轮腿式爬楼轮椅前腿机构力学分析及优化设计

作     者：吕河 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹东兴

授予年度：2017年

学科分类：1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 10[医学] 

主      题：轮椅 前腿机构 力学分析 仿真 优化 

摘      要：随着我国老龄化时代的到来,越来越多的老年人出行都需要乘坐轮椅,但普通电动轮椅的功能有限,当遇到沟壑、楼梯等障碍物时就束手无措了。为了满足老年人和残疾人士对于多功能智能轮椅的需求,在已发明的电动爬楼梯轮椅的基础上,本课题对一种轮腿混合式电动轮椅进行研究。本文的主要内容是先对轮椅前腿机构的质心进行运动分析,然后在运动学分析的基础上对轮椅前腿机构进行力学分析以及优化设计。第一,通过分析本文所研究的轮腿式爬楼轮椅的结构组成以及工作原理,进一步完善了前腿机构的运动学分析,即对前腿机构的各杆质心以及它的工作空间进行了研究并通过MATLAB仿真对机构运动学模型和分析的正确性进行了验证,为前腿机构后续的力学分析提供理论基础。第二,在运动学分析基础上利用动态静力分析法建立了轮腿式爬楼轮椅前腿机构的动力学模型,通过动力学方程组序列求解法进行求解得到前腿机构各关键点及各部件的力学规律,利用MATLAB软件进行仿真分析,得到前腿机构关键点的力学特性曲线。第三,根据腿机构的工作空间大小以及其中心点C处在X方向的受力变化建立了优化模型,利用MATLAB优化工具箱对优化模型进行求解,得出前腿机构的最优杆长。通过对前腿机构改进前后的机构动力学特性以及工作空间仿真结果进行比较分析,能够得知机构结构改进后具有较佳的力学性能,同时前腿机构的工作空间得到提高。