多功能老年人購物車的研究與設(shè)計(jì)

羅漢杰，吳小杰，王 婧，毛 瑋，沈澤超

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310018）

老年人購物會(huì)面臨許多困難，比如，力量有限，很難拖拽較重的物品；爬樓梯難，對于沒有電梯的老舊小區(qū)，老年人買菜上樓都比較費(fèi)力；行動(dòng)能力有限，不能長時(shí)間走路等等。多功能老年人購物車集成了電動(dòng)載物，自動(dòng)爬樓功能，改變了傳統(tǒng)的老年人購物車結(jié)構(gòu)，功能更加全面實(shí)用，操作安全便捷，有效提升了老年人購物體驗(yàn)，提高了生活質(zhì)量。

1 常見購物車類型

目前，市場上的常見購物車可大致分為兩類：傳統(tǒng)購物車和新型購物車。傳統(tǒng)購物車功能單一，體積笨重，推動(dòng)費(fèi)力，拾取不便，不能滿足老年人購物時(shí)的需求（研究設(shè)計(jì)一是助行方面需求；二是方便拾取貨物；三是購物過程中可以及時(shí)休息；四是在休息或遇到危險(xiǎn)情況時(shí)可以及時(shí)剎車；五是閑置時(shí)可以折疊收納；六是拉桿可伸縮，保護(hù)老年人腰背）。圖1（a）中的購物車可助行可折疊，外觀高檔大氣，搭車方便，中途可休息。缺點(diǎn)：價(jià)格較貴，不方便裝蔬菜，容積小，笨重。圖1（b）中的購物車可助行可休息，自帶剎車，可折疊，容積大。缺點(diǎn)：坐墊容易打濕，自重大且笨重，不方便上樓梯，價(jià)格較貴。圖1（c）和圖1（d）中的購物車空間容積大，操作性好，方便老人移動(dòng)。缺點(diǎn)：不靈活，小物件容易掉，古板，不方便搭車。圖1（e）中的購物車拆卸方便，輕便可折疊，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：易打濕，壽命短，不結(jié)實(shí)，功能單一，爬樓不方便，外觀差。

圖1 市場上多類購物車類型

2 多功能購物車的設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)市場上的購物車存在的問題如由于購物車自身結(jié)構(gòu)單一、功能少，滿足不了老年人的功能需求，適用范圍也存在很大的局限性，根據(jù)這些情況，研發(fā)一款采用分功能模塊購物車，然后進(jìn)行合成是很有必要的。可根據(jù)用戶需求進(jìn)行組裝，主要設(shè)計(jì)由輪組單元傳動(dòng)設(shè)計(jì)、主體助行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲桿升降機(jī)構(gòu)、分揀裝置和折疊座椅裝置等。

產(chǎn)品基于KeiluVision開發(fā)平臺(tái)完成對購物車執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合Arduino操作系統(tǒng)，制作集爬樓、分揀、升降放置于一身的升降一體老年人購物車。購物車的總體結(jié)構(gòu)（圖2）由行星輪機(jī)構(gòu)、主體助行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲桿升降機(jī)構(gòu)、分揀裝置和折疊座椅裝置等組成。

圖2 多功能購物車的總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 購物車功能實(shí)現(xiàn)

該多功能購物車由行星輪機(jī)構(gòu)和主體助行機(jī)構(gòu)一統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)行走與其爬樓功能，行走助步可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式和自動(dòng)行走模式兩種模式。此裝置最初狀態(tài)為手動(dòng)模式，當(dāng)重物重量輕，可維持手動(dòng)模式；當(dāng)重物過重可通過開關(guān)觸發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過行星輪機(jī)構(gòu)到達(dá)助行和爬樓的效果。絲桿升降機(jī)構(gòu)和分揀裝置一同可實(shí)現(xiàn)升降與分揀作用，通過開關(guān)給出信號，絲桿升降裝置實(shí)現(xiàn)上升下降運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)到行程開關(guān)后停止運(yùn)動(dòng)。折疊座椅裝置，同時(shí)配有剎車，可實(shí)現(xiàn)在長時(shí)間購物行走勞累時(shí)提供休息。

2.2.2 助行功能

輪組采用行星輪式結(jié)構(gòu)，見圖3（a），由傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)齒輪、過渡齒輪、執(zhí)行齒輪、車輪、過渡齒輪連接軸、執(zhí)行齒輪連接軸、軸承、圓錐銷、墊圈2mm等構(gòu)成。傳動(dòng)軸一端與中心齒輪配合，通過軸承空套在主架上，一端與中心齒輪配合，并通過軸承空套在主車架上，過渡齒輪，執(zhí)行齒輪各自通過軸承空各自連接軸上；小車輪通過執(zhí)行齒輪連接軸與執(zhí)行齒輪固連并且通過銷加以固定，四個(gè)小車輪的中心軸線呈等角分布。

圖3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

車體重量通過軸承間接承載在兩個(gè)輪組上，輪組中的所有齒輪都繞小軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)動(dòng)力傳到傳動(dòng)軸一時(shí)，一傳動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)過渡齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再傳給執(zhí)行齒輪，由于小車輪與執(zhí)行齒輪固連，小車前進(jìn)。當(dāng)車輪組機(jī)構(gòu)運(yùn)行在平直的路面上時(shí)，受兩個(gè)車輪同時(shí)著地的約束限制，不能轉(zhuǎn)動(dòng)只能隨車沿路面平動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)輪系為定軸輪系，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在平直面上的快速行駛;當(dāng)前進(jìn)的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪系就演變成行星輪系，轉(zhuǎn)臂帶著另外兩個(gè)車輪繞中心齒輪的軸線回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。主體助步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3（b），該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)購物手拉車行駛達(dá)到助步效果。該機(jī)構(gòu)包括萬向剎車輪、剎車架、底板、直流減速電機(jī)、輸出軸、兩組錐齒、電機(jī)墊塊、軸承座、軸承等等。

2.2.3 升降一體式功能

絲杠升降機(jī)構(gòu)，見圖4（a），該機(jī)構(gòu)作為本裝置的樞紐，是提升重物的裝置，防止彎腰時(shí)造成不必要的傷害，絲桿升降機(jī)構(gòu)包括升降板、滑動(dòng)軸、連接件、滑動(dòng)軸固定座、Tr16梯形絲桿、支撐架、螺母、螺母座、聯(lián)軸器、57步進(jìn)電機(jī)、滑塊等孔與孔之間用螺栓連接。在有重物需要升降時(shí)按下按鈕，57步進(jìn)電機(jī)開始工作，通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)絲桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母，螺母座升降運(yùn)動(dòng)，使得升降板上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兩側(cè)的滑塊升降機(jī)構(gòu)與絲桿同步上下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中支撐架支撐著重物防止升降板下陷，保證安全可靠。

分揀裝置如圖4（b），該機(jī)構(gòu)包括升降板、分揀隔板、購物框架（由2塊400×400mm和400×500mm亞格力板搭建）、雙孔連接件、底板、支撐架等等。分揀裝置以分揀板為主體為一固定板，主要功能將貨物分為兩類起到分揀的作用，當(dāng)按下升降開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)工作，升降板運(yùn)動(dòng)，從開始到結(jié)束始終起到分揀作用。

圖4 升降結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 休息功能

折疊座椅結(jié)構(gòu)如圖5，該機(jī)構(gòu)包括拉桿架、連接桿、連接件、座椅底架、座椅座架等等。

圖5 折疊座椅結(jié)構(gòu)示意圖

折疊座椅裝置工作原理：折疊座椅采用四桿機(jī)構(gòu)，連接桿、座椅底架、座椅座架、拉架桿構(gòu)成雙搖桿機(jī)構(gòu)，利用極限位置達(dá)到折疊效果。

3 動(dòng)力及控制系統(tǒng)

選擇DM542c驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。該驅(qū)動(dòng)器采用差分式接口電路可適用差分信號，單端共陰及共陽等接口，內(nèi)置高速光電耦合器，允許接收長線驅(qū)動(dòng)器，集電極開路和PNP輸出電路的信號。在環(huán)境惡劣的場合，我們推薦用長線驅(qū)動(dòng)器電路，抗干擾能力強(qiáng)。DM542c與電機(jī)連接DM542c可以用來驅(qū)動(dòng)4、6、8線的兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8度和0.9度決定。扭矩大小主要由電機(jī)尺寸決定。尺寸大的電機(jī)扭矩較大；而電流大小主要與電感有關(guān)，小電感電機(jī)高速性能好，但電流較大。

4 結(jié)束語

本文針對老年人群體設(shè)計(jì)一款多功能老年人購物車，以解決人力拖拉困難、老小區(qū)上樓困難和長時(shí)間購物行走勞累等問題。該研究從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)對象進(jìn)行初期建模和對控制系統(tǒng)各控制元件的選取到算法編程實(shí)現(xiàn)基本功能。但仍需改進(jìn)創(chuàng)新，對于購物車來說，在控制及軟件上，進(jìn)一步的提升對老年人而言會(huì)有更好的用戶體驗(yàn)，例如自主跟隨功能、實(shí)時(shí)定位功能等等。