多功能可分离助老床椅的结构设计与有限元分析.pdf
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1、Oct.2023JOURNALOFMACHINE DESIGN2023年10 月No.10Vol.40第40 卷第10 期机设计械多功能可分离助老床椅的结构设计与有限元分析*沈仙法,刘浩,陈晓颖!(1.三江学院机械与电气工程学院,江苏南京210012;2.江苏理工学院机械工程学院,江苏常州213001)摘要:为改善行动能力受限的居家老人生活质量,解决其普遍存在的腰部力量不足、起身翻身困难、腿脚行动不便、夜间起身如厕及活动范围小等问题,文中设计了一款多功能可分离助老床椅。采用有限元软件ANSYSWorkbench对助老床椅的关键构件进行了静力学和模态分析,获得了辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑
2、横梁和电动推杆支撑底座的变形、等效应力和安全系数云图及床体框架的前6 阶固有振型与频率,结果证明:关键构件的强度、刚度和安全系数均满足要求。再通过建立辅助曲腿机构的动力学方程,并采用MATLAB软件进行分析求解,验证了机构设计的合理性和可靠性;最后按1:2 的缩小比例完成了多功能可分离助老床椅模型样机制作,并进行了调试和功能测试,试验验证设计的助老床椅能够实现预定功能和目标,研究成果为居家助老装置的设计提供了技术参考,具有重要的现实意义。关键词:多功能;可分离;助老床椅;结构设计;有限元;ANSYSWorkbench中图分类号:TH126;U 46 8.5文献标识码:A文章编号:10 0 1-
3、2 3 54(2 0 2 3)10-0 114-0 8Structural design and finite-element analysis of multi-functionalseparable bed chair for old peopleSHEN Xianfa,LIU Hao,CHEN Xiaoying(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Sanjiang University,Nanjing 210012;2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University o
4、f Technology,Changzhou 213001)Abstract:In this article,in order to improve the life quality of home-based old people with limited mobility,and solve theircommon problems such as insufficient waist strength,difficulty in getting up and turning over,inconvenient movement of legs andfeet,getting up and
5、 going to the toilet at night,as well as limited activity areas,the multi-functional separable bed chair for oldpeople is designed.ANSYS Workbench is used to carry out the static and modal analysis on the bed chairs key components.Thedeformation,equivalent stress and safety factor nephogram of the a
6、uxiliary sitting-and-standing bed board,the auxiliary stting-and-standing electric push rod support beam and the electric push rod support base,as well as the first 6-stage natural vibrationmodes and frequencies of the bed frame are obtained.The results show that the key components strength,stiffnes
7、s and safetyfactor can meet the related requirements.Then,it is verified that the mechanism design is rational and reliable by establishing thedynamic equation of the auxiliary curved leg mechanism and solving it with the help of the MATLAB software.Finally,the proto-type of the multi-functional sep
8、arable bed chair is completed according to the reduction ratio of 1:2;the debugging and functiontests are carried out to verify that this chair has the required functions and achieves the objectives.This study provides technicalreference for the design of home care devices for old people and has pra
9、ctical significance.Key words:multi-functional;separable;bed chair for old people;structural design;finite element;ANSYS Workbench收稿日期:2 0 2 1-0 8-13;修订日期:2 0 2 3-0 4-11基金项目:三江学院科研资助项目成果(2 0 19 SJKY005);江苏省高校自然科学研究资助项目(14KJB460022);江苏省青蓝工程资助项目115沈仙法,等:多功能可分离助老床椅的结构设计与有限元分析2023年1 0 月近年来,随着人口老龄化程度的持续加
10、重,独居在家的老年人日益增多。由于年龄原因,老年人的健康状况在不断下降,造成了老年人的起居行动不便,这将严重影响老年人的生活质量1-2 。2】。当前市场上各类助老机械装置层出不穷,其目的都是为了辅助老人的日常生活,提高老人的生活质量。目前,关于助老床椅的研究主要有:文献3 设计了一款复合式智能护理床,实现了护理床的多功能复合式效果。文献4 研究了一种具有语音识别功能的智能多功能护理轮椅床。文献5 设计了一种多功能助老助残轮椅床结构,该结构通过按动式旋转锁扣可以将床与轮椅自由分离和结合。文献6 提出了一种助老助残轮履协同移动平台,研究了移动平台的轮履转换机构及其工作原理综上可知,关于助老床椅装置
11、的研究虽然取得了一定成果,但是已有的助老机械装置大多活动范围小,结构复杂,需人力操作,且价格昂贵7-1 0 。因此,针对现有助老机械装置的不足,设计了一款多功能可分离助老床椅,并进行分析。1总体方案设计依据马斯洛需求激励理论,人类需求可分为5 个层次:生理、安全、社交需要、尊重和自我实现。此次设计的多功能可分离助老床椅将根据马斯洛理论和人机工程学的设计原则,实现设计产品的人性化、模块化和智能化。通过综合分析研究,确定多功能可分离助老床椅的主要功能有:辅助坐立、辅助(左、右)翻身、辅助倚靠、辅助曲腿、辅助如厕和辅助移动。设计完成后的多功能可分离助老床椅主要包括床体结构和移动轮椅两部分,具体结构组
12、成如图1 所示。整个装置的外形尺寸为长2 0 0 0 mm宽1 5 0 0 mm高5 0 0 mm。多功能可分离助老床椅床体结构移动轮椅床体框架辅助坐立机构辅助翻身机构轮椅框架背板升降机构辅助曲腿机构辅助如厕装置辅助移动底盘图1助老床椅整体结构2助老床椅工作原理与结构设计2.1床体和轮椅框架框架设计是否合理直接关系到多功能可分离助老床椅装置的稳定性。床体框架是安装辅助坐立系统和辅助翻身系统的支撑件,轮椅框架是安装辅助移动系统、辅助背板升降系统、辅助曲腿系统和辅助如厕系统的支撑件,因此,合理设计框架结构就显得特别重要。根据多功能可分离助老床椅各个部位的受力特性,床体和轮椅框架立柱选用4 0 mm
13、40mm3mm铝材,横梁和纵梁选用4 0 mm40mm2mm铝材,材质均为6 0 6 3 铝合金。床板材质选用Q235A的镀锌钢板,厚度为1.5 mm。2.2辅助坐立机构辅助坐立机构是利用电动推杆推动坐立床板绕连接铰链旋转上升,坐立床板的上升角度可以通过调节推杆的行程来完成,如图2 所示2辅助坐立1床体框架;2 坐立床板;3 电动推杆支撑横梁;4连接铰链;5 电动推杆支撑底座:6 电动推杆图2辅助坐立机构设计时,考虑到标准成年男子体质量一般在7 0 100kg,选用了1 2 V直流电动推杆,其工作行程为300mm,最大推力可至1 2 0 0 N。电动推杆两端各设置一个行程限位开关,伸缩杆运动到
14、极限位置时会自动断电。老人需要起床时,可操作遥控器,启动坐立电动推杆,实现坐立床板翻转,帮助老人起身。根据人体测量学中的数据,当人处于坐姿时不引起疲劳的最大背垂角为1 0,因此确定坐立床板最大翻转角度为8 0 2.3辅助翻身机构辅助翻身(左、右)机构主要是由举升电机、螺旋116计机第4 0 卷第1 0 期设械丝杆副、万向节、固定支架和连接杆等组成。该机构将举升电机安装在固定支架内侧,举升电机旋转时,输出轴通过万向节带动螺旋丝杆旋转,螺旋丝杆套产生轴向移动,再通过三角臂、连接杆和活动支架实现翻身背板的旋转,如图3 所示。2381尾座连接板;2 活动支架;3 连接杆;4 三角臂;5螺旋丝杆副;6
15、万向节;7 举升电机;8 固定支架图3辅助翻身机构坐立床板左、右两侧均设计有翻身功能。翻身时翻转的角度设计太小,则达不到翻身的目的,角度过大又容易引起倾覆,使老人受到伤害。考虑到安全性和稳定性的要求,文中设计的助老床椅的最大翻身角度为6 0,如图4 所示。老人在使用时可以借助遥控器操作实现左、右翻身功能。2辅助翻身(左)431连接铰链;2 翻身背板;3 支撑横梁;4 举升器图4辅助翻身工作状态2.4轮椅背板升降机构背板升降机构主要由步进电机、丝杆副、导轨和背板组成。考虑到老年人倚靠的舒适性和安全性,背板外形尺寸为长4 0 0 mm宽1 0 0 mm高4 5 0 mm。当使轮椅与床体分离前,需先
16、完成轮椅背板的上升。轮椅背板升降可以通过操纵遥控器实现,控制步进电机,电机通过丝杆副带动背板在两侧导轨内上下移动,从而实现背板的升降,具体如图5 所示。设计的背板升降行程为0 3 0 0 mm。背板升降321轮椅曲腿1110981外导轨;2 内导轨;3 背板;4 丝杆副;5 步进电机;6 底座;7电动推杆;8 腿板;9 连杆机构;1 0 脚板;1 1 连接铰链图5背板升降和轮椅曲腿机构2.5轮椅曲腿功能机构轮椅曲腿机构主要帮助老人舒展腿部肌肉、实现坐姿动作,该机构主要由电动推杆、腿板、脚板和连杆机构组成,如图5 所示。其中,电动推杆一端安装于座板下方,另一端安装在腿板底侧。当电动推杆处于伸出时
17、,腿板、脚板、坐立床板及床板均处于展平状态。当电动推杆缩回时,推杆会带动腿板向下旋转,并通过侧面的连杆机构带动脚板旋转,并使脚板处于水平位置。2.6轮椅移动底盘轮椅移动底盘采用四轮驱动的麦克纳姆轮小车。麦克纳姆轮主要由轮毂轴和辊子组成,轮毂轴与辊子轴之间的夹角为4 5。每个麦克纳姆轮由一个电机单独驱动。麦克纳姆轮可以实现轮椅全方位移动(包括直行、斜行、横移、零半径任意角度旋转)。通过轮椅移动底盘可以实现床体与轮椅的分离,增大老人的活动范围2.7轮椅如厕机构轮椅如厕机构主要由如厕盖板、支撑座和抽屉式收纳盒组成,如图6 所示取出如厕盖板移动收纳盒1旋转卡扣;2 支撑座3 支撑平台:4 抽屈式收纳盒
18、;5 如厕盖板图6辅助如厕机构1172023年1 0 月沈仙法,功能可分离助老床椅的结构设计与有限元分析其中,如厕盖板设置在轮椅座板中间,座板下方设置有支撑座,支撑座上方安放抽屉式收纳盒,收纳盒内放置一次性收纳袋,收纳盒外前面安装抽屉拉手。当收纳盒安放到位后,通过旋转卡扣将其固定在规定位置。老年人需要如厕时,可将如厕盖板打开,用完过后将盖子放回原位即可。若需要清理,只需松开旋转卡扣,将抽屉拉出,将抽屉内的袋子打包即可,从而实现轮椅的如厕功能。2.8多功能可分离助老床椅整机结构综合上述各部分机构设计,多功能可分离助老床椅装置的整体结构如图7 所示,82341床体框架;2 辅助翻身机构;3 辅助坐
19、立机构;4 轮椅背板升降机构;5轮椅移动机构;6 轮椅框架;7 轮椅如厕装置;8 轮椅曲腿机构图7助老床椅整机结构图3助老床椅关键构件静力学分析辅助坐立床板、辅助坐立电动推杆支撑横梁和电动推杆支撑底座是多功能可分离助老床椅的关键构件,其不仅能承载老年人的体质量,还能承载其他零部件的质量。如果这些构件在使用时产生变形或者断裂,就可能带来严重后果,故对这些关键构件进行强度、刚度和安全系数的计算分析显得十分重要3.1有限元分析模型首先,在UGNX12.0中构建多功能可分离助老床椅装置关键构件的三维模型,再采用UG自带的接口程序转换成ANSYSWorkbench能够识别的.x_t文件格式1-1 2 ;
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