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作者：

黄靖康

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摘要：

人口老龄化问题日益严重及肢体残障人士数量逐年递增,通过研究国内外的电脑轮椅,发现现有市场电动轮椅的功能单一,无法满足这类人群的需求。因此,研究出能实现上下台阶、升降、上下车、姿态调节和如厕等功能的多功能轮椅,对电动轮椅行业具有重大的意义。本文针对上述特点提出了多功能轮椅设计方案,并利用机械设计、人机工程学、静力学理论和优化设计等方法,对多功能轮椅的功能设计与结构设计进行研究。主要完成以下几个方面内容:1.从老年人和肢体残障人士的需求进行分析,确定了多功能轮椅要实现的各项功能,提出多功能轮椅的总体机构方案,利用机械原理和机械设计理论,完成了各机构的原理设计,确定了各构件位置关系。2.根据人机工程学的理论知识和国家相关标准,以提高轮椅舒适性为目的,在结构设计的基础上进行尺寸设计。确定整个轮椅的结构参数后,在SolidWorks环境下对多功能轮椅进行三维建模和功能模拟,其中以上下台阶功能为例,详细介绍功能实现的过程,验证了轮椅上下台阶功能的可行性。3.应用静力学分析理论,并利用有限元软件ANSYS Workbench对关键零部件升降机构与主机架部件、主机座与靠背部件和脚踏与前腿支架部件进行静力学分析,验证其在不同工况的结构强度是否满足要求。根据静力学分析结果,升降机构与主机架部件和主机座与靠背部件的结构强度存在冗余,有很大优化空间,应用尺寸优化理论,对升降机构与主机架部件进行尺寸优化设计,优化后的模型质量降低了20%,优化效果明显,提高了多功能轮椅结构的紧凑性和轻便性。应用拓扑优化理论,对主机座与靠背部件进行拓扑优化设计,优化后的模型质量降低了22.2%,优化效果明显,提高了多功能轮椅的灵活性同时降低了能耗。而脚踏与前腿支架部件在上下轮椅工况下,局部应力过大无法满足结构强度要求。应用尺寸优化理论,对其进行尺寸优化设计,找出相关参数和结构强度的关系,选取最优参数点进行结构优化,最大应力由164 MPa降低到138 MPa,满足了材料的许用应力要求。最后,对本课题的研究工作和成果进行总体的归纳总结,并提出下一步将开展的工作。

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关键词：

多功能轮椅；功能设计；结构设计；静力学；优化设计

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1018.957155