基于UG的康复轮椅设计与仿真分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国航空工业集团公司 作者:金文宇

  为满足下肢残障者和老年人的康复锻炼需要,通过对肢体运动特性分析,采用曲柄连杆机构,设计出既具有普通轮椅的代步功能、又能进行肢体康复运动锻炼的康复轮椅。采用两套传动机构,分别控制人体左右肢体的运动,以满足肢体运动的协调性。利用UG 软件对康复轮椅进行三维建模和运动仿真分析,进一步对设计参数进行优化,使其结构合理、安全舒适。

  轮椅是下肢残障者和老年人的代步工具,种类较少、功能单一。普通轮椅只具有代步功能,使用者肢体得不到有效运动与锻炼,对肢体康复锻炼很不利。康复轮椅种类较多。但具有代步和康复两用功能的轮椅种类较少。康复轮椅在设计和使用过程中,应充分考虑人体生物力学特性和人机工程学问题。基于此,在人-机-环境系统中,设计了一款代步/康复两用轮椅,以满足肢体残障者和老年人使用轮椅进行康复锻炼的需要。

  基于UG 对康复轮椅进行三维建模和运动分析,优化设计参数,从而有效降低产品的开发成本、缩短开发周期。

1、整体设计分析

  1.1、肢体运动特性分析

  康复轮椅的运动必须符合人体运动学的基本规律,以保证人体四肢正确的运动轨迹。人体上肢的肱骨与挠骨、尺骨形成具有1 个自由度的旋转关节,实现前臂的屈伸运动;下肢的股骨与胫骨形成具有1 个自由度的旋转关节,实现小腿的屈伸运动。

  坐在康复轮椅上人的腿部动作主要是双腿周期性交替蹬腿和收腿,使膝关节和两侧的肌肉得到活动和伸展,促进腿部行走功能的恢复。康复轮椅通过驱动系统带动滑块和踏板运动,从而带动前臂和小腿的屈伸运动,实现人体上肢和下肢骨骼和肌肉的康复锻炼。

  1.2、运动原理

  康复轮椅采用两套肢体运动机构,分别控制人体左侧和右侧肢体的运动,以保证上下肢运动的协调性。上肢运动机构带动扶手上的滑块滑动或摆动,实现前臂的屈伸运动;下肢运动机构带动踏板摆动,实现小腿的屈伸运动;座椅升降机构完成座椅高度调节;整车靠轮的移动完成代步功能。机构运功原理如图1 所示。

基于UG的康复轮椅设计与仿真分析

图1 机构运功原理示意图

4、结语

  基于曲柄连杆机构的康复轮椅设计符合人体运动学的基本规律。通过对机械系统运动仿真分析,机械运动符合设计要求,各零部件之间不存在干涉情况,受力、速度和加速度符合实际情况,实现了代步和康复锻炼的双重作用。

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