吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (3): 872-880.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20181059

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多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构设计与优化

刘坤1(),吉硕1,孙震源1,徐洪伟1,刘勇1,赵静霞2   

  1. 1. 吉林大学 机械与航空航天工程学院, 长春 130022
    2. 吉林大学 护理学院, 长春 130021
  • 收稿日期:2018-10-22 出版日期:2019-05-01 发布日期:2019-07-12
  • 作者简介:刘坤(1981?)，男，教授，博士生导师. 研究方向：下肢智能康复训练设备. E?mail：kunliu@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(81101138);吉林省科技发展计划项目青年科研基金项目(20160520066JH)

Mechanical structure design and optimization of multifunctional auxiliary toilet wheelchair

Kun LIU1(),Shuo JI1,Zhen⁃yuan SUN1,Hong⁃wei XU1,Yong LIU1,Jing⁃xia ZHAO2   

  1. 1. College of Mechanical and Aerospace Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
    2. College of Nursing, Jilin University, Changchun 130021, China
  • Received:2018-10-22 Online:2019-05-01 Published:2019-07-12

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摘要：

设计了多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构。通过变杆长及变杆位的线性联动设计，使系统内外支撑杆对座位托举上升实现人体站起和迎候式辅助人体坐下的功能；加设扶手装置实现准确控制外支杆定点纵向位移，使机构在运行过程中辅助患者拟合对标健康人体正常站起轨迹进行坐下和站起的效果。对标健康人体的站、坐运动轨迹在Matlab软件中经归一标准化处理后得出。通过软件进行结构仿真模拟表明，该结构能够完成根据对标健康人体坐站运动轨迹进行运动康复辅助的效果。加设坐便圈及移动轮后可实现如厕动作辅助或轮椅移动功能。通过有限元软件，以质量最小为目标，设置约束条件，在保证机械结构力学性能的前提下极大降低了耗材质量。

关键词: 机械设计, 站起康复训练, 如厕轮椅, 结构优化

Abstract:

A multi?functional auxiliary station type wheelchair mechanical structure is designed. Through the linear linkage design of variable rod length and variable rod position, the functions of supporting rod type seat lifting inside and outside the system and assistant sitting down in waiting mode are realized. The vertical displacement of external support rod fixed point is accurately controlled by adding an armrest device, so that the mechanism can assist the patient to fit the normal standing track of healthy human body in the course of operation for sitting down and standing down. The standard healthy human body station and sitting trajectory were normalized after normalization in Matlab software. The structure simulation using Catia software shows that the structure can complete the effect of sitting?assisted motion of the healthy human body. The function of automatic toilet movement or wheelchair movement can be realized by adding the toilet seat and moving wheel. Using finite element software, the minimum quality is the goal, the constraints are set, and the quality of the consumables is greatly reduced under the premise of ensuring the mechanical properties of the mechanical structure.

Key words: mechanical design, STS rehabilitation training, toilet wheelchair, structure optimization

中图分类号: 

  • TP212.9

图1

人体站起过程中二肢段简化模型"

表1

不同标准身高下人体肢段长度[10] "

性别 18~60岁成年男性 18~55岁成年女性
身高/m 1.604 1.678 1.754 1.814 1.503 1.570 1.659 1.697
小腿长/mm 344 369 396 419 319 344 376 390
大腿长/mm 436 465 496 523 410 438 476 494

图 2

不同人体站起过程中髋关节轨迹及其归一化"

表2

标准归一化轨迹拟合n次函数表"

n P 0 P 1 P 2 P 3 P 4 残差模
1 0.66151 0.37018 ? ? ? 0.06790
2 0.62843 0.63428 －0.26639 ? ? 0.01797
3 0.62040 0.63271 －0.16931 －0.10380 ? 0.08621
4 0.63732 0.32835 1.17240 －2.17650 1.03290 0.00619

图3

多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构示意图"

表3

多功能坐站辅助型如厕轮椅主要部件明细表"

序号 部件名称 序号 部件名称 序号 部件名称
1 主控传动箱 5 脚踏 9 二号皮带
2 侧向三角主框架 6 传动伸缩支杆 10 一号皮带
3 传动底座 7 座椅装置
4 车轮 8 三号皮带

图4

结构简化示意图"

表 4

外支杆长度值与其伸长值、末端位移值间的变化关系"

外支杆伸长与后移值之比/1：k ex 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
外支杆伸长值/mm 152.0 124.7 105.6 91.5 80.7 72.2 65.2
末端后移值/mm 152.0 187.1 211.2 228.8 242.1 252.6 261.0
支杆初始长度/mm 567.0 594.3 613.4 627.5 638.3 646.8 653.8

图 5

DE不同取值下A点的运动轨迹"

表 5

内支杆长度值与其伸长值、末端位移值间的变化关系"

内支杆伸长值与前移值之比/1：k in 2 3 4 8 12 16 32
内支杆伸长值/mm 124.6 105.3 89.0 53.2 37.7 29.1 15.2
末端前移值/mm 249.2 315.9 355.8 425.7 452.2 466.1 487.8
支杆初始长度/mm 378.4 397.7 414.0 449.8 465.3 473.9 487.8

图6

被动训练时髋关节运动与健康人体站起轨迹对比图"

表 6

主要结构尺寸及参数"

分类 主要尺寸 锥齿轮 齿轮 丝杠
初始长（高）度尺寸/mm 行程/mm 主动锥齿轮齿数/N 从动锥齿轮齿数/N 齿数/N 模数/m 螺距/mm 公称直径/mm
外支杆传动 613.4 105.6 40 10 10 1 4 20
内支杆传动 473.9 29.1 20 10 20 2 4 20
扶手传动 ? 125.5 32 16 ? ? 4 20

"

图 8

迭代优化尺寸有限元分析结果"

图 9

结构运动状态示意图"

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