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轮椅设计 毕业设计 机械

资源描述：

本科毕业设计，基于人因工程学自动轮椅设计，包括4张0号图纸，一个UG建模，毕业论文，开题报告，外文翻译。图纸有总体装配图，机械部分装配图，康复机构装配图，零件图，

内容简介：

目录 1、本课题的目的、意义、国内外发展概况及趋势 . 1 课题的目的及意义 . 1 内外发展概况及趋势 . 2 外发展状况 . 2 内发展状况 . 2 在问题和未来发展趋势 . 3 2、 课题的设计思想和研究拟采用的方法和手段 . 4 题的设计思想 . 4 题研究采用的方法 . 5 计设计过程中可能遇到的问题及解决方法和措施 . 5 3、论证完成课题的实验条件 . 5 4、课题进度安排 . 5 5、参考文献 . 6 1 1、 本课题的目的、意义、国内外发展概况及趋势 课题的目的及意义 我国是残疾人口数量最多的国家，根据国家统计局 2006 年的统计报告，全国残疾人总数约为 8296 万人，占全国人口总数的 残疾人虽然身体残障，但是他们需要得到社会的尊重与理解。他们渴望像正常人一样学习、工作和生活。轮椅 是残疾人的 必备 用品之一 。对于残疾人来说轮椅不仅仅是代步工具。 让病人舒适的养病，很需要一个舒适、合适的轮椅， 而 掌握人因工程学的知识、并应用人因工程学的知识设计 舒适的 轮椅 是 工程师义不容辞的责任！ 轮椅首先 是一个坐具， 这是它 最基本的功能。 舒适度 是衡量 轮椅 设计 优劣 的重要标准之一。 轮椅 设计 不仅 要在制 造工艺 和 生产方面可行 ， 符合安全要求， 更重要 的是 在 设计 思想 中 体现 人因工程学 ， 保证人的安全、 健康和舒适的目的 ， 使人坐者舒服、舒心、安全 1。 现今的轮椅还存在简陋粗糙、不易使用的情况 2。挫败感对人的自信心是个沉重打击。如何改进轮椅设计，帮助患者从肢体到心灵真正康复，需要深入研究 3。虽然市面上有许多电动、智能轮椅 ,但是其高昂的价格是国内大部分残疾人无法承受的 ,而手动轮椅以其价格优势占有大多数的使用率 ,却少有发展。现今的手动轮椅功能单一、造型色彩单调 ,根本无法满足残疾人更深层次的需求 ,物质需求的不完全满足和精神需求的无法满足 ,对于残疾人生理和心理的健康都是极为不利的。 传统 的 轮椅 设计 以 设计产品为 主要 目标， 更多 的考虑 轮椅 本身的功能 的实现 ， 没有 规范化的考虑人的因素 。 机械是机器和机构的总称 4。 人与机械相比，人是在人机系统中起决定性作用的 5。人因工程学 强调人和机器 作为 相互 2 联系的 两个 基本 部分构成一个整体 。 人因 工程学 高度 重视 轮椅的 安全性 、高效率 性 、 乘坐 舒适性 。 特别 是 残疾人的轮椅 ， 安全 性 、人性化 更为重要 。 理想 的轮椅 应 使 坐者 体重分布合理 ， 大腿 近似 水平状态 ， 双脚自然 放到 脚踏板上 ， 双臂不负担身体重量， 肌肉 放松， 可以 方便的变换坐姿 6。 大于 90的靠背可防止骨盆的旋转，增加坐姿的稳定性，且使坐姿更接近自然状态 7。 轮椅的设计者更应该 重视轮椅的 人 性化和 个 性化的设计 ,受迎 并且拥有发展市场的轮椅 必定 是 舒服 舒适并 拥有 突出新颖功能 的 轮椅 ,使人 、 机和环境充分的结合起来 8。要做到这一点 ,就需要 设计师结合 人因工程学的知识， 研究轮椅使用者的喜好，用理性工学的研究方法， 针对生物力学对轮椅结构的影响 ,对 座椅 、 轮子 、 扶手及其他个性化附件 用心、 用智慧 进行 设计 9。 内外发展概况及趋势 外发展状况 自 1986 年英国开始研制第一辆智能轮椅来 ,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院 目 10、法国 目 11、德国乌尔姆大学 年人及残疾人助动器 )项目 12、 目、西班牙 目 13、加拿大 司 目、欧盟目、 院 目、台湾中正大学电机系 目、我国 863 智能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同 ,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。 初期的研究 ,赋予轮椅的功能一般都是低级控制 ,如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展 ,移动机器人大量技术用于轮椅 , 智能轮椅在更现实的基础上 , 有更好的交互性、适应性、自主性。 内发展状况 3 我国自动化轮椅研究起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距 14。但也根据自身特色研制出技术接近国外先进水平的。研究单位有中科院自动化所、上海交通大学和香港中文大学等 15。中科院自动化研究所在中科院创新工程和国家“ 831”计划支持下，研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行多模态交互的多功能轮椅移动机器人 16 17。 我国现有轮椅，特别是肢残者与老年人大量使用的多为手动轮椅，由于轮椅本身无动力，实际使用时往往需要他人辅助，造成很多不便。为改变我国轮椅手搬人推的落后状况，贯彻落 实民政工作上为国家分忧、下为百姓解愁的方针，更好地为伤残人员服务，满足人们对现代生活质量日益提高的需求，国内轮椅及相关企业将积极开发研制电动轮椅。 近年来，我国轮椅行业保持快速发展。不过，行业产品结构单一，绝大部分产品为一般轮椅、产品价格低。高端产品如电动轮椅和运动轮椅研发投入不足，技术水平与国外相差很大，运动轮椅则主要依靠进口。因此，有必要进行更多的研究与开发。 在问题和未来发展趋势 经过近 20 年的研究发展，智能轮椅的研究有了很大的进展，功能不断丰富，安全可靠性不断提高，但是也存在一定的问题： (1)人机交互不够自然。虽然已经开发了多种智能轮椅人机交互接口，但是仍处于通过人机接口对轮椅进行简单控制的阶段，对自然交互中使用者的无意识行为与有意识行为的区分还很欠缺，无法达到自然交互的目的。 (2)轮椅的安全保障系统不够完善。目前多数智能轮椅平台较重视功能性实现，对于各种环境下危险发生的可能性以及相应的保障措施研究不够。 (3)智能轮椅控制系统实时性较差，功耗较大，续航能力不高，离真正的实用还有一定距离。 未来的发展趋势有以下几个方面： 4 （ 1） 人机交互自然化。通过多种人机交互接口结合，智能轮椅系统能够更加充分地与使用者进行交流和沟通，更加准确地理解使用者的操纵意图。 （ 2） 安全保障全面化。利用日益进步的传感器技术，构建完善的智能轮椅保障系统，通过对周围环境更加全面的了解，实时监测智能轮椅的运动状态，对危险状态进行报警和阻止，尽可能避免危险的发生。 （ 3） 产品化。产品化是任何高新技术服务于社会的必经之路，采用嵌入式控制系统将是智能轮椅未来的发展方向，利用嵌入式产品功耗低、运算能力强的特点，将能够实现真正的智能轮椅产品。 （ 4） 模块化。要实现智能轮椅 的批量生产，智能轮椅的各项功能必须模块化，包括导航系统、人机接口、运动控制以及机械臂等等。以便于为不同的用户定制不同的功能模块组合，同时也便于对各个功能模块的升级和再开发。 2、 课题 的设计思想和研究拟采用的方法和手段 题的设计思想 （ 1） 自动轮椅总体方案的制定：本设计的结构有 轮椅架 、 脚踏板 、 坐垫 、转动装置 、 传动装置和控制装置及折叠装置 ， 轮椅的关键部件中主要以便槽 、靠背 、 坐垫的设计来考虑人因工程学在机械设计中的应用 。 传动装置由驱动圈和主动轮组成 , 转动装置由气缸 、 连杆 、 螺栓 、 螺母组成 。 控制装置由刹车系统组成 。 折叠装置由连杆 、 螺栓 、 螺母组成 。自动 的总体设计方案充分考虑人机交互，方便残疾人上下轮椅和驱动轮椅 ；安全保障系数高；结构分布合理；材料舒适，成本低；具有良好的可移植性，可以适应不同的加工平台；各个零件要达到避免在预定寿命期内失效的要求 18；尽可能实现轮椅的机械化，当执行制造程的基本动作是由机器（机械）代替人力劳动来完成时称为机械化 19；在满足产品使用性能的条件下，零件图上标注的尺寸公差等 5 级和表面粗糙度值应取经济值 20。 （ 2） 针对自动轮椅设计中可能出现的问题，在设计过程中应 该考虑这些因素的影响，制定设计方案，避免或者减少这些问题的发生。 题研究采用的方法 （ 1） 通过图书馆查阅相关的手册及书籍； （ 2） 通过互联网查阅相关资料和最新动态； （ 3） 应用 图和 图建立试验机的机械系统模型，进行强度计算和运动分析。 计设计过程中可能遇到的问题及解决方法和措施 在设计的过程中可能会遇到很多的麻烦，例如在设计完基础零件之后进行强度校核时，有一些零件就有可能是不符合条件的，这样就会增加计算量，因此在设计时要注意设计的合理性。在机械结构设计时，一定要 结构简单、紧凑，拆装方便；零件结构要素必须符合标准规定；尽量采用标准件和通用件；设计时要考虑各个机构的协调配合；选择合适的电动机实现机电一体化；通过建立数学模型在设计前找到某些指标的最优设计方案。 3、 论证完成课题的实验条件 通过自己的了解以及在图书馆和网上的资料查阅，对本设计的基本知识已经有了一定的认识，而且可以通过网上资料检索进行查阅相关知识，并利用原有的资料进行设计。 本设计中包括主要包括扶手、 坐垫、车轮和 靠背，根据文献和论文资料对结构布局要求有一定的了解。后期需要的装配图可以利用电脑软件，例如图和 图等进行完成。 4、课题进度安排 第一周 调研、选题、查阅资料 6 第二周 查阅文献资料， 撰写开题报告和外文翻译 第三周 撰写开题报告和外文翻译 第四周 整理、修改、审订开题报告及外文翻译 第五周 总体方案设计 第六周 拟定设计方案 第七周 进行设计计算 第八周 结构设计，绘制总装图，完成设计计算 第九周 结构设计，绘制总装图，完成设计计算 第十周 结构设计，绘制总装图，完成设计计算 第十一周 结构设计，绘制总装图，完成设计计算 第十二周 结构设计，绘制总装图，完成设计计算 第十三周 绘制部件图，设计计算 第十四周 绘制部件图，设计计算，准备论文 第十五周 绘制部件图，撰写论文 第十六周 修改图体，撰写论文 第十七周 修改图体，撰写论文，准备答辩 第十八周 修改论文，准备答辩 5、参考文献 1 郭伏 人因工程学 M 沈阳 :东北大学出版社 ， 2001. 2 余道清 我的轮椅朋友 J 中国残疾人， 2008（ 6）： 65 3 钟雄 J2008（ 6）： 65. 4 孙 恒 ，陈 作模 ，葛 文杰 机械原理 M 北京 ：高 等 教育出版社 ， 2006 5 朱龙根 机械系统设计 M 北京 ： 机械工业出版社 ， 2015 6 周美玉工业设计应用人机工程学 M北京：中国轻工业出版社， 2001 7 朱序璋人机工程学 M西安：西安电子科技大学出版社， 1999 8 江渡，中俊，陈栋 J006(8):12 7 9 Y., 1997. 19, 8110 11 2001, 8(1):2012 2001, 8(1):3813 2001, 8(1):4614 原魁智能轮椅的研究现状与趋势 J中国医疗器械信息， 2009， 15（ 1）： 634 15 王景川，陈卫东基于多传感器的智能轮椅设计与实现 J南京理工大学学报：自然科学版， 2009， 33（ 1）： 104 109 16 贺志军基于 多功能轮椅嵌入式控制系统研究 D 硕士论文华南理工大学， 2009 17 周伟多功能轮椅运动控制系统研究与开发 D 硕士论文华南理工大学， 2010 18 濮 良贵 ,陈 国定 ,吴 立言 M高等教育出版社 ， 2013. 19 周骥平，林岗 机械制造自动化技术 M北京：机械工业出版社， 2014 20 于骏一 ， 邹青机械制造技术基础 M北京 ： 机械工业出版社 ， 2009 8 1 人机工程学老年轮椅设计 摘要 :在家庭中，老 年人成为与民族社会文化有关的一个特殊的群体。在国民生活中，老年群体是有价值的资源，他们的知识和经验有利于提高整个社会的质量。 60 岁以上的老年人很容易患各种疾病。这些有疾病的人中有些是有下半身疾病的，这些疾病使得老年人不能行走和自己活动。因此 ，需要一个协助老年人做日常活动的工具。为有下半部分疾病的人准备的工具是 轮椅。轮椅是一种供有身体残疾的人使用的辅助器具。现有的轮椅被 对于一些老年人来说是有一些缺陷的。这些原因导致需要对轮椅进行改进或重新设计，以便更有利于他们使用。本 研究所使用的方法是感性工学和医学的方法。感性工学 是一种用于轮椅的产品设计的方法。感性工学把老年人使用轮椅后的感受 转化为感性 关键词，然后把这些关键词用 在新的轮椅设计中。老年学方法用于分析轮椅是否影响老年人身体、精神及心 理上的状况。通过重新设计这种人机工程学的轮椅，老年人就有希望不用任何人的帮助就可以 更加自主 的活动 。 引言 大多数达到 60 岁的人可能会有骨骼问题，尤其是骨关节系统的问题。这些身体关节的问题会使老年人丧失行走和行动的自由。关节部位骨表面的变质是导致这些疾病的主要原因。一般情况下，骨关节退变质出现在指 关节、膝关节和关节主干部分。骨质疏松症是膝关节的骨性变质，这一关节的问题会使老年人不能行走，也可能导致骨折的发生。轮椅是一种专为老年人设计的移动装置。当这些骨关节变质侵蚀骨头时，老年人会失去控制和一些知觉。使用这个装置，老年人能够控制他们的运动，并帮助他们管理他们的日常活动。现在，轮椅已经发展了一个电机，并在椅子的手柄上提供一个简单的控制系统。这个发展被命名为机械轮椅。老年人只要通过推动转向按钮就可以控制他们的运动。 但是，商业机械轮椅有一些缺点，特别不适合亚洲人使用 。现有的机械轮椅的尺寸不适合所有亚洲人的 身体尺寸。由于轮椅的高级功能和进口税的增加，产品的价格仍然是昂贵的。在我们的初步调查中一些受访者建议，改进现有的部分机械轮椅，如 改进 椅子的靠背和椅子舒服度。 研究方法 2 轮椅的设计包括以下三步。首先，观察 一些现有的轮椅并对其进行分析，以获得轮椅的物理性能和轮椅的当前功能。其次，对一些使用轮椅的老年人进行调查以获得一些反馈。感性的思维是从这个调查确定轮椅的用户期望。从感性 的角度出发进行选择，制作问卷并分发给选定的用户。用户基于感性关键词的列表选择设计元素。通过对语义数据的处理， 对设计元素进行分类。在这项研究中使 用的语义数据遵循利克特量表，例如， 5（非常同意）， 4（同意）， 3（中立）， 2（不同意），和 1（非常不同意）。 第三步是轮椅设计与原型设计。一些从第二步产生的可供选择的轮椅设计方案 将用于轮椅的重新设计。轮椅的详细尺寸将考虑适当的人体测量数据。这一设计阶段从老年学的观点提出对设计的一些分析。 结论 一个产品是由几个核心部件组成，这些核心部件 称为设计元素。如表 1，轮椅有 5 个产品元素。 表 1 轮椅的产品元素 1 靠背 2 头部支撑 3 底座 4 轮子 5 支撑件 为了从一些轮椅的使用者中探索感性的关键 词，已经进行了 初步调查。如表 2 所描述的，有 15 个与轮椅相关的关键词。 表 2 起初的感性的关键词 1 力 2 舒适的 3 柔软的 4 放松的 3 5 独特的 6 好的设计 7 多功能的 8 低成本 9 广泛的 10 简单的 11 结实的 12 合适的材料 13 安全的 14 易于控制 15 灵活的 一些感性的关键词也有类似的含义，必须 把它们 结合成一个简单的词。 8 个关键词从细化过程中被选出来作为最后的感性关键词。这些选定的关键词在表 3中。参考表 3，我们给轮椅使用者发放 30 份调查问卷 。用户需要对 5 个设计元素进行评估然后选出关键词。通过使用判别分析和聚类，可以分析出产品的首选属性。 表 3 筛选出的感性关键词 1 柔软的 2 放松的 3 独特的 4 多功能的 5 低成本 6 合适的材料 7 安全的 8 灵活的 基于感性关键词分析产品的每一个元件并调查每个用户对轮椅的不同偏4 好。表 4 至表 8 对目前轮椅各要素的偏好进行了分析。从产品的每一个元素角度分析 ， 只有三个感性关键词被选择出来并应用在轮椅的新设计中。 表 4 靠背的偏好分析 感性关键词 偏好值 柔软的 松的 特的 功能的 成本 适的材料 全的 活的 4 提供了轮椅靠背的偏好分析。用户更倾向于使用有柔软材料 的靠背，在使用时可以放松 ，并具有独特设计的靠背支持组件。这些偏好也是用户对头部支撑的偏好，它已经显示在表 5。 表 5 头部支撑偏好分析 感性关键词 偏好值 柔软的 松的 特的 功能的 成本 适的材料 全的 活的 此外，这 写关键词 还作为一个底座的偏好属性。一些额外的功能也可以加入设计中，如 供老年人使用的粪袋和尿袋。另两个底座的关键词是是柔软和放松 。表 6 显示了底座的偏好分析。 表 6 底座的偏好分析 感性关键词 偏好值 柔软的 松的 特的 功能的 成本 适的材料 全的 活的 子是轮椅的重要组成部分。轮子的主要作用是 运动和转向。好的车轮容易转向并需要较少的运行功率。表 7 显示了用户喜欢使用灵活的（ 容易控制的）轮椅。 表 7 轮椅的偏好分析 感性关键词 偏好值 柔软的 松的 特的 功能的 成本 适的材料 全的 活的 对于支撑 件，用户偏好 使用 可以增强轮椅功能的支撑件。具有附加功能或多功能的轮椅可增加产品价值 。一张用于吃饭的桌子和一个有吸管并可以喝水的瓶子可以作为轮椅的 附加的功 能。除了材料的柔软性之外，支撑部件还需要增加使用者的放松度 。表 8 为支撑部件的详细分析。 原型 设计 是产品设计中的重要阶段 ，是因为它更真实地评价了产品的设计要求。这一阶段已经考虑到某些方面的人为因素。用这些方面的测量数据来确定产品的尺寸，用老年学的概念来表示产品设计 中 老年人的约束。 三维轮椅设计是 用来实现原型的制作。根据以往的分析，这些轮椅的设计已得到改善。改进的轮椅与电机相连并通过一个简单的转向按钮控制轮子的运行。转向按钮放置在正确的手柄侧并有不同的颜色和指定的轮廓。 表 8 支撑部件的偏好分析 感性关键词 偏好值 柔软的 松的 特的 功能的 成本 适的 材料 全的 活的 图 1 三维轮椅的再设计 此外，一个真正的机械轮椅原型已经研制出来。轮椅原型如下图 2。 图 2 轮椅的原型 讨论 在一般情况下，新的机械轮椅已经得到了轮椅使用者好的响应。从一些评价调查的反馈中显示，用户感觉更 加 满意和舒适。该轮椅的重新设计将在下文提供详细的 评价。详细的产品尺寸和座椅位置已经被使用模型的用户评价。一些显著 的改善也被建议到产品的设计中