坐姿可調節輪椅結構設計與分析

楊帥旗，王丙旭，楊景，趙德明，高興文

（浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近年來，我國癱瘓患者人數逐年增加，據2019年“腦卒中高危人群篩查和干預項目”數據顯示，2012年至2019年我國40歲及以上人群的卒中人口標化患病率由1.89%上升至2.58%，我國2019年40歲及以上患過腦卒中的人數約為1704萬。在腦卒中幸存者中，約75%的患者會留有后遺癥，偏癱最為常見[1-3]。此外，失能老人人數也在逐年增加，據全國老齡委數據統計，2020年我國60歲以上失能老人已超過4200萬[4]。這導致輔助性工具的需求量日益上漲，如輪椅、拐杖、助行器等，據市場數據顯示，輪椅是上述人群首要的日常輔助性工具[5]。

人體長期處于坐或仰臥的姿勢會引起疲勞，不利于血液流通和代謝，尤其對于四肢失能人士，幾乎一直處于同一姿態，極易產生麻木和不適的感覺[6-8]。此外人體長期保持同一坐姿也會引起壓瘡的產生，壓瘡一旦發生將會嚴重降低癱瘓患者的生活質量[9-11]。針對此問題，基于普通輪椅的結構基礎并進行了改進，設計了一種坐姿可調節輪椅。

1 工作原理

坐姿可調節輪椅的創新功能在于可調節使用者的坐姿，通過輪椅折疊機構、俯仰調節機構、坐墊調節機構、靠背調節機構協同工作實現。輪椅折疊機構用于調節靠腿與坐墊、靠背與坐墊間的角度；俯仰調節機構用于調節坐墊與水平面的角度；坐墊調節機構和靠背調節機構用于調節人體在輪椅上的坐姿。工作模式分為手動和自動兩種，手動模式通過控制面板上的鈕子開關操縱單個機構，比如可單獨調節靠背角度、靠腿角度等，自動模式為各個機構按照設定程序調節輪椅整體姿態，圖1為坐姿可調節輪椅的部分形態。

2 結構設計

坐姿可調節輪椅由輪椅折疊機構、輪椅俯仰調節機構、坐墊調節機構、靠背調節機構、車架、車輪等機構部件組成，輪椅結構如圖2所示。

平移調節機構，如圖3所示。其主體為絲桿螺母傳動機構。導軌用于導向和承受正壓力，42步進電機和旋轉控制電機運行。坐墊調節機構由兩個平移調節機構和坐墊構成，兩個坐墊調節機構并排平行安裝，相向移動，轉動使用者的臀部；靠背調節機構由平移調節機構和靠背構成，靠背左右移動，調節背部位置，兩部分協同工作。

圖3 平移調節機構

如圖4，輪椅折疊機構，靠背安裝板和靠腿安裝板分別與坐墊安裝板連接，均可相對于坐墊安裝板轉動，依靠坐墊兩側和下側的雙作用液壓缸實現靠背和靠腿相對于坐墊角度的調節。輪椅俯仰調節機構中，液壓缸活塞桿推動坐墊調節桿轉動，使坐墊上移或下移。

圖4 折疊機構和俯仰機構

3 Ansys Workbench靜力學分析

輪椅在使用過程中需要具有足夠的強度以支撐外載荷，從安全角度分析，需要對輪椅的主體結構進行強度校核，判斷是否能夠滿足實際的性能要求。坐姿可調節輪椅正常工作時，機構的受力主要來自于兩個方面，一是輪椅自重和人體重量，二是液壓缸的推力。

材料選擇使用鋁合金，一般鋁合金輪椅重量在10～15 kg[12，13]。中國成年男性和女性的平均體重分別為69.6 kg和59 kg[14]。考慮極限工作情況，為坐墊安裝板施加1000 N的正壓力，兩個液壓缸推力均設置為500 N，同時添加9.8 m/s2的標準地球重力，如圖5所示。

圖5 載荷受力圖

網格劃分采用四面體網格，坐墊安裝板受力較為簡單，網格單元尺寸設為10 mm，輪椅架、坐墊支撐桿、坐墊調節桿網格單元尺寸設為5 mm，銷軸的網格單元尺寸設為2 mm，共計節點數518558個，單元數327110個。

由圖6、圖7、圖8和圖9可看出所受最大應力為81.4 MPa，最大應變為0.0012 mm，鋁合金強度較高，輕量化和耐腐蝕效果較好，且具有較好的抗沖擊和抗震減噪能力，6XXXX系列和7XXX系列為輪椅使用較多的材料，綜合考慮選擇7050-T7451作為材料，其性能見表1。

表1 7050-T7451鋁合金的機械性能[15]

圖6 輪椅架應力云圖

圖7 輪椅架應變云圖

坐姿可調節輪椅啟動和暫停時會存在一定沖擊力，為保證輪椅具有足夠強度，取動載荷系數Kv=1.8，取材料許用安全系數[Sσ]=1.5，進行強度校核。

由式（1）可知，各部件所受應力均小于7050-T7451的屈服強度，滿足實驗模擬要求。但本強度校核分析是在理想狀態下完成，與輪椅實際工作情況有一定差距，實際還需對關鍵部位進行強化處理。

4 Adams運動學仿真

通過Solidworks將輪椅模型簡化并導入Adams進行運動學仿真。對輪椅重新約束，共40個約束。為模擬真實使用場景，為兩個坐墊和靠背分別施加了500 N和250 N的正壓力，為液壓缸和絲桿分別添加了平移驅動和旋轉驅動。采用STEP函數控制液壓缸和絲桿的運行，運行時間為25 s，仿真步數為2000步。

為驗證機構的運動軌跡是否滿足人體坐姿調節的穩定性要求，在Adams中針對人體不同部位定義相關Marker點，分別設置在上肢軀干、臀部、大腿和小腿。圖10為人體模擬Marker點的x軸和y軸位移圖，圖11為人體模擬Marker點的速度圖。0～5 s調節靠背和靠腿相對于坐墊的角度，5～15 s前坐墊向左移動，后坐墊和靠背向右移動，完成人體的右轉并返回中央位置，15～25 s前坐墊向右移動，后坐墊和靠背向左移動，完成人體的左轉并返回中央位置。由圖可知輪椅運行過程中沒有較大的沖擊，且速度平穩，能夠有效保證用戶安全。

圖10 模擬人體Marker點X軸與Y軸位移圖

圖11 模擬人體Marker點速度圖

5 結語

設計的坐姿可調節輪椅，由折疊機構、輪椅俯仰調節機構、坐墊調節機構、靠背調節機構等組成，可通過手動或自動模式實現多種坐姿的轉換，提高使用者的舒適度，降低護理人員勞動量。

通過Ansys Workbench對坐姿可調節輪椅主要承力部分進行有限元分析，結果表明，輪椅結構強度能夠滿足其安全性要求。通過Adams對輪椅進行運動學仿真，結果表明，輪椅坐姿調節過程平穩，沒有較大沖擊，滿足其功能性需求。