多功能嬰兒車設(shè)計研究

彭 程，陳武略，田春來

多功能嬰兒車設(shè)計研究

彭 程，陳武略，田春來

（萍鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

在傳統(tǒng)嬰兒車的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型的多功能嬰兒車，介紹了多功能嬰兒車主要零部件的設(shè)計過程。設(shè)計主要包括可升降車輪、連桿式履帶、轉(zhuǎn)軸和平衡哄睡裝置，通過這些機(jī)械結(jié)構(gòu)的相互配合可完成上下樓梯、輔助學(xué)步、緊急制動和哄睡等動作。利用有限元分析軟件計算獲得底盤最大極限載荷響應(yīng)情況，最大應(yīng)力是2.1 MPa，滿足強(qiáng)度要求，各項設(shè)計能夠保證產(chǎn)品可靠性和緊湊度。

多功能嬰兒車；服務(wù)機(jī)器人；有限元分析；上下樓梯；機(jī)械結(jié)構(gòu)

引言

隨著國家二孩政策的推進(jìn)實施，家庭對于嬰兒用品、輔助器械及育嬰服務(wù)的需求越來越大。同時，隨著社會迅速發(fā)展和科技不斷進(jìn)步，越來越多高科技的服務(wù)型自動化裝置或機(jī)器人產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，各類生活服務(wù)型機(jī)器人設(shè)計不斷涌現(xiàn)。嬰兒護(hù)理機(jī)器人就是一種新穎的生活服務(wù)機(jī)器人[1~3]。

目前市場上出現(xiàn)了多種嬰兒護(hù)理和看護(hù)服務(wù)型機(jī)器人。這些機(jī)器人大多數(shù)功能單一，輔助學(xué)步和看護(hù)哄睡等關(guān)鍵功能尚未結(jié)合在一起，在運動時僅僅考慮了平面空間，在自由上下樓梯及緊急制動方面需要完善[4~7]。本次研究的多功能嬰兒車針對以上的問題，將常用功能有效整合在一起，通過履帶傳動的方式解決了上下樓梯的問題，同時通過底盤、車輪的巧妙設(shè)計將哄睡和學(xué)步功能結(jié)合在了一起。本設(shè)計使用三維CAD軟件完成了數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計，并借助運動仿真模塊進(jìn)行了運動仿真，完成了整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的校核和運動分析。

1 整體概要設(shè)計

多功能嬰兒車整體設(shè)計尺寸以市場上現(xiàn)有的手推嬰兒車尺寸為參考，整機(jī)長2000 mm，寬836 mm，高1000 mm，在有限的家庭空間里具有較高的機(jī)動性。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)緊湊，其主要有可升降車輪、上下樓梯模塊、底盤、抱死制動模塊、平衡哄睡模塊等結(jié)構(gòu)。根據(jù)需求設(shè)定可以提供的服務(wù)主要有兒童哄睡、兒童學(xué)步、外出時作為嬰兒車可上下樓梯等。

多功能嬰兒車由上下樓梯模塊、平衡哄睡模塊、運動模塊、底盤及可升降車輪組成。裝置結(jié)構(gòu)樹狀圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)樹狀圖

設(shè)計將上下樓梯、輔助哄睡和輔助學(xué)步這三項功能結(jié)合集成在一起。行駛裝置方面采用了可升降車輪，在進(jìn)行上下樓梯動作時嬰兒車的車輪和與其相連接的連桿式履帶開始運動，并且在運動過程中保持連桿式履帶與臺階相切從而完成上下樓梯的動作。在進(jìn)行輔助哄睡和學(xué)步動作時通過平衡裝置和可升降車輪相互配合，從而順利完成這兩個動作的執(zhí)行。從整體來看嬰兒車由嬰兒車外殼、平衡裝置、連桿式履帶和可升降車輪構(gòu)成：嬰兒車外殼用于保護(hù)主體機(jī)構(gòu)和嬰兒床；平衡裝置用于平衡哄睡和保持床身穩(wěn)定；連桿式履帶用于上下樓梯和緊急制動；可升降車輪既可作為動力來源也可用于降低車身高度。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1—嬰兒車外殼；2—平衡裝置；3—連桿式履帶；4—可升降車輪。

2 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 運動模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

運動模塊由安裝在與底盤相連接的可升降的車輪提供動力?？缮弟囕営上鹉z輪胎、同軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、齒輪傳動裝置、絲杠傳動裝置、彈簧減震系統(tǒng)構(gòu)成：同軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)用于車輪的轉(zhuǎn)向；齒輪傳動裝置通過內(nèi)齒輪傳動來帶動車輪運動；絲杠傳動裝置用來降低車身高度；彈簧減震系統(tǒng)用來減緩車身的抖動。每個車輪都采用了內(nèi)置電機(jī)帶動齒輪的方式來帶動車輪運動，同時可以根據(jù)車輪中的絲杠傳動機(jī)構(gòu)來完成升降和轉(zhuǎn)向。車輪在陸地的承重面采用橡膠材質(zhì)，凹凸的紋路車輪增強(qiáng)其在地面的抓地力，防止打滑。在進(jìn)行外出行駛這個動作時，車輪兩端的彈簧減震系統(tǒng)能夠大大地降低行駛過程中的顛簸程度，在進(jìn)行上下樓梯這個動作時，車輪中的絲杠傳動機(jī)構(gòu)能夠降低車身的高度，使連桿式履帶與臺階很好地接觸，從而平穩(wěn)地完成上下樓梯這個動作。在進(jìn)行學(xué)步這個功能時，嬰兒車能夠通過車輪中的絲杠傳動機(jī)構(gòu)降低車身高度從而能夠讓嬰兒去進(jìn)行學(xué)步。車輪機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示。

1—橡膠輪胎；2—同軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；3—齒輪傳動裝置；4—絲杠傳動裝置；5—彈簧減震系統(tǒng)。

2.2 上下樓模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

上下樓梯模塊中包含了可升降車輪、連桿式履帶、抱死制動裝置、轉(zhuǎn)軸?？缮弟囕喸谠撃K中主要用來降低車身的整體高度，通過連接塊與連桿式履帶連接，同時配合連桿式履帶來完成上下樓梯的動作。

連桿式履帶為上下樓梯模塊中的核心裝置，由連接塊連接的大小兩個履帶組成。當(dāng)嬰兒車進(jìn)行上下樓梯的動作時，小履帶上的內(nèi)置電機(jī)通過兩履帶的連接點抬高小履帶來適應(yīng)臺階的高度，使其與臺階相接觸。同時，內(nèi)置電機(jī)帶動小履帶轉(zhuǎn)動進(jìn)行上下樓梯這個動作也減輕了看護(hù)人員勞動量。

抱死制動裝置的作用在于能夠在嬰兒學(xué)步遇到車輪突然懸空時可作為緊急剎車帶，同時還能夠在出行時作為剎車裝置。在進(jìn)行剎車動作時，小履帶上的錐齒輪螺紋桿傳動裝置能夠通過錐齒輪的轉(zhuǎn)動，來帶動螺紋桿上的剎車塊完成張開和夾緊的動作，從而起到緊急制動和剎車的作用。這樣既解決了學(xué)步和上下樓梯的安全問題，也將這幾個功能緊密的結(jié)合到了一起。

轉(zhuǎn)軸是連桿式履帶和嬰兒車底座的連接點，它能夠讓車身與上下樓裝置連接的更加緊湊，同時轉(zhuǎn)軸還能調(diào)節(jié)履帶與車身的角度，這樣嬰兒車就能夠適應(yīng)更多的路段。其工作原理為通過內(nèi)置電機(jī)帶動齒輪傳動部分來調(diào)節(jié)車身與地面的高度，當(dāng)相鄰兩對連桿式履帶的角度需要調(diào)節(jié)時，能夠通過內(nèi)置電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸頂部的軸承旋轉(zhuǎn)來達(dá)到。上下樓梯的機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示。

1—可升降車輪；2—抱死制動裝置；3—連桿式履帶；4—轉(zhuǎn)軸；5—連接塊；6—連接板；7—電機(jī)。

2.3 平衡哄睡模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

平衡哄睡模塊結(jié)構(gòu)采用一種空間六連桿機(jī)構(gòu)對放置嬰兒床的平臺進(jìn)行支撐。按照三腳架的方式進(jìn)行安裝使得機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性得到了極大的提升。同時采用了圓環(huán)頂盤結(jié)構(gòu)，極大地利用了有效空間，從而避免嬰兒車因為機(jī)構(gòu)的問題變得龐大。在進(jìn)行哄睡動作時，由電機(jī)帶動六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行平穩(wěn)的擺動，從而帶動嬰兒床擺動，以達(dá)到哄睡的效果。在外出行駛和上下樓梯時，為保持嬰兒床始終處于水平的狀態(tài)，平衡裝置會根據(jù)車身的傾斜程度來調(diào)整連桿擺動的角度，因為采用的是空間六連桿機(jī)構(gòu)，所以能夠極大的保證平穩(wěn)性和舒適度。在進(jìn)行學(xué)步這個動作時，通過可拆卸式連接支架將嬰兒床轉(zhuǎn)換成學(xué)步裝置，同時通過車輪來降低車身的高度，進(jìn)而也就完成了學(xué)步動作。結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

1—連接支架；2—圓環(huán)頂盤；3—六連桿機(jī)構(gòu)；4—電機(jī)；5—底盤。

3 嬰兒車整機(jī)外殼

外殼采用了可愛式頭盔造型這既增強(qiáng)了防護(hù)強(qiáng)度，又讓嬰兒車外形更加的美觀。外殼在手柄這個部分采用了竹節(jié)式海綿進(jìn)行包裹，讓青年父母推車的時候不會發(fā)生打滑的現(xiàn)象。外殼還設(shè)置了一個四分之一圓的可開合式的玻璃罩，在外出時，既能夠為寶寶阻擋灰塵和紫外線，也能讓父母或看護(hù)人員隨時觀察到寶寶的動態(tài)。如圖6所示。

1—玻璃罩；2—手柄。

4 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核

4.1 底盤有限元分析建模

我們在有限元分析軟件中建立箱體模型，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分、材料定義。箱體網(wǎng)格模型如圖7所示。

圖7 底盤有限元網(wǎng)格模型

4.2 施加載荷

在有限元軟件中依次施加約束條件和載荷，設(shè)定邊界條件為底盤施加全位移固定約束。由于底盤所承受的載荷主要是由床體和六連桿的運動引起的，當(dāng)嬰兒車正常行駛時，床體和六連桿對底盤的作用力是持續(xù)性作用力，故在底盤上施加一個持續(xù)性作用力。

4.3 計算結(jié)果分析

通過計算我們獲得底盤應(yīng)力、應(yīng)變圖，如圖8所示。從圖中我們可以知道，底盤結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力是2.1 MPa，對比底盤材料屈服應(yīng)力20 MPa，所設(shè)計結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足要求，底盤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖8 底盤變形云圖

結(jié)語

根據(jù)當(dāng)前嬰兒看護(hù)特別是嬰兒車多能集成化需求，設(shè)計了一種新型的多功能嬰兒車。該嬰兒車具有 輔助上下樓梯、輔助嬰兒站立學(xué)步和協(xié)助嬰兒哄睡的功能。整機(jī)外觀新穎，機(jī)械機(jī)構(gòu)靈巧，整機(jī)尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和運行過程基本可靠，具有一定的產(chǎn)品推廣價值。后續(xù)將進(jìn)一步對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低車輪和平衡裝置及整機(jī)成本，提高產(chǎn)品性價比和市場競爭力。

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Research on the Design of Multi-functional Stroller

PENG Cheng, CHEN Wu-lve, TIAN Chun-lai

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

A new multi-functional stroller is presented on the basis of traditional design. The design process of the main components, such as lifting wheel, connecting rod crawler, swivel and soothing rocking device, is introduced. Through the integration of these mechanical structures, the stroller is able to go up and down stairs, assist toddlers, put on emergency braking, and soothe the baby to sleep. Finite element analysis software is used to calculate the maximum load response of the chassis. The maximal stress is 2.1 MPa, which meets the strength requirements and ensures the reliability and compactness of the design.

multi-functional stroller; service robot; finite element analysis; up and down stairs; mechanical structure

2020-06-04

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201910895003）

彭程（1999—），男，江西吉安人，萍鄉(xiāng)學(xué)院2017級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)本科生。

田春來（1985—），男，河北石家莊人，高級工程師，副教授，研究方向：機(jī)械工程現(xiàn)代設(shè)計及理論，Email: tcl0510@163.com。

TP273

A

2095-9249（2020）03-0107-04

〔責(zé)任編校：吳侃民〕