智能家居养老椅的结构设计与有限元分析

Structural Design and Finite Element Analysis of Intelligent Home Care Chair

摘要: 针对目前国内外智能家居养老椅结构过于简单、实现功能单一且安全性能并未达到很好的市场要求，本文基于此提出了一种智能家居养老椅。首先通过优化动力学模型得到产品理论运动参数与受力情况，利用Solidworks软件建立机构三维模型，结合有限元仿真进行机构静力学强度校核。其次，对产品机构进一步优化，改善养老椅的舒适性能，降低产品受力损伤的概率。最后，搭建实物样机，并通过实地试验进行了性能检验。结果表明：该产品的实际运动参数误差小于7%，产品的工作具有可靠性并保证了工作的效率。

Abstract: In view of the current domestic and foreign smart home endowment chair structure is too simple, achieve a single function and safety performance does not meet good market requirements, this pa-per based on this put forward a smart home endowment chair. Firstly, the theoretical motion pa-rameters and forces of the product were obtained by optimizing the dynamic model. Solidworks software was used to establish the three-dimensional model of the mechanism, and the static strength of the mechanism was checked in combination with the finite element simulation. Secondly, the product organization is further optimized to improve the comfortable performance of the endowment chair and reduce the probability of mechanical damage of the product. Finally, the prototype was built and the performance was tested by field test. The results show that the actual motion parameter error of the product is less than 7%, and the working efficiency of the product is guaranteed.

1. 引言

当前老龄化趋势不断加剧，老年人口激增，但市场养老产品研发却停滞不前 [1]。目前市场已有的该类产品设计以老年辅助用品及代步装置为主，缺乏从身体健康层面出发针对老年人研发的家居健身装置产品，因此针对老年人群体家居健身锻炼产品的研发尤为重要 [2]。

文献查阅发现，针对智能家居养老椅结构设计，国内外研究学者开展了一系列研究工作。Fatima University设计了一种自动电子椅装置，该装置主要协同Arduino微控制器和MIT软件帮助残疾人士独立移动 [3]。Universiti Putra Malaysia采用模糊逻辑的人工智能设计了一种电子按摩椅 [4]，可以根据控制系统改善用户的健康情况。西安理工大学设计了一种投币式按摩椅装置 [5]，该装置具备音乐播放、按摩速度显示、按摩模式选择等功能。目前国内外智能家居椅的装置结构简单，功能较为单一，控制系统操控难度较大 [6] [7] [8]。本文针对现有智能家居椅装置的诸多问题，提出一种新型的智能家居椅装置。为确认其机械的可行性，先用SoildWorks软件进行建模，进行动力学计算，确认其各项动力学数据，再应用有限元模块，分析其关键部位，确认机械的强度和刚度是否符合要求。在优化各项尺寸数据，完善性能后，制造出实物样机，并进行性能检验，验证其各项性能的达标程度。为新一代智能家居椅装置的开发提供一种新思路。

2. 设计原理及结构

智能家居养老椅将整个系统分离成多个独立的模块 [9]，通过SoildWorks进行三维建模，如图1所示。每个模块可独立且高效地运转，集成后各个子模块之间互不干扰，共同组成一个完整的系统。养老健身椅共有以下四大模块：

1) 阅读一体化模块：模块主要通过电机驱动气泵沿齿条上下运动，舵机带动气泵下移使吸盘接触书面，电动气泵启动使吸盘内形成负压，吸盘再上移使书页被吸起，实现翻面功能；此时，翻书杆由另一个齿轮传动机构带动，向对侧移动将书页推至另一侧，实现翻书功能。

2) 捶背敲肩联动模块：模块具有调整敲击高度，水平平移的功能。高度调节依靠整套链条链轮构成的减速机构，将目标链轮与击打装置连接，电机的转动减速带动击打装置改变高度，使击打装置在高度调整更平稳、精确；水平平移主要借助电机带动丝杠转动，实现装置的左右平移，使得装置改变水平击打位置。

3) 换鞋一体化模块：模块主要由送鞋装置和除臭烘干装置组成。通过固定在水平移动平台上的鞋拔子辅助脱鞋，利用螺旋传动机构带动水平平台移动，实现鞋子的送入和送出。除臭烘干由风扇与平台旋转装置构成当鞋子送入指定位置(即椅子下方)时，风扇旋转吹风，通过齿轮传动机构，使得电机带动整个平台定点旋转，使得鞋子能更好地除臭烘干。

4) 多功能椅子复合模块：多功能椅子复合模块包含辅助起身、座椅前后调节功能。辅助起身装置由电机带动齿轮传动，使推杆杆传动，与铰接处形成三连杆结构，控制椅垫的升降，完成辅助起身过程；座椅前后调节装置中齿轮齿条机构起到辅助平移效果，螺旋传动机构则由电机带动，以保证推动椅子的平稳性，座椅前后调可根据老人自身选择性调节。

Figure 1. Three-dimensional model of intelligent home for the aged chair

图1. 智能家居养老椅三维模型

3. 动力学与有限元分析

根据已知的智能家居养老椅的输出数据，基于动力学模型，对各关键部位进行运动学与力学分析 [10]，以获取需要的数据。

3.1. 捶背机构和椅子移动机构的丝杠运动分析与有限元分析

捶背机构和椅子移动机构的主要传动方式为丝杆 [11] 传动(图2)，丝杆副受到轴向载荷作用，在丝杆公称直径 $d_0$ 处产生螺纹力矩 $M_t$。当机械手臂台中丝杆螺母无预紧情况下 [12]，有：

Table 1. The related screw parameters on the back punching device

表1. 捶背装置上的相关丝杆参数

代入表1参数：

$M_0=M_t=F_a\times \frac{d_0}{2}=\frac{F_a{L}_0}{2\pi \eta }\approx 1.39\text{N}\cdot \text{m}$ (1)

式中： $M_{\text{0}}$ 为丝杆受到总力矩，N∙m； $M_t$ 为在丝杆公称直径处产生螺纹力矩，N∙m； $d_0$ 为丝杆公称直径，mm； $F_a$ 为丝杆副受到的轴向载荷，N； $L_{\text{0}}$ 为丝杆导程，mm； $\eta$ 为螺纹传动效率。

代入式(1)的计算结果可得：

$M_N-M_0=0.41\text{N}\cdot \text{m}>\text{0}$ (2)

故可以通过电机旋转带动捶背结构的横向移动。

Table 2. The related screw parameters on the chair moving mechanism

表2. 椅子移动机构上的相关丝杆参数

代入表2参数：

$M_0=\frac{F_a{L}_0}{2\pi \eta }\approx 1.46\text{N}\cdot \text{m}$ (3)

$M_N-M_0=0.34\text{N}\cdot \text{m}>\text{0}$ (4)

Figure 2. The way in which the lead screw drives the mechanism

图2. 丝杠带动机构运动的方式

在Adams导入三维模型(图3)，并添加一个固定副，一个转动副和最大载荷。以及阻尼、摩擦等条件，根据实际情况选定丝杠和固定板的材料属性 [13]，如图3所示。运行模型得到输出转矩如图4所示。

选用扭矩为1.8 N∙m电机驱动丝杆，所选电机扭矩足够大，符合要求，故可以通过电机旋转带动捶背横向移动和椅子机构前后移动。

Figure 3. Adams simulation of lead screw

图3. 丝杠Adams仿真

Figure 4. Output torque curve

图4. 输出转矩曲线

从仿真曲线中可以得知，实际输出转矩最大在0.325 N∙m左右波动，与理论计算的结果0.34 N∙m相差不是很大，仿真验证有效。

3.2. 链传动的输出转速分析与有限元分析

链传动主要用于脚踏传递动力到风扇上，电机带动翻书机构的转动，电机带动丝杆运动，丝杆联动，带动二次传动，带动捶背机构前倾后仰调整角度等。

链传动在机构中的布置如图5所示：

Figure 5. Chain arrangement

图5. 链传动布置

Figure 6. Schematic diagram of conveying chain

图6. 输送链原理图

如图6所示为输送链原理图，链的速度完全取决于图中B点的速度，而铰点B的速度即为主动轮的圆周速度：

$v_1=R_1{\omega }_1$ (2)

链的水平前进速度：

$V_x=V_1\cos \beta =R_1{\omega }_1\cos \beta$ (3)

链的垂直速度：

$V_y=V_1\sin \beta =R_1{\omega }_1\sin \beta$

式中： $V_1$ 为A点的圆周速度；β为链节进入啮合后，铰链中心和链轮中心连线与链轮中心到链条铅垂线的夹角； $R_1$ 为主动轮分度圆半径。当 $\beta =\pm \psi /2$ 时，水平链速最小，有：

$V_x=V_{x\min }=R_1{\omega }_1\cos \frac{\pi }{Z_1}$ (4)

当 $\beta =0$ 时，水平链速最大，有：

$V_x=V_{x\max }=R_1{\omega }_1$ (5)

由上式可见，每转过一个链节，链速都要周期性变化一次，即瞬时链速是变化的。这就造成链传动速度的不均匀。链条线速度变化可用链速不均匀系数k (或称不平稳系数)来表示：

$k=\frac{V_{x\max }-V_{x\min }}{V_m}=\frac{R_1{\omega }_1\left[1-\frac{\cos \pi }{2Z_1}\right]}{R_1{\omega }_1\left[1+\frac{\cos \pi }{2Z_1}\right]/2}=2{\tan }^2\frac{\pi }{4Z_1}$ (6)

式中： $V_{\max }$ 为最大链速； $V_{\min }$ 为最小链速； $V_m$ 为均链速。

基于实验室仿真数据，代入公式，得到以下结果：

$k=2{\tan }^2\frac{\pi }{4Z_1}\approx 0.31$ (7)

$V_{理论\max }=\frac{zpn}{60\times 1000}\approx 0.0018\text{m}/\text{s}$ (8)

$V_{实际\max }=V_{理论\max }\times \left(1-k\right)\approx 0.001794\text{m}/\text{s}$ (9)

紧边有效拉力：

$F=1000\frac{P}{V}=105.48\text{N}$ (10)

离心拉力：

$F_c=q{v}^2\approx 3.24\times {10}^{-9}\text{N}$ (11)

链传动时悬垂拉力：

$F_y=k_{y}qga=0.018375\text{N}$ (12)

其中，a为链传动中心距， $K_y$ 为下垂量y = 0.02a时的垂度系数。

通过计算得：

链的紧边拉力：

$F_1=F+F_c+F_y=105.4983\text{N}$ (13)

链的松边拉力：

$F_2=F_c+F_y\approx 0.018378\text{N}$ (14)

利用Solidworks自带的有限元软件对最大拉力下的链条应力应变进行分析。

由图7、图8可见最大应力为7.130 × 10⁻⁹ MPa，最大应变为1727 mm，即不会发生变形崩断，故符合设计要求。

Figure 7. Analysis of maximum stress of chain

图7. 链条最大应力情况分析

Figure 8. Analysis of maximum strain of chain

图8. 链条最大应变情况分析

3.3. 翻书机构和抽屉机构中齿轮齿条受力分析

齿轮齿条的受力情况如图9所示，其中F_t代表周向力、F_r代表径向力、F_a代表轴向力、F_n代表法向力、β代表螺旋角、a_n代表法面压力角、a_t代表断面压力角 [14]。

Figure 9. Force acting on rack and Pinion

图9. 齿轮齿条啮合受力

由受力分析可得以下方程组：

$\{\begin{array}{l}{F}_t=2T_1/d_1\\ F_r=F^{\prime }\text{tg}{a}_n=\frac{F_t\text{tg}{a}_n}{d_1\cos \beta }\\ F_{\alpha }=F_t\text{tg}\beta =\frac{2T_1\text{tg}\beta }{d_1}\\ F^{\prime }=F_n\cos a_n=\frac{F_t}{\cos \beta }=\frac{2T_1}{d_1\cos \beta }\end{array}$ (15)

对翻书机构和抽屉机构进行受力分析，由上式计算齿轮齿条受力情况，得知不会产生零件失效，符合设计要求。

4. 运动参数结果分析

通过前面的运动学分析所得出的数据，再结合运动学基本定理，获得本智能家居养老椅的运动参数。其具体关键结构理论运动参数如下表1~3所示。

4.1. 链传动运动参数分析

对受力情况进行模拟，得到下表3所示参数：

Table 3. Theoretical parameters of drape tension

表3. 悬垂拉力理论参数

4.2. 齿轮齿条运动参数分析

对受力情况进行模拟，得到下表4所示参数：

Table 4. Gear rack analysis parameter

表4. 齿轮齿条分析参数

代入表2的参数，计算可得表5所示分析结果：

Table 5. Analysis results

表5. 分析结果

由以上结果可知，不会发生破坏现象，设计符合要求。

5. 实物试制与实验

5.1. 实物试制

通过仿真可知，智能家居养老椅具有良好的工作可靠性以及较好的适应性，基于三维模型和设计数据，对智能家居养老椅进行实物样机的制造，其实物模型如图10所示。

Figure 10. Physical model of the intelligent home for the aged chair

图10. 智能家居养老椅实物模型图

5.2. 实物试验

试验地是产品开发附近的一所养老院。先对产品进行模拟化工业设计，分设为不同的模块，进行产品样品批量化生产，让老人进行各模块产品性能试验；未来研究为制作铝合金样机，进行完整工能体验。本次试验老人对象多为60~75岁的老人，其中30%以上不适合室外运动。

5.3. 试验结果

通过对87位老人的试验获得数据，得到本智能家居养老椅的实际性能指标，如表6所示。

Table 6. Performance test index

表6. 性能试验指标

由表4可见：本文提出的一种智能家居养老椅装置，操作难度小于7.2%，功能要求达到用户要求的97.5%，智能性高于30%，相比于传统的人工养老或者普通养老装置，具有更好的性能，结构设计较为复杂，可以很好地满足更多用户的要求，实现多功能集合于一体的存在。同时，可以发现智能家居养老椅的各性能指标基本都达到技术和市场要求，设计是合理的。

6. 总结

本文从老龄化趋势出发，关注老年人的健康状态，设计了一种基于模块化设计的智能居家养老椅，从设计方案、理论校核计算对本产品进行了研究，并综合运用Adams以及Solidworks软件对所设计的模型进行了有限元分析和动力学仿真，分别对所设计机构的安全性以及对选用电机的合理性进行了校验，结果发现，所设计的智能家居养老椅满足理论要求，各项性能均具有较高的要求；最后将智能椅子分多个模块分别进行实地试验，在产品各项性能指标都基本满足技术和市场要求的情况下，进一步验证了智能家居养老椅的可行性和合理性。为智能家居养老椅的结构设计提出了一种新的思路，可供更多的学者进行研究。

基金项目

浙理工高等教育科学研究课题(Xgz1803)、浙理工实践教学类教改课题(XKJS1801)和浙理工机械工程优势特色学科(2018)项目资助。

NOTES

^*通讯作者。