坐姿可調(diào)節(jié)輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

楊帥旗，王丙旭，楊景，趙德明，高興文

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)癱瘓患者人數(shù)逐年增加，據(jù)2019年“腦卒中高危人群篩查和干預(yù)項(xiàng)目”數(shù)據(jù)顯示，2012年至2019年我國(guó)40歲及以上人群的卒中人口標(biāo)化患病率由1.89%上升至2.58%，我國(guó)2019年40歲及以上患過(guò)腦卒中的人數(shù)約為1704萬(wàn)。在腦卒中幸存者中，約75%的患者會(huì)留有后遺癥，偏癱最為常見(jiàn)[1-3]。此外，失能老人人數(shù)也在逐年增加，據(jù)全國(guó)老齡委數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)60歲以上失能老人已超過(guò)4200萬(wàn)[4]。這導(dǎo)致輔助性工具的需求量日益上漲，如輪椅、拐杖、助行器等，據(jù)市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，輪椅是上述人群首要的日常輔助性工具[5]。

人體長(zhǎng)期處于坐或仰臥的姿勢(shì)會(huì)引起疲勞，不利于血液流通和代謝，尤其對(duì)于四肢失能人士，幾乎一直處于同一姿態(tài)，極易產(chǎn)生麻木和不適的感覺(jué)[6-8]。此外人體長(zhǎng)期保持同一坐姿也會(huì)引起壓瘡的產(chǎn)生，壓瘡一旦發(fā)生將會(huì)嚴(yán)重降低癱瘓患者的生活質(zhì)量[9-11]。針對(duì)此問(wèn)題，基于普通輪椅的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)并進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種坐姿可調(diào)節(jié)輪椅。

1 工作原理

坐姿可調(diào)節(jié)輪椅的創(chuàng)新功能在于可調(diào)節(jié)使用者的坐姿，通過(guò)輪椅折疊機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、坐墊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)。輪椅折疊機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)靠腿與坐墊、靠背與坐墊間的角度；俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)坐墊與水平面的角度；坐墊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)人體在輪椅上的坐姿。工作模式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，手動(dòng)模式通過(guò)控制面板上的鈕子開(kāi)關(guān)操縱單個(gè)機(jī)構(gòu)，比如可單獨(dú)調(diào)節(jié)靠背角度、靠腿角度等，自動(dòng)模式為各個(gè)機(jī)構(gòu)按照設(shè)定程序調(diào)節(jié)輪椅整體姿態(tài)，圖1為坐姿可調(diào)節(jié)輪椅的部分形態(tài)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坐姿可調(diào)節(jié)輪椅由輪椅折疊機(jī)構(gòu)、輪椅俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、坐墊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、車架、車輪等機(jī)構(gòu)部件組成，輪椅結(jié)構(gòu)如圖2所示。

平移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。其主體為絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。導(dǎo)軌用于導(dǎo)向和承受正壓力，42步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)運(yùn)行。坐墊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)平移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和坐墊構(gòu)成，兩個(gè)坐墊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并排平行安裝，相向移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)使用者的臀部；靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由平移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和靠背構(gòu)成，靠背左右移動(dòng)，調(diào)節(jié)背部位置，兩部分協(xié)同工作。

圖3 平移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

如圖4，輪椅折疊機(jī)構(gòu)，靠背安裝板和靠腿安裝板分別與坐墊安裝板連接，均可相對(duì)于坐墊安裝板轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠坐墊兩側(cè)和下側(cè)的雙作用液壓缸實(shí)現(xiàn)靠背和靠腿相對(duì)于坐墊角度的調(diào)節(jié)。輪椅俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，液壓缸活塞桿推動(dòng)坐墊調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使坐墊上移或下移。

圖4 折疊機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)

3 Ansys Workbench靜力學(xué)分析

輪椅在使用過(guò)程中需要具有足夠的強(qiáng)度以支撐外載荷，從安全角度分析，需要對(duì)輪椅的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，判斷是否能夠滿足實(shí)際的性能要求。坐姿可調(diào)節(jié)輪椅正常工作時(shí)，機(jī)構(gòu)的受力主要來(lái)自于兩個(gè)方面，一是輪椅自重和人體重量，二是液壓缸的推力。

材料選擇使用鋁合金，一般鋁合金輪椅重量在10～15 kg[12，13]。中國(guó)成年男性和女性的平均體重分別為69.6 kg和59 kg[14]。考慮極限工作情況，為坐墊安裝板施加1000 N的正壓力，兩個(gè)液壓缸推力均設(shè)置為500 N，同時(shí)添加9.8 m/s2的標(biāo)準(zhǔn)地球重力，如圖5所示。

圖5 載荷受力圖

網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，坐墊安裝板受力較為簡(jiǎn)單，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)為10 mm，輪椅架、坐墊支撐桿、坐墊調(diào)節(jié)桿網(wǎng)格單元尺寸設(shè)為5 mm，銷軸的網(wǎng)格單元尺寸設(shè)為2 mm，共計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)518558個(gè)，單元數(shù)327110個(gè)。

由圖6、圖7、圖8和圖9可看出所受最大應(yīng)力為81.4 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.0012 mm，鋁合金強(qiáng)度較高，輕量化和耐腐蝕效果較好，且具有較好的抗沖擊和抗震減噪能力，6XXXX系列和7XXX系列為輪椅使用較多的材料，綜合考慮選擇7050-T7451作為材料，其性能見(jiàn)表1。

表1 7050-T7451鋁合金的機(jī)械性能[15]

圖6 輪椅架應(yīng)力云圖

圖7 輪椅架應(yīng)變?cè)茍D

坐姿可調(diào)節(jié)輪椅啟動(dòng)和暫停時(shí)會(huì)存在一定沖擊力，為保證輪椅具有足夠強(qiáng)度，取動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.8，取材料許用安全系數(shù)[Sσ]=1.5，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

由式（1）可知，各部件所受應(yīng)力均小于7050-T7451的屈服強(qiáng)度，滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)M要求。但本強(qiáng)度校核分析是在理想狀態(tài)下完成，與輪椅實(shí)際工作情況有一定差距，實(shí)際還需對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)化處理。

4 Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

通過(guò)Solidworks將輪椅模型簡(jiǎn)化并導(dǎo)入Adams進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。對(duì)輪椅重新約束，共40個(gè)約束。為模擬真實(shí)使用場(chǎng)景，為兩個(gè)坐墊和靠背分別施加了500 N和250 N的正壓力，為液壓缸和絲桿分別添加了平移驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。采用STEP函數(shù)控制液壓缸和絲桿的運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為25 s，仿真步數(shù)為2000步。

為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡是否滿足人體坐姿調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性要求，在Adams中針對(duì)人體不同部位定義相關(guān)Marker點(diǎn)，分別設(shè)置在上肢軀干、臀部、大腿和小腿。圖10為人體模擬Marker點(diǎn)的x軸和y軸位移圖，圖11為人體模擬Marker點(diǎn)的速度圖。0～5 s調(diào)節(jié)靠背和靠腿相對(duì)于坐墊的角度，5～15 s前坐墊向左移動(dòng)，后坐墊和靠背向右移動(dòng)，完成人體的右轉(zhuǎn)并返回中央位置，15～25 s前坐墊向右移動(dòng)，后坐墊和靠背向左移動(dòng)，完成人體的左轉(zhuǎn)并返回中央位置。由圖可知輪椅運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有較大的沖擊，且速度平穩(wěn)，能夠有效保證用戶安全。

圖10 模擬人體Marker點(diǎn)X軸與Y軸位移圖

圖11 模擬人體Marker點(diǎn)速度圖

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的坐姿可調(diào)節(jié)輪椅，由折疊機(jī)構(gòu)、輪椅俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、坐墊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，可通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)多種坐姿的轉(zhuǎn)換，提高使用者的舒適度，降低護(hù)理人員勞動(dòng)量。

通過(guò)Ansys Workbench對(duì)坐姿可調(diào)節(jié)輪椅主要承力部分進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，輪椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足其安全性要求。通過(guò)Adams對(duì)輪椅進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果表明，輪椅坐姿調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)，沒(méi)有較大沖擊，滿足其功能性需求。