多功能智能轮椅设计-结构外观设计与运动仿真 定稿.docx

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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计摘 要在人口老龄化日趋严重、意外事故和自然灾害多发的时代，行动不便和肢体残障人士日益增多。轮椅成为了这部分人群日常生活的一部分，相比市面上的普通轮椅而言，使用者更加倾向于使用多功能智能轮椅。为帮助这部分需求群体提高生活质量，有必要研究一款价格相对低廉、姿态可调、具备室内导航、利用操纵杆实现自主移动等多功能的智能轮椅。本文主要对多功能智能轮椅结构外观设计与运动仿真进行研究。首先根据人机工程学的相关知识对轮椅的尺寸进行选定，然后利用Pro/E对轮椅进行三维建模并检验各零部件之间是否存在干涉，接着通过ANSYS Workbench的有限元分析检验模型设计的

2、合理性，并使用Pro/E对轮椅的机构进行运动仿真，最后通过Keyshot对轮椅模型进行外观渲染，最终为多功能智能轮椅的运动控制系统和功能模块搭建出一个可移动并且能实现相关功能的平台。关键词：多功能；智能轮椅；结构设计；静力学分析；运动仿真Multifunctional intelligent wheelchair design-structural design and motion simulationAbstractIn an age of increasing population aging, frequent accidents and natural disasters, peop

3、le with limited mobility and physical disabilities are increasing. Wheelchairs have become part of the daily life of this group of people. Compared with ordinary wheelchairs on the market, users are more inclined to use multi-functional smart wheelchairs. In order to help this part of the demand gro

4、up improve the quality of life, it is necessary to research a multi-functional smart wheelchair with relatively low price, adjustable posture, indoor navigation, and autonomous movement using a joystick.This article mainly studies the structural design and motion simulation of the multifunctional in

5、telligent wheelchair.First, select the size of the wheelchair based on the relevant knowledge of ergonomics, then use Pro / E to three-dimensionally model the wheelchair and check whether there is interference between the parts, and then verify the model design through the finite element analysis of

6、 ANSYS Workbench The rationality of the use of Pro / E to simulate the motion of the wheelchair mechanism, and finally render the appearance of the wheelchair model through Keyshot, and finally build a movable and able to achieve the relevant functions for the motion control system and function modu

7、le of the multifunctional intelligent wheelchair Platform.Keywords: multifunctional; intelligent wheelchair; structural design; static analysis; motion simulation目录1 绪论11.1选题背景与目的11.2国内外研究现状11.3本文设计内容32 多功能智能轮椅总体尺寸设计方案52.1人机工程学在多功能智能轮椅中的应用52.2人体测量数据在多功能智能轮椅中的应用62.3轮椅总体尺寸选取73 轮椅结构设计103.1元器件选型和机构设计103

8、.2 Pro/E环境下多功能智能轮椅的零件建模133.3 Pro/E环境下多功能智能轮椅的虚拟装配163.4轮椅爬坡能力的计算174 材质选定与有限元分析194.1部分零部件的材质选定194.2 ANSYS Workbench软件介绍204.3轮椅关键部件有限元静力学分析215 运动仿真与最终效果275.1轮椅机构的机构运动分析模块选定275.2轮椅机构运动仿真275.3基于Keyshot的外观渲染305.4小组作品的最终效果316 总结与展望34参考文献35致 谢36附录37附录一 多功能智能轮椅装配图37附录二 底盘零件图37附录三 渲染效果图38附录四 3D打印实物图381 绪论1.1选

9、题背景与目的近年来老龄人口比重日益上升，联合国发布的报道称，世界总人口中老年人的数量占比将在21世纪超过五分之一。而我国于20世纪末已经进入老龄化社会，如今老龄人口数量和总人口数量最多的国家是中国。人口老年龄化问题似乎已经成为世界发展的必然趋势。另外意外事故和自然灾害多发导致行动不便和肢体残疾人员数量在急剧增多。综合第六次全国人口普查得出我国总人口数、第二次全国残疾人抽样调查得出全国总人口数量中残疾人数量占比和残疾人口总数中各类残疾人数量占比，推算出我国在2010年末有残疾人8502万人，其中在各类残疾人中，肢体残疾人数有2472万人是占比最高的种类。由于这些人部分或完全丧失行走能力，一般都需

10、要有劳动能力的人对他们进行照顾，为使他们能够在生活中能解决行走问题，轮椅正是这部分肢体残障人士日常生活中的一部分。伴随着人们的生活水平逐渐提升，普通轮椅已经很难满足这部分残障人士的需求。一台多功能智能轮椅对于肢体残障人士的日常生活而言，无疑是给予他们更多的帮助和关怀。一般市面上的普通轮椅虽然可折叠、方便携带但对肢体残障者而言只能满足日常的代步需求，在舒适性上也有所欠缺，并且使用者还需要依靠上肢力量来带动轮椅的车轮才能实现代步。大多数的普通轮椅坐姿是固定不变的，而轮椅使用者长期维持一个坐姿很容易造成使用者某些部位出现压疮甚至可能会对脊椎造成不可逆的损伤，这无疑会对使用者身心造成一定的伤害。而轮椅

11、若具备姿态可调功能，可让使用者随意变换坐姿，这不仅能避免出现压疮还能提高轮椅使用过程中的舒适度并且可以实现由坐到躺的姿态转换。另外具备操纵杆控制可以让使用者在实现轮椅移动时节省大量体力，只要用手轻轻拨动操纵杆就能控制轮椅运动。针对市场上轮椅普遍功能不强大,以及功能强大的智能轮椅一般都只停留在实验室的现状，在尽量减轻轮椅使用者经济负担和满足日常需求的前提下，研究出一款价格相对低廉、姿态可调、具备室内导航、利用操纵杆实现自主移动等多功能的智能轮椅是有必要的。1.2国内外研究现状随着科技进步和社会经济的不断提高，国内外开展了越来越多的针对多功能智能轮椅的研究。多功能智能轮椅通常可以在移动机器人平台上

12、加入座椅并做结构上的改变另外也可以在一台电动轮椅的基础上加入在多种传感器和一台计算机进行研究。对此最早于20世纪80年代开始研究，在轮椅中加入视觉来辅助导航。随后IBM公司下属的一个科研机构 T.J.Watson 研究中心，在一款机器人运动平台上安装了座椅，并通过一些传感器和操纵杆实现轮椅的自主移动、避障和导航功能。Smart Wheelchair项目为了实现通过使用者头部姿势控制轮椅运动，其主要由两个超声波传感器来检测使用者的头部位置，以最终达到控制目的。历经30多年的发展，许多国家相继开发出多种智能轮椅平台，如：德国的Maid项目、加拿大的TAO项目、美国麻省理工学院的Wheelesley

13、项目等。最近印度喀拉拉邦Amrita大学的人道主义技术实验室的研究人员开发了一款基于Android系统通过Vivo智能手机控制的自动驾驶轮椅，如图1.1所示，该轮椅通过手机即可对轮椅进行控制即可实现自动驾驶。图1.1 自动驾驶轮椅我国虽然在多功能智能轮椅的研究领域中开展相对较迟，但通过各研究所、企业和高校的共同努力也研究出了一些有特色的多功能智能轮椅平台。中国科学院的自动化研究所研制出了一款基于嵌入式系统的智能轮椅机器人RoboChair；在上海交通大学研发的交龙智能轮椅，使用者可对麦克风说出设定好的关键词来对轮椅进行控制；中国科学院深圳先进技术研究院基于头部动作的智能轮椅；重庆邮电大学的研发

14、中心开发多模态的控制方式来对轮椅进行控制。而国内一些企业也相继推出爬梯轮椅、可升降轮椅、可站立轮椅等。图1.2为上海威之群公司推出的可站立轮椅。图1.2 可站立式轮椅1.3本文设计内容（1）通过阅读相关文献、收集各方面资料、了解多功能智能轮椅的研究背景和国内外现状，阐述了本设计的研究目的和意义。（2）通过学习人机工程学相关知识和人体测量数据的应用原则，了解到设计多功能智能轮椅需要“以人为本”，对轮椅尺寸的选定在最大程度上符合人机工程学要求。（3）巩固学习Pro/E软件，并通过Pro/E对多功能智能轮椅的零部件进行三维建模、虚拟装配并且在软件的机构运动分析模块中对轮椅进行运动仿真。检验三维模型虚

15、拟装配是否合理，零部件之间是否有产生干涉。（4）学习相关材料性能知识，考虑其成本和车身整体重量的前提下，为轮椅的零部件选用合适的材料，并通过ANSYS Workbench有限元分析模块为轮椅的零部件添加选择好的材料属性，然后对轮椅的部分零部件和机构的不同工况进行静力学分析，以验证设计的合理性。（5）利用Auto CAD对二维零件图、装配图和机构简图进行编辑绘制，以达到更好地展现设计要点的目的。（6）对设计好的三维模型通过Keyshot软件对其进行渲染，让其更具观赏性并且达到接近真实的视觉效果。如下图1.3所示为本文研究内容的流程图：图1.3 多功能智能轮椅设计流程图2 多功能智能轮椅总体尺寸设

16、计方案2.1人机工程学在多功能智能轮椅中的应用为行动不便的人群而设计的多功能智能轮椅，由于是涉及到给人使用的产品，为了达到“人、机、环境”互相协调的效果，因此要用到人机工程学中的理论知识。其主张“以人为本”，最终目的是为使用者创建安全、舒适、高效、合理的工作环境。而多功能智能轮椅也是为了使用者更好的使用而设计的。使用者使用多功能智能轮椅构成人机系统，“人”是指使用者，“机”是指多功能智能轮椅。而人机系统通常处于某种环境当中。由于使用者是人机系统当中的主体，为发挥使用者在人机系统中的主导和能动作用，因此人机系统的设计要考虑到，环境特性会影响使用者的效率和行为。为了合理地分配使用者和机器的功能，使

17、用者与机器应当作为一个整体来考虑，以保证系统在环境变动下达到要求的目标。把人机工程学引入到多功能智能轮椅的设计中能优化使用者和轮椅的关系，并让人机系统达到较好效果。基于人机工程学进行设计的多功能智能轮椅主要服务于特殊人群如：行动不便的老人、残疾人等，这部分人群在灵活性和身体协调性方面都有所欠缺，因此轮椅需要满足使用者在使用时安全性的前提下同时满足舒适性和高效性。（1）轮椅安全性的体现对于轮椅使用者而言，轮椅上的安全部件是必不可少的，而多功能智能轮椅上配备了防后翻轮，该轮子在轮椅正常行驶不会与地面接触，但在紧急情况下该轮子会起到支撑的作用，主要用于防止轮椅失去重心的情况下发生的后翻事故。另外轮椅

18、的扶手框设计为加长型，并且框中装有隔板，主要是防止使用者与驱动轮发生不必要的接触和防止使用者的衣物被卷进驱动轮的轮毂中。制动方面配有加长杆的手刹，使用者可在上下车或者紧急情况下利用手刹对轮椅的运动状态进行控制，避免安全事故的发生。材料方面选用强度和刚度都满足需求的材料来搭建轮椅，确保轮椅在各种姿态下都能满足承重需求。（2）轮椅高效性的体现轮椅的高效性是建立在安全性的基础上，对轮椅的功能与结构进行优化而实现高效性。使用者能够利用操纵杆控制后驱动轮的电机来实现轮椅的前进、后退和转向，另外轮椅的坐卧姿态转换可以通过按钮来实现，通过电动控制轮椅的移动和机构的运动，很大程度上简化了使用者对轮椅进行手动调

19、节的动作。（3）轮椅舒适性的体现保证轮椅安全的前提下，舒适性对于使用者而言是最直观的感受，轮椅的设计也是以使用者感受出发，其舒适性一方面体现在轮椅的上的坐垫、靠背、头枕能给使用者足够的支撑又有一定的柔软度并且带有一定的透气性。另一方面体现在靠背与放脚架可随意调节，使用者可以根据个人的需求随意调节坐姿。2.2人体测量数据在多功能智能轮椅中的应用轮椅使用者一般依靠轮椅作为他们的代步工具，在轮椅使用的大多数时间里，使用者主要是以坐姿状态在使用轮椅，不合理的轮椅尺寸设计和错误的坐姿往往会造成使用者肌肉劳累甚至会造成生理上不可逆的伤害。为了使轮椅设计符合人体的生理特点，让使用者在使用时能够产生良好的心理

20、感觉，轮椅设计必须充分考虑人体的各种尺度，因此就需要用到人体测量数据。在多功能智能轮椅设计中主要利用工程人体测量学中的坐姿人体测量尺寸作为设计依据。人体坐姿尺寸图如图2.1所示。图2.1 人体坐姿测量尺寸图表2.1 人体坐姿测量尺寸表测量项目/mm女性（18-55岁）男性（18-60岁）P5P50P90P95P5P50P90P95坐姿臀宽310344374382295321347355坐姿肘宽348404460478371422473489最大肩宽363397428438398431460469小腿加足高342382399405383413439448坐姿膝高42445848549345649

21、3523532坐姿肘高215251277284228263291298坐高809855891901858908947958坐姿大腿厚113130146151112130146151坐深401433461469421457486494表2.1对应的是图中的坐姿臀宽、坐姿肘宽、最大肩宽、小腿加足高、坐姿膝高、坐姿肘高、坐高、坐姿大腿厚、坐深。多功能智能轮椅的整体尺寸主要以人体尺寸百分位数为依据进行确定。2.3轮椅总体尺寸选取参考人体测量数据并选取符合人机工程学的多功能智能轮椅总体尺寸。（1） 坐垫面高度坐垫面高度即轮椅在正常使用时坐垫的上表面到地面的垂直距离，合理的坐垫面高度设计可以避免使用者大腿

22、肌肉和背部肌肉负荷加大。若坐垫面高度过高则会造成使用者的大腿肌肉受到更大挤压，相反坐垫面高度过低会导致背部受力加大。所以坐垫面高度应该让使用者大腿大致水平，小腿能够自然舒展地放在放脚架上。为使设计尺寸适合大部分使用者，根据上表小腿加足高选择男性第90百分位439 mm，并考虑到放脚架和后驱动轮的尺寸最终确定坐垫面高度为465 mm。（2）坐垫面宽度坐垫面宽度是坐垫左右两端的水平距离，坐垫面宽度一般与坐姿状态下臀部的宽度有关。坐垫面宽度应大于坐姿臀宽以方便使用者自行调整坐姿，坐垫面宽度过大使用者一般会往一侧倾靠来寻求支撑可能会增加某一侧臀部的压力，同时使用者的肩部也会感觉劳累。根据上表中坐姿臀宽

23、选择女性第95百分位，最终确定坐垫面宽度为500 mm。（3）坐垫深度坐垫深度是指坐垫的前端面到靠背的水平距离，坐垫深度应让使用者的背部和臀部都得到足够支撑，并且让小腿和坐垫前沿有一定距离可以自由舒展。坐垫过深会让使用者背部支撑不足或出现吊脚情况，而坐垫过浅则不能给予臀部足够的支撑。为适合大部分人群使用，为身高较高使用者提供足够支撑并保证较矮使用者使用时的舒适性，因此根据较小百分位人群选择，最终确定坐垫面深度为430 mm。（4）坐垫面倾角该倾角是指水平面与坐垫上表面之间的夹角。坐垫上表面与水平面有合理倾角可以防止使用者往前倾或者滑出轮椅导致事故发生，另外能将使用者重心后移，使臀部尽可能贴紧靠

24、背另使用者背部获得更充分支撑。过大的倾角会导致使用者腹部折叠受压影响舒适性。因此坐垫面倾角的选择要合理，一般为4到8之间，最终确定坐垫面倾角为4。（5）靠背高度和宽度靠背高度是指靠垫顶端到底端的距离，主要作用是支撑人体背部并维持人体脊椎处于自然放松状态，主要参考坐高尺寸确定靠背高度。靠背宽度是指靠垫左右两端的距离，主要参考最大肩宽尺寸。最终确定靠背高度为520 mm，靠背宽度为490 mm。（6）靠背倾角该倾角是指靠垫跟人体背部的接触面与坐垫上表面所形成的夹角。靠背倾角的作用与坐垫面倾角的作用类同，主要是让腰部尽可能贴在靠背上和防止使用者前倾。一般情况下该倾角在95到115最适宜，但绝对不能小

25、于90。为提高使用者的舒适性并考虑到轮椅靠背的角度可由使用者自行调节，最终确定靠背的最小倾角为102。（7）扶手高度、倾角和间距扶手高度是指扶手与坐垫上表面的垂直距离，扶手的主要作用是维持平衡并给予使用者肘部足够的支撑，让肩部处于放松状态，其主要参考坐姿肘高尺寸。考虑到靠背已经向后倾斜了一定的角度，如果扶手的上表面与水平面平行，手放在扶手上会稍显不自然。同样为扶手设计合理的倾角能提高使用的舒适度。而两个扶手之间的间距主要参考坐姿肘宽尺寸来确定。最终确定扶手高度为245 mm，扶手倾角为10，两扶手的间距为500 mm。（8）放脚架高度放脚架高度是指坐垫上表面到放脚架平面的距离，放脚架主要作用是

26、为下肢提供良好的支撑，把脚放上去后为大腿承担一部分压力。乘坐轮椅时腿部摆放不合理会使坐骨结节受压增大并导致腿部酸痛，轮椅放脚架的高度需适中，乘坐轮椅时使用者的大腿与小腿形成的夹角应该略大于90。尽量让使用者的背部和小腿平行。否则久坐会影响血液循环，并导致腿脚发麻。主要参照坐姿膝高尺寸，最终确定放脚架高度为410 mm。最终确定轮椅尺寸如表2.2所示。表2.2 轮椅尺寸表轮椅尺寸名称尺寸数值轮椅总长1120 mm轮椅总宽800 mm轮椅总高1130 mm坐高465 mm坐宽500 mm坐深430 mm靠背高520 mm靠背宽490 mm扶手高245 mm扶手间距500 mm轮椅的外型尺寸如图2.

27、2所示。图2.2 轮椅外型尺寸图3 轮椅结构设计3.1元器件选型和机构设计3.1.1元器件选型本设计在结构上所用到的元器件包活直流电动推杆、液压杆和离合器。直流电动推杆如图3.1所示，其通过一对齿轮实现对电机的减速，同时齿轮会带动一对丝杠螺母达到电机由旋转运动变成直线运动的目的。另外通过电机正转和反转来实现电动推杆的伸缩动作。在本设计中其主要作为靠背角度调节机构和放脚架连杆机构的动力元件，在靠背调节机构和放脚架连杆机构中各安装一个，目的在于轮椅使用者在使用轮椅时能够通过按钮简单操控电动推杆的伸缩，以实现靠背和放脚架的角度调节。图3.1 电动推杆为了配合车轮电机的额定电压和电源输出电压并且考虑到

28、在轮椅正常使用时靠背和放脚架的负载不同，因此选择直流电动推杆的参数如表3.1所示。表3.1 直流电动推杆参数表用途额定电压行程速度推力靠背角度调节24V100mm15mm/s70KG放脚架角度调节24V100mm20mm/s50KG液压杆如图3.2所示，主要作为靠背的支撑元件，两根液压杆分别安装在靠背后面，左右各一根，其一端连接靠背另外一端连接轮椅底座。靠背安装液压杆后再由电动推杆的伸缩进行角度调节时，一方面液压杆对角度调节起到辅助作用并减少电动推杆的受力另一方面可以加固靠背，避免靠背失重以保护轮椅使用者。图3.2 液压杆根据测量模型中轮椅底座和靠背上的支撑点在坐姿状态和平躺状态的不同距离得出

29、液压杆的中心距和行程，从而选择出液压杆的参数，如表3.2所示。表3.2 液压杆参数表用途中心距行程压力接头靠背支撑400mm160mm250N铣扁接头本设计中用到离合器作为传动元件，离合器如图3.3所示。这种离合器一般用于电动轮椅上，其主要的功能是实现电动轮椅电动模式和手动模的切换。电动轮椅即使在没电的情况下，使用者也可通过离合器切换成手动模式后继续控制轮椅移动，其主要解决了电动轮椅在没电情况下移动困难的问题。图3.3 离合器3.1.2机构设计多功能智能轮椅主要有两大机构组成：放脚架连杆机构、靠背角度调节机构，这两大机构的协同作用可以实现轮椅使用者的坐姿变换。由于现在市场上大多数的折叠轮椅的靠

30、背和放脚处为固定式，轮椅使用者在长时间使用这种轮椅，并长期维持一个坐姿这无疑会对使用者的颈椎和腰椎造成一定程度的伤害。因此，本机构设计让轮椅的靠背和放脚架可由使用者调节自己觉得舒适的角度，这无疑会对轮椅使用的舒适性和体验感有所提高。放脚架连杆机构，该机构主要靠直流电动推杆的伸缩来带动连杆1、连杆2、连杆3，从而使放脚架完成一定角度的摆动动作。图3.4 处于抬起状态的放脚架连杆机构图3.5处于放下状态的放脚架连杆机构上图为放脚架连杆机构的机构简图，由图3.4可知，放脚架当前处于与地面水平状态同时直流电动推杆处于伸出状态。与直流电动推杆相连的是连杆1，而连杆2与连杆1、连杆3相连的同时也与放脚架相

31、连，可见连杆2主要改变放脚架摆动反向，而连杆1与连杆3主要起到支撑的作用。由图3.5可得电动推杆收缩带动连杆1，并由连杆1带动连杆2转动，从而使放脚架改变方向。平面自由度计算公式为： F=3n-2PL-PH (式3.1)公式中的n是活动构件的总个数，但不包含机架、PL是低副个数、PH是高副个数。由上图可得放脚架连杆机构是平面机构，其活动部件有5个、转动副有6个、移动副有1个，总计低副有7个，高副为0。由（式3.1）可得，该机构的平面自由度为：F=35-27=1可见该机构需要一个原动件来保证其具有确定的运动，即电动推杆的往复运动能保证机构正常运作。靠背角度调节机构，其主要靠电动推杆的往返运动来带

32、动连杆，通过连杆位置的变化从而使靠背的角度改变，靠背调节机构的机构简图如下图所示。图3.6 处于坐姿工况的靠背角度调节机构图3.7 处于卧姿工况的靠背角度调节机构图3.6为直流电动推杆伸出的状态，连杆的两端分别与靠背和电动推杆相连，电动推杆完全伸出时，靠背与坐垫所成夹角为102度。而电动推杆完全收缩时如图3.7所示，此时靠背与坐垫所成夹角为180度。由此可见靠背角度调节机构能实现轮椅的坐卧变换。由上图可得靠背角度调节机构是平面机构，其活动部件有3个、转动副有3个、移动副有1个，合计低副有4个，高副为0。由（式3.1）可得，该机构的平面自由度为：F=33-24=1可见该机构同样需要一个原动件来保

33、证其具有确定的运动。3.2 Pro/E环境下多功能智能轮椅的零件建模 3.2.1建模环境的选定美国参数技术公司PTC于1988年推出Pro/E软件，Pro/E是最早进入中国的三维设计软件也是一款集合草绘制作、零件设计、装配设计、钣金设计、运动分析等功能于一体的强大设计软件更是参数化建模领域的领先者。如今Pro/E已被广泛应用于各行也的产品设计中。创建三维实体模型是Pro/E的主要作用之一。Pro/E能通过多种途径进行三维实体建模，并且在建模完成之后可通过编辑和修改工具进一步完善设计。鉴于Pro/E在使用上简易、灵活，因此多功能智能轮椅的各个零件是在Pro/E的基础上进行建模的。 3.2.2创建

34、三维实体模型的基本过程Pro/E的三维实体建模并不复杂，主要分为以下几个部分：（1）在草绘器中进行平面草图绘制并准确标注相应尺寸。（2）基础实体特征是在平面草图的基础上通过拉伸、旋转、扫描等方式创建。（3）实体特征构造是在基础实体特征的基础上加入倒斜角、倒圆角、拔模等。Pro/E会把不同层次中的实体特征分为放置特征和基础特征，其中有了基础特征才会有放置特征。通常完成上述三个步骤即可完成三维实体模型创建。3.2.3多功能智能轮椅关键零部件建模多功能智能轮椅由前万向轮、后驱动轮、防后倾轮、底盘、放脚架、靠背、座椅架、扶手和部分连接杆等组成。单个的零件可以在Pro/E的零件模式下直接创建，而部分是组

35、装件，需要在所需零件都创建好后进入Pro/E的组件界面进行装配。创建完后保存到工作目录中，以便后续装配中可快速搜寻零件。多功能智能轮椅主要框架零件的建模如3.8图所示。图3.8 轮椅主要框架零件图其中分别是靠背、座椅架、底盘和放脚架，这几个零件可组成多功能智能轮椅的大致框架结构。靠背上设有推车把手方便陪同人员推动轮椅；座椅架主要与靠背、底座、扶手连接；底座中间的镂空设计是给电机、电池、控制器预留放置空间；放脚架主要与底座连接并由电动推杆和相关连杆组成的机构对其进行角度调节。多功能智能轮椅主要防护部件如图3.9所示。图3.9 轮椅主要防护部件图中分别是扶手和防后翻轮，扶手的中间镂空位置加入了挡板

36、，防止使用者的肢体与后驱动轮发生不必要的接触，并且扶手的上表面与水平面呈一定角度的倾角当使用者把手放到扶手上时会感觉更加自然舒适。扶手的加长设计主要是让使用者在轮椅上躺下时给予更好的防护而其中留了一部分空间可充当握把，让使用者起身的时候有着力处。防后翻轮主要是防止躺下过程中或者在斜坡上由于整体重心后移而导致轮椅后翻事故。多功能智能轮椅主要运动部件如图3.10所示。图3.10轮椅主要运动部件图中分别是后驱动轮、前万向轮、液压杆、直流电动推杆。后驱动轮为24寸实心轮，电动状态下可由手柄控制电机从而带动轮子转动，通过离合器可切换成手动，使用者可用过转动轮子的外轮毂来实现轮椅运动。前万向轮则是为整车提

37、供支撑点和辅助转向。液压杆是作为支撑靠背的元件，而直流电动推杆则是为轮椅的机构提供动力并实现靠背和放脚架的角度调整功能。3.3 Pro/E环境下多功能智能轮椅的虚拟装配虚拟装配要求：1确定组件的零部件和装配基准件；2确定零部件的虚拟装配顺序；3确定各零部件之间的定位关系和约束关系；4完成组件虚拟装配后，应检查各零部件之间是否存在干涉。在Pro/E的组件模块可进行虚拟装配，对于各个零部件之间装配关系的差异。Pro/E中有不同的装配方式，对于相互之间存在相对运动的零部件，装配时应该选用连接选项里面的连接形式来给零部件定义约束关系和连接关系；反之应该选用放置选项中的各种约束来确定零部件之间的装配关系

38、。进行虚拟装配时用到的约束类型有：缺省、配对、对齐、插入等，连接形式有：刚性连接、销钉连接、滑动杆连接等。根据不同的零部件选择合适的约束类型和连接形式后，同时让每个零部件处于完全约束状态才算把零部件装配完成并且所选的连接形式才算有效。而在本设计中，连接形式只用到滑动杆连接和销钉连接，滑动杆连接主要用于液压杆和直流电动推杆的伸缩，其余的零部件都是由销钉连接或通过约束关系完成装配。完成所有零部件的装配之后，可通过拖动功能初步对相互之间存在相对运动的零部件检验其是否存在干涉，根据本人的经验将模型从着色切换成线框之后再对零部件进行拖动能更清楚看出是否有干涉存在。完成的多功能智能轮椅的虚拟装配模型如图3

39、.11所示。图3.11 多功能智能轮椅虚拟装配模型3.4轮椅爬坡能力的计算选取轮椅在路面行驶的滚动摩擦系数f=0.02，减速机的机械效率=96%，轮椅加上使用者的体重取150kg。通过组员的对电机的选型计算，电机的额定功率为P额=500W、额定转速n=3000r/min,减速机的减速比为i=37.7。对轮椅在斜坡上行驶时进行受力分析，可参考图3.12，其主要受到自身重力G、斜坡的支持力F支持、电机驱动力、还有阻力F阻。其中F阻等于重力在垂直斜坡方向上的分力Gcosa与动摩擦系数f的乘积，即F阻=fGcosa。另外同样对轮椅起阻碍作用的还有重力沿斜坡方向上的分力F1=Gsina。图3.12 轮椅

40、行驶在斜坡上的受力图F1与F阻的合力构成斜坡上的总阻力F2，可表示为F2=F1+F阻=Gsina+fGcosa (式3.2)F2=Gsina+fcosa=1509.8sina+0.02cosa=1470sina+0.02cosaN轮椅行驶的最大速度：Vmax=2Rn轮子 （式3.3）又因为： n轮子=n电机i （式3.4）由（式3.3）、（式3.4）可得：Vmax=2Rn电机i=23.140.330006037.71000=8.995km/h取电机过载系数的值为2，因此电机的最大转矩与额定转矩的关系有：Tmax=2TN (式3.5)又因为电机额定转矩：TN=9550PNnN (式3.6)轮椅匀

41、速上坡时，轮椅的驱动力：F驱动=TR=iTmaxR (式3.7)综合（式3.5）、（式3.6）、（式3.7）得：F驱动=29550PNiRnN=295500.537.70.3300096%=384N根据牛顿第三定律，轮椅的驱动力F驱动与斜坡上的总阻力F2平衡得：F2=F驱动1470sina+0.02cosa=384N （式3.8） sina+0.02cosa=0.261 50sina+cosa=13.0550sina1+502+cosa1+502=13.051+502设cos=501+502，sin=11+502，代入（式3.8）得：sinacos+cosasin=13.051+502sin(

42、a+)=13.051+502a+=arcsin13.051+502=15.13又因为：sin=11+502=arcsin11+502=1.15所以：a=a+-=15.13-1.15=13.98最终得出在轮椅与使用者总重150kg时，轮椅的最大爬坡角度为13.98。4 材质选定与有限元分析 4.1部分零部件的材质选定本设计主要是给有需要的人士使用，一般情况下轮椅需要承受住使用者的体重并且还需要为使用者带来舒适性。因此多功能智能轮椅在各承重部件上材质的强度要符合要求之外，与人体直接接触的零部材质也需要达到一定的舒适性。 对于轮椅的承重零部件，其主要的承重部件有底盘、放脚架、靠背、座椅架和连接杆。对

43、于放脚架、靠背、座椅架和连接杆的材质选取，有如下方案（1） 方案一选用6061-T6铝合金型材作为放脚架、靠背、座椅架和连接杆的材质， 6061是一种高品质铝合金，其主要经过热处理预拉伸工艺，当中的T6是一种经过固溶热处理加强后再进行人工时效的状态。6061强度中等而且成本较低，具有较好的平整度、良好的塑性、焊接性和耐腐蚀性，是用途相当广泛的铝硅镁系锻铝。（2） 方案二选用5083-H321铝合金型材作为放脚架、靠背、座椅架和连接杆的材质，5083是铝合金当中含镁量较高的一种，H321是指镁含量要在3.0%以上的铝合金，经过加工硬化后进行稳定化处理的状态，其强度良好具有良好的焊接性、耐腐蚀性、

44、可切削性。与6061-T6的区别是其含镁量较高、不可进行热处理。两种材料的性能参数由表4.1可知，5083铝合金的耐腐蚀性方面比6061铝合金要强，但是6061经过热处理后强度高于5083并且6061比5083更容易加工而且材料成本方面6061更低，综上所述应选取方案一。表4.1 材料属性对比表材质名称密度 g/cm3杨氏模量 GPa泊松比屈服强度 MPa抗拉强度MPa5083-H3212.66710.332283176061-T62.73690.33276310轮椅最主要的承重部件是底盘，因此底盘的选材尤为重要，对于轮椅的底盘的材质选取，有如下方案：（1） 方案一选取Q235结构钢作为底盘的

45、材料，这种材料是一般不进行热处理直接使用的碳素结构钢。其综合性能较好，强度、塑性和焊接性能得到较好配合用途广泛。（2） 方案二底盘的材质选取与车架的的材质相同，选取6061-T6铝合金，维持车辆材料的一致。比较两者的屈服强度，6061-T6铝合金比Q235结构钢更胜一筹，而比较两者的弹性模量Q235会比6061有较大的优势，弹性模量也是材料的刚度，刚度是钢材在静载荷作用下计算结构变形的重要数据。而刚度的大小反映了材料在受力状况下，抵抗弹性变形的能力。对于承受车架和使用者重量的底盘对刚度要求应该要更高，因此底盘材质的选取应该选取方案一。与人体直接接触的零部件主要是坐垫、靠垫和头枕。这些部件需要为

46、使用者带来一定的舒适性，通常情况下轮椅的这些部件需要具备透气性、吸湿性、均压性。因此需要采用不同材质相结合才能达到效果。与臀部接触的一部分采用凝胶而其余都采用慢回弹聚氨酯海绵材料，这样可以均匀分散压力也能给予使用者足够的支撑，最外层用网格布包裹以增强透气性。4.2 ANSYS Workbench软件介绍Workbench是一个为设计者解决产品设计过程中遇到CAE软件的异构问题的软件，其操作比经典ANSYS更加方便，因此更容易受到设计者的青睐。虽然Workbench有自带的模型建立模块，但是在Workbench中建模远不及在三维软件中的方便快捷。因此一般在使用Workbench的时候会先在三维软件中建好模型，然后再通过三维软件与Workbench的数据传输通道或者另存为Workbench支持的格式，把模型从三维软件导入到Workbench中，Workbench对