多功能全地形助老輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

安景超 李萍 鄧文娟

摘? 要：隨著人口老齡化日趨嚴(yán)重，市場對于輪椅需求越來越大。為了解決這一問題，國內(nèi)的輪椅制造業(yè)不斷推陳出新。通過對老年人需求的分析，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)知識，設(shè)計了多功能全地形助老輪椅。該輪椅在原有電動輪椅的基礎(chǔ)上增設(shè)座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)，并對調(diào)平機(jī)構(gòu)的支桿進(jìn)行仿真力學(xué)分析，最終確定結(jié)構(gòu)合理;同時，該輪椅具有可變輪轂和醫(yī)療檢測裝置，可爬樓，可適應(yīng)不同地形，旨在為獨居、行動不方便的老人提供出行便利。

關(guān)鍵詞：助老輪椅、全地形、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析

1 引言

目前國內(nèi)輪椅市場主要有手動和電動兩種，二者各有長處也各有劣勢，但普遍存在功能不全面、適應(yīng)地形能力差等問題。為此，本文擬設(shè)計一款適應(yīng)全地形的、具有保健功能、便于老人使用的多功能電動輪椅。

2 設(shè)計方案

該多功能全地形助老輪椅由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、醫(yī)療檢測系統(tǒng)組成。由蓄電池對輪椅進(jìn)行電量供應(yīng)，帶動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪椅行進(jìn)。

2.1機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)主要由分瓣式伸縮輪、座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)組成。

2.1.1分瓣式伸縮輪

輪椅行進(jìn)輪由前邊兩個大輪和后邊兩個小輪組成，都為分瓣式伸縮輪，內(nèi)部設(shè)有卡簧，伸縮輪輪轂?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。輪椅在正常路面行進(jìn)時，輪子內(nèi)部卡簧結(jié)構(gòu)鎖死，卡簧無彈力，此時輪子與常用輪椅輪子作用相同;輪椅處于上樓模式時，卡簧裝置解鎖，分瓣式輪轂彈出，輪子的各個部分可以單獨展開，內(nèi)部的卡簧結(jié)構(gòu)保證輪子在受到阻礙后能伸縮運(yùn)動，增加輪子與樓梯面的接觸面積，從而與樓梯形成更好的貼合，產(chǎn)生配合輪椅上樓的支撐力，實現(xiàn)輪椅爬樓;同理，伸縮輪在崎嶇的路段也可以更好的貼合路面，保證輪椅的穩(wěn)定性。

2.1.2座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)

座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)由四根可自由轉(zhuǎn)動的電動支桿構(gòu)成，電動支桿兩端分別與輪椅框架和座椅底部連接。工作時，通過水平檢測裝置和四根電動支桿的轉(zhuǎn)動、伸縮的配合使輪椅座椅時刻保持水平狀態(tài)。座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2.2控制系統(tǒng)

由控制面板及繼電器對輪椅各動作實行控制。

（1）通過模式轉(zhuǎn)換開關(guān)控制輪子狀態(tài)，可在行進(jìn)模式和爬樓（爬升）模式之間轉(zhuǎn)換。

（2）處于爬升模式時，水平感應(yīng)裝置傳遞信號給傳感器，傳感器驅(qū)動電機(jī)帶動座椅前后支桿運(yùn)動，保證座椅始終處于水平。

（3）可通過開關(guān)控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，以改變輪椅行進(jìn)方向。

2.3醫(yī)療檢測系統(tǒng)

通過安裝的醫(yī)療檢測開關(guān)驅(qū)動血壓儀，對輪椅使用者的血壓情況進(jìn)行不定時檢測。通過傳感器及信號接收裝置對醫(yī)療檢測信息進(jìn)行接收，并通過顯示屏顯示。

3 設(shè)計計算

（1）輪椅承受的最大載荷

老年人體重按50-80kg計算，G=mg=490N-784N，考慮到隨身攜帶的物品重量，輪椅承受的載荷在500-800N之間。

輪椅座椅由四根鋁合金支桿支撐，輪椅框架單獨承受的載荷：F=G/4=125-200N，輪椅與地面摩擦系數(shù)μ=0.7，輪椅運(yùn)行過程中零部件的電功率損耗為約60w。

輪椅前進(jìn)的最小推動力Fx=μ*G=350N-560N，傳動輪（大輪）半徑r=0.3cm，所需力矩M=Fx*r=105-168N*m。電機(jī)功率P=M*2=210-336W。

輪椅實際工作過程中轉(zhuǎn)速120rad/min=2rad/s。

（2）調(diào)平機(jī)構(gòu)支桿受力

確定輪椅底部受力長度，即支桿在水平方向上投影長度L=50cm，支桿長度L₁=L/cos30⁰=57.74cm。支桿位置如圖4所示。

輪椅在正常路面行進(jìn)時，支桿與座椅面呈30⁰，輪椅給結(jié)構(gòu)框架的力G=19.6N，平均每根支桿受力F₁=100N，單位長度支桿受力F₁′=F₁/L₁=173N。

爬樓模式時，若樓梯與地面呈60⁰，此時每根支桿受力F₂=141.4N。后邊兩支桿伸長后長度L₂=L/cos16⁰=52.02cm，支桿單位長度受力F₂′=F₂/L₂=242N;前邊兩支桿伸長后長度為L₃=L*cos30⁰/cos42⁰=58.51cm，支桿單位長度受力F₃′=F₂/L₃=283N。

4 輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

輪椅在水平地面行駛時，輪椅自身重量以及人的體重均由前后4個輪承擔(dān)，現(xiàn)對其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。假設(shè)載荷平均分布在座椅上，主體材質(zhì)選擇1060-H80鋁合金棒材，基于Solidworks Simulation進(jìn)行分析，其網(wǎng)格、應(yīng)力、位移、應(yīng)變分析分別如圖5、6、7、8所示。輪椅整車應(yīng)力最大的地方為支桿跟座椅橫梁的絞點位置，通過分析得到最大應(yīng)力為78.2MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力4420MPa，則該結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。在外部載荷作用下，形變最大的為支桿，最大形變量為0.022mm，滿足剛度條件。

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項目資助：2020年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃“基于多功能全地形助老輪椅的設(shè)計與研究”（項目編號：2020101480041）423BC35B-AFC2-48D7-968B-5B22E36449D7