机械制造及自动化专业毕业论文辅助站立座椅的新结构及控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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及至第二次世界大战后，各国把人体工程学的实践和研究成果，迅速有效地运用到空间技术、工业生产、建筑及室内设计中去，1960年创建了国际人体工程学协会。
本课题的目的在于通过比较前人的设计产品从而进行结构优化使其能够降低成本并处于人性化的考虑，做部分结构的重新设计，以满足低收入人群的接受能力和需求。
1.1.3课题意义
辅助站立座椅是近年来国内外科技服务人类的一个热门话题。
[3]以“理解·
关爱·
和谐生活”为主题的第五届中国国际残疾人展，于2010年5月中旬在上海国际展览中心举行。
由于世博会首创设立了关爱残疾人的“生命阳光馆”，该届展会备受关注。
全球最先进的无障碍设施同台亮相，通过这些辅助设备可以全面提升残疾人和老年人的生活质量，让他们像常人一样处处展现“生命阳光”。
而一直以来，坐轮椅的残疾人最大的梦想是能站立行走，在该展会上，一种可以让高位截瘫患者通过操控按钮就能直立起来的电动直立轮椅首次亮相，备受关注。
据现场工作人员介绍，直立轮椅能够让全部丧失行动能力的患者在轮椅的多功能支持下直立“行走”，通过弥补下肢的不便，使他们甚至能够完成一定的日常工作。
由此可见，辅助战立座椅对于现代城市化生活中的年老或残障人士有着重要的社会意义和巨大的市场需求前景，可以大大改善该人群的生活范围及生活质量，减少护工等的人力资源消耗，大大减轻了社会系统负担。
课题适应中国部分城市老龄化的现状和老人及残障人士的需求，设计一种方便坐立并轻松站立的辅助型座椅。
1.2国内外基本情况
1.2.1国外辅助站立座椅领域发展：
日本在家庭机器人及智能人性化家具设计产品中有着较长的发展历史，辅助型系统和辅助生活型机械发展也比较早。
在辅助机械座椅的标准制定中更是有着严格的要求。
对于其各项参数名称部分如下:
（1）种类包括其形式和机能
（2）各部分名称
（3）要求事项包括一般要求事项一般及机构要求制造、材料和性能
（4）实验环境及其实验机械包括椅面椅背和承重等
（5）规格大小
图1-1步行辅助装置
另外在传统轮椅的基础上，日本本田公司在借助了日本机器人ASIMO直立行走的技术上大胆的创新于2008年11月7日，日本本田汽车公司展示了这款步行辅助装置。
该产品用来支撑身体重量，减少膝关节压力，以帮助人们站立并做出蹲伏的姿势。
这对人们排长队、东奔西跑帮人们送货、以及陪女友逛商场等来说是非常有用的发明[4]。
走路辅助器由座椅、腿支架、鞋这三部分组成。
坐上座椅，穿好鞋扣上扣子，打开开关它就会带你四处行走了。
本田公司的介绍，产品系统包括：
一台电脑、发动机、传动装置、电池以及传感器。
它利用臀关节感应器来搜集行走时的信息，帮你站立，再藉由马达协助你行走。
值得一提的是，这款产品采用本田开发的平板式无刷电机驱动，体积非常小巧。
1.2.2国内辅助站立座椅领域发展
我国在家庭机器人及智能人性化家具设计[5]中还处于落后的位置，原因在于起步较其他发达国家的投入和应用较晚。
辅助站立座椅的开发和投入也只是近几年少部分企业在看到国外的产品后才开始研究并发展。
在杭州，一家成立于2010年的能源科技公司，就借鉴了国外的这一发展趋势和思路以全新的设计理念，高端的科技运用，向年老及残障人士提供普通电动轮椅、站立式电动轮椅等一系列产品。
部分产品图样如下:
图1-2电动轮椅图1-3站立座椅
我国的轮椅设计已经在逐渐从借鉴到能够自主的研发并实现部分的创新。
轮椅作为一种代步辅助运动的工具，消费者一般不会购买第二次，所以，在某种程度上轮椅是一种一次性消费产品，这就要求轮椅的使用寿命足够长，一般轮椅的使用年限5、6年左右，超过这个年限还使用就存在许多安全隐患了。
而国内企业往往在开发和生产中忽视这一点。
所以，轮椅在设计之初就应该考虑到它的回收，以便材料的重复使用，防止不必要的浪费。
这也是国内在这一领域的环保可持续发展的一种趋势。
1.2.3国内外站立辅助机械的产品介绍
以下列举几种国内外对于站立辅助机械的产品：
图1-4自弹式的辅助站立椅垫
图1-4为所设计的自弹式的辅助站立椅垫。
该产品的重量轻，携带性好。
但对于材料的要求比较高。
价格也相应的偏高。
图1-5辅助式站立轮椅
图1-5为国内自主设计制造的可实现站立的辅助式站立轮椅。
可实现座椅的展合和移动。
图1-6辅助站立装置
图1-6是本田公司借鉴asimo的直立行走技术创新的改变了人们对于传统轮椅的思路，是该机构还能实现新走的运动方式。
使用方便的乘坐型座椅仅仅只需穿上连在装置上的鞋，再坐上座椅，便可启动辅助系统。
通过开发能够自动跟踪身体和脚动作的座椅和框架结构，使辅助力量能够像人脚的力量一样移向身体的重心附近。
从而使步行、上下台阶、半蹲等各种各样的动作和姿势能得到辅助。
1.3本文主要研究内容
1.3.1课题预计达到的目标
（1）通过对市面上的相关同类产品以及国内外的各种专利进行研究与分析，从使用的实用性，人性化，简易性出发，以减少制造成本，降低售价且功能齐全，增加可回收利用性，设计一台辅助站立座椅，可实现座椅的移动，升降，转弯等功能。
控制方案采用单片机控制，整个座椅有一个遥控器，方便操纵者自由实施该座椅的各项功能。
[1]前进或后退
[2]顺/逆时针转弯
[3]座位平台的升降
[4]移动及升降的互锁
[5]辅助引导轮支架的下摆
（2）难点
[1]座椅各关节联动是否流畅
[2]电气控制方面的灵敏度是否能达到理想值
[3]控制过程中电机转速是否合理
[4]供电量是否足够
[5]互锁能否保证安全
（3）关键理论及技术
通过与同类产品的对比和比较，决定采用升降电动缸机构作为轮椅的运动传递源。
在确保各个机构实现自身运动前提下，保证各杆件之间不发生干涉和碰撞。
在确定各个机构总体的运动方案的前提下，通过图解法或使用相关软件初步确定各个杆件的尺寸，通过解析法列出机构的运动学方程或使用相关软件如ANSYA、ADAMS，在机构的疲劳极限范围内，寻找一种最佳的尺寸和机构形状使得辅助站立椅的运动稳定性最高，减少因为移动或升降而产生的冲击和振动，使操控者得到最大的灵敏度。
1.3.2研究方案
辅助站立座椅电源采用蓄电池供电
辅助站立座椅升降装置采用连杆机构
辅助站立座椅的移动、转向机构采用两台直流电机差动方式
电气控制方面，采用单片机控制
1.3.3研究过程
（1）核心部件的选型
初选普通电动推杆作为动力，因为其价格低廉，结构原理简单，体积较小，功率较小。
初选MCS-51单片机程序设计，因为其具有比较大的寻址空间，处理功能强，指令系统相对完善以及完善的各种中断源，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定，开发环境要求较低，软件资源十分丰富。
（2）完成课题的步骤
[1]通过资料查阅与分析，了解技术的国内外现状和发展趋势（对国内外技术及现有产品进行对比分析）
[2]分析设计要求，比较几种可行的传动方案性能
[3]按所需要求，对辅助站立座椅进行整体规划
[4]确定各个机构的类型并进行具体设计（包括零件尺寸设计、零件材料选择）
[5]完成电气控制部分设计（包括供电方式、控制顺序、单片机程序及接线图）
[6]绘制图纸
[7]完成设计说明书
1.3.4完成课题的主要措施
（1）利用ADAMS机械系统动力学仿真软件，创建完全参数化的机械系统几何模型，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
（2）利用三维设计软件SOLIDWORKS、UG等，绘制三维零件图以及三维装配图，生成虚拟样机模型。
检查该样机存在的干涉等问题，然后利用该样机模型制作装配动画。
最后利用AUTOCAD软件绘制全套零件二维工作图以及二维总装配图。
1.4本章小结
本章主要介绍了课题的来源、目的和意义，通过比较各类产品的特点找到适合自己的设计方向和优化特点，以便完成自己的研究内容和目标的确定。
2座椅结构的整体方案
2.1护理要求
2.1.1辅助站立座椅的工作环境
该座椅用于病房或家庭聚居室中，需要考虑环境对噪声的限制，故设计中动力源采用的电机及型号的选取需满足人们能忍受噪音的限度平均不超过65分贝为宜，座椅的材料也需要考虑，并且在座椅上附加必要的减震降音材料。
2.1.2辅助站立座椅的位姿和控制要求
站立座椅应满足有利于起身站立或坐下的位姿，适应人体工程学对舒适度的要求。
护理座椅可采用部分软连接机构，使坐板在上升或下降过程中符合人舒适度要求。
其次座椅能够实现自主移动，用户可自由随意移动。
后背板与坐板同时升降，保持人体平衡。
其控制方式，采用按键或推杆操纵，方便用户进行独立控制。
2.2辅助站立座椅的总体方案
该座椅的总体设计方案包括机械结构设计、电机驱动、动态分析、控制运动以及各部分位姿协调等。
2.3人性化方案对比
通过对现有的大量辅助站立轮椅方案的对比，我们不难发现在大量同类设计中坐板往往被设计成一体，随靠板联动上升以达到抬升位姿的要求。
如下图2-1和图2-2:
图2-1传统站立式座椅图2-2该设计想要达到的效果
在图2-1的传统结构中，轮椅在抬升时逐渐将用户的整个重量施加在脚部并施力与踏板处。
使用户脚部承受较大的受力，这就导致对于部分脚部无力或下肢瘫痪的病人在使用中由于需要腿部支撑而带来的不便。
基于该课题对于人性化和舒适度的要求，希望改变传统结构如图2-2将坐板分成两部分后座板2和前坐板3，在抬升的同时让前座板向上翘起或水平，使用户臀部处于前座板。
这样的设计可以很好的将人体的重量分别施加于臀部和大腿根部之间和脚部，大大减少了腿部的受力而增加了用户对轮椅使用中的舒适度。
在综合的考虑下，希望采用图2的设计以增加人体在使用时的舒适感。
2.5构想的成型
通过参考分析了现有的几款辅助站立座椅的设计结构，发现在传统的设计机构中常使用平行四边形机构，以平行四边形的结构作为轮椅的座板。
但在上升的过程中用户除脚部支撑板受力外没有其他支撑点，使双脚承受了大部分身体的重量，无法满足人体舒适度的要求，且使双脚肌无力的用户在使用过程中带来一定的不便。
因此希望采用一组连杆机构，使座板的一部分在上升时能在一定范围内翘起，以支撑臀部及大腿根部靠下的位置，这样的机构能使用户把身体的重量分散在脚部和臀部，大大减少了腿部的受力从而增加了人体舒适度的要求。
2.6辅助站立座椅的组成
辅助站立座椅从机构和功能上分为：
座椅架、连杆机构、座椅板、单片机控制系统组成。
座椅还必须自带动力源（蓄电池）以及电机安装部分。
座椅板由前座板和后座板组成，整台辅助站立座椅共有三台直流电机，用来完成座椅的升降、移动的动作。
2.7本章小结
本章节以辅助站立轮椅的优化结构展开，通过论述座椅的工作环境和对于使用者的舒适度要求及其对位姿的要求，提出机构设计时的各项指标，以满足功能要求为目的设计座椅的机械结构。
对整体设计的思路和座椅结构形式进行初步验证。
而在其控制系统中，采用单片机为主控制，控制多台直流电机实现联动控制和相对的互锁，完成辅助站立轮椅的各项功能。
3座椅的结构设计
3.1引言
辅助站立轮椅机构主要包括座板与座椅共同的抬升运动，座板的前部在上升同时的上翘运动等部分。
其座椅的各个杆件在设计计算时采用图解法[9]，得到满足机构运动要求的初始机构各杆件尺寸。
3.2辅助站立座椅的机构介绍
在设计中采用的是六轮机构。
在原有四轮轮椅的基础上，在脚踏板前方侧面增加两个小轮使其与站立机构相连，小轮的运动能够完成以下动作：
座椅上升后，前侧小轮顶起中轮仅使主动轮和小轮支撑于地面，减小由于六轮同时着地带来的移动中不稳定的现象，防止在转弯中倾倒；
在恢复坐姿时，前侧小轮抬起离开地面，使中轮和主动轮着地，这个车身由该两组轮支撑。
同时，为满足用户在站立时减小双腿的支撑受力，使座板前端产生一个仰角，使用户的重量分散于双脚和臀部，增加其站立时的舒适度。
该机构由一个电动推杆驱动，其机构简图如图3-1所示，由7个活动构件（杆AB、杆CD、杆BH、杆DK、杆FIE、杆EM、杆MN）和10个低副，没有高副，自由度F=1。
机构中I、L、N、O为轮椅架上的固定点，F、I、J、L四点构成了一个平行四边形机构。
机构的工作原理如下：
由直线电机驱动带动杆件伸缩，推杆伸长，FIJL是平行四边形，因而FI和JL有相同的运动规律。
KL与JL为一体，绕固定点L顺时针旋转，带动DK杆平面运动。
H点交织在杆FI上，B点交织在AC上，随着杆JL的顺时针运动，杆BH使得杆AC与杆FI相对运动。
杆AC与杆CD交织，由于各杆线速度的不同，使得角∠KDC和角∠ACD发生变化，形成软连接。
通过上诉分析可知，当直线电机匀速伸长时，杆FI和杆JL倾斜角度逐渐增大，杆件IE绕固定点I顺时针旋转，带动杆EM和杆MN做从动，形成四杆机构运动，以实现前侧轮的下摆。
此时人的重心位于前后轮之间，四轮接触地面，使得轮椅方便移动。
（3-1）
自由度计算
图3-1辅助站立座椅的结构简图
3.3初步确定机构中个杆件的尺寸
初步选定AC=350mmCD=150mmAE=EI=100mm
确定B、H、K
由于各连杆间的联动和从动不确定，所以采用作图法确定个点尺寸。
满足尽可能使在杆AC倾斜角在135度时，杆CD保持水平。
在选取起始位置，中间位置，最大极限位置进行比较，便可确定各点位置。
确定推杆机构E、M、N
在座椅达到最大抬升极限时，使得前侧轮下摆并顶起中轮。
设定点I、N在同一直线.并取杆IE长度为100mm,取落地时杆NM为200mm,机构确定。
综上基本确定了各个机构及固定点的基本尺寸。
3.4辅助站立轮椅的三维建模与干涉检验
图3-2辅助站立座椅的底架
图3-3辅助站立座椅的整体图图3-4辅助站立座椅的前轮架
3.4.1建模的干涉检验
图3-5辅助站立座椅的干涉检查
使用建模软件中的干涉检查计算功能检查模型是否存在干涉，结果显示无干涉。
3.4.2碰撞检查
旋转或移动零部件的过程中，可以进行动态的干涉检查或动态计算零件间的间隙。
移动或旋转是产生干涉的部分，以深绿色的图形区域进行显示。
如下图3-6和3-7所示，在移动或旋转零部件的propertymanger的选项标签中选择碰撞检查单选按钮，可以指定碰撞检查的方式[13]。
图3-6碰撞检查设置
图3-7动态干涉检查
使用移动碰撞工具进行测试，在座椅的运动过程中无碰撞。
3.5本章小结
本章通过对辅助站立座椅各个机构的运动分析，初步确定了机构的设计方案，并用图解法得到各个机构的初始设计参数，可以得到完整的三维立体模型并为下一步的优化和分析提供了前提。
4座椅部分零件的校核
4.1引言
辅助站立轮椅需要对设计中的一些主要部件包括底部支撑管件、侧面支撑管以及踏板进行强度校核，以便合理的选材并保证使用的安全性和稳定性以及尽可能的降低材料成本，最大程度的满足生产需求及市场的推广。
根据设计手册查得铝合金的特征属性：
表4-1铝合金的特征属性
抗拉强度
屈服点
弯曲疲劳强度
扭转疲劳强度
许用静应力
许用脉动应力
许用疲劳应力
弹性模量
MPA
GPA
588
294
238
138
196
93
54
72
4.2力学计算
4.2.1底部支撑管件
（1）确定选用材料
选用铝合金为管件材料
图4-1底部支撑杆关键受力图
（2）管件的受力
静止时，载荷主要由底座的两个支撑以及前方轴承受力。
推杆于管件的末位夹角为82.5度，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。
受力情况如上图4-1。
（3）校核强度
预设人体重量100kg，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：
（4-1）
空心圆：
（4-2）
由第三强度理论：
（4-3）
T=mg*sin82.5*l=1300*0.99*350=451100nmm
M=mg*cos82.5*L/2=1300*0.13*250=42421nmm
Mpa<
（4-4）
支撑管件满足强度要求。
4.2.2侧面支架管件
静止时，载荷主要由底座的支撑管件和侧面支架管件承受力。
受力垂直于测管，分解为对测管的扭矩和垂直于测管的力。
受力情况如上图。
（3）校核强度
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650N。
图4-2侧面支撑杆关键受力图
T=G*l=650*100=65000nmm
M=F*L=1083*500=541666nmm
=158Mpa<
4.2.3脚踏板连杆校核
（1）确定选用材料
（2）管件的受力
该杆件属于悬臂梁结构
图4-3悬臂梁架受力图
预设人体重量100kg，单侧最大受力F=500。
（4-5）
（4-6）
（4）Ansys模拟受力变形如下图：
图4-4悬臂梁架ANSYS变形图
加踏板支撑管件满足强度要求。
4.3本章小结
通过对主体结构的力学分析，保障了轮椅在静力部分的可靠性和安全性。
使用ANSYS分析软件，模拟分析了座椅在静态受力下的最大变形量。
5座椅推杆的动力分析及前座板的运动分析
5.1引言
运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。
至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。
运动学主要研究点和刚体的运动规律。
点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。
刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。
运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。
掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体（弹性体、流体等）的运动。
辅助站立轮椅的运动学分析，主要是为了进一步确定各机构杆件的尺寸，在满足各个机构运动的前提下，保证在轮椅运动时不发生干涉现象，同时使机构在运动过程中达到机构运动的最佳状态。
该优化重点在于确定推杆位置，通过运动学分析试选择推理最小的作用点，从而减少座椅抬升时推杆所受的的作用力，得到优化后的设计数据及杆件的尺寸数据。
辅助站立轮椅运动学分析基于[6]ADAMS机械分析软
升级会员 