陳恩亮 李東方 羅文韜 黃宇杰 高楨洋 朱姜靜

摘 要：利用Autodesk Inventor軟件，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)新穎、操作簡(jiǎn)單可靠、實(shí)用性強(qiáng)的助行幫扶輪車。在老人獨(dú)自在居家生活、鍛煉等場(chǎng)合中，起到防摔、幫扶、助行、引導(dǎo)及跟隨等功能。輪車主要有驅(qū)動(dòng)、整車可變車架、轉(zhuǎn)向及前后操作四大模塊構(gòu)成。通過調(diào)整可變姿態(tài)機(jī)構(gòu)，可設(shè)置攀爬越障（適合進(jìn)出陽臺(tái)、衛(wèi)生間等室內(nèi)有坡度、小臺(tái)階場(chǎng)合）、鍛煉漫步跟隨、平路座行和原地轉(zhuǎn)彎（轉(zhuǎn)彎半徑幾乎為“零”）等多種模式。本輪車的研究已獲國(guó)家專利授權(quán)1件、在申請(qǐng)1件，獲得全國(guó)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、浙江省大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：幫扶輪車;可變車架;原地轉(zhuǎn)彎;防摔;跟隨助行

中圖分類號(hào)：TH111;TH122 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）36-0028-04

Design of Walking Aid Wheel Car Based on Inventor

CHEN Enliang ? ?LI Dongfang ? ?LUO Wentao ? ? HUANG Yujie ? ?GAO Zhenyang ? ?ZHU Jiangjing

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Quzhou College of Technology， Quzhou Zhejiang 324000）

Abstract：Using Autodesk Inventor software，we gets a wheel car with novel structure，simple and reliable operation and strong practicability.In the elderly alone in the home life，exercise and other occasions，the car plays a fall prevention，help walking，guidance and follow functions.Wheel car is mainly composed of four modules：drived，vehicle variable frame，steering and front and rear operation.By adjusting the variable posture mechanism，various working modes can be set，such as climbing obstacle（suitable for entering and leaving balcony，toilet and other indoor places with slope and small steps），exercise walking following，flat road seat and spot turning （turning radius is almost "zero"）.It can be switched on demand to meet the use needs of the elderly in different scenes at home.The research of this wheel car has obtained 1 national authorized patent，1 patent is in application，and wins 1 second prize of National College Students Mechanical Design Competition and 1 second prize of Zhejiang College Students Mechanical Innovation Design Competition.

Keywords：helping wheel car; variable frame; spot turn;drop resistance; following&walking aid

我國(guó)人口老齡化規(guī)模呈現(xiàn)迅速擴(kuò)大的趨勢(shì)。老年人數(shù)量巨大，大部分必定要居家養(yǎng)老?，F(xiàn)階段市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化程度高、使用方便、自我依靠性強(qiáng)的居家養(yǎng)老服務(wù)助行幫扶輪車這一類產(chǎn)品的需求越來越高并且越來越急迫。一些廠家或科研人員在細(xì)分市場(chǎng)中也有一些產(chǎn)品面世，開展了一些研究。陳世超為解決電動(dòng)輪椅折疊效果不理想的問題，設(shè)計(jì)了一款并聯(lián)機(jī)構(gòu)拆折電動(dòng)輪椅，但是自動(dòng)程度不高，不利于特定人群使用[1]。羅椅民著重論述了適應(yīng)老年人功能的輪椅的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和應(yīng)用，但主要針對(duì)失能老人進(jìn)行生活重建方面[2]。單新穎等研發(fā)了一款電動(dòng)輪椅控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。但存在不同路況下加速度穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。崔吉超等設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)攜帶雙人共乘的老人輪椅，并利用了FAE及運(yùn)動(dòng)仿真分析手段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化方面研究[4]。但存在車體外形較大、不便于居家使用，轉(zhuǎn)彎半徑較大等問題。王玉增公開了一種爬樓梯電動(dòng)輪椅，具有一定的攀爬功能，但結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，操作不便[5]。綜上所述，現(xiàn)有輪椅或者老年人電動(dòng)車，或多或少存在諸如操作不便、外形尺寸較大、轉(zhuǎn)彎不靈活、加速穩(wěn)定性差問題。因而，為滿足老人獨(dú)自在居家生活、鍛煉需求，項(xiàng)目組提出了“助行幫扶輪車”方案，利用Autodesk Inventor軟件對(duì)輪車機(jī)械結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作[6]，開發(fā)出具備防摔、幫扶、助行、引導(dǎo)以及跟隨等功能的輪車。

1 工作原理及性能分析

輪車工作原理如下：開機(jī)接通電源，根據(jù)實(shí)際需要，按鍵控制對(duì)應(yīng)24 V DC、40 W電動(dòng)減速機(jī)（推桿）來進(jìn)行車架變換，獲得所需要駕駛模式。整車姿態(tài)變換后，開啟前后輪驅(qū)動(dòng)模式，便可實(shí)現(xiàn)越障、上坡、平地行走等。據(jù)功能需要，可站著跟隨一起向前“漫”步，也可直接坐在前排座椅上，對(duì)輪車控制運(yùn)行。各個(gè)控制回路設(shè)計(jì)了電源開關(guān)，便于控制。

2 關(guān)鍵零部件或機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，輪車設(shè)計(jì)過程中，需要解決的主要機(jī)構(gòu)和力學(xué)問題為：①整車可變車架是由電動(dòng)推桿來實(shí)現(xiàn)變形及調(diào)節(jié)，要保證推桿伸縮過程中的剛度;②前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，要保證轉(zhuǎn)向力足夠;③驅(qū)動(dòng)輪根據(jù)不同地形工作行走場(chǎng)合，有不同的工作模式，尤其要滿足越障時(shí)越障力要求;④駐車和剎車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證使用者的安全。除此之外，還考慮關(guān)鍵零部件或機(jī)構(gòu)之間的連接。就上述問題，分別進(jìn)行探討和研究。

2.1 整車可變車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及推桿力學(xué)分析與選型

考慮到要適宜于不同地形行走需求，對(duì)車架進(jìn)行“按需變形”。其中，桿AE、ED、DB及BC長(zhǎng)度固定，而桿AB及CE長(zhǎng)度可調(diào)。通過調(diào)節(jié)桿AB及CE長(zhǎng)度，來實(shí)現(xiàn)對(duì)前后驅(qū)動(dòng)輪及中間三角輪的調(diào)節(jié)，用來將整車變換出不同工作狀態(tài)。如圖1所示，B、O為桿BO兩支點(diǎn)，A為負(fù)重（包括設(shè)備和人重量估取為200 kg）作用點(diǎn)，力記為FA。通過對(duì)點(diǎn)O取矩：

∑M（O）：FA*L1-FB*（L1+L2）*cos（α1-90°）=0

求得最大推力FBmax為633 N?？紤]推桿運(yùn)行速度及剛度，最終選定推桿為行程350 mm，運(yùn)行速度14 mm/s，工作電壓為24 V DC，推桿實(shí)際輸出力為1 kN，滿足使用。同理，最終確定S150推桿為行程150 mm、運(yùn)行速度14 mm/s，推桿實(shí)際輸出力為1 kN，滿足使用。最終優(yōu)化設(shè)計(jì)了個(gè)各桿長(zhǎng)度，完成整體車架設(shè)計(jì)。

2.2 車架轉(zhuǎn)向推桿力學(xué)分析與選型及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案確定

轉(zhuǎn)向推桿及轉(zhuǎn)向多連桿機(jī)構(gòu)示意圖，如圖2所示。推桿通過彎頭連桿K、N、P克服摩擦力做功。N為連桿旋轉(zhuǎn)中心，K、P分別為推桿推力及負(fù)載力的作用點(diǎn)。當(dāng)平行四邊形機(jī)構(gòu)四個(gè)桿處于一直線位置時(shí)，為了避免發(fā)生這種從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)不確定情況的出現(xiàn)，可在機(jī)構(gòu)中常增加一個(gè)BC平行桿。它能夠使相對(duì)桿保持平行，且兩連桿的運(yùn)動(dòng)也始終一致。圖中O點(diǎn)為直線電動(dòng)推桿尾部固定旋轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)，K點(diǎn)為推桿連接點(diǎn)，N點(diǎn)為K、N、P連桿旋轉(zhuǎn)鉸點(diǎn)，AB和CD連桿為平行布置，BC連接AB和CD，來保證兩輪同步轉(zhuǎn)向。此外，同上一小節(jié)進(jìn)行受力分析，最終確定推桿具體參數(shù)為行程90 mm，24 V DC，運(yùn)行速度為10 mm/s，輸出力為1.2 kN，滿足使用。根據(jù)整車左右兩側(cè)車輪空間布置，可最終確定各連桿尺寸，分別為：[KN]=65 mm、[NP]=50 mm、[PE]=180 mm、[EA=EB]=50 mm、[BC]=380 mm以及[AB=CD]=110 mm。

2.3 整車可變車架具體模式分析

為適應(yīng)不同活動(dòng)空間內(nèi)運(yùn)行，通過整體車架調(diào)整可設(shè)置不同工作模式，如圖3所示。

2.4 車架與各驅(qū)動(dòng)輪連接及后輪自動(dòng)剎車和駐車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)輪和車架間連接，特別設(shè)計(jì)了連接塊（連接兩個(gè)前驅(qū)輪及轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)）和連接支架（連接兩個(gè)后驅(qū)輪）。剎車具有電子剎車和手動(dòng)機(jī)械剎車（駐車）功能。后輪左右對(duì)稱布置，提高剎車、駐車安全性。駐車機(jī)構(gòu)既能夠手動(dòng)，又可通過控制手柄，給出駐車信號(hào)，驅(qū)動(dòng)駐車微型推桿縮回，使得駐車片緊緊靠向后輪輪緣，依靠摩擦作用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中剎車和駐車。最終，通過對(duì)整車和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，基于Autodesk Inventor設(shè)計(jì)軟件，完成整車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖4所示，并完成了實(shí)物樣機(jī)的試制。

2.5 電氣控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了滿足以上主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)自動(dòng)化控制的要求，須對(duì)各電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)以及霍爾控制器集成對(duì)前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。此外，還需要完成電源選配、控制器選型設(shè)計(jì)、總控集成、布線以及控制按鈕的布置等工作。

根據(jù)車架變化的運(yùn)行需要，設(shè)置了各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制電路，為有線控制手柄控制方式的電路圖。供電電源為DC 24 V。將該電源輸出到控制器輸入端口。使用者通過控制電機(jī)升降的按鈕實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)整。同時(shí)，設(shè)置了電源的總開關(guān)以及弱電部分的電源開關(guān)，以防止可能帶來的安全隱患。每個(gè)控制器帶有調(diào)節(jié)運(yùn)行速度的旋鈕，方便使用者選擇設(shè)定運(yùn)行速度。其中，控制器的詳細(xì)原理圖、實(shí)物圖及接線圖，如圖5和圖6所示。

3 結(jié)語

利用Autodesk Inventor軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了輪車的虛擬樣機(jī)，并試制了實(shí)物樣機(jī)。通過機(jī)電聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)功能。本輪車創(chuàng)新點(diǎn)為：整車車架可“按需切換、調(diào)整”、可原地轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)彎半徑幾乎為零）、帶前后位操作裝置、擁有自動(dòng)、駐車剎車雙重安防功能?？傮w上，輪車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、占地面積小。目前，研究成果已申報(bào)國(guó)家授權(quán)專利2件（ZL201920890884.0（已授權(quán)）、CN202120574023.9（已提交申請(qǐng)）），已獲得第九屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)、浙江省第十六屆機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)。

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