多功能智能轮椅设计-结构外观设计与运动仿真 定稿.docx

多功能智能轮椅设计—结构外观设计与运动仿真学 院： 工业自动化学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 何梓浩 学号： 160404102530 指导老师： 文豪 职称： 讲师 中国·珠海二○二○年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计《多功能智能轮椅设计—结构外观设计与运动仿真》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠本人签名： 日期： 年 月 日多功能智能轮椅设计—结构外观设计与运动仿真摘 要在人口老龄化日趋严重、意外事故和自然灾害多发的时代，行动不便和肢体残障人士日益增多轮椅成为了这部分人群日常生活的一部分，相比市面上的普通轮椅而言，使用者更加倾向于使用多功能智能轮椅为帮助这部分需求群体提高生活质量，有必要研究一款价格相对低廉、姿态可调、具备室内导航、利用操纵杆实现自主移动等多功能的智能轮椅。

本文主要对多功能智能轮椅结构外观设计与运动仿真进行研究首先根据人机工程学的相关知识对轮椅的尺寸进行选定，然后利用Pro/E对轮椅进行三维建模并检验各零部件之间是否存在干涉，接着通过ANSYS Workbench的有限元分析检验模型设计的合理性，并使用Pro/E对轮椅的机构进行运动仿真，最后通过Keyshot对轮椅模型进行外观渲染，最终为多功能智能轮椅的运动控制系统和功能模块搭建出一个可移动并且能实现相关功能的平台关键词：多功能；智能轮椅；结构设计；静力学分析；运动仿真Multifunctional intelligent wheelchair design-structural design and motion simulationAbstractIn an age of increasing population aging, frequent accidents and natural disasters, people with limited mobility and physical disabilities are increasing. Wheelchairs have become part of the daily life of this group of people. Compared with ordinary wheelchairs on the market, users are more inclined to use multi-functional smart wheelchairs. In order to help this part of the demand group improve the quality of life, it is necessary to research a multi-functional smart wheelchair with relatively low price, adjustable posture, indoor navigation, and autonomous movement using a joystick.This article mainly studies the structural design and motion simulation of the multifunctional intelligent wheelchair.First, select the size of the wheelchair based on the relevant knowledge of ergonomics, then use Pro / E to three-dimensionally model the wheelchair and check whether there is interference between the parts, and then verify the model design through the finite element analysis of ANSYS Workbench The rationality of the use of Pro / E to simulate the motion of the wheelchair mechanism, and finally render the appearance of the wheelchair model through Keyshot, and finally build a movable and able to achieve the relevant functions for the motion control system and function module of the multifunctional intelligent wheelchair Platform.Keywords: multifunctional; intelligent wheelchair; structural design; static analysis; motion simulation目录1 绪论 11.1选题背景与目的 11.2国内外研究现状 11.3本文设计内容 32 多功能智能轮椅总体尺寸设计方案 52.1人机工程学在多功能智能轮椅中的应用 52.2人体测量数据在多功能智能轮椅中的应用 62.3轮椅总体尺寸选取 73 轮椅结构设计 103.1元器件选型和机构设计 103.2 Pro/E环境下多功能智能轮椅的零件建模 133.3 Pro/E环境下多功能智能轮椅的虚拟装配 163.4轮椅爬坡能力的计算 174 材质选定与有限元分析 194.1部分零部件的材质选定 194.2 ANSYS Workbench软件介绍 204.3轮椅关键部件有限元静力学分析 215 运动仿真与最终效果 275.1轮椅机构的机构运动分析模块选定 275.2轮椅机构运动仿真 275.3基于Keyshot的外观渲染 305.4小组作品的最终效果 316 总结与展望 34参考文献 35致 谢 36附录 37附录一 多功能智能轮椅装配图 37附录二 底盘零件图 37附录三 渲染效果图 38附录四 3D打印实物图 381 绪论1.1选题背景与目的近年来老龄人口比重日益上升，联合国发布的报道称，世界总人口中老年人的数量占比将在21世纪超过五分之一。

而我国于20世纪末已经进入老龄化社会，如今老龄人口数量和总人口数量最多的国家是中国人口老年龄化问题似乎已经成为世界发展的必然趋势另外意外事故和自然灾害多发导致行动不便和肢体残疾人员数量在急剧增多综合第六次全国人口普查得出我国总人口数、第二次全国残疾人抽样调查得出全国总人口数量中残疾人数量占比和残疾人口总数中各类残疾人数量占比，推算出我国在2010年末有残疾人8502万人，其中在各类残疾人中，肢体残疾人数有2472万人是占比最高的种类由于这些人部分或完全丧失行走能力，一般都需要有劳动能力的人对他们进行照顾，为使他们能够在生活中能解决行走问题，轮椅正是这部分肢体残障人士日常生活中的一部分伴随着人们的生活水平逐渐提升，普通轮椅已经很难满足这部分残障人士的需求一台多功能智能轮椅对于肢体残障人士的日常生活而言，无疑是给予他们更多的帮助和关怀一般市面上的普通轮椅虽然可折叠、方便携带但对肢体残障者而言只能满足日常的代步需求，在舒适性上也有所欠缺，并且使用者还需要依靠上肢力量来带动轮椅的车轮才能实现代步大多数的普通轮椅坐姿是固定不变的，而轮椅使用者长期维持一个坐姿很容易造成使用者某些部位出现压疮甚至可能会对脊椎造成不可逆的损伤，这无疑会对使用者身心造成一定的伤害。

而轮椅若具备姿态可调功能，可让使用者随意变换坐姿，这不仅能避免出现压疮还能提高轮椅使用过程中的舒适度并且可以实现由坐到躺的姿态转换另外具备操纵杆控制可以让使用者在实现轮椅移动时节省大量体力，只要用手轻轻拨动操纵杆就能控制轮椅运动针对市场上轮椅普遍功能不强大,以及功能强大的智能轮椅一般都只停留在实验室的现状，在尽量减轻轮椅使用者经济负担和满足日常需求的前提下，研究出一款价格相对低廉、姿态可调、具备室内导航、利用操纵杆实现自主移动等多功能的智能轮椅是有必要的1.2国内外研究现状随着科技进步和社会经济的不断提高，国内外开展了越来越多的针对多功能智能轮椅的研究多功能智能轮椅通常可以在移动机器人平台上加入座椅并做结构上的改变另外也可以在一台电动轮椅的基础上加入在多种传感器和一台计算机进行研究对此最早于20世纪80年代开始研究，在轮椅中加入视觉来辅助导航随后IBM公司下属的一个科研机构 T.J.Watson 研究中心，在一款机器人运动平台上安装了座椅，并通过一些传感器和操纵杆实现轮椅的自主移动、避障和导航功能Smart Wheelchair项目为了实现通过使用者头部姿势控制轮椅运动，其主要由两个超声波传感器来检测使用者的头部位置，以最终达到控制目的。

历经30多年的发展，许多国家相继开发出多种智能轮椅平台，如：德国的Maid项目、加拿大的TAO项目、美国麻省理工学院的Wheelesley项目等最近印度喀拉拉邦Amrita大学的人道主义技术实验室的研究人员开发了一款基于Android系统通过Vivo智能控制的自动驾驶轮椅，如图1.1所示，该轮椅通过即可对轮椅进行控制即可实现自动驾驶图1.1 自动驾驶轮椅我国虽然在多功能智能轮椅的研究领域中开展相对较迟，但通过各研究所、企业和高校的共同努力也研究出了一些有特色的多功能智能轮椅平台中国科学院的自动化研究所研制出了一款基于嵌入式系统的智能轮椅机器人RoboChair；在上海交通大学研发的交龙智能轮椅，使用者可对麦克风说出设定好的关键词来对轮椅进行控制；中国科学院深圳先进技术研究院基于头部动作的智能轮椅；重庆邮电大学的研发中心开发多模态的控制方式来对轮椅进行控制而国内一些企业也相继推出爬梯轮椅、可升降轮椅、可站立轮椅等图1.2为上海威之群公司推出的可站立轮椅图1.2 可站立式轮椅1.3本文设计内容（1）通过阅读相关文献、收集各方面资料、了解多功能智能轮椅的研究背景和国内外现状，阐述了本设计的研究目的和意义。

2）通过学习人机工程学相关知识和人体测量数据的应用原则，了解到设计多功能智能轮椅需要“以人为本”，对轮椅尺寸的选定在最大程度上符合人机工程学要求3）巩固学习Pro/E软件，并通过Pro/E对多功能智能轮椅的零部件进行三维建模、虚拟装配并且在软件的机构运动分析模块中对轮椅进行运动仿真检验三维模型虚拟装配是否合理，零部件之间是否有产生干涉4）学习相关材料性能知识，考虑其成本和车身整体重量的前提下，为轮椅的零部件选用合适的材料，并通过ANSYS Workbench有限元分析模块为轮椅的零部件添加选择好的材料属性，然后对轮椅的部分零部件和机构的不同工况进行静力学分析，以验证设计的合理性5）利用Auto CAD对二维零件图、装配图和机构简图进行编辑绘制，以达到更好地展现设。