輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計【含CAD圖紙、說明書】
輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 I摘 要為了適應中國部分城市老齡化的現(xiàn)狀和老人及殘障人士的需求,設計一種方便坐立并輕松站立的輔助型座椅,可實現(xiàn)座椅的移動,升降,轉向等功能,為未來老人和殘疾人的家居生活提供新模式和新概念并促進助老/助殘系列化服務機器人產品的發(fā)展智能機器人的應用。本文運用機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS對輔助站立座椅的推桿及座椅前板進行運動學與動力學分析和優(yōu)化?;贏T89C51單片機實現(xiàn)對座椅的控制,通過對電動推桿及直流電機的正反轉控制,實現(xiàn)對座椅位姿的調節(jié)。使用三維建模軟件SOLIDWORKS對座椅建模并進行干涉檢驗。關鍵詞:輔助站立座椅,單片機,ADAMS,連桿機構輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 IIAbstractIn order to adapt to the Chinese part city aging actuality and the elderly and the disabled needs, design a convenient sitting and standing relaxed auxiliary type seat, can realize the moving seat, lifting, steering and other functions, for the future of the elderly and the disabled, home furnishing life offers a new mode and new concept and the promotion of the elderly and the disabled seriation service product development of intelligent robot application.Based on the mechanical system dynamics analysis software ADAMS on assistive chair putt and the front seat plate kinematics and dynamics analysis and optimization. Based on the AT89C51MCU to control the seat, electric putter and DC motor control, the seat position adjustment. Use of 3D modeling software SOLIDWORKS to seat modeling and interference checking.Key words: Assistive chair, Single chip microcomputer(SCM), ADAMS, Link mechanism輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 III目 錄1 緒論 .11.1課題的來源、目的、意義 .11.2國內外基本情況 .21.3本文主要研究內容 .61.4本章小結 .82 座椅結構的整體方案 .82.1 護理要求 82.2 輔助站立座椅的總體方案 82.5 構想的成型 92.6 輔助站立座椅的組成 102.7 本章小結 103 座椅的結構設計 113.1 引言 113.2 輔助站立座椅的機構介紹 113.3初步確定機構中個桿件的尺寸 .123.4輔助站立輪椅的三維建模與干涉檢驗 .133.5 本章小結 144 座椅部分零件的校核 154.1 引言 154.2 力學計算 154.3本章小結 .195 座椅推桿的動力分析及前座板的運動分析 205.1 引言 205.2 運動機構的動力學分析 205.3 本章小結 396.輔助站立輪椅控制系統(tǒng)設計 406.1 引言 406.2 控制系統(tǒng)方案 406.3 控制系統(tǒng)邏輯 40輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 IV6.4 控制系統(tǒng)硬件設計 416.5按鍵電路互鎖 .466.6 本章小結 467 結論 478 參考文獻 489 致謝 49輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 01 緒論1.1 課題的來源、目的、意義1.1.1 課題來源本課題來自企業(yè)項目和社會需求,是設計一種基于服務機器人系統(tǒng)技術的輔助站立座椅,實現(xiàn)座椅的移動、抬升等機械運動,簡化其結構,增加了移動的可控性,可實現(xiàn)座椅的移動,升降,轉彎等功能,為未來老人和殘疾人的家居生活提供新模式和新概念并促進助老/助殘系列化服務機器人產品的發(fā)展智能機器人的應用。1.1.2. 課題目的基于服務機器人系統(tǒng)技術的輔助站立座椅是滿足老年人和殘疾人的居家生活需要,形成未來老人和殘疾人家居生活的新模式和新概念,促進助老/助殘系列化服務機器人產品的發(fā)展所必需的。隨著中國一二線城市老齡化程度的逐漸加深,便捷型家居設計和人性化設計理念下的產品正逐步進入我們的生活。如現(xiàn)在大力推廣的老年人手機、折疊老人購物車等產品都是基于這一理念,使科技不僅僅局限于有限的范圍,并能實現(xiàn)達到更多的益于人本身的目的。目前,輔助站立座椅在國外已有研究并有小量產品,國內也有少量產品問世但缺乏人性化的考慮,使用者相對并不十分方便,國外產品相對比較成熟但價格昂貴,而國內大多數用戶難以承受。為此利用機械設計理論、自動控制技術設計滿足老人/殘疾人家居生活所必需的坐姿與站姿轉換輔助站式座椅具有重要的意義。人性化設計 1的前身是人體工程學的出現(xiàn)和發(fā)展,人體工程學起源于歐美,原先是在工業(yè)社會中,開始大量生產和使用機械設施的情況下,探求人與機械之間的協(xié)調關系,作為獨立學科有40多年的歷史。 2第二次世界大戰(zhàn)中的軍事科學技術,開始運用人體工程學的原理和方法,在坦克、飛機的內艙設計中,如何使人在艙內有效地操作和戰(zhàn)斗,并盡可能使人長時間地在小空間內減少疲勞,即處理好:人-機-環(huán)境的協(xié)調關系。及至第二次世界大戰(zhàn)后,各國把人體工程學的實踐和研究成果,迅速有效地運用到空間技術、工業(yè)生產、建筑及室內設計中去,1960年創(chuàng)建了國際人體工程學協(xié)會。本課題的目的在于通過比較前人的設計產品從而進行結構優(yōu)化使其能夠降低成本并處于人性化的考慮,做部分結構的重新設計,以滿足低收入人群的接受能力和需求。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 1為了適應中國部分城市老齡化的現(xiàn)狀和老人及殘障人士的需求,設計一種方便坐立并輕松站立的輔助型座椅,可實現(xiàn)座椅的移動,升降,轉向等功能,為未來老人和殘疾人的家居生活提供新模式和新概念并促進助老/助殘系列化服務機器人產品的發(fā)展智能機器人的應用。1.1.3 課題意義輔助站立座椅是近年來國內外科技服務人類的一個熱門話題。 3以“理解關愛和諧生活”為主題的第五屆中國國際殘疾人展,于2010年5月中旬在上海國際展覽中心舉行。由于世博會首創(chuàng)設立了關愛殘疾人的“生命陽光館”,該屆展會備受關注。全球最先進的無障礙設施同臺亮相,通過這些輔助設備可以全面提升殘疾人和老年人的生活質量,讓他們像常人一樣處處展現(xiàn)“生命陽光”。 而一直以來,坐輪椅的殘疾人最大的夢想是能站立行走,在該展會上,一種可以讓高位截癱患者通過操控按鈕就能直立起來的電動直立輪椅首次亮相,備受關注。據現(xiàn)場工作人員介紹,直立輪椅能夠讓全部喪失行動能力的患者在輪椅的多功能支持下直立“行走”,通過彌補下肢的不便,使他們甚至能夠完成一定的日常工作。由此可見,輔助戰(zhàn)立座椅對于現(xiàn)代城市化生活中的年老或殘障人士有著重要的社會意義和巨大的市場需求前景,可以大大改善該人群的生活范圍及生活質量,減少護工等的人力資源消耗,大大減輕了社會系統(tǒng)負擔。課題適應中國部分城市老齡化的現(xiàn)狀和老人及殘障人士的需求,設計一種方便坐立并輕松站立的輔助型座椅。1.2 國內外基本情況1.2.1 國外輔助站立座椅領域發(fā)展:日本在家庭機器人及智能人性化家具設計產品中有著較長的發(fā)展歷史,輔助型系統(tǒng)和輔助生活型機械發(fā)展也比較早。在輔助機械座椅的標準制定中更是有著嚴格的要求。對于其各項參數名稱部分如下:(1)種類 包括其形式和機能(2)各部分名稱(3)要求事項 包括一般要求事項一般及機構要求制造、材料和性能(4)實驗環(huán)境及其實驗機械 包括椅面椅背和承重等輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 2(5)規(guī)格大小 圖1-1 步行輔助裝置另外在傳統(tǒng)輪椅的基礎上,日本本田公司在 借助了日本機器人ASIMO直立行走的技術上大膽的創(chuàng)新于2008年11月7日,日本本田汽車公司展示了這款步行輔助裝置。該產品用來支撐身體重量,減少膝關節(jié)壓力,以幫助人們站立并做出蹲伏的姿勢。這對人們排長隊、東奔西跑幫人們送貨、以及陪女友逛商場等來說是非常有用的發(fā)明 4。 走路輔助器由座椅、腿支架、鞋這三部分組成。坐上座椅,穿好鞋扣上扣子,打開開關它就會帶你四處行走了。本田公司的介紹,產品系統(tǒng)包括:一臺電腦、發(fā)動機、傳動裝置、電池以及傳感器。它利用臀關節(jié)感應器來搜集行走時的信息,幫你站立,再藉由馬達協(xié)助你行走。值得一提的是,這款產品采用本田開發(fā)的平板式無刷電機驅動,體積非常小巧。1.2.2國內輔助站立座椅領域發(fā)展我國在家庭機器人及智能人性化家具設計 5中還處于落后的位置,原因在于起步較其他發(fā)達國家的投入和應用較晚。輔助站立座椅的開發(fā)和投入也只是近幾年少部分企業(yè)在看到國外的產品后才開始研究并發(fā)展。在杭州,一家成立于2010年的能源科技公司,就借鑒了國外的這一發(fā)展趨勢和思路以全新的設計理念,高端的科技運用,向年老及殘障人士提供普通電動輪椅、站立式電動輪椅等一系列產品。部分產品圖樣如下 :輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 3圖1-2 電動輪椅 圖1-3 站立座椅 我國的輪椅設計已經在逐漸從借鑒到能夠自主的研發(fā)并實現(xiàn)部分的創(chuàng)新。輪椅作為一種代步輔助運動的工具,消費者一般不會購買第二次,所以,在某種程度上輪椅是一種一次性消費產品,這就要求輪椅的使用壽命足夠長,一般輪椅的使用年限5、6年左右,超過這個年限還使用就存在許多安全隱患了。而國內企業(yè)往往在開發(fā)和生產中忽視這一點。所以,輪椅在設計之初就應該考慮到它的回收,以便材料的重復使用,防止不必要的浪費。這也是國內在這一領域的環(huán)??沙掷m(xù)發(fā)展的一種趨勢。 1.2.3國內外站立輔助機械的產品介紹以下列舉幾種國內外對于站立輔助機械的產品:圖1-4 自彈式的輔助站立椅墊圖1-4為所設計的自彈式的輔助站立椅墊。該產品的重量輕,攜帶性好。但對于材料的要求比較高。價格也相應的偏高。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 4圖1-5 輔助式站立輪椅圖1-5為國內自主設計制造的可實現(xiàn)站立的輔助式站立輪椅。可實現(xiàn)座椅的展合和移動。圖1-6 輔助站立裝置 圖1-6是本田公司借鑒asimo 的直立行走技術創(chuàng)新的改變了人們對于傳統(tǒng)輪椅的思路,是該機構還能實現(xiàn)新走的運動方式。使用方便的乘坐型座椅僅僅只需穿上連在裝置上的鞋,再坐上座椅,便可啟動輔助系統(tǒng)。 通過開發(fā)能夠自動跟蹤身體和腳動作的座椅和 框架結構,使輔助力量能夠像人腳的力量一樣移向身體的重心附近。從而使步行、上下臺階、半蹲等各種各樣的動作和姿勢能得到輔助。1.3 本文主要研究內容1.3.1課題預計達到的目標(1)通過對市面上的相關同類產品以及國內外的各種專利進行研究與分析,從使用的實用性,人性化,簡易性出發(fā),以減少制造成本,降低售價且功能齊全,增加可回收利用性,設計一臺輔助站立座椅,可實現(xiàn)座椅的移動,升降,轉彎等功能。控制輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 5方案采用單片機控制,整個座椅有一個遙控器,方便操縱者自由實施該座椅的各項功能。1前進或后退2順/逆時針轉彎3座位平臺的升降4移動及升降的互鎖5輔助引導輪支架的下擺(2)難點1座椅各關節(jié)聯(lián)動是否流暢2電氣控制方面的靈敏度是否能達到理想值3控制過程中電機轉速是否合理4供電量是否足夠5互鎖能否保證安全(3)關鍵理論及技術通過與同類產品的對比和比較,決定采用升降電動缸機構作為輪椅的運動傳遞源。在確保各個機構實現(xiàn)自身運動前提下,保證各桿件之間不發(fā)生干涉和碰撞。在確定各個機構總體的運動方案的前提下,通過圖解法或使用相關軟件初步確定各個桿件的尺寸,通過解析法列出機構的運動學方程或使用相關軟件如ANSYA、ADAMS,在機構的疲勞極限范圍內,尋找一種最佳的尺寸和機構形狀使得輔助站立椅的運動穩(wěn)定性最高,減少因為移動或升降而產生的沖擊和振動,使操控者得到最大的靈敏度。1.3.2 研究方案輔助站立座椅電源采用蓄電池供電輔助站立座椅升降裝置采用連桿機構輔助站立座椅的移動、轉向機構采用兩臺直流電機差動方式電氣控制方面,采用單片機控制 1.3.3 研究過程(1)核心部件的選型初選普通電動推桿作為動力,因為其價格低廉,結構原理簡單,體積較小,功率較小。初選MCS-51單片機程序設計,因為其具有比較大的尋址空間 ,處理功能強 ,指輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 6令系統(tǒng)相對完善以及完善的各種中斷源,抗干擾能力加強,工作亦相對穩(wěn)定 ,開發(fā)環(huán)境要求較低,軟件資源十分豐富。 (2)完成課題的步驟1通過資料查閱與分析,了解技術的國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(對國內外技術及現(xiàn)有產品進行對比分析)2分析設計要求,比較幾種可行的傳動方案性能3按所需要求,對輔助站立座椅進行整體規(guī)劃4確定各個機構的類型并進行具體設計(包括零件尺寸設計、零件材料選擇)5完成電氣控制部分設計(包括供電方式、控制順序、單片機程序及接線圖)6繪制圖紙7完成設計說明書1.3.4完成課題的主要措施(1)利用ADAMS機械系統(tǒng)動力學仿真軟件,創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)幾何模型,建立系統(tǒng)動力學方程,對虛擬機械系統(tǒng)進行運動學和動力學分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。(2) 利用三維設計軟件SOLIDWORKS、UG等,繪制三維零件圖以及三維裝配圖,生成虛擬樣機模型。檢查該樣機存在的干涉等問題,然后利用該樣機模型制作裝配動畫。最后利用AUTOCAD軟件繪制全套零件二維工作圖以及二維總裝配圖。1.4 本章小結本章主要介紹了課題的來源、目的和意義,通過比較各類產品的特點找到適合自己的設計方向和優(yōu)化特點,以便完成自己的研究內容和目標的確定。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 72 座椅結構的整體方案2.1 護理要求2.1.1 輔助站立座椅的工作環(huán)境該座椅用于病房或家庭聚居室中,需要考慮環(huán)境對噪聲的限制,故設計中動力源采用的電機及型號的選取需滿足人們能忍受噪音的限度平均不超過65分貝為宜,座椅的材料也需要考慮,并且在座椅上附加必要的減震降音材料。2.1.2 輔助站立座椅的位姿和控制要求站立座椅應滿足有利于起身站立或坐下的位姿,適應人體工程學對舒適度的要求。護理座椅可采用部分軟連接機構,使坐板在上升或下降過程中符合人舒適度要求。其次座椅能夠實現(xiàn)自主移動,用戶可自由隨意移動。后背板與坐板同時升降,保持人體平衡。其控制方式,采用按鍵或推桿操縱,方便用戶進行獨立控制。2.2 輔助站立座椅的總體方案該座椅的總體設計方案包括機械結構設計、電機驅動、動態(tài)分析、控制運動以及各部分位姿協(xié)調等。2.3 人性化方案對比通過對現(xiàn)有的大量輔助站立輪椅方案的對比,我們不難發(fā)現(xiàn)在大量同類設計中坐板往往被設計成一體,隨靠板聯(lián)動上升以達到抬升位姿的要求。如下圖2-1和圖2-2:輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 8圖2-1 傳統(tǒng)站立式座椅 圖2-2 該設計想要達到的效果在圖2-1的傳統(tǒng)結構中,輪椅在抬升時逐漸將用戶的整個重量施加在腳部并施力與踏板處。使用戶腳部承受較大的受力,這就導致對于部分腳部無力或下肢癱瘓的病人在使用中由于需要腿部支撐而帶來的不便。基于該課題對于人性化和舒適度的要求,希望改變傳統(tǒng)結構如圖2-2將坐板分成兩部分后座板2和前坐板3,在抬升的同時讓前座板向上翹起或水平,使用戶臀部處于前座板。這樣的設計可以很好的將人體的重量分別施加于臀部和大腿根部之間和腳部,大大減少了腿部的受力而增加了用戶對輪椅使用中的舒適度。在綜合的考慮下,希望采用圖2的設計以增加人體在使用時的舒適感。2.5 構想的成型通過參考分析了現(xiàn)有的幾款輔助站立座椅的設計結構,發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的設計機構中常使用平行四邊形機構,以平行四邊形的結構作為輪椅的座板。但在上升的過程中用戶除腳部支撐板受力外沒有其他支撐點,使雙腳承受了大部分身體的重量,無法滿足人體舒適度的要求,且使雙腳肌無力的用戶在使用過程中帶來一定的不便。因此希望采用一組連桿機構,使座板的一部分在上升時能在一定范圍內翹起,以支撐臀部及大腿根部靠下的位置,這樣的機構能使用戶把身體的重量分散在腳部和臀部,大大減少了腿部的受力從而增加了人體舒適度的要求。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 92.6 輔助站立座椅的組成輔助站立座椅從機構和功能上分為:座椅架、連桿機構、座椅板、單片機控制系統(tǒng)組成。座椅還必須自帶動力源(蓄電池)以及電機安裝部分。座椅板由前座板和后座板組成,整臺輔助站立座椅共有三臺直流電機,用來完成座椅的升降、移動的動作。2.7 本章小結本章節(jié)以輔助站立輪椅的優(yōu)化結構展開,通過論述座椅的工作環(huán)境和對于使用者的舒適度要求及其對位姿的要求,提出機構設計時的各項指標,以滿足功能要求為目的設計座椅的機械結構。對整體設計的思路和座椅結構形式進行初步驗證。而在其控制系統(tǒng)中,采用單片機為主控制,控制多臺直流電機實現(xiàn)聯(lián)動控制和相對的互鎖,完成輔助站立輪椅的各項功能。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 103 座椅的結構設計3.1 引言輔助站立輪椅機構主要包括座板與座椅共同的抬升運動,座板的前部在上升同時的上翹運動等部分。其座椅的各個桿件在設計計算時采用圖解法 9,得到滿足機構運動要求的初始機構各桿件尺寸。3.2 輔助站立座椅的機構介紹 在設計中采用的是六輪機構。在原有四輪輪椅的基礎上,在腳踏板前方側面增加兩個小輪使其與站立機構相連,小輪的運動能夠完成以下動作:座椅上升后,前側小輪頂起中輪僅使主動輪和小輪支撐于地面,減小由于六輪同時著地帶來的移動中不穩(wěn)定的現(xiàn)象,防止在轉彎中傾倒;在恢復坐姿時,前側小輪抬起離開地面,使中輪和主動輪著地,這個車身由該兩組輪支撐。同時,為滿足用戶在站立時減小雙腿的支撐受力,使座板前端產生一個仰角,使用戶的重量分散于雙腳和臀部,增加其站立時的舒適度。該機構由一個電動推桿驅動,其機構簡圖如圖3-1所示,由7個活動構件(桿AB、桿CD、桿BH、桿DK、桿FIE、桿EM、桿MN)和10個低副,沒有高副,自由度F=1。機構中I、L、N、O為輪椅架上的固定點,F(xiàn)、I、J、L四點構成了一個平行四邊形機構。機構的工作原理如下:由直線電機驅動帶動桿件伸縮,推桿伸長,F(xiàn)IJL是平行四邊形,因而FI和JL有相同的運動規(guī)律。KL與JL為一體,繞固定點L順時針旋轉,帶動DK桿平面運動。H點交織在桿FI上,B點交織在AC上,隨著桿JL的順時針運動,桿BH使得桿AC與桿FI相對運動。桿AC與桿CD交織,由于各桿線速度的不同,使得角KDC和角ACD發(fā)生變化,形成軟連接。通過上訴分析可知,當直線電機勻速伸長時,桿FI和桿JL傾斜角度逐漸增大,桿件IE繞固定點I順時針旋轉,帶動桿EM和桿MN做從動,形成四桿機構運動,以實現(xiàn)前側輪的下擺。此時人的重心位于前后輪之間,四輪接觸地面,使得輪椅方便移動。(3-1)10*273230,1,7HLPNF自由度計算輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 11圖3-1 輔助站立座椅的結構簡圖 3.3 初 步確定機構中個桿件的尺寸初步選定AC=350mm CD=150mm AE=EI=100mm確定B、H、K由于各連桿間的聯(lián)動和從動不確定,所以采用作圖法確定個點尺寸。滿足盡可能使在桿AC傾斜角在135度時,桿CD保持水平。在選取起始位置,中間位置,最大極限位置進行比較,便可確定各點位置。確定推桿機構E、M、N在座椅達到最大抬升極限時,使得前側輪下擺并頂起中輪。設定點I、N在同一直線.并取桿IE長度為100mm,取落地時桿NM為200mm,機構確定。綜上基本確定了各個機構及固定點的基本尺寸。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 123.4 輔助站立輪椅的三維建模與干涉檢驗圖3-2 輔助站立座椅的底架圖3-3 輔助站立座椅的整體圖 圖3-4 輔助站立座椅的前輪架3.4.1 建模的干涉檢驗圖3-5 輔助站立座椅的干涉檢查使用建模軟件中的干涉檢查計算功能檢查模型是否存在干涉,結果顯示無干涉。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 133.4.2 碰撞檢查旋轉或移動零部件的過程中,可以進行動態(tài)的干涉檢查或動態(tài)計算零件間的間隙。移動或旋轉是產生干涉的部分,以深綠色的圖形區(qū)域進行顯示。如下圖3-6和3-7所示,在移動或旋轉零部件的property manger的選項標簽中選擇碰撞檢查單選按鈕,可以指定碰撞檢查的方式 13。圖 3-6 碰撞檢查設置圖 3-7 動態(tài)干涉檢查使用移動碰撞工具進行測試,在座椅的運動過程中無碰撞。3.5 本章小結本章通過對輔助站立座椅各個機構的運動分析,初步確定了機構的設計方案,并用圖解法得到各個機構的初始設計參數,可以得到完整的三維立體模型并為下一步的優(yōu)化和分析提供了前提。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 144 座椅部分零件的校核4.1 引言輔助站立輪椅需要對設計中的一些主要部件包括底部支撐管件、側面支撐管以及踏板進行強度校核,以便合理的選材并保證使用的安全性和穩(wěn)定性以及盡可能的降低材料成本,最大程度的滿足生產需求及市場的推廣。根據設計手冊查得鋁合金的特征屬性:表4-1 鋁合金的特征屬性抗拉強度屈服點 彎曲疲勞強度扭轉疲勞強度許用靜應力許用脈動應力許用疲勞應力彈性模量MPA GPA588 294 238 138 196 93 54 724.2 力學計算4.2.1 底部支撐管件(1)確定選用材料選用鋁合金為管件材料圖4-1 底部支撐桿關鍵受力圖輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 15(2)管件的受力靜止時,載荷主要由底座的兩個支撐以及前方軸承受力。推桿于管件的末位夾角為82.5度,該力可分解為指向桿件的徑向力和垂直于桿件的力所形成的扭矩。受力情況如上圖4-1。(3)校核強度預設人體重量100kg,座椅上半部分重量30kg,全部作用于管件,管件直徑36mm,壁厚2mm。彎曲與扭轉組合變形強度條件:(4-1)2WMT空心圓:(4-2))1(324DZ由第三強度理論:(4-3 ))(1622dDMWMTTT =mg*sin82.5*l=1300*0.99*350=451100 n mm M=mg*cos82.5*L/2=1300*0.13*250=42421 n mm Mpa (4-4)645.13)326(4510*)(1622 dDMT 1支撐管件滿足強度要求。4.2.2 側面支架管件(1)確定選用材料輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 16選用鋁合金為管件材料(2)管件的受力靜止時,載荷主要由底座的支撐管件和側面支架管件承受力。受力垂直于測管,分解為對測管的扭矩和垂直于測管的力。受力情況如上圖。(3)校核強度預設人體重量100kg,座椅上半部分重量30kg,管件直徑35mm,壁厚2mm全部作用于兩根管件,取單邊650N。圖4-2 側面支撐桿關鍵受力圖由第三強度理論:T =G*l=650*100=65000n mmM=F*L=1083*500=541666n mm=158 Mpa )(1622dDMWMTT 1支撐管件滿足強度要求。4.2.3 腳踏板連桿校核(1)確定選用材料輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 17選用鋁合金為管件材料(2)管件的受力該桿件屬于懸臂梁結構圖4-3 懸臂梁架受力圖(3)校核強度預設人體重量100kg,單側最大受力F=500。maxaxZWM(4-5 )(4-6)133max .1246*052* Mpad(4) Ansys 模擬受力變形如下圖:圖4-4 懸臂梁架ANSYS變形圖加踏板支撐管件滿足強度要求。4.3 本章小結通過對主體結構的力學分析,保障了輪椅在靜力部分的可靠性和安全性。使用ANSYS分析軟件,模擬分析了座椅在靜態(tài)受力下的最大變形量。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 185 座椅推桿的動力分析及前座板的運動分析5.1 引言運動學是理論力學的一個分支學科,它是運用幾何學的方 法來研究物體的運動,通常不考慮力和質量等因素的影響。至于物體的運動和力的關系,則是動力學的研究課題。運動學主要研究點和剛體的運動規(guī)律。點是指沒有大小和質量、在空間占據一定位置的幾何點。剛體是沒有質量、不變形、但有一定形狀、占據空間一定位置的形體。運動學包括點的運動學和剛體運動學兩部分。掌握了這兩類運動,才可能進一步研究變形體(彈性體、流體等)的運動。 輔助站立輪椅的運動學分析,主要是為了進一步確定各機構桿件的尺寸,在滿足各個機構運動的前提下,保證在輪椅運動時不發(fā)生干涉現(xiàn)象,同時使機構在運動過程中達到機構運動的最佳狀態(tài)。該優(yōu)化重點在于確定推桿位置,通過運動學分析試選擇推理最小的作用點,從而減少座椅抬升時推桿所受的的作用力,得到優(yōu)化后的設計數據及桿件的尺寸數據。輔助站立輪椅運動學分析基于 6ADAMS機械分析軟件。ADAMS是全球運用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件,用戶可以利用該軟件在計算機上建立和測試虛擬樣機,實現(xiàn)真實仿真,了解復雜機械系統(tǒng)設計的運動性能。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 195.2 運動機構的動力學分析輔助站立輪椅的推桿運動學分析,是以推桿受力的變化范圍為目標函數,建立運動學方程,基于ADAMS機械分析軟件,得到滿足的機構參數。圖5-1 機構關鍵點簡圖過O點建立坐標系,以水平方向為X方向,以豎直方向為Y方向。個點實際坐標如下圖所示:表5-1 各點實際坐標坐標點 X坐標/mm Y坐標/mm原點 0 0A X1 Y1B X2 Y2C X3 Y3D X4 Y4E X5 Y5F X6 Y6G X7 Y7H X8 Y8I X9 Y9J X10 Y10K X11 Y11L X12 Y12M X13 Y13N X14 Y14O X15 Y15把所有連接視為剛體,OG為線性推桿,其長度可以變化。坐板轉過的角度與各點的坐標有關。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 205.2.1 抬升機構在ADAMS中的建模當機構在各個關鍵的位置確立完成,機構就可以運行。因此只要合理選取各個機構的位置,就能實現(xiàn)輔助站立輪椅的抬升功能。使用ADAMS VIEW提供的參數化的方法可以方便的建立其參數化的模型。利用該樣機的模型可以進行運動學仿真,通過對模擬參數的后處理,可以將所得的數據繪制成數據曲線,并可以對曲線進行數據分析。ADAMS還可以通過自身所具有模塊對機構進行優(yōu)化,得到理想的機構參數和模型。(1) 啟動ADAMS雙擊桌面上ADAMS/View的快捷圖標,打開ADAMS/View。在歡迎對話框中選擇“Create a new model”,在模型名稱(Model name)欄中輸入:名稱;在重力名稱(Gravity)欄中選擇“Earth Normal (-Global Y)”;在單位名稱(Units)欄中選擇“MMKS mm,kg,N,s,deg”。如圖所示。圖5-2 歡迎對話框(2) 設置工作環(huán)境對于這個模型,網格間距需要設置成更高的精度以滿足要求。在ADAMS/View菜單欄中,選擇設置(Setting)下拉菜單中的工作網格(Working Grid)命令。系統(tǒng)彈出設置工作網格對話框,將網格的尺寸(Size)中的X和Y分別設置成750mm和500mm,間距(Spacing)中的X和Y都設置成50mm。然后點擊“OK”確定。輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 21圖5-3 設置工作網格對話框創(chuàng)建設計關鍵點根據輔助輪椅的機構簡圖及運動分析,首先建立基礎設計變量。通過對坐板抬升時對于靠板的相對角度和前半的相對變化,采用圖解法,確定各點的位置,從而建立平面坐標系。設計座椅的初始參數,完成后如下圖5-4所示。圖5-4 設定基本參數表5-2 關鍵點的基本參數變量名 說明 Standard value/mmDV_L1 A點X方向坐標 85輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 22DV_L2 A點Y方向坐標 313DV_L3 B點X 方向坐標 242DV_L4 B點Y 方向坐標 342DV_L5 C點X 方向坐標 410DV_L6 C點Y 方向坐標 372DV_L7 D點X方向坐標 569DV_L8 D點Y方向坐標 359DV_L9 E點X方向坐標 594DV_L10 E點Y方向坐標 273DV_L11 F點X方向坐標 53DV_L12 F點Y方向坐標 263DV_L13 G點X方向坐標 226DV_L14 G點Y方向坐標 246DV_L15 H點X方向坐標 431DV_L16 H點Y方向坐標 230DV_L17 I點X方向坐標 551DV_L18 I點Y方向坐標 220DV_L19 J點X方向坐標 6DV_L20 J點Y方向坐標 178DV_L21 K點X方向坐標 422DV_L22 K點Y方向坐標 223DV_L23 L點X方向坐標 500DV_L24 L點Y方向坐標 160DV_L25 M點X方向坐標 675DV_L26 M點Y方向坐標 57DV_L27 N點X方向坐標 603DV_L28 N點Y方向坐標 22DV_L29 O點X方向坐標 226DV_L30 O點Y方向坐標 0表5-2 關鍵點的基本參數(3)在ADAMS中完成藥劑的建模并在模型中添加約束條件輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 23圖 5-5 添加運動條件 圖 5-6 添加驅動(4)為機構添加驅動在ADAMS/View驅動庫中選擇旋轉驅動(Translate Joint Motion),在Speed一欄中輸入30.(5)對樣機進行驗證在進行動力學分析前對樣機進行分析,檢驗是否有沒有被約束的構件、是否沒有質量的機構及其自由度是否符合要求。選擇tools中Model Vertify顯示:圖 5-5 樣機驗證(6)定義測量和施加傳感器輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 24首先定義背板和坐板的夾角讀書測量,當坐板反轉角度達到140度時,要求電機停止工作,達到抬升的最大極限位置,仿真定制。此時需要施加角度傳感器。進行運動學分析,步數為50步,抬升角度為140度,樣機停止仿真。如下圖:圖 5-6 施加傳感器后,在坐板翻轉140度是停止仿真(7)定義用于參數化的測量參數化的目標是在滿足使用的條件下,使得抬升機構中最大限度的降低推桿在使用中的受力,避免推桿推理超過使用范圍,幫助選擇合理的推桿。首先定義一個力的測量,一次選擇Joint_7、Measure、Force .、Mag、完成力的model_1.JOINT_7_MEA_2。(8)樣機的參數化過程ADAMS主要有設計研究、實驗設計、自動化優(yōu)化三個環(huán)節(jié)。設計研究主要研究樣機的某一個參數發(fā)生變化是對整個樣機的影響。設計研究就是讓樣機在某一個參數在一定的范圍內變化取值,然后自動一次取此參數的這些值進行一系列的仿真。可確定參數變化對樣機的影響及其不同參數下敏感度的大小。設計研究時各個變量的取值范圍如下圖:表5-3 設計研究各個變量的取值范圍變量名 Standard value/mm RangeDV_L1 85 10%DV_L2 313 10%DV_L3 242 10%DV_L4 342 10%DV_L5 410 10%輔助站立座椅的新結構及控制系統(tǒng)設計 25DV_L6 372 10%DV_L7 569 10%DV_L8 359 10%DV_L9 594 10%DV_L10 273 10%DV_L11 53 10%DV_L12 263 10%DV_L13 226 10%DV_L14 246 10%DV_L15 431 10%DV_L16 230 10%DV_L17 551 10%DV_L18 220 10%DV_L19 6 10%DV_L20 178 10%DV_L21 422 10%DV_L22 223 10%DV_L23 500 10%DV_L24 160 10%DV_L25 675 10%DV_L26 57 10%DV_L27 603 10%DV_L28 22 10%DV_L29 226 10%DV_L30 0 10%表5-3 設計研究各個變量的取值范圍(9)分析個個設計變量大小變化對推力的變化通過ADAMS 提供的研究,對各個設計變量進行設計研究得到的數據如下:推桿受力
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