多功能電動(dòng)輪椅關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

鄧援超，皮 瑩，朱天天，段天卓

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

1 引言

近年來我國人口老齡化加劇以及存在一定數(shù)量殘疾人[1-2]，因此，為行動(dòng)不便的老年人和殘障人士提供及時(shí)、優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療護(hù)理和生活保障是且應(yīng)該是全民關(guān)注的重點(diǎn)[3]。在這一背景下，國內(nèi)外紛紛開展各種電動(dòng)輪椅的研究[4]，期望對(duì)這一類人群的日常生活有所幫助。目前國內(nèi)市場上的大多數(shù)電動(dòng)輪椅功能比較單一，而國外市場上的電動(dòng)輪椅發(fā)展水平比較先進(jìn)，功能也比較全面，但是銷售價(jià)格也很昂貴[5]，對(duì)于國內(nèi)大多數(shù)家庭來說是難以承受的[6]。為了讓更多的老年人和殘疾人使用到功能強(qiáng)大且價(jià)格便宜的電動(dòng)輪椅，本課題從老年人和殘疾人生理和心理需求出發(fā)，綜合考慮結(jié)構(gòu)、功能、成本等多種因素，本課題設(shè)計(jì)了一款功能全面、機(jī)構(gòu)可靠而且價(jià)格又相對(duì)低廉的電動(dòng)輪椅，能夠?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)、上下樓梯、跨越障礙物、床椅變換、自由升降、如廁等功能，不僅能為老年人和殘疾人提供生活便利，還能滿足他們的生理需求和心理需求[7]。

2 電動(dòng)輪椅整體方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪椅主要有輪椅姿態(tài)和床姿態(tài)兩種姿態(tài)，在任何一種姿態(tài)下均能通過升降機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)高度。電動(dòng)輪椅的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。電動(dòng)輪椅整體為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由座椅機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、靠背機(jī)構(gòu)、腳踏機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助輪、坐便機(jī)構(gòu)等輔助機(jī)構(gòu)共同組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用一種將電機(jī)內(nèi)嵌在車輪內(nèi)的輪轂電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均可獨(dú)立控制，相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式更加簡便，更有利于電動(dòng)輪椅整體結(jié)構(gòu)布置。靠背機(jī)構(gòu)和腳踏機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，靠背機(jī)構(gòu)與座椅機(jī)構(gòu)之間的夾角可以在（100～180）°范圍內(nèi)自由調(diào)整，腳踏機(jī)構(gòu)與座椅機(jī)構(gòu)之間的夾角也可以在（90～180）°范圍內(nèi)自由調(diào)整，使用者根據(jù)自身舒適度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大極限位置時(shí)電動(dòng)輪椅呈現(xiàn)床的姿態(tài)。當(dāng)電動(dòng)輪椅需要跨越障礙物或者使用者需要高處取物時(shí)，升降機(jī)構(gòu)可以帶動(dòng)輪椅整體升降實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖1 電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural Diagram of Electric Wheelchair

3 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪椅在跨越障礙物時(shí)或者使用者想要取到高處的物品時(shí)，需要改變輪椅的高度去完成跨越障礙物或者高空取物的動(dòng)作，因此必須設(shè)計(jì)一種升降機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)該功能，由此設(shè)計(jì)了一種多電動(dòng)推桿組合的升降機(jī)構(gòu)，不僅能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的整體升降，還增加了調(diào)整前后腿輪距的功能，保證輪椅在升降過程中穩(wěn)定可靠，如圖2所示。當(dāng)電動(dòng)輪椅在平地正常自主移動(dòng)時(shí)，升降機(jī)構(gòu)處于最低工位，位于前后腿中間的電動(dòng)推桿處于完全推出的極限位置，此時(shí)前后腿輪距最小。當(dāng)電動(dòng)輪椅需要上升時(shí)，升降機(jī)構(gòu)分兩個(gè)步驟來完成輪椅的整體上升，首先通過中間固定的電動(dòng)推桿6收縮帶動(dòng)連桿5和連桿8繞鉸接點(diǎn)e旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)兩個(gè)輪椅腿向左右伸展增大輪距，當(dāng)連桿5和連桿8成一條水平線并與電動(dòng)推桿6垂直時(shí)，兩個(gè)輪距達(dá)到最大值，保證了電動(dòng)輪椅在上升過程中的安全；第二步再利用安裝在輪椅腿部的電動(dòng)推桿3和電動(dòng)推桿10 推出實(shí)現(xiàn)輪椅整體的上升，此時(shí)升降機(jī)構(gòu)處于最高工位。當(dāng)電動(dòng)輪椅下降時(shí)，輪距恢復(fù)到正常寬度，下降過程反之。

圖2 升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.2 Schematic Diagram of Lifting Mechanism

3.2 腳踏機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪椅呈座椅狀態(tài)時(shí)，使用者的雙腳可以放在腳踏機(jī)構(gòu)上，腳踏承受人體一部分的重量。當(dāng)電動(dòng)輪椅從座椅狀態(tài)轉(zhuǎn)換成床姿態(tài)時(shí)，腳踏機(jī)構(gòu)需要將腳踏連桿和踏板均運(yùn)動(dòng)一定的角度，使腳踏連桿、踏板和座椅在同一水平線上，實(shí)現(xiàn)輪椅向床的轉(zhuǎn)換。根據(jù)需求設(shè)計(jì)了一種八桿組合機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)將腳踏連桿相對(duì)于座椅順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°的同時(shí)，踏板相對(duì)于腳踏連桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)80°，最終實(shí)現(xiàn)三者到達(dá)同一水平高度，如圖3所示。電動(dòng)推桿完全推出時(shí)腳踏姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，此時(shí)腳踏連桿3 與輪椅座板1（機(jī)架）呈90°夾角，腳踏連桿3與踏板6呈100°夾角，電動(dòng)輪椅呈座椅姿態(tài)，連桿7與連桿8共線，腳踏機(jī)構(gòu)位于死點(diǎn)位置，對(duì)腳踏進(jìn)行鎖死。當(dāng)電動(dòng)推桿往回收縮時(shí)，電動(dòng)推桿4帶動(dòng)連桿8繞鉸接點(diǎn)h轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿8帶動(dòng)連桿5和連桿7繞鉸接點(diǎn)d和轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿5推動(dòng)腳踏連桿3繞鉸接點(diǎn)a順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿7帶動(dòng)腳踏板6繞鉸接點(diǎn)c逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)推桿行程到位時(shí)，腳踏板6、腳踏連桿3和輪椅座板1在一條水平線上，此時(shí)電動(dòng)輪椅完成了從坐座椅到床的姿態(tài)調(diào)整。

圖3 腳踏機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.3 Schematic Diagram of Pedal Mechanism Motion

4 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

Adams作為一款專業(yè)仿真軟件，以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算與求解為理論基礎(chǔ)，可以建立復(fù)雜機(jī)械剛性體、柔性體以及剛?cè)峄旌系倪\(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型[8]。Adams軟件集建模、仿真和后處理與一身，包含多個(gè)基本模塊和專業(yè)模塊，因此選擇Adams軟件對(duì)電動(dòng)輪椅中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

4.1 升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

升降機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中要求運(yùn)動(dòng)連續(xù)平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)過程中不能出現(xiàn)卡頓、沖擊，運(yùn)動(dòng)速度也不能過快，否則會(huì)影響電動(dòng)輪椅的舒適性和安全性[9]，因此需要利用Adams軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過讀取關(guān)鍵點(diǎn)的位移、速度、加速度等曲線，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行的安全性。

將SolidWorks 建好的升降機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入Adams軟件中，對(duì)模型添加約束后，給電動(dòng)推桿一個(gè)恒定驅(qū)動(dòng)速度10mm/s，仿真時(shí)間為25s，得到后輪的位移曲線、速度曲線、加速度曲線，如圖4所示；給升降機(jī)構(gòu)連桿5和連桿8 的夾角一個(gè)測量值，得到該角度的變化曲線，如圖5所示。

圖4 后輪的位移、速度、加速度曲線Fig.4 Curve of Displacement，Velocity and Acceleration of Rear Wheel

圖5 連桿夾角變化曲線Fig.5 Connecting Rod Angle Change Curve

從圖4所示的后輪位移曲線中可以得到后輪位移從625mm增大到775mm，說明升降機(jī)構(gòu)調(diào)整輪距的最大值為150mm，速度曲線變化平緩，加速度曲線在剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小尖點(diǎn)，沖擊較小，對(duì)輪椅的平穩(wěn)性影響較小；圖5所示的連桿夾角從110°平緩變化到180°，說明升降機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中變化平緩，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 腳踏姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

腳踏姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中最重要的一點(diǎn)是要求腳踏連桿和腳踏板同時(shí)到達(dá)指定位置，與輪椅座板形成一條水平線，同時(shí)也要求運(yùn)動(dòng)過程中速度、加速度變化平緩，不能出現(xiàn)突變。將模型導(dǎo)入Adams中建好約束后，給電動(dòng)推桿一個(gè)恒定驅(qū)動(dòng)速度1mm/s，仿真時(shí)間為70s，得到腳踏板和腳踏連桿端點(diǎn)處的位移曲線、速度曲線、加速度曲線，如圖6所示。給座椅1的夾角一個(gè)測量值A(chǔ)NGLE_1，給腳踏6與座椅1的夾角一個(gè)測量值A(chǔ)NGLE_1_2，兩個(gè)夾角測量值的變化曲線，如圖7所示。

圖6 兩端點(diǎn)位移、速度、加速度曲線Fig.6 Displacement，Velocity and Acceleration Curves of Two Endpoints

圖7 夾角測量值變化曲線Fig.7 Variation Curve of Included Angle Measurement

如圖6所示，腳板與腳踏連桿兩個(gè)端點(diǎn)處的Y位移分別從-450mm和-500mm經(jīng)過腳踏機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)后同時(shí)達(dá)到0mm，兩個(gè)端點(diǎn)處的速度曲線和加速度曲線都很相近且變化平緩，圖7所示兩個(gè)夾角測量值分別從90°和100°在運(yùn)動(dòng)中同時(shí)變化成并趨于180°，說明腳踏機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)腳踏連桿與踏板同時(shí)運(yùn)動(dòng)且達(dá)到指定位置，而且運(yùn)動(dòng)過程中變化平緩無沖擊，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

5 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

升降機(jī)構(gòu)需要承受整個(gè)輪椅質(zhì)量和使用者體重，其性能的優(yōu)劣直接影響使用者的安全，所以需要對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，來驗(yàn)證升降機(jī)構(gòu)在最高工位和最低工位時(shí)的強(qiáng)度是否滿足性能要求，利用ANSYS workbench 軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

為了保證升降機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件在外載荷的作用下能夠安全可靠的工作，應(yīng)使關(guān)鍵零部件的工作應(yīng)力小于材料的極限應(yīng)力[10]。升降機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件所使用的材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，其材料塑性較好，因此主要驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求，用第四強(qiáng)度理論對(duì)最大應(yīng)力進(jìn)行校核［10］：

式中：σ1、σ2、σ3—某一點(diǎn)的三個(gè)主應(yīng)力，且σ1>σ2>σ3；σ1—帶數(shù)值最大是主應(yīng)力；σ3—帶數(shù)值最小的主應(yīng)力；σr—最大等效應(yīng)力；[σ]—許用應(yīng)力；σs—屈服極限；n—安全系數(shù)。

查閱工程材料知，Q235的屈服強(qiáng)度σs=235MPa，查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)后確定安全系數(shù)n=1.5，得材料需用應(yīng)力為[ ]σ=156MPa，以此為參考標(biāo)準(zhǔn)校核升降機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。

5.1 升降機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

當(dāng)電動(dòng)輪椅處于正常坐姿狀態(tài)時(shí)，升降機(jī)構(gòu)中間的電動(dòng)推桿完全推出，而前后腿的電動(dòng)推桿完全收縮，此時(shí)升降機(jī)構(gòu)處于最低工況位置；當(dāng)電動(dòng)輪椅需要跨越障礙物或者變換成床姿態(tài)時(shí)，升降機(jī)構(gòu)中間的電動(dòng)推桿完全收縮以擴(kuò)大輪距，前后腿的電動(dòng)推桿則完全推出使電動(dòng)輪椅整體升高，此時(shí)升降機(jī)構(gòu)處于最高工況位置，對(duì)升降機(jī)構(gòu)的這兩種極限工況位置進(jìn)行靜力學(xué)分析。

將SolidWorks 中建立的升降機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡化后導(dǎo)入AN?SYS woekbench 中，忽略一些對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的幾何特征，材料屬性選擇Q235 結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為210GPa，密度為7850kg?m-3，屈服強(qiáng)度為235MPa，之后對(duì)兩種工況下的模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，得到的裝配體網(wǎng)格劃分情況，如圖8所示。

圖8 升降機(jī)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分Fig.8 Mesh Division of Lifting Mechanism Model

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)升降機(jī)構(gòu)各個(gè)零件之間的連接關(guān)系添加一定的約束，根據(jù)實(shí)際情況，將螺栓固定連接的兩個(gè)零件面之間添加的是bonded，在鉸鏈與套筒之間添加的是frictional，鉸鏈與鉸鏈之間添加的轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，最低工況時(shí)，對(duì)兩個(gè)前腿導(dǎo)桿添加完全固定約束，最高工況時(shí)，在連桿與前后腿鏈接的鉸接點(diǎn)處施加完全固定約束；通過solidworks 軟件測量得輪椅的質(zhì)量約為40kg，而使用者的體重參考行業(yè)內(nèi)的承載情況確定為120kg，故對(duì)升降機(jī)構(gòu)連接部分施加1600N 的載荷，兩個(gè)工況下的約束和載荷，如圖9所示。求解得到升降機(jī)構(gòu)正常高度和最高位置兩種工況下的應(yīng)力云圖，如圖10所示。

圖9 升降機(jī)構(gòu)模型約束和載荷Fig.9 Lifting Mechanism Model Constraints and Loads

圖10 升降機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.10 Stress Cloud Diagram of Lifting Mechanism

升降機(jī)構(gòu)在最低工位時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在中間電動(dòng)推桿導(dǎo)桿與連桿鉸接處，最大應(yīng)力值為70.7MPa；升降機(jī)構(gòu)在最高工位時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在座椅面板上，最大應(yīng)力值為40.8MPa，根據(jù)選取的安全系數(shù)n=1.5，可得最大許用應(yīng)力為156MPa，兩種極限工況下的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，因此說明原方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

5.2 腳踏機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

腳踏機(jī)構(gòu)的踏板不僅在使用者坐在輪椅上時(shí)提供雙腳一定的支撐力，在使用者上下輪椅時(shí)，踏板更是一個(gè)重要的且唯一提供支撐的過渡工具，在那一瞬間，使用者所有的體重都由踏板承受，因此非常有必要對(duì)此工況下的腳踏機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足要求。

同前方升降機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析過程，將模型簡化后選擇對(duì)應(yīng)的材料屬性，對(duì)模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格劃分模型，如圖11所示。在踏板中間施加1200N的載荷，施加載荷模型圖，如圖12所示。求解后得到該工況下腳踏機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖13所示。由腳踏機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在腳踏連板與座椅的鉸接處，最大應(yīng)力值為104MPa，小于許用應(yīng)力值156MPa，說明腳踏機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 腳踏機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型Fig.11 Mesh Generation of Pedal Mechanism

圖12 腳踏機(jī)構(gòu)施加載荷Fig.12 Loads of Pedal Mechanism

圖13 腳踏機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.13 Stress Nephogram of Pedal Mechanism

6 結(jié)論

通過對(duì)使用者功能需求的全面分析，設(shè)計(jì)了一款具有多種功能的電動(dòng)輪椅，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）設(shè)計(jì)了多電動(dòng)推桿組合升降機(jī)構(gòu)和八桿組合腳踏調(diào)整機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，更安全可靠；

（2）利用Adams軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)和腳踏機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過位移、速度、加速度曲線顯示結(jié)果分析，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程平緩無突變，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可行性；

（3）利用ANSYS workbench 軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)兩種極限工況和腳踏機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，保證了升降機(jī)構(gòu)和腳踏機(jī)構(gòu)在各種功能狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。