辅助站立轮椅背部推杆机构优化设计*

(武汉科技大学城市学院机电工程学部,湖北武汉 430083)

0 引言

据国家统计局数据显示[1],我国老龄化情况越来越严重,老龄化带来的社会问题也愈加突出。随着人们对养老问题逐渐重视,国内外市场也相继出现了一些助老产品[2]。但在智能轮椅方面还有极大空白和可改善的方面。

老人生活所存在的困难就是行走能力减弱。在此情况下,将智能机器人技术应用于电动轮椅的智能轮椅越来越引起全社会的重视和关注,对于这方面的基础研究和产品设备的开发也将是我国未来经济发展的重要课题。

1 设计方案

1.1 初步设计

现在市面上的轮椅,溢价率较高,安全隐患明显。这就要求我们的轮椅在物美价廉的基础上能达到预计的性能。产品的主要功能有辅助站立、电动代步。

辅助站立:采用推杆推动背板和座板的方式实现辅助老人站立的目的。

电动代步:采用摇杆式控制器控制,2公斤24V12AH锂电池驱动的Y-160M 1-2,11KW,3000r/min型号无刷直流马达。

1.2 驱动系统

驱动系统由一对驱动桥组成,两桥各有一套传动系统,互不影响,由车桥将前后两驱动桥相连接。驱动系统由变速电机,减速器,带刹车脚轮,动力传输机构组成,驱动形式参考汽车传动,运动时,变速电机通电转动,从而带动齿轮机构运转,动力传输到轮毂带动轮椅前进。后退时,同理,电机反转轮椅后退。

1.3 支撑机构

轮椅的机械支撑机构为曲柄摇杆机构,机构由四个构件组成,自由度为2。该轮椅正好有两个原动件。原动件数等于自由度F,所以机构有确定的运动。

当轮椅由坐立状态转变为站立状态时,推杆A C、B D伸长,由于A 点B 点固定,故A 点B 点无法位移,A 点B 点进行逆时针旋转,A点带动C点上升,B点带动D点上升,最终导致E点角度发生变化,坐立姿E点角度为90°～97°,站立姿时E点角度为153°～168°。

2 方案论证

2.1 底部支撑管件

确定选用部件材料为:LY5052-H112型铝-镁合金[3]。

管件的受力:静置时,负荷主要由底座的两个支撑以及前方轴承受力。推杆与管件的末端夹角为82.5°,该力可分解为指向杆件的径向力和垂直于杆件的力所形成的扭矩。

校核强度:

图1 机械支撑结构图A.背部推杆固定端;B.底部推杆固定杆;C.轮椅靠背;D.轮椅底板;E.连接杆Fig.1 Mechanical support structureA.back push rod fixed end;B.bottom push rod fixed rod;C.wheelchair back;D.wheelchair floor;E.connecting rod

预设人体重量60kg,座椅上半部分重量30kg,全部作用于管件,管件直径36mm,壁厚2mm。弯曲与扭转组合变形强度条件:

空心圆:

由第三强度理论[4]:

结果表明支撑管件强度要求合格。

2.2 侧面支架管件

确定部件选用材质为:选用耐热铬合金钢[5]。

部件的受力:静置时,负载主要由侧面支架管件和底座的支撑管件承受。受力垂直于侧管,该力可分解为对侧管的扭矩和垂直于侧管的力。

强度的校核:

预设人体重量100kg,座椅上半部分重量30kg,管件直径35mm,壁厚2mm全部作用于两根管件,取单边300N。由第三强度理论:

T=G*l=300*100=30000N

M=F*L=1083*500=541666N

侧面支撑管件满足强度要求。

3 背部支起机构力学模型

如图1,设推杆推力为F,推杆推力为F的方向的位移为dl,背板总成承载力W在竖直方向的位移为dh,可得：

Wdh=Fdl

背部板总成以铰链A 为中心转动,将上式变换得:

Wrsinθdθ=Fdl

将机构的凡何参数代入上式,得到

为分析m和n对力F的影响,将式对e求导[6]:

由此可知,当轮椅的高度和背板总成长在一定范围时,伴随着背部推杆机构行程的增长[7],水平长度m和垂直长度n皆增长,推杆推力F也伴随着增长。但推杆的最终位置以及品牌型号的确定不但与推力F 相关也与推杆的角速度相关,一定范围内也与铰链承载力密切相关。团队通过SolidWorks软件进行了仿真运动进行了动力学分析,研究推杆推力F 与工作行程、背板角速度的关系,研究结果表明推杆的静置固定位对其他部件的影响是最大的，亦表明该机构符合设计要求,既节省了材料又提高了产品的可靠性和舒适性。

4 样机模型试制和检测

为了检测产品的功能及性能,根据本文所述本人试制了实物样机,设计了轮椅的电控系统,采购了所需的电子器件,如图2所示为组装完成的轮椅实物,状态为站立姿。支撑机构将底板及背板伸展的状态。实验样机由所预测的实物按1∶8.25的比例缩放而成,推杆采用型号JIECHANGLAT8的12V 行程为25mm的推杆,驱动采用ELECFANS生产的51单片机小车,动力系统由可充电的12V锂电池提供,其中推杆及C51单片机小车皆可进行遥控操作。

图2 实物模型图Fig.2 physical model

为验证设计或方案的合理性和正确性,和实物制作的可行性,团队对样机的相关功能进行了试验。

从表1 的轮椅样机检测结果分析得出如下结论:

表1 轮椅样机检测结果Tab.1 Test results of wheelchair prototype

轮椅的行驶速度和背板抬升速度使用测速器测量,由于样机组装和部件摩擦等原因,导致轮椅实际检测数据与理论数据不符(大部分数据略小于预计值),但是依然能够满足的要求结果表明,所设计的实物样机完全满足功能和性能要求,实现了预期目标。

5 结语

通过对辅助站立轮椅的受力及约束条件分析,结合电动推杆关键关节的实际设计要求,给出了一种在尺寸限制条件下能够承担老人重量的辅助站立轮椅设计方案,保证了关键关节的设计性能,为整个轮椅的结构设计奠定了可靠的基础。同时由于对电动推杆应用于辅助站立轮椅方面的设计案例报道较少,本文对相关工程设计工作具有一定的参考与应用价值。