人机工程学轮椅设计说明1 - 图文(6)

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坐姿活动空间的示意图。

成年男子坐姿,身高为1775.0mm ,体重为75kg

5.2. 人机工程学轮椅三维设计 5.2.1.

材料选择

轴向拉伸与压缩是杆件变形中最简单的形式。在机械和仪器中，承受拉伸和压缩作用的杆件最多，在折叠轮椅的过程中，联接常常用到螺栓，被拧紧后，螺栓就承受拉力。分析受轴向拉伸或轴向压缩作用的杆件的受力情况可知，杆件拉伸和压缩的受力特点是作用在杆件两端的两力大小相等、方向相反，且作用线与杆件的轴线相重合。其变形的特点是杆件沿轴向伸长或缩短，而其横截面变细或变粗，分别如图3.2.1（a）、(b)所示

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图3.2.1 拉伸与压缩

由上可知，不论是受拉伸还是压缩，杆件横截面上的内力均沿着杆件的轴线，这种力称为轴力，轴力可以是拉力，也可以是压力。以受拉杆件横截面上的内力分部来确定横截面上各点的应力，杆件在外力的作用下不仅要产生内力，同时还要产生变形，而且内力与变形之间是密切相关的。所以可以实验来观察变形，以了解内力的分布。

取一等截面直杆，在其表面画两条垂直于杆轴的横线ab和cd，并在两条横线间画两条平行于杆轴的纵向线。然后在杆两端加上一对轴向拉力，使杆件产生拉伸变形。从杆件表面可观察到：ab和cd直线分别平移至a1b1和c1d1位置，仍为直线且和杆轴垂直；两条纵向线伸长，且伸长量相等，并仍然与杆轴平行。根据观察到的表面现象，可作出平面假设：变形前为平面的横截面，变形后仍为平面，但沿轴线发生了平移。如图3.2.2所示

图3.2.2 受拉杆件截面上的应力

根据平面假设可知，任意两横截面间的各纵向线的伸长（或缩短）均相同。由材料的均匀连续性假设可知，横截面上的内力是均匀分布的，即各点的应力相等。

设杆件横截面的面积为A，横截面上的轴力为N，则该横截面上的正应力为

?=N/A

（?的正负号与轴力相同，当N为正时，?也为正，称为拉应力；当N为负时，?也为负，称为压应力。）

由上所述可知，杆件的材料所能承受的应力是有限的，要保证杆件正常工作，则杆件的工作应力必须不超过其材料的许用应力，因此，杆件受拉伸或压缩时的强度条件为

FN???? （MPa） A??式中[?]表示杆件材料的许用应力MPa。

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本课题所设计的已知轮椅主结构将采用直径为200mm，厚度2.5mm的管材，假设需通过200kg的重量，即截面积A=度公式

FN???? （MPa） AFN=63.7 MPa A?4d2=314 (mm2),即根据杆件受拉伸或压缩时的强

??得?=

目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝合金管材，其最大的抗拉强度是370MPa,即最大许用应力[?]为370MPa，而计算所得到的结果远远小于其最大许用应力，故轮椅的主结构采用硬铝合金。

5.2.2. 各部分尺寸选择

1、座宽按人机工程学的要求应该满足臀部横向宽度所需要的尺寸，考虑到要包容大多数操作者，我国正常成人男女人体主要尺寸按GB10000－88标准如表1、表2，按成人女子95百分位数的臀部宽度，在设计中还要考虑衣服厚度和余量，两边各留25mm，座宽设计为400 mm。

2、座高是座面到踏板面的距离，主要为了保证从踏板到座面的距离，它相当于人体小腿长度加上脚的厚度，考虑到不同的人都能在舒适的状态下工作，则坐高应做成可调节的，其调节范围按成人女子P50百分位数到成年男子P95百分位数设计，最后设计可调范围为：375 mm~390 mm。

3、座深是座面的前后距离，它应能使臀部得到全部支撑，其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4，按成人男子，95百分位数应不超过446 mm。

4、扶手高度：进过调查研究，我们发现扶手高度高出座椅面225~~250mm乘坐着最为舒适。

5、驱动轮：大轮选用直径尺寸应在510~~660mm，经校正后我们选择600mm。 小轮直径尺寸应在120~~200mm之间，最后选择160mm。 6、坐垫： 为了舒服和防止褥疮，轮椅的椅坐上应放坐垫。常见的坐垫有泡沫橡胶垫（5～10cm厚）或凝胶垫。为防止座位下陷可在坐垫下放一张0.6cm厚的胶合板。 7、靠背高度：靠背越高，越稳定，靠背越低，上身及上肢的活动就越大，这个尺寸我们选择95百分位。低靠背：测量坐面至腋窝的距离（一臂或两臂向前平伸），将此结果减100mm。高靠背：测量坐面至肩部或后枕部的实际高度。

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百分位数 1 5 10 50 90 95 99 身高(mm) 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1817 坐高(mm) 836 858 870 908 947 958 979 臀宽(mm) 284 295 300 321 347 355 369 前臂长(mm) 206 216 220 237 253 258 268 大腿长(mm) 413 428 436 465 496 505 523 小腿长(mm) 324 338 344 369 396 403 419 表1男性18~55岁主要尺寸

百分位数 1 5 10 50 90 95 99 身高(mm) 1449 484 1503 1570 1640 1659 1697 坐高(mm) 789 809 819 855 891 901 920 臀宽(mm) 295 310 318 344 374 382 400 前臂长(mm) 185 193 198 213 229 234 242 大腿长(mm) 387 402 410 438 467 476 494 小腿长(mm) 300 313 319 344 370 376 390 表2女性18~55岁主要尺寸

8、大轮的布置：在轮椅行驶过程中，轮椅的前进、后退和转弯是由操作驱动轮实现的，按人机工程学的要求设计最有利、最不易疲劳的驱动轮布置。轮椅的驱动轮和骨架的布置从正面看成外八字型，即两个大轮和地面成75度夹角，这样的设计扩大了轮

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