(gòu)運動簡圖（機構(gòu)簡化）如圖2.12所示，為便捷輪椅機構(gòu)運動簡圖（機構(gòu)簡化）。此機構(gòu)一共有6個活動構(gòu)件和8個平面低副組成。根據(jù)平面機構(gòu)自由度公式，計算其自由度：F=3（2—1）式中，F(xiàn)為機構(gòu)自由度，n為活動構(gòu)件數(shù)目，pl為平面低副數(shù)目，ph為平面高副數(shù)目。本機構(gòu)活動構(gòu)件數(shù)為6，低副數(shù)目為8，高副數(shù)目為0，所示機構(gòu)自由度為2，所需原動件數(shù)目為2。2.5便捷輪椅尺寸設(shè)計參數(shù)根據(jù)前面所述輪椅尺寸確定原則，參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最終確定便捷輪椅尺寸選取如表2.6所示。表2.6便捷輪椅尺寸設(shè)計參數(shù)輪椅參數(shù)名稱設(shè)計參數(shù)數(shù)值總長1112mm總高1000mm總寬656mm座椅高424mm座椅寬435mm座椅長425mm背靠調(diào)節(jié)角度70°腿托調(diào)節(jié)角度60°2.6本章小結(jié)本章內(nèi)容根據(jù)輪椅功能需求、國家輪椅相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和人機工程學(xué)，確定輪椅的主要設(shè)計尺寸，并確定輪椅的機構(gòu)方案，在有限的條件下實現(xiàn)提出的折疊、升降、如廁和行走功能，為老年人和殘疾人等行動不便的弱勢群體帶來生活便捷，結(jié)合人機工程學(xué)，了解輪椅的設(shè)計不僅滿足使用者的功能需求，更要照顧到這一特殊群體的心理狀況，使設(shè)計更加人性化。

第3章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1引言本章內(nèi)容是，在第2章確定的總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計的方法對便捷輪椅的各個功能模塊進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計說明，并在SolidWorks環(huán)境下進(jìn)行虛擬三維建模，并在裝配過程中優(yōu)化零件設(shè)計、驗證各機構(gòu)之間是否存在干涉，保證機構(gòu)運轉(zhuǎn)的順暢性。3.2便捷輪椅總體布局便捷輪椅機構(gòu)總體分為兩層。上半層是主體構(gòu)架部分和升降機構(gòu)，如圖3.1所示。主要包括：靠背、座椅、扶手、如廁機構(gòu)，主要完成承載、靠背角度調(diào)節(jié)、升降等功能，如廁機構(gòu)中，坐便蓋可自由取下，配合便盆實現(xiàn)讓患者更便捷解決如廁問題的功能；下半層結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，主要包括：底架、外骨架、腿部支撐、行走輪椅等機構(gòu)。腿部支撐可通過推桿調(diào)整角度，滿足患者乘坐的舒適性需求，也可配合靠背的角度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)成輪椅床，行走機構(gòu)，輪子通過電機帶動實現(xiàn)基本的行走功能[13]。圖3.1便捷輪椅上半部分圖3.2便捷輪椅下半部分3.3便捷輪椅升降機構(gòu)設(shè)計3.3.1升降機構(gòu)概述及設(shè)計便捷輪椅升降機構(gòu)的設(shè)計要滿足幾點要求：（1）結(jié)構(gòu)簡便，不影響其他機構(gòu)的運行；（2）占空間體積小，不影響其他機構(gòu)設(shè)計，承載量大。本文設(shè)計采用剪叉式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可實現(xiàn)垂直升降，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，承載量足夠。升降距離為424mm~527mm，行程為103mm，如圖3.3所示。1-座椅架2-扶手3-升降桿4-升降底架5-電動推桿6-連接架7-滑槽圖3.3升降機構(gòu)兩側(cè)分別采用電動推桿作為驅(qū)動裝置，帶動剪叉式結(jié)構(gòu)收縮、展開，從而實現(xiàn)座椅在垂直方向上的上升、下降。本文的升降機構(gòu)安裝在座椅下方，剪叉式結(jié)構(gòu)在座椅左右兩側(cè)，保證安裝的對稱性以及電動推桿驅(qū)動的同步性，防止因座椅承載的重心偏移而發(fā)生側(cè)翻，升降機構(gòu)上方連接在座椅上支撐面積大，保證了升降的安全性。升降機構(gòu)可以滿足患者高處取物或者從床上到輪椅上的轉(zhuǎn)移的基本需求。升降機構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性對輪椅至關(guān)重要，不但影響患者在各種環(huán)境中使用效果，也關(guān)系到使用的安全問題，因此，對升降機構(gòu)的設(shè)計是非常必要的。3.3.2升降機構(gòu)關(guān)鍵聯(lián)接件建模便捷輪椅的升降機構(gòu)主要通過兩個電動推桿來驅(qū)動，剪叉式升降桿上方配合構(gòu)架直接焊接在座椅架上，下方配合升降底架，都通過銷連接，由于載荷較大，且需要保證產(chǎn)品的安全性，因此，要保證關(guān)鍵聯(lián)接件的強度。下圖為關(guān)鍵部件在SolidWorks環(huán)境下的三維建模。圖3.4升降推桿圖3.5升降底架3.4如廁機構(gòu)設(shè)計如廁機構(gòu)是便捷輪椅設(shè)計中的重要一環(huán)，實現(xiàn)如廁功能也是使輪椅充分滿足老年人或者殘疾使用者的需求，手動將坐便蓋抽出進(jìn)行如廁，操作簡單便捷。如廁結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.6所示。a）b）1-便盆2-座椅架3-掛把4-坐便蓋5-坐墊6-把手7-滑槽圖3.6如廁機構(gòu)如廁便盆采用懸掛式結(jié)構(gòu)，左側(cè)懸掛可以取下，右側(cè)有連接在座椅架上的掛把，可旋轉(zhuǎn)角度，取放清理方便。雖然，相比電動驅(qū)動的開合式坐便機構(gòu)不夠便捷，但是采用手動取放的坐便蓋和便盆結(jié)構(gòu)，機構(gòu)簡單，不影響其他機構(gòu)的設(shè)計運行，也不涉及電驅(qū)動的復(fù)雜設(shè)計問題。3.5折疊機構(gòu)設(shè)計便捷輪椅的功能需求之一是輪椅可以靠背和腿部支撐可以調(diào)整角度，變換坐姿[14][15]。因此，本文便捷輪椅設(shè)計了靠背和腿部支撐可調(diào)節(jié)的機構(gòu)。同時，考慮到老年人或者殘疾人長時間使用輪椅的身體負(fù)擔(dān)，因此，靠背和腿部支撐的調(diào)節(jié)為單獨調(diào)節(jié)，坐姿時，使用者可以根據(jù)實際情況調(diào)整坐姿角度，保證舒適性。折疊機構(gòu)設(shè)計要遵循的原則：（1）結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)節(jié)；（2）輪椅結(jié)構(gòu)緊湊，不干涉其他機構(gòu)的運行?？勘辰嵌日{(diào)節(jié)直接通過調(diào)角器電機實現(xiàn)，腿部支撐的調(diào)節(jié)通過裝在底架上的電動推桿實現(xiàn)，具體如圖3.7所示。1-腿部支撐2-電動推桿3-輪椅底架4-外骨架圖3.7腿部折疊機構(gòu)3.6患者轉(zhuǎn)移機構(gòu)對于下肢行動不便的人群來說，日常行動已經(jīng)是一件很困難的事，普通輪椅智帶給他們一般的行動體驗，在日常生活中，上下床、上下車等問題對他們來說依然是有障礙的。本文便捷輪椅設(shè)計中，通過對座椅架和座椅部分的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)患者無縫轉(zhuǎn)移。通過電動推桿推動座椅在座椅架滑槽上滑行，來調(diào)整座椅位置，配合升降機構(gòu)使用，能夠直接把座椅送到床上、沙發(fā)上、汽車座椅上，讓患者在原地實現(xiàn)這些位置到輪椅上或者輪椅到這些位置的轉(zhuǎn)移。使使用者的生活、出行更加便捷輕松。采用電動推桿設(shè)計的優(yōu)點：（1）機構(gòu)簡單，便于調(diào)節(jié)；（2）可以通過選擇電動推桿的行程來控制座椅的行進(jìn)距離，調(diào)節(jié)方便，能很好的保證機構(gòu)運行的安全性；（3）機構(gòu)占空間小，不影響其他機構(gòu)的設(shè)計。圖3.8座椅架滑軌圖3.9座椅滑槽和推桿安裝槽如圖3.10所示，為輪椅患者轉(zhuǎn)移機構(gòu)工作原理圖。a）工作前b）工作中圖3.10患者轉(zhuǎn)移機構(gòu)工作原理圖3.7在SolidWorks環(huán)境下的三維建模3.7.1便捷輪椅三維建模在確定便捷輪椅的機構(gòu)和尺寸之后，通過SolidWorks軟件對便捷輪椅的背靠、座椅、扶手、升降桿、升降底架、輪椅底架、腿部支撐、電動推桿及其他零部件等機構(gòu)進(jìn)行三維建模[16]。完成對便捷輪椅零部件的建模只是第一步，然后要將零部件裝配起來，在裝配過程中，可以驗證機構(gòu)設(shè)計是否合理，尺寸是否合適。根據(jù)便捷輪椅的結(jié)構(gòu)特點，本文設(shè)計中采用自底向上和自頂向下相結(jié)合的裝配方法，裝配時將零部件裝配成兩個子裝配體，在根據(jù)約束將兩個子裝配體組合成完整裝配體。在整個裝配過程中，反復(fù)驗證零部件的尺寸是否合理、機構(gòu)之間是否會發(fā)生干涉，并進(jìn)行修改，在不斷的驗證過程中最終完成對便捷輪椅的裝配，如圖3.10所示。圖3.10便捷輪椅三維模型根據(jù)人機工程學(xué)，便捷輪椅設(shè)計背靠和腿部支撐的角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，可以使使用者根據(jù)自身情況調(diào)整坐姿，達(dá)到最舒服的姿勢，減輕久坐的身體負(fù)擔(dān)。如圖3.11所示。腿部支撐調(diào)節(jié)角度為60°，背靠調(diào)節(jié)角度為70°。a）b）圖3.11座椅姿態(tài)調(diào)節(jié)3.7.2關(guān)鍵零部件建模對關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，研究其約束特征。在SolidWorks中，利用建模模塊功能，根據(jù)設(shè)計尺寸，用草圖、拉伸、凸臺、旋轉(zhuǎn)、掃描等功能完成零部件的三維模型。完成建模之后，在裝配中遇到問題可直接進(jìn)行尺寸修改，為之后的工作帶來便捷。圖3.12為部分關(guān)鍵零件的三維模型。a）旋轉(zhuǎn)固定頭b）電機連接板c）前支撐架d）萬向輪前叉圖3.12關(guān)鍵零部件建模3.8本章小結(jié)本章敘述了便捷輪椅各個功能模塊的機構(gòu)設(shè)計，并闡述了對零部件的SolidWorks三維建模和裝配。首先，根據(jù)便捷輪椅的功能要求，采用模塊化設(shè)計的方法設(shè)計了各個功能模塊機構(gòu)，并簡單說明各個機構(gòu)的運動。采用自底向上、自頂向下結(jié)合的建模方法，對零部件進(jìn)行裝配并優(yōu)化模型的尺寸設(shè)計和模型，最后列舉了便捷輪椅中一些關(guān)鍵零件的三維模型。

第4章電機功率計算4.1水平路面行走電機功率計算便捷輪椅重m1約為60kg，取人體重量m2取值75kg，總重135kg。根據(jù)第2章相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電動輪椅水平路面最大行駛速度vH=1.66m/s，加速度aH=1.3m/s2。摩擦系數(shù)取水泥地面值。行駛時摩擦力、空氣阻力、慣性力合力和電機提供的動力為一對平衡力。靜摩擦力：F動摩擦力：F空氣阻力：F式中：μs——靜摩擦系數(shù)，取0.4；μd——動摩擦系數(shù)，取0.032；C——空氣阻力系數(shù)，大約取1；ρ——空氣密度，取1.293kg/m3；S——戶外迎風(fēng)面積，取極限值2m×0.5m；v——戶外與空氣相對運動速度，取最大值v≈vH=1.66m/s。戶外慣性力：F在水平路面行駛所需功率：P=輪椅行駛中取最少2個電機驅(qū)動情況，此時單個電機所需最大功率：P式中：k——電機數(shù)量，取2；η——機械傳動效率，取0.8.計算得：Ps約為230W。4.2升降電機功率計算升降時，主要承載的有上半部分輪椅重量、人體重量，則電動推桿驅(qū)動力約為：F=式中：m1——上半部分輪椅重量，取40kg；m2——人體重量，取75kg。計算得出：F約為1127N。單個電動推桿的驅(qū)動力為563.5N。4.3本章小結(jié)本章對輪椅水平路面行走功率和升降機構(gòu)功率進(jìn)行簡單計算，最后得到輪椅在水平路面行走和升降時所需最大功率。第5章工程定額概算5.1便捷輪椅制造過程成本預(yù)算5.1.1非標(biāo)設(shè)備制作定額說明1、關(guān)于材料主材鋼板主要用的是45號鋼，使用其他材料的，則另加額外的費用。用量較小、基本價格影響較小的零散材料的定額不計入其中，歸為其他材料費用。外購件以及協(xié)作構(gòu)件不計算在定額中，按照圖紙計量其使用量，按采購或協(xié)作合同的價格計算其價格。2、關(guān)于機械基本價格影響較小的零散小型機件包含在定額計算中，不用單獨列出臺班量，統(tǒng)稱為其他機械費用。3、定額中關(guān)于“各種零件檢測、齒輪膠合承載、承壓承載、零部件刷油”等，僅僅在編制非標(biāo)設(shè)備制作預(yù)算中可以適用。4、有關(guān)費用系數(shù)的計算儀器的拆裝等費用按照定額人工費的8%計算，其中，人工的工資占25%。在對身體有害的環(huán)境下制作的非標(biāo)設(shè)備還需要增加額外的施工降效費用，按照定額人工費用的10%計算。預(yù)熱焊接人工的費用按照定額人工費額外增加10%。制作零件的廢物損失計為直接費的1%。根據(jù)質(zhì)量監(jiān)督部門的制度，檢查的費用按照直接費用的5%計算。5.1.2便捷輪椅制作定額基價表表5.1便捷輪椅各部件總報價表項目數(shù)量材料費用(元)加工費用(元)總價(元)平鍵210×2020角接觸球軸承235×2070內(nèi)六角圓柱頭螺栓210×2020墊片164×16064開口銷181×18018銷軸141×14014萬向輪235×2070萬向輪輪轂250×20100萬向輪前叉218×2160196輪椅前支撐架220×2160200升降底座125180205坐便蓋120140160扶手215×2100130扶手支架215×2100130坐墊135150185座椅支架125180205背靠145170215背靠后支撐120160200電動推桿5180×50900底部托架120150170升降連桿A250×2180280升降連桿B250×2170270底部連桿130130160驅(qū)動輪260×20120驅(qū)動輪輪轂250×20100驅(qū)動輪固定座230×2060電機連接板215×2100130減速電機2450×20900便盆180120200合計5492由表5.1可以看出，本次便捷輪椅設(shè)計的總成本大約在5492元。5.2便捷輪椅制作過程管理5.2.1便捷輪椅制作時間安排在整個便捷輪椅的設(shè)計制作過程中，用了前三周的時間來做調(diào)研、查文獻(xiàn)、查專利、分析市場概況，了解一個輪椅機構(gòu)設(shè)計的原理、方法，初步確定設(shè)計的路線、概念模型和設(shè)計所實現(xiàn)的功能。接下來四周的時間里，細(xì)化輪椅的設(shè)計目標(biāo)和總體的設(shè)計方案，并不斷改進(jìn)最初的設(shè)計概念模型，在這個過程中整理文獻(xiàn)資料，完成學(xué)校發(fā)布的初期畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，并撰寫開題報告。之后大概五周多的時間中，都在完成便捷輪椅的機構(gòu)設(shè)計。根據(jù)前期查閱的文獻(xiàn)，確定輪椅實現(xiàn)的主要功能，再把各個功能分成單獨的模塊，分別在SolidWorks環(huán)境下進(jìn)行三維建模，完成初步的零部件設(shè)計后，分部分把零部件裝配起來，最終完成一個完整裝配體的建模。在這個過程中，對初次建模的零部件形狀設(shè)計、尺寸設(shè)計等不斷修改，保證能夠滿足配合條件，并且不存在機構(gòu)之間的干涉問題。確定最終設(shè)計模型后，繪制零部件圖紙。這一過程是關(guān)鍵步驟，也是整個工作的核心內(nèi)容。完成設(shè)計之后，整理圖紙，通過查閱機械手冊等資料，確定機構(gòu)的材料、電機和推桿等通用件的型號，查詢機構(gòu)加工費用，撰寫詳細(xì)的設(shè)計說明書。整個過程也是在丁海濤老師幫助引導(dǎo)下順利進(jìn)行，解決諸多難題不斷完自己的畢業(yè)設(shè)計。5.2.2便捷輪椅制作的質(zhì)量保證便捷輪椅的整個設(shè)計過程中，所有的尺寸設(shè)計、參數(shù)選取、材料選用都是查閱資料和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)后，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。并在設(shè)計中對零部件的強進(jìn)行校核，使其達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格保證產(chǎn)品的質(zhì)量。結(jié)論行動不便的老年人和殘疾人的日常生活行動、護(hù)理等問題一直是社會關(guān)注的熱點問題，尤其對于現(xiàn)在人口老齡化嚴(yán)重的中國來說，這一問題亟待解決。而解決這一問題，不僅僅是滿足這部分弱勢群體的生理、心理需求，更重要是這是一種社會責(zé)任。種種原因都在促使輪椅行業(yè)不斷進(jìn)步、增長。本文基于此，設(shè)計一款有折疊、如廁、升降、行走等多種機構(gòu)的便捷輪椅，本文對輪椅結(jié)構(gòu)研究設(shè)計的成果如下：（1）進(jìn)行市場分析和輪椅使用者心理、生理需求分析。通過對目前市場上輪椅主要結(jié)構(gòu)和近幾年相關(guān)專利、研究文獻(xiàn)分析，總結(jié)出輪椅結(jié)構(gòu)、功能發(fā)展的趨勢；根據(jù)實際使用者使用需求確定了能夠滿足其生理、心理需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并確定采用模塊化的設(shè)計方法滿足使用者的個性化需求。（2）便捷輪椅總體方案設(shè)計。說明輪椅設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)及需求，根據(jù)國家輪椅器械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和人機工程學(xué)理論確定了設(shè)計的主要尺寸和總體設(shè)計方案。（3）便捷輪椅機構(gòu)設(shè)計。根據(jù)便捷輪椅的各個功能模塊，采用模塊化的設(shè)計方法分別對各個功能機構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計說明。在SolidWorks環(huán)境下，對便捷輪椅零部件進(jìn)行虛擬三維建模，完成建模后，采用自頂向下、自底向上結(jié)合的建模方法，完成零部件裝配工作。裝配體分為兩個子裝配體分別裝配，然后在組合成完整的裝配體。在裝配過程中，可以根據(jù)約束條件判斷機構(gòu)之間是否存干涉等問題，并通過對零部件尺寸的修改解決這一問題。（4）對便捷輪椅的造價進(jìn)行工程概算。本文的設(shè)計中取得了一些成果，但是本次對機構(gòu)的簡潔性、平順性優(yōu)化研究依然有很大的進(jìn)步空間：（1）本文只對機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和是否存在干涉檢查，機構(gòu)的平順性、簡化等問題可以進(jìn)一步深入探討。例如，腿部支撐的調(diào)節(jié)是否會影響使用者的上下車；扶手的固定設(shè)計是否會影響使用者從床上轉(zhuǎn)移到輪椅上的便捷性。（2）本文設(shè)計的機構(gòu)是否方便加入電控系統(tǒng)，是否能加入上下樓機構(gòu)、減震機構(gòu)等新的功能模塊。（3）本文沒有對控制部分進(jìn)行研究說明，根據(jù)輪椅發(fā)展趨勢，智能輪椅的研究已經(jīng)成為主流，有待在以后的工作中對控制系統(tǒng)進(jìn)行補充完成。參考文獻(xiàn)[1]魏嘉木.人口老齡化背景下對我國養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].現(xiàn)代商業(yè),2017(27):24-25.[2]中國人口老齡化發(fā)展趨勢預(yù)測研究報告[J].中國婦運,2007(02):15-18.[3]李雪蓮.老年智能輪椅設(shè)計研究[J].機械設(shè)計,2014,31(04):100-105.[4]廖曉輝,沈大中,王東署.智能輪椅的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].制造業(yè)自動化,2008(04):1-6.[5]黃靖康.多功能輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[D].湖北工業(yè)大學(xué),2018.[6]HongboWang,LiyuXie,XiongZhao,JianyeNiu.Mechatronicssystemdesignandexperimentresearchforanovelpatienttransferapparatus[P].Proceedingsofthe3rdInternationalConfe