輪式自動康復輪椅設(shè)計【含CAD圖紙、UG三維模型】
目錄1、本課題的目的、意義、國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢 11.1 本課題的目的及意義 11.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢 21.2.1 國外發(fā)展狀況 .21.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 .31.2.3 存在問題和未來發(fā)展趨勢 .32、課題的設(shè)計思想和研究擬采用的方法和手段 42.1 課題的設(shè)計思想 42.2 課題研究采用的方法 52.3 預計設(shè)計過程中可能遇到的問題及解決方法和措施 53、論證完成課題的實驗條件 64、課題進度安排 65、參考文獻 701、本課題的目的、意義、國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢1.1 本課題的目的及意義我國是殘疾人口數(shù)量最多的國家,根據(jù)國家統(tǒng)計局 2006 年的統(tǒng)計報告,全國殘疾人總數(shù)約為 8296 萬人,占全國人口總數(shù)的 6.34%。殘疾人雖然身體殘障,但是他們需要得到社會的尊重與理解。他們渴望像正常人一樣學習、工作和生活。輪椅是殘疾人的必備用品之一。對于殘疾人來說輪椅不僅僅是代步工具。讓病人舒適的養(yǎng)病,很需要一個舒適、合適的輪椅,而掌握人因工程學的知識、并應用人因工程學的知識設(shè)計舒適的輪椅是工程師義不容辭的責任!輪椅首先是一個坐具,這是它最基本的功能。舒適度是衡量輪椅設(shè)計優(yōu)劣的重要標準之一。輪椅設(shè)計不僅要在制造工藝和生產(chǎn)方面可行,符合安全要求,更重要的是在設(shè)計思想中體現(xiàn)人因工程學,保證人的安全、 健康和舒適的目的,使人坐者舒服、舒心、安全 1?,F(xiàn)今的輪椅還存在簡陋粗糙、不易使用的情況 2。挫敗感對人的自信心是個沉重打擊。如何改進輪椅設(shè)計,幫助患者從肢體到心靈真正康復,需要深入研究3。雖然市面上有許多電動、智能輪椅,但是其高昂的價格是國內(nèi)大部分殘疾人無法承受的,而手動輪椅以其價格優(yōu)勢占有大多數(shù)的使用率,卻少有發(fā)展?,F(xiàn)今的手動輪椅功能單一、造型色彩單調(diào),根本無法滿足殘疾人更深層次的需求,物質(zhì)需求的不完全滿足和精神需求的無法滿足,對于殘疾人生理和心理的健康都是極為不利的。傳統(tǒng)的輪椅設(shè)計以設(shè)計產(chǎn)品為主要目標,更多的考慮輪椅本身的功能的實現(xiàn),沒有規(guī)范化的考慮人的因素。機械是機器和機構(gòu)的總稱 4。人與機械相比,人是在人機系統(tǒng)中起決定性作用的 5。人因工程學強調(diào)人和機器作為相互聯(lián)系的兩個基本部分構(gòu)成一個整體。人因工程學高度重視輪椅的安全性、高效率性、乘坐舒1適性。特別是殘疾人的輪椅,安全性、人性化更為重要。理想的輪椅應使坐者體重分布合理,大腿近似水平狀態(tài),雙腳自然放到腳踏板上,雙臂不負擔身體重量,肌肉放松,可以方便的變換坐姿 6。大于 90的靠背可防止骨盆的旋轉(zhuǎn),增加坐姿的穩(wěn)定性,且使坐姿更接近自然狀態(tài) 7。輪椅的設(shè)計者更應該重視輪椅的人性化和個性化的設(shè)計,受迎并且擁有發(fā)展市場的輪椅必定是舒服舒適并擁有突出新穎功能的輪椅,使人、機和環(huán)境充分的結(jié)合起來 8。要做到這一點,就需要設(shè)計師結(jié)合人因工程學的知識,研究輪椅使用者的喜好,用理性工學的研究方法,針對生物力學對輪椅結(jié)構(gòu)的影響,對座椅、輪子、扶手及其他個性化附件用心、用智慧進行設(shè)計 9。1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢1.2.1 國外發(fā)展狀況自 1986 年英國開始研制第一輛智能輪椅來,許多國家投入較多資金研究智能輪椅。如美國麻省理工學院 Wheelesley 項目 10、法國 VAHM 項目 11、德國烏爾姆大學 MAID(老年人及殘疾人助動器)項目 12、 Bremen Autonomous Wheelchair 項目、西班牙 SIAMO 項目 13、加拿大 AAI 公司 TAO 項目、歐盟TIDE 項目、KISS 學院 TINMAN 項目、臺灣中正大學電機系 LUOSON 項目、我國 863 智能機器人智能輪椅項目及第三軍醫(yī)大學外科研究所項目等。由于各個實驗室的目標及研究方法不盡相同,每種輪椅解決的問題及達到的能力不同。初期的研究,賦予輪椅的功能一般都是低級控制,如簡單的運動、速度控制及避障等。隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展,移動機器人大量技術(shù)用于輪椅, 智能輪椅在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上, 有更好的交互性、適應性、自主性。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況我國自動化輪椅研究起步較晚,在機構(gòu)的復雜性和靈活性上和國外相比有一定差距 14。但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)接近國外先進水平的。研究單位有中科2院自動化所、上海交通大學和香港中文大學等 15。中科院自動化研究所在中科院創(chuàng)新工程和國家“831”計劃支持下,研制了一種具有視覺和口令導航功能并能與人進行多模態(tài)交互的多功能輪椅移動機器人 16 17。我國現(xiàn)有輪椅,特別是肢殘者與老年人大量使用的多為手動輪椅,由于輪椅本身無動力,實際使用時往往需要他人輔助,造成很多不便。為改變我國輪椅手搬人推的落后狀況,貫徹落實民政工作上為國家分憂、下為百姓解愁的方針,更好地為傷殘人員服務,滿足人們對現(xiàn)代生活質(zhì)量日益提高的需求,國內(nèi)輪椅及相關(guān)企業(yè)將積極開發(fā)研制電動輪椅。近年來,我國輪椅行業(yè)保持快速發(fā)展。不過,行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一,絕大部分產(chǎn)品為一般輪椅、產(chǎn)品價格低。高端產(chǎn)品如電動輪椅和運動輪椅研發(fā)投入不足,技術(shù)水平與國外相差很大,運動輪椅則主要依靠進口。因此,有必要進行更多的研究與開發(fā)。1.2.3 存在問題和未來發(fā)展趨勢經(jīng)過近 20 年的研究發(fā)展,智能輪椅的研究有了很大的進展,功能不斷豐富,安全可靠性不斷提高,但是也存在一定的問題:(1)人機交互不夠自然。雖然已經(jīng)開發(fā)了多種智能輪椅人機交互接口,但是仍處于通過人機接口對輪椅進行簡單控制的階段,對自然交互中使用者的無意識行為與有意識行為的區(qū)分還很欠缺,無法達到自然交互的目的。(2) 輪椅的安全保障系統(tǒng)不夠完善。目前多數(shù)智能輪椅平臺較重視功能性實現(xiàn),對于各種環(huán)境下危險發(fā)生的可能性以及相應的保障措施研究不夠。(3)智能輪椅控制系統(tǒng)實時性較差,功耗較大,續(xù)航能力不高,離真正的實用還有一定距離。未來的發(fā)展趨勢有以下幾個方面:(1)人機交互自然化。通過多種人機交互接口結(jié)合,智能輪椅系統(tǒng)能夠更加充分地與使用者進行交流和溝通,更加準確地理解使用者的操縱意圖。3(2)安全保障全面化。利用日益進步的傳感器技術(shù),構(gòu)建完善的智能輪椅保障系統(tǒng),通過對周圍環(huán)境更加全面的了解,實時監(jiān)測智能輪椅的運動狀態(tài),對危險狀態(tài)進行報警和阻止,盡可能避免危險的發(fā)生。(3)產(chǎn)品化。產(chǎn)品化是任何高新技術(shù)服務于社會的必經(jīng)之路,采用嵌入式控制系統(tǒng)將是智能輪椅未來的發(fā)展方向,利用嵌入式產(chǎn)品功耗低、運算能力強的特點,將能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能輪椅產(chǎn)品。(4)模塊化。要實現(xiàn)智能輪椅的批量生產(chǎn),智能輪椅的各項功能必須模塊化,包括導航系統(tǒng)、人機接口、運動控制以及機械臂等等。以便于為不同的用戶定制不同的功能模塊組合,同時也便于對各個功能模塊的升級和再開發(fā)。2、課題的設(shè)計思想和研究擬采用的方法和手段2.1 課題的設(shè)計思想(1)自動輪椅總體方案的制定:本設(shè)計的結(jié)構(gòu)有輪椅架、腳踏板、坐墊、轉(zhuǎn)動裝置、傳動裝置和控制裝置及折疊裝置,輪椅的關(guān)鍵部件中主要以便槽、靠背、坐墊的設(shè)計來考慮人因工程學在機械設(shè)計中的應用。傳動裝置由驅(qū)動圈和主動輪組成, 轉(zhuǎn)動裝置由氣缸、連桿、螺栓、螺母組成??刂蒲b置由剎車系統(tǒng)組成。折疊裝置由連桿、螺栓、螺母組成。自動的總體設(shè)計方案充分考慮人機交互,方便殘疾人上下輪椅和驅(qū)動輪椅;安全保障系數(shù)高;結(jié)構(gòu)分布合理;材料舒適,成本低;具有良好的可移植性,可以適應不同的加工平臺;各個零件要達到避免在預定壽命期內(nèi)失效的要求 18;盡可能實現(xiàn)輪椅的機械化,當執(zhí)行制造程的基本動作是由機器(機械)代替人力勞動來完成時稱為機械化 19;在滿足產(chǎn)品使用性能的條件下,零件圖上標注的尺寸公差等級和表面粗糙度值應取經(jīng)濟值 20。(2)針對自動輪椅設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題,在設(shè)計過程中應該考慮這些因素的影響,制定設(shè)計方案,避免或者減少這些問題的發(fā)生。2.2 課題研究采用的方法4(1)通過圖書館查閱相關(guān)的手冊及書籍; (2)通過互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料和最新動態(tài);(3)應用 CAD 制圖和 UG 制圖建立試驗機的機械系統(tǒng)模型,進行強度計算和運動分析。2.3 預計設(shè)計過程中可能遇到的問題及解決方法和措施在設(shè)計的過程中可能會遇到很多的麻煩,例如在設(shè)計完基礎(chǔ)零件之后進行強度校核時,有一些零件就有可能是不符合條件的,這樣就會增加計算量,因此在設(shè)計時要注意設(shè)計的合理性。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時,一定要結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,拆裝方便;零件結(jié)構(gòu)要素必須符合標準規(guī)定;盡量采用標準件和通用件;設(shè)計時要考慮各個機構(gòu)的協(xié)調(diào)配合;選擇合適的電動機實現(xiàn)機電一體化;通過建立數(shù)學模型在設(shè)計前找到某些指標的最優(yōu)設(shè)計方案。3、論證完成課題的實驗條件通過自己的了解以及在圖書館和網(wǎng)上的資料查閱,對本設(shè)計的基本知識已經(jīng)有了一定的認識,而且可以通過網(wǎng)上資料檢索進行查閱相關(guān)知識,并利用原有的資料進行設(shè)計。本設(shè)計中包括主要包括扶手、坐墊、車輪和靠背,根據(jù)文獻和論文資料對結(jié)構(gòu)布局要求有一定的了解。后期需要的裝配圖可以利用電腦軟件,例如 CAD 制圖和 UG 制圖等進行完成。4、課題進度安排第一周 調(diào)研、選題、查閱資料第二周 查閱文獻資料, 撰寫開題報告和外文翻譯第三周 撰寫開題報告和外文翻譯第四周 整理、修改、審訂開題報告及外文翻譯第五周 總體方案設(shè)計5第六周 擬定設(shè)計方案第七周 進行設(shè)計計算第八周 結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪制總裝圖,完成設(shè)計計算第九周 結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪制總裝圖,完成設(shè)計計算第十周 結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪制總裝圖,完成設(shè)計計算第十一周 結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪制總裝圖,完成設(shè)計計算第十二周 結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪制總裝圖,完成設(shè)計計算第十三周 繪制部件圖,設(shè)計計算第十四周 繪制部件圖,設(shè)計計算,準備論文第十五周 繪制部件圖,撰寫論文第十六周 修改圖體,撰寫論文第十七周 修改圖體,撰寫論文,準備答辯第十八周 修改論文,準備答辯5、參考文獻1 郭伏人因工程學M沈陽 :東北大學出版社,2001 .2 余道清我的輪椅朋友J 中國殘疾人,2008(6): 653 鐘雄.愿輪椅亮麗溫馨精彩紛呈J .中國殘疾人,2008 (6):65.4 孫恒,陳作模,葛文杰機械原理M 北京:高等教育出版社, 20065 朱龍根機械系統(tǒng)設(shè)計M 北京:機械工業(yè)出版社, 20156 周美玉工業(yè)設(shè)計應用人機工程學 M北京:中國輕工業(yè)出版社,20017 朱序璋人機工程學M 西安:西安電子科技大學出版社, 19998 江渡,中俊,陳棟.應用人機工程學研究輪椅的舒適性J.機械設(shè)計與制造,2006(8):12-13.9 Matsubara, Y., et.al. 1997. 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