多功能全地形助老轮椅的结构设计与仿真分析

安景超 李萍 邓文娟

摘  要：随着人口老龄化日趋严重，市场对于轮椅需求越来越大。为了解决这一问题，国内的轮椅制造业不断推陈出新。通过對老年人需求的分析，根据人机工程学知识，设计了多功能全地形助老轮椅。该轮椅在原有电动轮椅的基础上增设座椅调平机构，并对调平机构的支杆进行仿真力学分析，最终确定结构合理;同时，该轮椅具有可变轮毂和医疗检测装置，可爬楼，可适应不同地形，旨在为独居、行动不方便的老人提供出行便利。

关键词：助老轮椅、全地形、结构设计、仿真分析

1 引言

目前国内轮椅市场主要有手动和电动两种，二者各有长处也各有劣势，但普遍存在功能不全面、适应地形能力差等问题。为此，本文拟设计一款适应全地形的、具有保健功能、便于老人使用的多功能电动轮椅。

2 设计方案

该多功能全地形助老轮椅由机械系统、控制系统、医疗检测系统组成。由蓄电池对轮椅进行电量供应，带动电动机转动，驱动轮椅行进。

2.1机械系统

机械系统主要由分瓣式伸缩轮、座椅调平机构组成。

2.1.1分瓣式伸缩轮

轮椅行进轮由前边两个大轮和后边两个小轮组成，都为分瓣式伸缩轮，内部设有卡簧，伸缩轮轮毂模型如图2所示。轮椅在正常路面行进时，轮子内部卡簧结构锁死，卡簧无弹力，此时轮子与常用轮椅轮子作用相同;轮椅处于上楼模式时，卡簧装置解锁，分瓣式轮毂弹出，轮子的各个部分可以单独展开，内部的卡簧结构保证轮子在受到阻碍后能伸缩运动，增加轮子与楼梯面的接触面积，从而与楼梯形成更好的贴合，产生配合轮椅上楼的支撑力，实现轮椅爬楼;同理，伸缩轮在崎岖的路段也可以更好的贴合路面，保证轮椅的稳定性。

2.1.2座椅调平机构

座椅调平机构由四根可自由转动的电动支杆构成，电动支杆两端分别与轮椅框架和座椅底部连接。工作时，通过水平检测装置和四根电动支杆的转动、伸缩的配合使轮椅座椅时刻保持水平状态。座椅调平机构如图3所示。

2.2控制系统

由控制面板及继电器对轮椅各动作实行控制。

（1）通过模式转换开关控制轮子状态，可在行进模式和爬楼（爬升）模式之间转换。

（2）处于爬升模式时，水平感应装置传递信号给传感器，传感器驱动电机带动座椅前后支杆运动，保证座椅始终处于水平。

（3）可通过开关控制实现转向，以改变轮椅行进方向。

2.3医疗检测系统

通过安装的医疗检测开关驱动血压仪，对轮椅使用者的血压情况进行不定时检测。通过传感器及信号接收装置对医疗检测信息进行接收，并通过显示屏显示。

3 设计计算

（1）轮椅承受的最大载荷

老年人体重按50-80kg计算，G=mg=490N-784N，考虑到随身携带的物品重量，轮椅承受的载荷在500-800N之间。

轮椅座椅由四根铝合金支杆支撑，轮椅框架单独承受的载荷：F=G/4=125-200N，轮椅与地面摩擦系数μ=0.7，轮椅运行过程中零部件的电功率损耗为约60w。

轮椅前进的最小推动力Fx=μ*G=350N-560N，传动轮（大轮）半径r=0.3cm，所需力矩M=Fx*r=105-168N*m。电机功率P=M*2=210-336W。

轮椅实际工作过程中转速120rad/min=2rad/s。

（2）调平机构支杆受力

确定轮椅底部受力长度，即支杆在水平方向上投影长度L=50cm，支杆长度L₁=L/cos30⁰=57.74cm。支杆位置如图4所示。

轮椅在正常路面行进时，支杆与座椅面呈30⁰，轮椅给结构框架的力G=19.6N，平均每根支杆受力F₁=100N，单位长度支杆受力F₁′=F₁/L₁=173N。

爬楼模式时，若楼梯与地面呈60⁰，此时每根支杆受力F₂=141.4N。后边两支杆伸长后长度L₂=L/cos16⁰=52.02cm，支杆单位长度受力F₂′=F₂/L₂=242N;前边两支杆伸长后长度为L₃=L*cos30⁰/cos42⁰=58.51cm，支杆单位长度受力F₃′=F₂/L₃=283N。

4 轮椅结构设计与仿真分析

轮椅在水平地面行驶时，轮椅自身重量以及人的体重均由前后4个轮承担，现对其机械结构进行受力分析。假设载荷平均分布在座椅上，主体材质选择1060-H80铝合金棒材，基于Solidworks Simulation进行分析，其网格、应力、位移、应变分析分别如图5、6、7、8所示。轮椅整车应力最大的地方为支杆跟座椅横梁的绞点位置，通过分析得到最大应力为78.2MPa，远小于材料的许用应力4420MPa，则该结构满足强度要求。在外部载荷作用下，形变最大的为支杆，最大形变量为0.022mm，满足刚度条件。

参考文献

[1]田英，余阳，黎铸新.一种多功能越障轮椅的结构设计与仿真分析[J].机电工程技术，2020，49（07）：7—10.

[2]史康.一种新型载人爬楼轮椅的设计与分析[D].2019：05.

[3]基于人机工程学的爬楼辅助电动轮椅设计研究.曹馨颖，白宇，王坤.工业设计.2021，（08）

[5]多功能轮椅的设计与开发.王帅帅，王海霞，赵成龙.山东化工.2021，50（09）

项目资助：2020年辽宁省大学生创新创业训练计划“基于多功能全地形助老轮椅的设计与研究”（项目编号：2020101480041）423BC35B-AFC2-48D7-968B-5B22E36449D7