折叠轮椅创新设计.doc

_摘 要根据所收集的各类文献及市场出售的各种轮椅显示，目前绝大多数轮椅可分为折叠式和固定式其中包括电动式等，折叠式轮椅收折之后所占的体积仍是非常庞大，如此将造成搬运困难，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，是个很大负担。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。而电动式轮椅造价和价格比较贵不适合大众消费，而普通固定式的又占面积，不灵活。本设计所要研究的仿生叠轮椅仅以连杆机构所组成，从经过设计和设计要求的限制，及各类参考文献中得出了最适合此类机构的是Watt I型六连杆机构，并且进行了应用材料的确定、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，并且没有分离的零件，不需使用任何拆卸工具即可以达到收折后体积小、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：手推型折叠轮椅; 连杆机构; Watt I六联杆机构Abstract According to the literatures collected in this research, most of the folding wheelchair can only be folded in lateral direction and the folded volume is still too big to carry or to transport and it becomes a terrible burden for active wheelchair users. There are two or three folding wheelchairs selling in the market, which can be folded into the size of a suitcase and is called “assembly wheelchair.” Their major defect is lengthy and complicated assembling procedures. Every time the user folds or unfolds the wheelchair, a tedious process must be conducted, which causes severe problems to daily wheelchair users. This research developed a linkage-type portable wheelchair. An optimal Watt-I six-bar mechanism was found according to the design requirements and design constraints. A full-size mockup was built after the dimensional analysis was accomplished. The portable wheelchair developed in this research has one-DOF with no separated parts. It requires no tools to operate. The new design has compact folded volume and light weight. It is easy to operate and can be dragged like luggage case. Therefore, it is an ideal mobile tool for elders and handicapped persons. Keywords ：hand-push； wheelchair； linkage； Watt-I six-bar目 录摘 要1Abstract2目 录3第1章 折叠轮椅设计的研究现状4第2章 折叠轮椅设计的关键点52.1、折叠轮椅的结构设计522、折叠轮椅的材料和力学分析62.3、 新型材料的简介62.4、 折叠轮椅的创新设计72.5、 基于Pro-e建立折叠轮椅的3D模型9第3章 折叠轮椅设计的前景11结 束 语12主要参考文献14第1章 折叠轮椅设计的研究现状由于现代医学的发展和进步，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，其身体各部分器官正逐渐退化，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。许多行动不便者在解决移动能力障碍时，最直接使用的工具便是轮椅。根据我国统计部门统计，截止到2006年4月1号，全国现有各类残疾人总数约8296万人，占总人口数的比例为6.34%，而属于肢体残疾的占总残疾人数的比例为29.07%，人数达到2412万，如图1.1所示。与1987年第一次全国残疾人抽样调查统计数据可以看出，肢体残疾人数略有所增加。2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达11%。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增，如图1.2所示。在60岁以上的老年人口中，有相当一部分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。这对于家庭生计、社会成本与国家经济均会造成严重的影响，不可轻视。对于青壮年的肢体障碍患者而言，轮椅可使他们重新返回职场，以改善家庭生计和降低社会负担；对于行动不便的高龄老人或出现重度神经肌肉萎缩的患者而言，轮椅是他们走出户外的最佳辅具，不但能改善他（她）们的精神生活，而且在心灵层面上更得到慰藉。第2章 折叠轮椅设计的关键点本设计所研究的折叠机构是以四连杆组（4-barlinkage）为出发点，利用杆件特殊翻转的特性来作为此折叠机构最初的概念设计。还有就是在测试当轮椅在展开的使用状态时，使用者的体重加诸于轮椅上，所造成结构的应力分布及材料变形，借此了解各部分零件的强度和刚度是否足够，还有要兼顾接头和杆件的强度、加工上的难易程度、杆件与各个零件之间的干涉问题、操作步骤的简便性，并尽量减低轮椅的重量和降低成本等等，以作为生产制造的参考。2.1、折叠轮椅的结构设计本课题所设计的手推式折叠轮椅，如图2.3.1所示，此型轮椅为连杆数6、接头数7的单一自由度的折叠轮椅，其中C点是双重接头，将此双重接头拆在坐垫杆上，则前脚杆与坐垫杆为三元杆，而其余杆件为二元杆。图示的结构简图可知，轮椅的结构共有活动构件数为，低副，没有高副。故其自由度应为22、折叠轮椅的材料和力学分析在生产实践中，各种机械和工程结构得到广泛应用，如桥梁、房屋、电机、机床等。机械和工程结构的每一组成部分为构件。任何构件都由某种材料制成，并受到某种载荷的作用。实际的构件并非是静力学所理想化的那种刚体，任何构件在外力作用下都将不同程度地发生形状和尺寸的改变。如果构件的形状、尺寸设计不合理，或选用材料不当，则构件在一定载荷的作用下，会发生过度的变形或破坏。为了保证机械和工程结构的正常工作，在载荷作用下，构件都应该具有足够的承受载荷的能力，简称承载能力，也即构件必须具有足够的强度、刚度和稳定性。这些基本要求，不仅与构件的截面形状和尺寸有关，而且还与材料的力学性能有关，而这些又都关系到制造成本，因此合理的选择构件的材料，如何正确的确定构件的截面形状，使构件即满足使用要求，又降低制造成本，便成为构件设计的一个十分重要的问题。2.3、 新型材料的简介近年来，绿色环保新型材料不断升温，开始占据一个全新的市场领域，并随着绿色经济的全球风行，市场热度不断提升，新的环保新型材料趋势正席卷全球。而绿色轮椅设计的兴旺也带动了一个庞大的绿色材料需求。绿色环保材料作为轮椅制造的基础和源头，越来越成为市场采购的主流，绿色环保材料市场的发展带来的不仅仅是消费模式的变革，同时也将是整个家具行业的新一轮变革。（1）、高密度复合材料 新型高密度复合材料，其主要工艺原理是以稻草、麦秸、棉花杆、玉米杆、 甘蔗渣、竹屑、芦苇杆、木屑等农业废弃物作原料，以聚乙烯、聚丙烯及其废弃物，如汽水瓶、可乐瓶、矿泉水瓶等或塑料薄膜、塑料制品的城市废弃物（白色垃圾）等作粘合材料，并加入一定量的添加剂 等，在一定工艺条件下合成。这一最新成果被联合国工业发展组织（UNIDO）誉为“21世纪新材料”。 它的特点是不使用木材，可以保护生态环境，缓解了实行天然林保护后木材缺乏的问题；利用废弃物，使得物尽其用，节约能源，保护环境；无毒无害，没有尿素和甲醛的成份，不会对人体产生危害；产品密度高，强度好，木材、刨花板、中密度板等均易受到厌氧菌、霉菌、甲虫、白蚁、蛀虫等生物的侵害和海水的腐蚀，而该工艺生产的板、型材均不受以上生物的侵害，吸水率低，不受海水的腐蚀；属于无三废工艺，可多次回收废料并反复利用，节约并降低成本；产品 有很强的可塑性，可根据用户需要，替换不同的模具或模板，直接生 产出各种各样的板材和型材，有极大的市场价值；防火性能好，有良好的阻燃性能。高密度复合材料技术的实现不仅解决了农业废弃物和城市废弃物 的污染排放问题，还节省了有限的林业资源，必将对我国的21世纪的 环保产业产生巨大影响。（2）、高强高模纤维 目前，尼龙和涤纶的拉伸断裂强力仅为其理论值的约5。今后开发的高聚物纤维，拉伸断裂强力将为其理论值的40，抗拉模量将为其理论值的90。随着高聚物技术的发展以及有机与无机化合物结合的进展，极有可能开发出达40理论强力的纤维。开发这种纤维的瓶颈是成本。这种纤维将适用于要求高强力、轻质量的各种设备。 （3）、具有传感和康复功能的纤维 人们将开发具有传感功能的温湿度调节材料、康复用神经刺激材料和肌肉力量支持类服装。今后还将开发出具有传感功能的睡衣，用来检测温度和相对湿度，以防止那些丧失温、湿度感觉的老年人受到类似“低温烧伤”的伤害。另外，今后的开发项目还包括一种用于患者康复的纤维，它作为一种护理保健材料能刺激神经，还能以紧身连裤袜的形式支撑肌肉力量不足的患者。 （4）、具有综合功能的阻燃纤维 今后将开发在保持服装一般性能的前提下，具有阻燃性能、非热熔和能够避免烧伤的纤维。现有阻燃纤维的阻燃性能已经达到令人满意的水平，但是，其它普通功能尚未达到相应的水平。以儿童和老年人的阻燃睡衣为例，还需开发具有良好手感、柔软性和吸湿性等综合功能的阻燃材料。2.4、 折叠轮椅的创新设计该型轮椅运用人性化设计理念，从技术上帮助下肢残疾朋友解除了普通轮椅只能坐不能卧、长时间使用易生褥疮的困扰。该型轮椅专供下肢残疾朋友和老年人使用的系列产品之一。在原来的设计基础上，再其背后加上剪式收折机构，便于因为长时间坐的姿势导致易生褥疮和不舒适感，方便打开后背，可以躺下，为解决下肢残疾人和老年人的实际困难，立下了汗马功劳。与其他轮椅不同的是，所设计的这个多功能轮椅上面再架上一个铁架子，上面支着50厘米见方的太阳能电池板。在轮椅的座位下挂着两个10厘米见方、20厘米长的金属盒子，这就是驱动轮椅的蓄电池。还有在轮椅的扶手上安装着操作柄，随着轻轻地前后推拉，轮椅在空地上前后自如地移动着。其次在左右扶手上安装上可以放MP3、收音机等等的架子，在轮廓上安装上电热毯，也是其中的一种想法，还有就是在普通轮椅上安装一个由交流调速电机驱动的传动系统，利用齿轮和履带传动，使之成为一个有机的整体，达到能完成人体主要部位功能锻炼的目的。上肢运动部分，上肢运动是指双臂及手部进行周期性往复运动，将患者双手固定于手柄上，做划船状运动；下肢运动是指腿及脚部进行周期性往复运动，将患者双腿固定脚踏板上，做踏车式运动；背部按摩部分是指由电机带动的两个按摩轮做上下左右转动，达到背部按摩的目的。被动式的功能锻炼轮椅由两套电机驱动系统完成，其中一套用于上下肢的运动，另一套用于背部按摩部分，整套运动协调可靠，不仅能够帮助病人恢复肢体功能，又为医护人员减轻了工作量。经临床实际应用表明，该套医疗康复设备，使用简单，操作方便，能够协助患者做肢体运动，促进病人康复，是一种极有推广价值的康复医疗设备，外加上可自由调整的安全带。随着社会的发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。以下就来介绍目前比较新颖的折叠轮椅：（1）、太阳能折叠式手推轮椅在其顶部安装太阳能发电系统，这个发电系统由两个能产生 20 瓦电力的太阳能板组成，除了能提供轮椅本身所需的电力（24 瓦）外，晴天时还可额外提供 30 分钟的电力，下雨时，也能当作遮雨棚使用。（2）、电动驱动折叠式手推轮椅在原有的基础上，底部安装了电子操控系统，可以电动手动切换行驶，更加便于操作和更人性化。依照人体工程学设计,机身高强度、高承重、重量轻体积小，方便老年人和身体残疾的人出行，适用于中老年人群及行动不便者在室内外作助行代步之用。电动轮椅操作简单，老人使用起来也能得心应手。在轮椅控制器的操纵杆上，即可完成您想要的前进、后退、转弯等等。松手就是停车，操控起来简单灵活。（为了安全更有保障，还在轮椅两边的大轮上各装有一个手刹）。将操纵杆向后，轮椅即会进入倒车状态，还会相应地发出“嘀嘀”的警报声。在控制器上设有电池电量、速度档的显示和喇叭等，让您能够对轮椅的使用状态有一个最直观的了解。体积小，重量轻。车身是采用的铝合金结构，大大减轻了整车的重量；无需拆卸电池即可折叠，折叠之后不占用过多空间，还可轻松塞入汽车尾箱，全家出游，共享天伦之乐。可以零半径360度旋转。有此特点，即便是在狭小的空间内，也可以活动自如。（3）、自动爬楼梯折叠式手推轮椅对应于那些只有身体上残疾的人士，活动范围比较大，但往往会面对一些建筑上的障碍设施，如最直观的楼梯，却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫任务。在原来的轮椅上安装履带轮机构，实现连续性爬楼梯，传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动的，其重心的波动很小，运动非常平稳。2.5、 基于Pro-e建立折叠轮椅的3D模型根据3D模型制作前给的相关数据，按照Pro/Engineer Wildfire 4.0操作相关规则进行模型制作，经过长时间的修改和探讨，并确定本轮椅的3D最终效果图，如图1，图2所示图1 折叠轮椅的3D模型图2 折叠轮椅展开第3章 折叠轮椅设计的前景 轮椅开发和生产技术随着社会的发展，也在快速的发展，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、功能多样等等方面发展。还有随着社会的发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安全导航问题，采用的基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不足在于可控测范围有限，视觉导航可以克服这方面的不足。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部分。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发展空间。结 束 语人类的寿命随着医疗技术的发展和进步而逐步增加，高龄化的社会已成为全世界各国的重大挑战。随着老年人口的不断增加，轮椅的需求也日趋重要，针对这些年长而行动不方便的使用者而言，身体各部分器官正逐渐退化，再加上有部分高龄化使用者会出现神经肌肉萎缩，所以对他们来说，自行驱动轮椅是件非常困难的事，因此手推型折叠轮椅较能逐渐符合他们的需求。当今世界各大城市都面临老龄化问题，根据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5% 。也就是说，轮椅的市场越来越大。对于在手推型折叠轮椅设计研究中涉及的方法和思路进行了较为全面的探讨，本课题所设计的轮椅是基于Pro/Engineer 绘图软件建立的轮椅3D模型，且符合设计条件的需求。还有本设计所研究的轮椅除了兼具安全性和乘坐叙适性之外，也拥有操作简单、质量轻、便于收藏可拖行运送等功能。设计的本质是创新，设计与人类的生产活动密切相关，它是把各种先进的技术成果 转化为生产力的一种手段和方法 设计的目的是实现产品的功能，建立性能好、成本低、价值高的系统和结构，以满足人类社会不断增长的物质和文化需要通过这次的设计我深深的感受到实践的重要性，只有亲自动手做过了才能更好的了解自己在哪方 还有缺陷。这次设计加强了自己的动手能力，同时我也学到了许多知识，只有这样才