一種關(guān)于新型坐蹲立式代步車的設(shè)計(jì)研究*

陳 彬，陶建華，陳文濤（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

一種關(guān)于新型坐蹲立式代步車的設(shè)計(jì)研究*

陳 彬，陶建華，陳文濤
（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

通過調(diào)查與研究現(xiàn)有代步工具的缺點(diǎn)與不足，研究設(shè)計(jì)出一種具有創(chuàng)新功能的新型坐蹲立代步車。先簡(jiǎn)要圖文介紹代步車、普通輪椅和可站立電動(dòng)輪椅這三種常見代步工具，并總結(jié)它們的優(yōu)缺點(diǎn)。接著提出改善這些代步工具缺陷的3種創(chuàng)新功能：（1）車座自動(dòng)伸縮功能，使操作者簡(jiǎn)便上下車；（2）具有“坐、蹲、立”三種使用模式且切換簡(jiǎn)易；（3）具有健身功能，可幫助操作者鍛煉身體。然后采用模塊化設(shè)計(jì)方法針對(duì)這3個(gè)功能對(duì)代步車進(jìn)行座椅移動(dòng)模塊、座椅升降模塊、健身康復(fù)模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)，并最終運(yùn)用CAD進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)分析，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到最優(yōu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

代步工具；座椅移動(dòng)模塊；座椅升降模塊；健身模塊；驅(qū)動(dòng)控制模塊

0 引言

2006年第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果顯示：與1987年相比，2006年我國(guó)殘疾人總數(shù)明顯增多，從5 146萬增加到8 296萬，增加了3 132萬；殘疾人總數(shù)占全國(guó)人口比例有所上升，從1987年的4.90%上升到2006年的6.34%，提高了1.44個(gè)百分點(diǎn)。綜合考慮人口結(jié)構(gòu)的變動(dòng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，我國(guó)人口的殘疾現(xiàn)患率將在未來40多年中持續(xù)增長(zhǎng)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，至2050年我國(guó)人口的殘疾現(xiàn)患率將達(dá)到11.31%。估計(jì)到2050年全國(guó)殘疾人總量將會(huì)達(dá)到1.65億，將是目前的二倍[1]。

全國(guó)老齡委辦公室公布數(shù)據(jù)顯示，截至2011年底，中國(guó)60歲及以上老年人口已達(dá)1.85億人，占總?cè)丝诘?3.7%。預(yù)計(jì)到2013年底，中國(guó)老年人口總數(shù)將超過2億，到2025年，老年人口總數(shù)將超過3億，2033年超過4億，平均每年增加1 000萬老年人口[2]。

隨著下肢殘疾和行動(dòng)不便的老年人人口的增多，代步工具的需求越來越大，隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)代步工具的要求也越來越高，但是，目前現(xiàn)有的代步工具存在著嚴(yán)重的不足，比如普通輪椅需要手動(dòng)驅(qū)動(dòng)，效率低，操作模式單一，上下車不方便[3-4]；站立式電動(dòng)輪椅操作步驟繁瑣，下半身癱瘓的病者無法完成，且使用者前方無防護(hù)裝置，安全性較低，上下輪椅也很不方便。面對(duì)現(xiàn)有代步工具存在的以上問題，對(duì)新型坐蹲立式代步車提出以下設(shè)計(jì)要求。

（1）具有“坐”、“蹲”、“立”三種使用模式，且切換方便，不需人為調(diào)整身姿，適用下半身癱瘓病者。操作者能避免保持長(zhǎng)期的坐姿帶來的肌肉損害[5]，又能像正常人一樣直立地行動(dòng)與他人交流對(duì)話，不會(huì)“低人一等”，增強(qiáng)自信，還能自由方便地拿取擺放在不同高度的物品。

（2）具有車座自動(dòng)伸縮功能，該功能簡(jiǎn)化上下車程序，可使使用者自主便捷地從車上轉(zhuǎn)移到椅子、沙發(fā)或馬桶上，方便使用者上下車和上廁所，很大程度地提高殘疾者或老者自主生活能力，減少對(duì)他人的依賴和自卑心理。

（3）具有健身復(fù)健功能。下肢無力患者可使用該功能鍛煉下肢力量和屈伸關(guān)節(jié)，提高四肢協(xié)調(diào)能力，助于早日康復(fù)。

1 新型代步車設(shè)計(jì)思路

新型代步車主要包含座椅移動(dòng)模塊、座椅升降模塊、健身復(fù)健模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊等四部分構(gòu)成（如圖1所示）。整車將模塊化設(shè)計(jì)思想貫徹始終，利用現(xiàn)有的CAD平臺(tái)搭建模型，進(jìn)行模型的裝配與尺寸的校核。

圖1 新型代步車結(jié)構(gòu)示意圖

2 模塊化設(shè)計(jì)方案介紹

2.1 座椅移動(dòng)模塊

如圖3所示，該模塊采用絲桿傳動(dòng)。導(dǎo)軌滑臺(tái)約束梯形絲桿的軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槁菽傅妮S向運(yùn)動(dòng)，即車座隨著進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，而電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，梯形絲桿的自鎖性保證了車座的靜止。

圖2 新型代步車車座伸縮模塊

圖3 新型代步車車座抬升模塊

2.2 座椅升降模塊

如圖4所示，車座抬升模塊采用曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，滑臺(tái)繞著鉸鏈P31順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，車座便推動(dòng)使用者旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)推桿停止伸縮時(shí)，其自鎖力維持使用者保持“坐蹲立”其中一種姿態(tài)。

2.3 健身復(fù)健模塊

基于騎馬健身機(jī)的工作原理，代步車的安全防護(hù)模塊和手握桿組成健身模塊。使用者只需利用安全防護(hù)模塊固定下肢，手握手握桿，就可結(jié)合自身重力和手的拉力拉動(dòng)自己做蹲立運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)心肺功能，提高上肢、腰部、腹部、腿部、背部肌肉力量和四肢協(xié)調(diào)能力。對(duì)腕、肘、髖、膝關(guān)節(jié)屈伸功能性障礙，四肢及腰背酸痛等有康復(fù)作用。

2.4 驅(qū)動(dòng)控制模塊

代步車的驅(qū)動(dòng)模塊采用的是雙電機(jī)直接控制前輪，后車輪隨動(dòng)的方法。采取直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，來控制代步車前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎，提高了控制的精度與靈敏度。

控制模塊由具有AD轉(zhuǎn)換功能的AVR單片機(jī)、十字搖桿和按鈕開關(guān)組成。搖桿前后左右四個(gè)操作方向分別對(duì)應(yīng)操縱代步車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，而且搖桿推動(dòng)的角度越大，代步車進(jìn)退速度越快或轉(zhuǎn)彎半徑越大。狀態(tài)顯示窗口主要是對(duì)代步車整體運(yùn)行狀態(tài)、電量與整車的具體運(yùn)行模式進(jìn)行顯示并進(jìn)行狀態(tài)提醒。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3 模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

模型的優(yōu)化主要是利用ANSYS軟件對(duì)主要零件進(jìn)行分析，利用已有的CAD模型與ANSYS軟件對(duì)接，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分與加載，觀察零件受力后的變形，對(duì)變形較大的部分重新設(shè)計(jì)，而后進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在進(jìn)行仿真分析，最終得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。下面舉出了一個(gè)主要零件的ANSYS分析與優(yōu)化過程，如圖5、6所示。

圖5 網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖6 ANSYS分析結(jié)果與優(yōu)化

通過有限元分析，觀察零件各部分的位移與形變，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到能夠滿足使用要求的模型，這樣就避免了樣機(jī)生產(chǎn)后不能使用的情況，降低了研發(fā)的時(shí)間，提高了研發(fā)效率。

4 結(jié)束語

整車采用模塊化設(shè)計(jì)方法，可以更明確各模塊的主要功能，便于新功能的改進(jìn)與加入，使整臺(tái)車能夠不斷得到更新；其次，模塊化設(shè)計(jì)便于問題故障的檢修，這樣就可以大大的節(jié)省維修時(shí)間；最后，模塊化設(shè)計(jì)便于使用者根據(jù)自己自身的狀況，對(duì)代步車的具體模塊進(jìn)行調(diào)整，已達(dá)到最佳的使用狀態(tài)。同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中還采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用ANSYS軟件對(duì)整車以及部分主要零件進(jìn)行力學(xué)分析，從而降低了在設(shè)計(jì)加工過程中出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)與加工的時(shí)間，縮短了整個(gè)研發(fā)周期。

［1］中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)網(wǎng).《關(guān)于使用2010年末全國(guó)殘疾人總數(shù)及各類、不同殘疾等級(jí)人數(shù)的通知》.［OL］.［2011.03.12］.http：//www.cdpf.org.cn/.

［2］中國(guó)新聞網(wǎng).《中國(guó)老齡事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》.［OL］. ［2011.9.23］. http：//www.chinanews.com 2011/09-23/3349429.shtml.

［3］陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿理論與座椅設(shè)計(jì)原則及其應(yīng)用［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，4（6）：600-625.

［4］陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿與座椅設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)探討［J］.人類工效學(xué)，2005，ll（4）：44-49.

［5］任怡，張峻霞，張建國(guó)，等.立臥兩用電動(dòng)輪椅車的設(shè)計(jì)［J］.天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（1）：47-50.

Research and Design about a New Sit-Squat-Stand Mobility Scooter

CHEN Bin，TAO Jian-hua，CHEN Wen-tao
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Guangzhou University，Guangzhou510006，China）

This paper points out the advantages and disadvantages of three kinds of walking tools including Mobility Scooter，casual wheelchair and electric wheel chair.Then lists three advantages that a new sit-squat-stand Mobility Scooter design project should have：（1）With automatic removable seat；（2）Can help the user sit，squat and stand；（3）With fitness function;Then based on the advantages，designs the removable seat module，seat-lifting module，fitness module and controlled driver module for the new mobility scooter.At last，designs the mechanism with CAD；refine the project and analysis the mechanical with ANSYS to get the optimal project.

walking tool；removable seat module；seat-lifting module；fitness module；controlled driver module

TH122

A

1009－9492(2014)05－0070－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.017

陳 彬，男，1989年生，河北保定人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

(編輯：向 飛)

*國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：201211078044）

2013－11－19