輔助站立輪椅背部推桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

(武漢科技大學(xué)城市學(xué)院機(jī)電工程學(xué)部,湖北武漢 430083)

0 引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示[1],我國(guó)老齡化情況越來越嚴(yán)重,老齡化帶來的社會(huì)問題也愈加突出。隨著人們對(duì)養(yǎng)老問題逐漸重視,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)也相繼出現(xiàn)了一些助老產(chǎn)品[2]。但在智能輪椅方面還有極大空白和可改善的方面。

老人生活所存在的困難就是行走能力減弱。在此情況下,將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅的智能輪椅越來越引起全社會(huì)的重視和關(guān)注,對(duì)于這方面的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品設(shè)備的開發(fā)也將是我國(guó)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 初步設(shè)計(jì)

現(xiàn)在市面上的輪椅,溢價(jià)率較高,安全隱患明顯。這就要求我們的輪椅在物美價(jià)廉的基礎(chǔ)上能達(dá)到預(yù)計(jì)的性能。產(chǎn)品的主要功能有輔助站立、電動(dòng)代步。

輔助站立:采用推桿推動(dòng)背板和座板的方式實(shí)現(xiàn)輔助老人站立的目的。

電動(dòng)代步:采用搖桿式控制器控制,2公斤24V12AH鋰電池驅(qū)動(dòng)的Y-160M 1-2,11KW,3000r/min型號(hào)無刷直流馬達(dá)。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一對(duì)驅(qū)動(dòng)橋組成,兩橋各有一套傳動(dòng)系統(tǒng),互不影響,由車橋?qū)⑶昂髢沈?qū)動(dòng)橋相連接。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由變速電機(jī),減速器,帶剎車腳輪,動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)組成,驅(qū)動(dòng)形式參考汽車傳動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí),變速電機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn),動(dòng)力傳輸?shù)捷嗇瀻?dòng)輪椅前進(jìn)。后退時(shí),同理,電機(jī)反轉(zhuǎn)輪椅后退。

1.3 支撐機(jī)構(gòu)

輪椅的機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)由四個(gè)構(gòu)件組成,自由度為2。該輪椅正好有兩個(gè)原動(dòng)件。原動(dòng)件數(shù)等于自由度F,所以機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)輪椅由坐立狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎玖顟B(tài)時(shí),推桿A C、B D伸長(zhǎng),由于A 點(diǎn)B 點(diǎn)固定,故A 點(diǎn)B 點(diǎn)無法位移,A 點(diǎn)B 點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),A點(diǎn)帶動(dòng)C點(diǎn)上升,B點(diǎn)帶動(dòng)D點(diǎn)上升,最終導(dǎo)致E點(diǎn)角度發(fā)生變化,坐立姿E點(diǎn)角度為90°～97°,站立姿時(shí)E點(diǎn)角度為153°～168°。

2 方案論證

2.1 底部支撐管件

確定選用部件材料為:LY5052-H112型鋁-鎂合金[3]。

管件的受力:靜置時(shí),負(fù)荷主要由底座的兩個(gè)支撐以及前方軸承受力。推桿與管件的末端夾角為82.5°,該力可分解為指向桿件的徑向力和垂直于桿件的力所形成的扭矩。

校核強(qiáng)度:

圖1 機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)圖A.背部推桿固定端;B.底部推桿固定桿;C.輪椅靠背;D.輪椅底板;E.連接桿Fig.1 Mechanical support structureA.back push rod fixed end;B.bottom push rod fixed rod;C.wheelchair back;D.wheelchair floor;E.connecting rod

預(yù)設(shè)人體重量60kg,座椅上半部分重量30kg,全部作用于管件,管件直徑36mm,壁厚2mm。彎曲與扭轉(zhuǎn)組合變形強(qiáng)度條件:

空心圓:

由第三強(qiáng)度理論[4]:

結(jié)果表明支撐管件強(qiáng)度要求合格。

2.2 側(cè)面支架管件

確定部件選用材質(zhì)為:選用耐熱鉻合金鋼[5]。

部件的受力:靜置時(shí),負(fù)載主要由側(cè)面支架管件和底座的支撐管件承受。受力垂直于側(cè)管,該力可分解為對(duì)側(cè)管的扭矩和垂直于側(cè)管的力。

強(qiáng)度的校核:

預(yù)設(shè)人體重量100kg,座椅上半部分重量30kg,管件直徑35mm,壁厚2mm全部作用于兩根管件,取單邊300N。由第三強(qiáng)度理論:

T=G*l=300*100=30000N

M=F*L=1083*500=541666N

側(cè)面支撐管件滿足強(qiáng)度要求。

3 背部支起機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

如圖1,設(shè)推桿推力為F,推桿推力為F的方向的位移為dl,背板總成承載力W在豎直方向的位移為dh,可得：

Wdh=Fdl

背部板總成以鉸鏈A 為中心轉(zhuǎn)動(dòng),將上式變換得:

Wrsinθdθ=Fdl

將機(jī)構(gòu)的凡何參數(shù)代入上式,得到

為分析m和n對(duì)力F的影響,將式對(duì)e求導(dǎo)[6]:

由此可知,當(dāng)輪椅的高度和背板總成長(zhǎng)在一定范圍時(shí),伴隨著背部推桿機(jī)構(gòu)行程的增長(zhǎng)[7],水平長(zhǎng)度m和垂直長(zhǎng)度n皆增長(zhǎng),推桿推力F也伴隨著增長(zhǎng)。但推桿的最終位置以及品牌型號(hào)的確定不但與推力F 相關(guān)也與推桿的角速度相關(guān),一定范圍內(nèi)也與鉸鏈承載力密切相關(guān)。團(tuán)隊(duì)通過SolidWorks軟件進(jìn)行了仿真運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,研究推桿推力F 與工作行程、背板角速度的關(guān)系,研究結(jié)果表明推桿的靜置固定位對(duì)其他部件的影響是最大的，亦表明該機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求,既節(jié)省了材料又提高了產(chǎn)品的可靠性和舒適性。

4 樣機(jī)模型試制和檢測(cè)

為了檢測(cè)產(chǎn)品的功能及性能,根據(jù)本文所述本人試制了實(shí)物樣機(jī),設(shè)計(jì)了輪椅的電控系統(tǒng),采購(gòu)了所需的電子器件,如圖2所示為組裝完成的輪椅實(shí)物,狀態(tài)為站立姿。支撐機(jī)構(gòu)將底板及背板伸展的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由所預(yù)測(cè)的實(shí)物按1∶8.25的比例縮放而成,推桿采用型號(hào)JIECHANGLAT8的12V 行程為25mm的推桿,驅(qū)動(dòng)采用ELECFANS生產(chǎn)的51單片機(jī)小車,動(dòng)力系統(tǒng)由可充電的12V鋰電池提供,其中推桿及C51單片機(jī)小車皆可進(jìn)行遙控操作。

圖2 實(shí)物模型圖Fig.2 physical model

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)或方案的合理性和正確性,和實(shí)物制作的可行性,團(tuán)隊(duì)對(duì)樣機(jī)的相關(guān)功能進(jìn)行了試驗(yàn)。

從表1 的輪椅樣機(jī)檢測(cè)結(jié)果分析得出如下結(jié)論:

表1 輪椅樣機(jī)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of wheelchair prototype

輪椅的行駛速度和背板抬升速度使用測(cè)速器測(cè)量,由于樣機(jī)組裝和部件摩擦等原因,導(dǎo)致輪椅實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)不符(大部分?jǐn)?shù)據(jù)略小于預(yù)計(jì)值),但是依然能夠滿足的要求結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)完全滿足功能和性能要求,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語

通過對(duì)輔助站立輪椅的受力及約束條件分析,結(jié)合電動(dòng)推桿關(guān)鍵關(guān)節(jié)的實(shí)際設(shè)計(jì)要求,給出了一種在尺寸限制條件下能夠承擔(dān)老人重量的輔助站立輪椅設(shè)計(jì)方案,保證了關(guān)鍵關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)性能,為整個(gè)輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了可靠的基礎(chǔ)。同時(shí)由于對(duì)電動(dòng)推桿應(yīng)用于輔助站立輪椅方面的設(shè)計(jì)案例報(bào)道較少,本文對(duì)相關(guān)工程設(shè)計(jì)工作具有一定的參考與應(yīng)用價(jià)值。