一種新型便攜式智能拐杖的設(shè)計(jì)

吳代坤，余均杰，廖文凱，徐利強(qiáng)，馮琦，余霖坤，達(dá)志偉

一種新型便攜式智能拐杖的設(shè)計(jì)

吳代坤1，余均杰1，廖文凱1，徐利強(qiáng)1，馮琦1，余霖坤1，達(dá)志偉2

（1.中鐵通軌道運(yùn)營有限公司，浙江 溫州 325000；2.西安萬威機(jī)械制造股份有限公司，陜西 西安 710065）

分析拐杖使用人群的特點(diǎn)和各種影響因素，設(shè)計(jì)了一種新型拐杖。該拐杖首先從傳統(tǒng)單調(diào)的機(jī)械式拐杖結(jié)構(gòu)入手，在使用時(shí)采用三輪底座結(jié)構(gòu)，保證了整體的穩(wěn)定性；其次，在不使用時(shí)可以將輪轂收起來；再次，通過控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用者的使用可以更加便捷。本設(shè)計(jì)加入了電驅(qū)動(dòng)和座椅功能，主要包括拐杖的座椅、行走功能、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及主要零部件的選型和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了可靠性分析，最終得到一種新型便攜式智能拐杖輔助行走工具。

拐杖；電驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；便攜式

隨著社會(huì)的日益發(fā)展，人口老齡化問題愈加嚴(yán)重。跌倒是造成65歲以上老年人受到意外傷害的主要原因。調(diào)查研究表明，在65歲以上老年人中，每年都有30%～40%的人至少跌倒一次；在跌倒的病人中有20%～30%的患者發(fā)生了嚴(yán)重的并發(fā)癥，例如骨折或外傷等，病人的康復(fù)特別困難[1]。所以對(duì)輔助老人行走的便攜式工具進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究很有必要。

1 總體結(jié)構(gòu)

便攜式智能拐杖主桿由上部、中部、下部組成。上部是沿用傳統(tǒng)拐杖把手，主要用于手扶及控制開關(guān)等；中部是放置蓄電池的地方，提供拐杖的主要電源；下部是最重要的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和拐杖主桿利用聯(lián)軸器連接。

當(dāng)使用者疲勞時(shí)，可以利用本工具載著自己走，不再需要自己行走，本工具提供一個(gè)舒適的座椅，以更好地保證老齡人的安全。

如圖1所示，便攜式智能拐杖的結(jié)構(gòu)包括手柄，手柄上連接有支撐柱，支撐柱的一端通過轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)連接支撐座，支撐柱的一側(cè)鉸接座椅，座椅能在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。座椅的底面設(shè)置有支撐桿，支撐桿一端和座椅鉸接，支撐桿的另一端設(shè)置有滾輪，滾輪上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。支撐桿和支撐柱之間設(shè)置有伸縮結(jié)構(gòu)，伸縮結(jié)構(gòu)的一端和支撐柱鉸接，另一端和支撐桿鉸接。支撐座的周向開設(shè)有槽縫，槽縫內(nèi)穿設(shè)有與兩個(gè)端部相鄰且鉸接的軸，軸背離鉸接端的端部上設(shè)置有滾輪，支撐座上設(shè)置有輔助滾輪抬起的懸掛結(jié)構(gòu)。支撐柱上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)懸掛結(jié)構(gòu)、輔助滾輪抬起的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2 座椅機(jī)構(gòu)

座椅的支撐柱上部設(shè)置有空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)座椅轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

座椅機(jī)構(gòu)主要組成如下：

（1）電動(dòng)推桿部分：由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、推桿、滑座、彈簧、減速齒輪、螺桿、螺母導(dǎo)桿、外殼及渦輪、微動(dòng)開關(guān)等組成，具有節(jié)能環(huán)保、性能可靠、動(dòng)作靈敏、運(yùn)行平穩(wěn)、推拉力相同、環(huán)境適應(yīng)性較好等特點(diǎn)，且體積小、自鎖性能好、完全同步、精度高、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，不需要管道的氣源、油路。主要工作原理為，經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)一對(duì)絲杠螺母，利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)作，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)座椅的放下和收起。

（2）座椅部分：由旋轉(zhuǎn)軸座、座椅椅面、卡扣、旋轉(zhuǎn)軸套等組成。座椅以旋轉(zhuǎn)軸座為旋轉(zhuǎn)中心實(shí)現(xiàn)收放功能，卡扣主要是當(dāng)拐杖收起時(shí)卡住后輪、不讓其隨意擺動(dòng)，后驅(qū)動(dòng)輪主要通過旋轉(zhuǎn)軸套支撐在座椅上，并可以旋轉(zhuǎn)。整體結(jié)構(gòu)是利用三角形支撐，所以主要支撐受力都在座椅上，這是選擇后驅(qū)動(dòng)輪式的主要原因，其具有良好的平穩(wěn)性。

（3）連接部分：電動(dòng)推桿和座椅主要是通過一個(gè)C型導(dǎo)軌連接在一起，電動(dòng)推桿末端有一個(gè)圓柱形結(jié)構(gòu)在座椅的C型導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)，將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)所需功能。

1.手柄；2.支撐柱；3.座椅；4.支撐桿；5.伸縮桿；6.驅(qū)動(dòng)滾輪；7.支撐座；8.腳踏；9.輔助滾輪。

1.支撐柱；2.電動(dòng)推桿；3.卡扣。

3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向主要是靠使用者用腳踩在踏板上輔助手來控制轉(zhuǎn)向。踏板設(shè)計(jì)舒適的、傾斜旋轉(zhuǎn)可調(diào)的角度，以方便使用者實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。主要使用蒙特卡羅穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法、復(fù)合形法、遺傳算法人工蜂群（Artifical Bee Colony，ABC）[2-6]等方式對(duì)前兩輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能。利用螺紋桿對(duì)前兩輪進(jìn)行收起放下，這個(gè)部分使用穩(wěn)定的三角形構(gòu)架結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)都是前面一個(gè)輪或輪距較大，本結(jié)構(gòu)輪距小、轉(zhuǎn)向簡單，如圖3所示。

1.聯(lián)軸器；2.腳踏板；3.支撐座；4.輔助滾輪；5.電機(jī)；6.螺桿；7.螺母；8.彈簧；9.套筒；10.環(huán)扣；11.連桿。

4 輔助滾輪升降機(jī)構(gòu)

通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿上的螺母上下移動(dòng)，進(jìn)一步的，桿體上的凸臺(tái)會(huì)在螺母周向的兩個(gè)卡臺(tái)之間形成的導(dǎo)向槽的推動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使卡扣翹起的一端變成壓下去的一端，形成對(duì)環(huán)套的限位。

當(dāng)載人行走時(shí)，前面的兩個(gè)輔助滾輪必須放下，通過電機(jī)帶動(dòng)螺桿使輔助滾輪實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，即卡扣結(jié)構(gòu)繞中間的螺桿轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)、螺母下移，把卡扣結(jié)構(gòu)下端頂開，使用者可以用腳輔助加上自重放下前輪，頂開的卡扣剛好卡住環(huán)扣，致使前輪不能上移，達(dá)到卡扣卡住前輪的作用。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿反轉(zhuǎn)，螺母上移，下面的彈簧帶動(dòng)環(huán)扣和前輪上移，向上螺母頂開卡扣的上端，卡扣抬起前輪并卡住。

如圖4所示，設(shè)計(jì)了一種卡扣結(jié)構(gòu)。螺桿和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)輸出軸連接，螺桿上設(shè)置有螺母，螺母的周向沿軸向均布設(shè)置有多個(gè)卡臺(tái)，螺母外部套裝有套筒。套筒開設(shè)有多個(gè)與卡臺(tái)匹配的凹槽，凹槽內(nèi)底面沿凹槽開設(shè)方向開設(shè)有槽縫，槽縫內(nèi)設(shè)置有卡扣，卡扣包括桿體，桿體一側(cè)的兩端設(shè)置有弧形的凸起，桿體的中部和槽縫的側(cè)壁鉸接。套筒上依次套裝有環(huán)套和彈簧，套筒底部固定在支撐座頂部開設(shè)的凹槽內(nèi)，彈簧和凹槽內(nèi)底面固定，環(huán)套上鉸接有兩個(gè)連接桿，連接桿背離環(huán)套的一端和軸鉸接。

1.套筒；2.卡臺(tái)；3.螺桿；4.螺母；5.桿體；6.卡臺(tái)。

5 電源的選擇

常用電源主要有蓄電池和燃料電池兩種。蓄電池主要包括二次鋰電池、空氣電池、鎳基電池、鉛酸蓄電池等；燃料電池主要包括熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等。

常用動(dòng)力型電池主要參數(shù)對(duì)比如表1所示，其中鋰離子電池技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①高容量，即有一定的續(xù)行里程；②高功率，使啟動(dòng)快、能大電流放電、爬坡能力強(qiáng)；③單體電池電壓高，可減少串聯(lián)數(shù)量，防止電池一致性差產(chǎn)生的電池組故障；④容量衰減小、循環(huán)壽命長，有利于降低成本；⑤體積小、重量輕，有利于整體的輕量化和小型化；⑥能快速充電、免維護(hù)，使用方便；⑦不爆炸、無泄漏，使用安全；⑧生產(chǎn)過程無污染、廢棄電池?zé)o公害，對(duì)環(huán)境有益；⑨價(jià)廉，有利于降低整車成本。

綜合考慮最后選擇鋰離子電池作為電源。

表1 常見電池主要參數(shù)對(duì)比

6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

常用電機(jī)主要有交流異步電機(jī)、有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)等，在伺服控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)快速起、停、加速、減速等，要求電機(jī)必須具備兩個(gè)特點(diǎn)：①起動(dòng)和最大轉(zhuǎn)矩大；②轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。無刷電機(jī)和有刷電機(jī)相比，由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，就沒有電的損耗。因?yàn)橹鞔艌鍪呛愣ǖ?，所以鐵損也極小，增加了工作的可靠性。

本設(shè)計(jì)采用輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有單獨(dú)車輪就能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，無論是前驅(qū)還是后驅(qū)都可以輕松完成，在任何環(huán)境下都可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，在這種便攜式輔助行走工具中具有很大的實(shí)用價(jià)值。

（1）電機(jī)功率

在行駛過程中，本身的驅(qū)動(dòng)力和受到的多種阻力互相平衡，因此阻力功率和電機(jī)功率相等。根據(jù)能量守恒列出平衡方程為[7]：

則有：

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速

拐杖主要服務(wù)老年人，為了安全，其使用時(shí)不需要太快的速度。常用的低速電機(jī)轉(zhuǎn)速一般在1000～1500 r/min，高速電機(jī)轉(zhuǎn)速一般約10000 r/min。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，有：

得到：

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不存在變速器，采用直接驅(qū)動(dòng)的方式不存在減速驅(qū)動(dòng)，所以式（5）中，

（3）電機(jī)轉(zhuǎn)矩

當(dāng)電機(jī)功率和額定轉(zhuǎn)速確定之后，計(jì)算電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩[8]：

式中：M為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m。

（4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)

本便攜式智能拐杖最大質(zhì)量為100 kg（包括拐杖自身重量），正常時(shí)速3 km/h，最高時(shí)速4 km/h，采用一個(gè)后輪的后驅(qū)方式，即在后輪安裝一個(gè)輪轂電機(jī)。

計(jì)算得：額定功率為0.2 kW，最高轉(zhuǎn)速為4 km/h，最大扭矩不低于2 N·m。

7 控制系統(tǒng)

整體控制系統(tǒng)采用單片機(jī)，其中控制芯片為STM32F051C，它擁有廣泛的外圍增強(qiáng)設(shè)備、快速的數(shù)據(jù)處理能力、工作穩(wěn)定性好，提高了系統(tǒng)的簡易程度[10]。硬件電路整體框架如圖5所示，包括電源、信號(hào)輸入、信號(hào)處理、驅(qū)動(dòng)控制、智能控制等部分。其中，A相驅(qū)動(dòng)主要是控制驅(qū)動(dòng)輪，控制整體的速度、啟動(dòng)和暫停；B相驅(qū)動(dòng)主要是控制電動(dòng)推桿，對(duì)座椅進(jìn)行放下和收起；C相驅(qū)動(dòng)主要是控制前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的收起和放下。

7.1 欠壓保護(hù)

鋰離子電池作為拐杖的電源，在使用過程中持續(xù)放電，蓄電池里的電壓會(huì)逐漸降低，如果電壓降低到了最大極限使用者還繼續(xù)使用，則會(huì)縮短鋰離子電池的使用壽命，所以必須有欠壓保護(hù)措施。欠壓保護(hù)電路如圖6所示。

圖5 硬件電路整體框架

RV1、RV2、RV3為電阻；C4為電容；Udm為截止，GND為接地。

本設(shè)計(jì)的電源正常電壓為24 V，當(dāng)電壓低于18 V時(shí)，電路就會(huì)傳遞給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理給電機(jī)一個(gè)指令讓其停止工作，這樣就保護(hù)了電源免受損壞，增加了電源的使用壽命。

7.2 過流保護(hù)

電機(jī)在運(yùn)行過程中難免會(huì)因自身發(fā)熱而損壞，安裝一些裝置就能避免此問題的產(chǎn)生，但會(huì)增加成本，也會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。本設(shè)計(jì)提出的過流保護(hù)方案是利用康銅絲作為小阻值無感采樣電阻，這種方案操作簡單、節(jié)約成本，符合便攜式智能拐杖的性能要求。過流保護(hù)電路如圖7所示[11]。

1為輸出電路；2、3為輸入電路；Idm為最大漏極電流；MOS-S為三極管；Rs、R20、R21、R22為電阻；C3為電容。

過流保護(hù)電路中，將電路中的信號(hào)傳遞到運(yùn)算放大器LM358D的反相輸入端，如果LM358D同相輸入端輸出電壓大于電路中傳遞的信號(hào)，則運(yùn)行正常；如果電路中出現(xiàn)過流現(xiàn)象，則這兩種信號(hào)差值呈相反趨勢，此時(shí)電路輸出低電平，電機(jī)停止運(yùn)行，起到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)免于損壞的作用。

8 結(jié)語

本文提出的一種輔助老年人行走的便攜式智能拐杖，能夠?qū)ν饶_不便的老年人提供行走支撐，并具備短距離低速乘坐的功能。該拐杖攜帶方便，為老年人的正常出行提供便利。

[1]鄭華光，鞠奕，沈東超，等. 老年人意外傷害的首要病因跌倒的評(píng)價(jià)和預(yù)防[J]. 中國卒中雜志，2013，10（22）：23-27.

[2]蘇勝. 基于舒適度的休息性座椅相關(guān)角度分析[J]. 包裝工程，2010（22）：25-29.

[3]張蕾，張文明，申焱華. 基于蒙特卡羅法的軌跡再現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（12）：1174-1177.

[4]姚明龍，王福林. 車輛轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其求解方法的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，20（5）：24-26.

[5]Mir Mohammad Ettefagh，Morteza Saeide Javash. Optimal synthesis of four-bar steering mechanism using AIS and genetic algorithms[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2014，28（6）：2351-2362.

[6]葉國云，呂茂印，馮振禮，等. 基于ABC算法的非對(duì)稱轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)兩輪轉(zhuǎn)向優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2017（7）：67-72.

[7]許媛. 淺析純電動(dòng)汽車如何匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)[J]. 汽車維修，2012（05）：15-17.

[8]孔垂毅，代穎，羅建. 電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2019，46（2）：101-108，113.

[9]周璇. 減速驅(qū)動(dòng)型輪轂電機(jī)的研究[D]. 唐山：河北聯(lián)合大學(xué)，2014.

[10]李占. 低速電動(dòng)車無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2014.

[11]安旭松，丁頌，王江，等. 電動(dòng)車存取停放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2019，46（2）：68-71.

Design of A New Type of Portable Intelligent Crutch

WU Daikun1，YU Junjie1，LIAO Wenkai1，XU Liqiang1，F(xiàn)ENG Qi1，YU Linkun1，DA Zhiwei2

(1.China Railcom Rail Operation Co., Ltd., Wenzhou325000, China;2.Xi'an Winwei Machinery Co., Ltd., Xi'an 710065, China )

A new type of crutch is designed based on the analysis of the characteristics of the users of the crutch and various influencing factors. Firstly, the design starts with the traditional monotonous mechanical crutch structure, and uses a three-wheeled base structure to ensure the overall stability. Secondly, the wheel hub can be folded when not in use. Thirdly, the user can use it more conveniently through the control system. This design adds electric drive and seat functions mainly including the design of the crutch seat, walking function, steering mechanism, as well as the selection of the main parts and the design of the control system, and the reliability analysis is carried out to finally develop a new type of portable intelligent crutch.

crutches；electric drives；steering mechanisms；portable

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.012

1006-0316 (2022) 05-0075-06

2021-07-23

吳代坤（1998－），男，陜西商洛人，助理工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及理論，E-mail：w2017042600@163.com。