安景超 李萍 鄧文娟

摘? 要：隨著人口老齡化日趨嚴(yán)重，市場(chǎng)對(duì)于輪椅需求越來(lái)越大。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的輪椅制造業(yè)不斷推陳出新。通過(guò)對(duì)老年人需求的分析，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)了多功能全地形助老輪椅。該輪椅在原有電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上增設(shè)座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)，并對(duì)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(shí)，該輪椅具有可變輪轂和醫(yī)療檢測(cè)裝置，可爬樓，可適應(yīng)不同地形，旨在為獨(dú)居、行動(dòng)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(jì)、仿真分析

1 引言

目前國(guó)內(nèi)輪椅市場(chǎng)主要有手動(dòng)和電動(dòng)兩種，二者各有長(zhǎng)處也各有劣勢(shì)，但普遍存在功能不全面、適應(yīng)地形能力差等問(wèn)題。為此，本文擬設(shè)計(jì)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(dòng)輪椅。

2 設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)組成。由蓄電池對(duì)輪椅進(jìn)行電量供應(yīng)，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(gè)大輪和后邊兩個(gè)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(shí)，輪子內(nèi)部卡簧結(jié)構(gòu)鎖死，卡簧無(wú)彈力，此時(shí)輪子與常用輪椅輪子作用相同;輪椅處于上樓模式時(shí)，卡簧裝置解鎖，分瓣式輪轂彈出，輪子的各個(gè)部分可以單獨(dú)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(dòng)，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(shí)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(dòng)的電動(dòng)支桿構(gòu)成，電動(dòng)支桿兩端分別與輪椅框架和座椅底部連接。工作時(shí)，通過(guò)水平檢測(cè)裝置和四根電動(dòng)支桿的轉(zhuǎn)動(dòng)、伸縮的配合使輪椅座椅時(shí)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(duì)輪椅各動(dòng)作實(shí)行控制。

（1）通過(guò)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(shí)，水平感應(yīng)裝置傳遞信號(hào)給傳感器，傳感器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)座椅前后支桿運(yùn)動(dòng)，保證座椅始終處于水平。

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

2.3醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)安裝的醫(yī)療檢測(cè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)血壓儀，對(duì)輪椅使用者的血壓情況進(jìn)行不定時(shí)檢測(cè)。通過(guò)傳感器及信號(hào)接收裝置對(duì)醫(yī)療檢測(cè)信息進(jìn)行接收，并通過(guò)顯示屏顯示。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）輪椅承受的最大載荷

老年人體重按50-80kg計(jì)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(dú)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(guò)程中零部件的電功率損耗為約60w。

輪椅前進(jìn)的最小推動(dòng)力Fx=μ*G=350N-560N，傳動(dòng)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(shí)際工作過(guò)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(zhǎng)度，即支桿在水平方向上投影長(zhǎng)度L=50cm，支桿長(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)度支桿受力F₁′=F₁/L₁=173N。

爬樓模式時(shí)，若樓梯與地面呈60⁰，此時(shí)每根支桿受力F₂=141.4N。后邊兩支桿伸長(zhǎng)后長(zhǎng)度L₂=L/cos16⁰=52.02cm，支桿單位長(zhǎng)度受力F₂′=F₂/L₂=242N;前邊兩支桿伸長(zhǎng)后長(zhǎng)度為L(zhǎng)₃=L*cos30⁰/cos42⁰=58.51cm，支桿單位長(zhǎng)度受力F₃′=F₂/L₃=283N。

4 輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

輪椅在水平地面行駛時(shí)，輪椅自身重量以及人的體重均由前后4個(gè)輪承擔(dān)，現(xiàn)對(duì)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(diǎn)位置，通過(guò)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(xiàng)目資助：2020年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃“基于多功能全地形助老輪椅的設(shè)計(jì)與研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2020101480041）423BC35B-AFC2-48D7-968B-5B22E36449D7