輪式自動康復輪椅設計【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、課題的設計思想和研究擬采用的方法和手段 42.1 課題的設計思想 42.2 課題研究采用的方法 52.3 預計設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計優(yōu)劣的重要標準之一。輪椅設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。現(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)的輪椅設計以設計產(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,增加坐姿的穩(wěn)定性,且使坐姿更接近自然狀態(tài) 7。輪椅的設計者更應該重視輪椅的人性化和個性化的設計,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)境充分的結合起來 8。要做到這一點,就需要設計師結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構的影響,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的發(fā)展,移動機器人大量技術用于輪椅, 智能輪椅在更現(xiàn)實的基礎上, 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)品結構單一,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,構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、課題的設計思想和研究擬采用的方法和手段2.1 課題的設計思想(1)自動輪椅總體方案的制定:本設計的結構有輪椅架、腳踏板、坐墊、轉動裝置、傳動裝置和控制裝置及折疊裝置,輪椅的關鍵部件中主要以便槽、靠背、坐墊的設計來考慮人因工程學在機械設計中的應用。傳動裝置由驅(qū)動圈和主動輪組成, 轉動裝置由氣缸、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;結構分布合理;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)針對自動輪椅設計中可能出現(xiàn)的問題,在設計過程中應該考慮這些因素的影響,制定設計方案,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的手冊及書籍; (2)通過互聯(lián)網(wǎng)查閱相關資料和最新動態(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 預計設計過程中可能遇到的問題及解決方法和措施在設計的過程中可能會遇到很多的麻煩,例如在設計完基礎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,因此在設計時要注意設計的合理性。在機械結構設計時,一定要結構簡單、緊湊,拆裝方便;零件結構要素必須符合標準規(guī)定;盡量采用標準件和通用件;設計時要考慮各個機構的協(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)學模型在設計前找到某些指標的最優(yōu)設計方案。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知識,并利用原有的資料進行設計。本設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構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 總體方案設計5第六周 擬定設計方案第七周 進行設計計算第八周 結構設計,繪制總裝圖,完成設計計算第九周 結構設計,繪制總裝圖,完成設計計算第十周 結構設計,繪制總裝圖,完成設計計算第十一周 結構設計,繪制總裝圖,完成設計計算第十二周 結構設計,繪制總裝圖,完成設計計算第十三周 繪制部件圖,設計計算第十四周 繪制部件圖,設計計算,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)設計M 北京:機械工業(yè)出版社, 20156 周美玉工業(yè)設計應用人機工程學 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.機械設計與制造,2006(8):12-13.9 Matsubara, Y., et.al. 1997. 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