Design and Analysis of a Lifting Seat Mechanism for Disabled Person

福祉座椅升降機構之設計與分析 摘要 基於人的心理因素，行動不便人士必然會希望能夠獨立完成上下車動作而不需要他人協助，故本文發展一套小汽車座椅升降機構，用以提供行動不便人士能夠自行進出車輛。首先利用機構合成理論提出升降機構之配置設計，平行連桿機構用以保持座椅位置水平，並且曲柄滑塊機構可使座椅產生升降動作，馬達傳遞動力給導螺桿並且趨動曲柄滑塊機構，藉由導螺桿轉動結果可使滑塊線性移動與曲柄連桿轉動，達成座椅升降運動，平行連桿控制座椅位置水平，確保座椅在升降過程中之穩定運轉。接續發展參數化設計程式，可自動產生升降機構之實體模型，並可產生動畫用以檢驗各個組成元件在升降運動過程中之相關動作與干涉情形，為確保結構安全性，應用有限元素方法分析在不同臨界位置下之強度與剛性，並且應用結構最佳化方法進行座椅之輕量化設計。最後完成升降機構之初型製作與量測，從量測結果得知本文發展之升降機構可以成功應用於小汽車上並且幫助行動不便人士進出車輛。 關鍵字：座椅升降機構、機構合成、參數化設計、有限元素方法、最佳化設計Design and Analysis of a Lifting Seat Mechanism for Disabled Person Abstract Based on the psychology of the human, the disabled people are always hoping that they can enter/exit the car by themselves without assistance of other people. This thesis developed a seat lift mechanism for the disabled in small cars. First, a configuration design of the seat lift is proposed based on the mechanism synthesis theory. Parallelogram linkages are used to maintain the horizontal position of the seat, and crank-slider mechanisms are used to lift/down the seat. Crank-slider mechanisms are driven by a ball-screw which is powered by a motor. The rotation of the ball screw results in linear motion of the slider and rotation motion of crank linkages, which causes the seat in up/down motion. Through the horizontal position controlled by parallelogram linkages, the stability of the seat is ensured during the lift/down operations. Then, a parametric design program is developed for automatically generating the solid model of the lift mechanism, and the motion pictures are generated to check the relationships and interferences of all components during the up/down motions. In order to ensure the structural safety, the strength and rigidity of the critical components are also analyzed by finite element method in several motion positions. Structural optimization method was also applied to improve strength of the seat and also to minimize the mass of the seat. Finally, the prototype of the lift mechanism is manufactured, and the performances of the lift mechanism are measured. From the measured result, it shows that the lift mechanism developed in this thesis can be applied successfully to small cars and can be used for helping the disabled entering/exiting the car. Keywords: seat lifts mechanism, mechanism synthesis, parametric design, finite element method, optimum design目錄 口試委員會審定書 i 誌謝 ii 中文摘要 iii 英文摘要 iv 目錄 v 圖目錄 vii 表目錄 xi 符號說明 xii 第一章 緒論 1 1.1 簡介 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 研究目的和動機 12 1.4 研究方法 13 1.5 論文大綱 14 第二章 升降福祉座椅設計之相關理論 15 2.1 升降機構理論 15 2.2 先期研究機構概述 17 2.3 機械設計流程 18 2.4 參數化設計 19 2.5 有限元素分析理論 21 第三章 升降福祉座椅之機構設計 23 3.1 福祉座椅升降機構之設計目標與設計規格 23 3.2 福祉座椅之設計結果 27 3.3 升降機構之驅動裝置 31 3.4 福祉座椅升降機構之合成與尺寸設計 37 3.5 福祉椅升降機構之運動路徑推導 42 3.6 本文研究機構與先前研究機構機構結果比較 45 第四章 升降福祉座椅之電腦輔助設計與分析 47 4.1 福祉座椅參數化設計 47 4.1.1 福祉座椅之參數化設計 47 4.1.2 升降福祉座椅之動作流程模擬 51 4.2 結構強度分析 53 4.2.1 福祉椅結構之強度解析 53 4.2.2 福祉椅之有限元素分析 56 4.3 福祉椅之結構最佳化設計 65 第五章 升降福祉座椅之細部設計與初型製作 69 5.1 座椅升降機構細部設計 69 5.2 初型製作 72 第六章結論與建議 77 6.1 結論 77 6.2 建議 78 參考資料 79 附錄A 82 附錄B 97 附錄C 102 作者簡歷 121 圖目錄 圖1.1 Goodrich之旋轉升降座椅及支架 2 圖1.2 Brotherwood可水平旋轉的懸臂樑 2 圖1.3 WGoodrich液壓剛升降機構 3 圖1.4 Meyer之座椅升降機構 3 圖1.5 Czech等人之汽車前座轉出座椅 4 圖1.6 Ladetto之升降與平移機構 4 圖1.7小柳寬城等人之旋轉機構與升降機構之組合 5 圖1.8 Hirasawa等人之平行連桿升降機構 5 圖1.9 Gebhardt可升降並旋轉之座椅 6 圖1.10 Braiden門柱式座椅旋轉與升降裝置 6 圖1.11 Suehiro等人之液壓驅動升降機構組合 7 圖1.12 Zamotin之車外之直立式輔助機構 7 圖1.13都築英雄等人之升降與旋轉機構組合 8 圖1.14堀清市之蝸輪蝸桿升降機構 8 圖1.15 Dudai 之鏈條座椅升降機構 8 圖1.16岩谷正光等人之固定滾輪與變形連桿升降機構 9 圖1.17須賀泰男等人之連桿與扭轉彈簧配合升降機構 9 圖1.18鍾添東等人之座椅升降機構 10 圖1.19 堀口賢治與草雉洋樹等之滾輪與連桿配合升降機構組 10 圖1.20日比和宏與青山宏司之座椅升降機構 11 圖1.21須賀泰男之座椅升降機構 11 圖1.22 Carr和Easki之輪椅升降裝置之虛擬初型模擬 12 圖2.1 對齊曲柄滑塊機構 16 圖2.2 偏心曲柄滑塊機構 16 圖2.3 曲柄滑塊正弦產生器 16 圖2.4 滾輪與導引板驅動形式 18 圖2.5 固定滾輪與變形連桿驅動之形式 18 圖2.6 工程設計過程的各個階段 19 圖2.7 連結座標之空間位置定義方法 20 圖2.8 以連結座標建立的零件組合圖 20 圖2.9 元件利用連結座標模擬運動後之位置圖 21 圖3.1 升降機構於汽車安裝位置之位置表示實體圖 26 圖3.2 汽車相關配置尺寸之平面示意圖 26 圖3.3 升降福祉座椅之等角視圖 28 圖3.4 福祉座椅升降機構之等角視圖 28 圖3.5 起始位置之升降福祉座椅之爆炸圖 28 圖3.6 下降最低位置之升降福祉座椅之爆炸圖 29 圖3.7 福祉座椅升降機構之爆炸圖 29 圖3.8 座椅平移機構與升降機構之運動圖 30 圖3.9 升降福祉座椅動作流程圖 30 圖3.10 固定式直接驅動形式 32 圖3.11 固定式齒輪驅動機構形式 32 圖3.12 固定式撓性驅動機構形式 33 圖3.13 液壓方式驅動機構 33 圖3.14 固定式凸輪機構形式 33 圖3.15 齒輪與齒條驅動機構 34 圖3.16 曲柄滑塊驅動機構 34 圖3.17 滾輪與導引板驅動機構 35 圖3.18 具延伸曲柄之曲柄滑塊機構 37 圖3.19 平行連桿與曲柄滑塊結合之升降機構 37 圖3.20 曲柄滑塊機構起始位置示意圖 38 圖3.21 曲柄滑塊機構下降最低位置示意圖 38 圖3.22 座椅升降機構簡圖 39 圖3.23 福祉椅升降機構之起始位置示意圖 41 圖3.24 福祉椅升降機構之下降最低位置示意圖 41 圖3.25 路徑生成之座標定義示意圖 42 圖3.26 升降機構之軌跡變數示意圖 43 圖4.1 座標系統表示圖 48 圖4.2 曲柄滑塊機構之參數化設計 49 圖4.3 座椅升降機構之參數化設計 50 圖4.4 福祉座椅機構之實體模型圖 50 圖4.5 福祉座椅之實體模型圖 51 圖4.6 座椅升降機構之動畫圖片擷取 52 圖4.7 升降福祉座椅之動畫圖片擷取 53 圖4.8 升降機構作用力表示圖 54 圖4.9 座椅升降機構之簡化模型 57 圖4.10 黏合與網格化模型表示圖 58 圖4.11 座椅升降機構之荷重與邊界條件設定表示圖 58 圖4.12 座椅升降機構應力與位移示意圖 59 圖4.13 各元件應力與位移示意圖 60 圖4.14 福祉座椅機構之振型圖 62 圖4.15不同位置機構模型之黏合與網格化示意圖 63 圖4.16 福祉座椅結構之最佳化過程圖 66 圖4.17 最佳化設計之各桿件尺寸變數表示圖 66 圖4.18福祉座椅結構之最佳化過程圖 68 圖5.1 零件細部設計圖 69 圖5.2 升降機構之組合 70 圖5.3 福祉椅之材料表 71 圖5.4 座椅平移機構之組裝過程圖 72 圖5.5 組裝完成之座椅平移機構 73 圖5.6 座椅升降機構之組裝過程圖 73 圖5.7 組裝完成之曲柄滑塊機構 74 圖5.8 組裝完成之座椅升降機構(起始位置) 74 圖5.9 組裝完成之座椅升降機構(下降位置) 75 圖5.10 組裝完成之升降福祉座椅(起始位置) 75 圖5.11 組裝完成之升降福祉座椅(下降位置) 76 圖A.1 升降機構作用力表示圖 82 圖A.2 曲柄與滑塊作用力表示圖 83 圖A.3 水平與垂直作用力表示圖 84 圖A.4 剪力彎矩圖 85 圖A.5 彎矩變形圖 86 圖A.6 平行連桿受力圖 89 圖A.7 曲柄與連桿之受力圖 90 圖A.8 滑塊受力圖 90 圖A.9 平行連桿與曲柄之剪力彎矩圖 91 圖A.10 不同形式配置升降機構示意圖 95 表目錄 表3.1 設計目標 25 表3.2 座椅升降機構之設計流程列表 27 表3.3 固定式驅動機構之優缺點比較表 35 表3.4 移動式驅動機構之優缺點比較表 36 表3.5 本文座椅升降機構與先前研發之座椅升降機構比較表 46 表4.1 零件設計之程式碼表示方法 48 表4.2 組裝設計之程式碼表示方法 49 表4.3 動畫設計之程式碼表示方法 51 表4.4 各元件之間接點作用力 55 表4.5 座椅水平移出之應力 55 表4.6 座椅下降最低位置之應力與位移 56 表4.7 馬達導螺桿作用力 56 表4.8 座椅下降最低位置受到作用力施加狀態之模態 61 表4.9 不同位置福祉座椅機構之應力與位移 63 表4.10 個別桿件之應力 64 表4.11 各種不同狀態下之升降機構模態 64 表4.12 福祉座椅結構最佳設計結果 67 表A.1 Type 1與Type 2之各點作用力 95 表A.2 Type 1與Type 2之馬達導螺桿作用力 96 表A.3 Type 1與Type 2之應力與位移 96 表B.1 參數化設計程式 97 表B.2 ANSYS巨集分析 10