基于Inventor的助行幫扶輪車的設計

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，設計了一款結(jié)構(gòu)新穎、操作簡單可靠、實用性強的助行幫扶輪車。在老人獨自在居家生活、鍛煉等場合中，起到防摔、幫扶、助行、引導及跟隨等功能。輪車主要有驅(qū)動、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)機構(gòu)，可設置攀爬越障（適合進出陽臺、衛(wèi)生間等室內(nèi)有坡度、小臺階場合）、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家專利授權(quán)1件、在申請1件，獲得全國大學生機械設計競賽二等獎1項、浙江省大學生機械設計競賽二等獎1項。

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：TH111;TH122 ? ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：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

我國人口老齡化規(guī)模呈現(xiàn)迅速擴大的趨勢。老年人數(shù)量巨大，大部分必定要居家養(yǎng)老。現(xiàn)階段市場對自動化程度高、使用方便、自我依靠性強的居家養(yǎng)老服務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分市場中也有一些產(chǎn)品面世，開展了一些研究。陳世超為解決電動輪椅折疊效果不理想的問題，設計了一款并聯(lián)機構(gòu)拆折電動輪椅，但是自動程度不高，不利于特定人群使用[1]。羅椅民著重論述了適應老年人功能的輪椅的設計準則和應用，但主要針對失能老人進行生活重建方面[2]。單新穎等研發(fā)了一款電動輪椅控制驅(qū)動系統(tǒng)[3]。但存在不同路況下加速度穩(wěn)定性差的缺點。崔吉超等設計了一種可同時攜帶雙人共乘的老人輪椅，并利用了FAE及運動仿真分析手段對結(jié)構(gòu)進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輪椅，具有一定的攀爬功能，但結(jié)構(gòu)極為復雜，操作不便[5]。綜上所述，現(xiàn)有輪椅或者老年人電動車，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，為滿足老人獨自在居家生活、鍛煉需求，項目組提出了“助行幫扶輪車”方案，利用Autodesk Inventor軟件對輪車機械結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)優(yōu)化設計工作[6]，開發(fā)出具備防摔、幫扶、助行、引導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：開機接通電源，根據(jù)實際需要，按鍵控制對應24 V DC、40 W電動減速機（推桿）來進行車架變換，獲得所需要駕駛模式。整車姿態(tài)變換后，開啟前后輪驅(qū)動模式，便可實現(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，對輪車控制運行。各個控制回路設計了電源開關(guān)，便于控制。

2 關(guān)鍵零部件或機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)、電氣控制優(yōu)化設計

按照優(yōu)化設計方案，輪車設計過程中，需要解決的主要機構(gòu)和力學問題為：①整車可變車架是由電動推桿來實現(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)動輪根據(jù)不同地形工作行走場合，有不同的工作模式，尤其要滿足越障時越障力要求;④駐車和剎車機構(gòu)的設計，保證使用者的安全。除此之外，還考慮關(guān)鍵零部件或機構(gòu)之間的連接。就上述問題，分別進行探討和研究。

2.1 整車可變車架結(jié)構(gòu)設計及推桿力學分析與選型

考慮到要適宜于不同地形行走需求，對車架進行“按需變形”。其中，桿AE、ED、DB及BC長度固定，而桿AB及CE長度可調(diào)。通過調(diào)節(jié)桿AB及CE長度，來實現(xiàn)對前后驅(qū)動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，A為負重（包括設備和人重量估取為200 kg）作用點，力記為FA。通過對點O取矩：

∑M（O）：FA*L1-FB*（L1+L2）*cos（α1-90°）=0

求得最大推力FBmax為633 N。考慮推桿運行速度及剛度，最終選定推桿為行程350 mm，運行速度14 mm/s，工作電壓為24 V DC，推桿實際輸出力為1 kN，滿足使用。同理，最終確定S150推桿為行程150 mm、運行速度14 mm/s，推桿實際輸出力為1 kN，滿足使用。最終優(yōu)化設計了個各桿長度，完成整體車架設計。

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

轉(zhuǎn)向推桿及轉(zhuǎn)向多連桿機構(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載力的作用點。當平行四邊形機構(gòu)四個桿處于一直線位置時，為了避免發(fā)生這種從動件運動不確定情況的出現(xiàn)，可在機構(gòu)中常增加一個BC平行桿。它能夠使相對桿保持平行，且兩連桿的運動也始終一致。圖中O點為直線電動推桿尾部固定旋轉(zhuǎn)鉸接點，K點為推桿連接點，N點為K、N、P連桿旋轉(zhuǎn)鉸點，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

為適應不同活動空間內(nèi)運行，通過整體車架調(diào)整可設置不同工作模式，如圖3所示。

2.4 車架與各驅(qū)動輪連接及后輪自動剎車和駐車結(jié)構(gòu)設計

為實現(xiàn)各驅(qū)動輪和車架間連接，特別設計了連接塊（連接兩個前驅(qū)輪及轉(zhuǎn)向連桿機構(gòu)）和連接支架（連接兩個后驅(qū)輪）。剎車具有電子剎車和手動機械剎車（駐車）功能。后輪左右對稱布置，提高剎車、駐車安全性。駐車機構(gòu)既能夠手動，又可通過控制手柄，給出駐車信號，驅(qū)動駐車微型推桿縮回，使得駐車片緊緊靠向后輪輪緣，依靠摩擦作用，實現(xiàn)運行中剎車和駐車。最終，通過對整車和關(guān)鍵機構(gòu)進行的優(yōu)化設計工作，基于Autodesk Inventor設計軟件，完成整車機械結(jié)構(gòu)的設計，如圖4所示，并完成了實物樣機的試制。

2.5 電氣控制優(yōu)化設計

為了滿足以上主要機械機構(gòu)的運動以及對自動化控制的要求，須對各電動推桿運動以及霍爾控制器集成對前后輪轉(zhuǎn)動進行控制設計。此外，還需要完成電源選配、控制器選型設計、總控集成、布線以及控制按鈕的布置等工作。

根據(jù)車架變化的運行需要，設置了各個驅(qū)動電機的控制電路，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升降的按鈕實現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)整。同時，設置了電源的總開關(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。每個控制器帶有調(diào)節(jié)運行速度的旋鈕，方便使用者選擇設定運行速度。其中，控制器的詳細原理圖、實物圖及接線圖，如圖5和圖6所示。

3 結(jié)語

利用Autodesk Inventor軟件，優(yōu)化設計獲得了輪車的虛擬樣機，并試制了實物樣機。通過機電聯(lián)調(diào)實現(xiàn)了設計預設功能。本輪車創(chuàng)新點為：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、駐車剎車雙重安防功能?？傮w上，輪車結(jié)構(gòu)設計新穎，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、占地面積小。目前，研究成果已申報國家授權(quán)專利2件（ZL201920890884.0（已授權(quán)）、CN202120574023.9（已提交申請）），已獲得第九屆全國大學生機械創(chuàng)新設計競賽二等獎、浙江省第十六屆機械設計競賽二等獎。

參考文獻：

[1] 陳世超，林光春，黃亞太，等.一種可折疊電動輪椅的設計[J].機械，2019（8）：62-70.

[2] 羅椅民.智能適老功能電動輪椅與失能老人生活重建[J].標準學，2019（1）：108-111.

[3] 單新穎，陳偉，閆和平.多姿態(tài)電動輪椅控制器的設計和測試[J].中國康復理論與實踐，2018（5）：604-609.

[4] 崔吉超，閆俊霞，詹民民，等.折疊式單雙人兩用輪椅結(jié)構(gòu)設計與分析[J].機械研究與應用，2014（4）：166-167，170.

[5] 王玉增.一種爬樓梯電動輪椅：CN202011196262.1[P].2021-01-05.

[6] 張紅松，康士廷，劉昌麗.Autodesk Inventor 2020中文版從入門到精通/CAX工程應用叢書[M].北京：清華大學出版社，2020.