多功能肢体障碍康复轮椅设计

任务书

设计（论文）题目：多功能肢体障碍康复轮椅 指导教师：陈勇 1、设计（论文）的主要任务 1、针对行动不方便的人，设计一种多功能肢体障碍看丰富轮椅 2、设计（论文）的主要内容 1、明确机构的运动原理。 2、明确机构的几何尺寸和定位尺寸。 3、利用ProEngineer建立各个机构的三维模型，进行装配，生成爆炸图。 4、利用ADAMS定义各个机构的约束关系，对机构的运动就行仿真分析。 3、设计（论文）的基本要求 1、设计时间从2012年3月5日至2012年3月23日，共计3周。 2、每个学生制定出独立的进度计划，进度安排要合理可行。 3、每个学生要完成参数计算、强度校核和仿真分析。 4、每个学生上交一份设计说明书，字数不少于3000字，格式规范，表述清晰，书写整洁。 4、主要参考文献 [1]曾宗福.机械基础.北京：化学工业出版社，2002 [2]单辉祖.材料力学教程.北京：国防工业出版社，1982 类别：课程设计

目录

摘 要 ................................................... 错误！未定义书签。

第一章 多功能康复轮椅设计的概述 ....................................................................... 错误！未定义书签。 第二章 多功能康复轮椅的结构设计 ......................................................................................................... 6 第三章 多功能康复轮椅的材料和力学分析 ............................................................................................. 8 第四章 多功能康复轮椅的功能分析 ......................................................................... 错误！未定义书签。 第五章 多功能康复轮椅的3D模型制作 .................................................................................................. 16 第六章 多功能康复轮椅设计和制作的前景展望 ..................................................................................... 17

结束语 .................................................................. 18 主要参考文献 ............................................................ 19

摘 要

根据所收集的各类文献及市场出售的各种轮椅显示，目前绝大多数折叠式轮椅皆仅止于左右折叠，所以收折之后所占的体积仍是非常庞大，如此将造成搬运、载送上的困难，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，将形成非常大的负担。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。本设计所要研究的多功能肢体障碍康复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。所以本设计的多功能肢体障碍康复轮椅是由单一自由度收折零件，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：多功能肢体障碍康复; 连杆机构;

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第一章 多功能康复轮椅设计的概述

机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得客户，取得良好的经济效益。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有搞高质量的产品；没有经济观念的设计者，决不可能设计出性能价格比好的产品。因此，在机械产品设计中，应特别强调和重视从系统的观点出发，合理地确定系统的功能；应注重新技术、新工艺及新材料等的采用；应努力提高产品的可靠性、经济性及安全性。

1.1 多功能康复轮椅设计的关键点

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。

第二章 多功能康复轮椅的结构设计和运动原理

针对行动不便的人，设计一种多功能肢体障碍康复轮椅。靠背6的下端与支架部分铰接，靠背6的上端与支架部分扣接。当取下靠背连接杆5时，靠在6的下端绕交接点转动向下后翻下形成躺椅。支架部分有滑动槽18，靠背6的下端卡在滑动槽18内与支架部分铰接，打开时，取下靠背连接杆5，靠背6的下端远滑动槽8向右移动后，向后翻下，可以加长躺椅的长度。靠头1的高度与滑动槽的滑动距离相适应，可以将靠头1放在滑槽滑动后的空位处如图2所示

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在支架上端套接有连同左右柱支撑杆21上端伸缩杆4，在主支撑杆21上卡接有靠头1，靠头1用靠头支杆2卡住伸缩杆4。当作靠椅时，伸缩杆4插入左右支撑杆21内，用螺栓3固定，靠头支杆2顶在伸缩杆4上，从而固定靠头1。取下伸缩杆4，将靠头1取下，就可以当作躺椅使用。为了增强强度，在靠背6上铰接有上支撑杆7，上支撑杆7与铰接在后支撑12上的下支撑杆9.当靠背6向后翻动时，姜上支撑杆7与下支撑杆9连接，可以顶住靠背6.上支撑杆7与下支撑杆9采用大管套小管连接，用螺栓定位连接。在支架连接有向座椅前方伸出的加长垫25下铰接支撑杆26.平支杆24的一端用螺栓玉柱支撑杆21固定连接，中间靠在支撑销23上面，如图2所示。与支架连接的踏板5的一端与支架铰接，另一端与带有滑槽的铰接杆16铰接，铰接杆16与在支架固定铰杆33铰接。当人准备坐上座椅时，向上抬起踏板15，踏板收起如图1所示，可以方便坐上座椅。当人坐上座椅后，踏板15就下落到图1所示的虚线位置，人叫可以放置在踏板15上。在支架的后支撑12上，连接有带孔的大轮支撑杆10，大轮30一侧的大轮轴33是套入大轮支撑杆10内，与支架连接，如图3所示。用作应急轮椅时，将左右两个大轮30从两边插入大轮支撑轴0内。康复支撑杆31采用两个，其上端为开叉形拐状，顶在人体的肩部，其下端与上支撑杆7套接，康复支撑杆31上开有多个调节孔35，调节康复支撑杆31的高度，以适应不同人群的需要，如图4所示。使用是，在监护人的陪同下，用前轮的手刹将轮子刹住。只让一只轮转动，患者顺着打转转的轮椅练习迈步，在取得一定成绩后，改用双手推着轮椅缓缓练习不行，进行康复训练。为了增加座椅18的强度，在在主支撑杆21上安装顶销36，顶住铰接在座椅18上的助力杆17.当轮椅打开后，助力杆17顶在销上，起加强支撑的作用。座椅18的下值班开有坐便槽，当需要方便时，取下座垫可就地方便。阳棚27可以采用螺栓连接在支架，阳棚27的支架采用伸缩杆的结构，使用时打开，收藏时直接。阳棚27可以安装在图3所示，也可以安在图2所示。支架的主支撑杆21和后支撑12均采用铰接的方式，整个轮椅折叠时，姜主支撑杆21和后支撑杆12收起，用收缩杆13扣在主支撑杆21上，形成折叠状，方便携带。

第三章 多功能康复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。 3.1 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

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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。

3.2 按照强度理论选择多功能康复轮椅的材料

轴向拉伸（tension）与压缩（compression）是杆件变形中最简单的形式。在机械和仪器中，承受拉伸和压缩作用的杆件最多，在多功能康复轮椅的过程中，联接常常用到螺栓，被拧紧后，螺栓就承受拉力。分析受轴向拉伸或轴向压缩作用的杆件的受力情况可知，杆件拉伸和压缩的受力特点是作用在杆件两端的两力大小相等、方向相反，且作用线与杆件的轴线相重合。其变形的特点是杆件沿轴向伸长或缩短，而其横截面变细或变粗，分别如图3.2.1（a）、(b)所示

图3.2.1 拉伸与压缩

由上可知，不论是受拉伸还是压缩，杆件横截面上的内力均沿着杆件的轴线，这种力称为轴力，轴力可以是拉力，也可以是压力。以受拉杆件横截面上的内力分部来确定横截面上各点的应力，杆件在外力的作用下不仅要产生内力，同时还要产生变形，而且内力与变形之间是密切相关的。所以可以实验来观察变形，以了解内力的分布。

取一等截面直杆，在其表面画两条垂直于杆轴的横线ab和cd，并在两条横线间画两条平行于杆轴的纵向线。然后在杆两端加上一对轴向拉力，使杆件产生拉伸变形。从杆件表面可观察到：ab和cd直线分别平移至a1b1和c1d1位置，仍为直线且和杆轴垂直；两条纵向线伸长，且伸长量相等，并仍然与杆轴平行。根据观察到的表面现象，可作出平面假设：变形前为平面的横截面，变形后仍为平面，但沿轴线发生了平移。如图3.2.2所示

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图3.2.2 受拉杆件截面上的应力

根据平面假设可知，任意两横截面间的各纵向线的伸长（或缩短）均相同。由材料的均匀连续性假设可知，横截面上的内力是均匀分布的，即各点的应力相等。

设杆件横截面的面积为A，横截面上的轴力为N，则该横截面上的正应力为

=N/A

（的正负号与轴力相同，当N为正时，也为正，称为拉应力；当N为负时，也

为负，称为压应力。）

由上所述可知，杆件的材料所能承受的应力是有限的，要保证杆件正常工作，则杆件的工作应力必须不超过其材料的许用应力，因此，杆件受拉伸或压缩时的强度条件为

FN （MPa） A式中[]表示杆件材料的许用应力，MPa。

本课题所设计的已知轮椅主结构将采用直径为2CM管材，假设需通过200KG的重量，即截面积A=

2d=314 (mm2),即根据杆件受拉伸或压缩时的强度公式 4得=

FN=63.7 MPa AFN （MPa） A目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝合金管材，其最大的抗拉强度是370MPa,即最大许用应力[]为370MPa，而计算所得到的结果远远小于其最大许用应力，故轮

椅的主结构采用硬铝合金。

3.3 按照刚度理论选择多功能康复轮椅的材料

杆件在不同的荷载的作用下，会产生不同的变形。根据荷载本身的性质及荷载作用的位置不同，变形可以分为轴向拉伸（压缩）、剪切、扭转、弯曲四种基本变形。轴向拉伸和压缩本节不详细叙述，以下将重点分析扭转和弯曲理论在轮椅选材上的应用。

圆轴扭转时的刚度条件为：圆轴的最大单位长度扭转角转角[], 即 max=

max不超过许用单位长度扭

T[] (rad) GIP或 ma=x1000T180[] [( °)/m] GIP梁弯曲时的刚度条件为：是在梁弯曲变形时，某指定截面的挠度和转角不允许超过许用值，即 ymax[y] 或 max[]

式中，[y]和[ ]分别为许用挠度和许用转角，两者都可在有关设计手册中查到。

3.3.1扭转时的刚度计算

如果在直杆的两端各受到一个外力偶Me的作用，且二者的大小相等、转向相反，作用面与杆件的轴线垂直，那么杆件的横截面将绕轴线发生相对转动，这种变形称为扭转，如图3.3.1所示。

图3.3.1 杆件的扭转变形

其变形特点是：杆件任意两个横截面都绕杆轴线作相对转动，两横截面之间的相对角位移称为扭转角，用表示，表示截面B相对于截面A的扭转角。扭转时杆的纵向线发生微小倾斜，表面纵向线的倾斜角用表示。如图3.3.2所示

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图3.3.2 杆件扭转时的变形

已知所用的硬铝合金管材的许用单位长度扭转角[]=1( °)/m，切变模量G=8104MPa，即

根据上面得到的公式max=

1801000T[] [( °)/m]， 又GIPIPd432max=

(14)0.1d4(14) （mm4），

得1000T180= 0.73 ( °)/m <[]=1( °)/m GIP所以，该硬铝合金管材的刚度足够。

3.3.2 弯曲时的刚度计算

如果直杆在两端各受到一个外力偶Me的作用，且二者的大小相等、转向相反，作用面都与包含杆轴的某一纵向平面重合，或者是受到位于纵向平面内且垂直于杆轴线的外力F作用时，杆件的轴线就要变弯，这种变形称为弯曲，如图3.3.3（a）、（b）所示，图（a）所示为纯弯曲，图（b）所示为横力弯曲。

图3.3.3 杆件弯曲时的变形

绘制主结构支梁的剪力图和弯矩图，分析的最终结构剪力图和弯矩图如图3.3.5所示

图3.3.5 主结构的剪力图和弯矩图

梁弯曲时的许用挠度为[y]，只要选用的材料最大的挠度不要超过其许用挠度，即可，得主结构梁的最大的挠度

ymax=

IZ WZ(式中 IZ——截面的惯性矩，mm4， WZ——抗弯截面模量，mm3)

又因为所采用的材料是空心铝合金管材，所以分别存在管材截面惯性矩

IZd464(1) ，和抗弯截面模型 WZ4d332(14) ，即根据弯曲时的刚度条件

ymax=

IZ，只要选用的材料最大的挠度小于材料弯曲时的许用挠度为[y]即可，通过实WZ验和分析，本课题设计的轮椅所采用的硬铝合金完全满足条件，刚度足够，故主体结构材料采用硬铝合金是满足要求的。

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第四章 多功能康复轮椅的功能分析

此款轮椅是对市场上销售的轮椅进行改造的基础上设计与制作的，该轮椅是一种辅助残疾和行动不方便的高龄老年人产品，它除了具有市场上轮椅普遍具有的行走功能外，还具有斜躺和平躺的功能，当使用者感觉坐的时间较长的话，使用者可以方便的操作以便使自己趟下，减轻使用者的疲劳系数，达到安全，舒适，快捷等功能。

第五章 多功能康复轮椅的3D模型制作

本轮椅设计的原则是希望让体型较大的使用者也能有一个舒适的乘坐空间，因此对于轮椅各部分的设计尺寸都采用大型轮椅的规格进行设计。已知杆件所采用的材料是硬铝合金，并依据国家标准相关的规定，制定出本轮椅的设计规格如下：(1)、本设计的轮椅展开的全宽限定在660mm之内；（2）、地板到把手上方的最大尺度全高为950mm之内；（3）、从地板到座位的高度为510mm之内；（4）、座长尺度为450mm之内；（5）、装置坐垫的两管内侧座宽尺度为450mm之内；（6）、从座管上方到扶手管上方的尺度为200mm之内；（7）、从坐垫到背靠上端的尺度为380mm之内；（8）、脚架的最低距离地高为50mm以上。依照上述数据，并利用Pro/Engineer Wildfire 2.0进行轮椅的3D绘图。将主体框架描绘出来。

5.1 基于Pro-e建立多功能康复轮椅的3D模型

根据3D模型制作前给的相关数据，按照Pro/Engineer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5.1所示

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图5.1 多功能康复轮椅的3D模型

利用ADAMS定义各个机构的约束关系，贵机构的运动就行仿真分析

第六章 多功能康复轮椅设计和制作的前景展望

轮椅是康复的重要工具，它不仅是肢体伤残者的代步工具，更重要的是使他们借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。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。再加上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%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，轮椅的社会需求总量逐年增长，这给轮椅行业带来巨大的市场空间。

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，因此多功能肢体障碍康复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。

对于在手推型多功能肢体障碍康复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，只有这样才能学好、学到真正属于自己的东西。无论是现在还是以后走上工作岗位，都要始终保持饱满的精神。提高学生 合设计能力，特别是提高创新设计能力，是21世纪的机械专业建设的改革主线。俗话说：“实践出真知”，想提高自己的设计和创新设计能力，就要多察、多思考、多动手。在设计过程中发现问 ，解决问题，不断的积累经验。这样经过反复的锤炼，我们的 合设计能力和创新设计能力就能够在不知不觉中得到提高。

由于本人的能力有限，在本作品的设计过程中，在内容的选择和编排过方 ，难免会出现许多欠妥之处，敬请各位老师谅解。

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主要参考文献

[1]申永胜.机械原理教程.北京：清华大学出版社，2005 [2]张策.机械原理与机械设计.北京：机械工业出版社，2004 [3]曾宗福.机械基础.北京：化学工业出版社，2002

[4]吴克坚，于晓红，钱瑞明.机械设计.北京:高等教育出版社，2003 [5]许德珠，朱起凡，吕烨.机械工程材料.北京：高等教育出版社，2001 [6]单辉祖.材料力学教程.北京：国防工业出版社，1982 [7]张鄂.现代设计理论与方法.北京：科学出版社，2007

[8]戚昌滋.机械现代化设计方法学.北京：中国建筑工业出版社，1987 [9]赵松年，佟杰新，卢秀春.现代设计方法.北京：机械工业出版社，1999 [10]朱红雨.机械基础.北京：中国传媒大学出版社，2008