多驅(qū)動(dòng)多功能健身助行車(chē)

吳煥陽(yáng)　周祉寧

項(xiàng)目總體思路

我們都知道，傳統(tǒng)輪椅一般都需要病人利用上肢力量驅(qū)動(dòng)輪椅前進(jìn)，但是很多殘疾人或老年人，他們恰恰是上肢無(wú)力或殘疾，自由行動(dòng)就變成很麻煩的事情。因此我認(rèn)為設(shè)計(jì)一款能夠通過(guò)多種驅(qū)動(dòng)方式自助行進(jìn)、安全性能高的助行車(chē)顯得十分必要。助行車(chē)外觀見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)過(guò)程

機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成和制作

助行車(chē)主要由三合板、自制驅(qū)動(dòng)輪、中軸、軸承、2個(gè)32cm的車(chē)輪、2個(gè)萬(wàn)向輪，以及各種固定件和螺絲等組成。

利用Solidworks軟件對(duì)車(chē)子的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行3D制圖和仿真，將各部分木板的形狀和尺寸通過(guò)CorelDraw軟件規(guī)劃好，包括外部尺寸、螺絲位和軸承孔等，最后利用工作室的CNC雕刻機(jī)生產(chǎn)出需要的部件。中軸材料是直徑20mm鋁棒，經(jīng)SC2小型車(chē)床加工而成。

運(yùn)動(dòng)部分 助行車(chē)有4個(gè)車(chē)輪，分別為2個(gè)動(dòng)力輪和2個(gè)前萬(wàn)向輪。動(dòng)力輪直徑32cm，輪子上帶有7級(jí)變速驅(qū)動(dòng)輪，兩輪間距為45cm，3根中軸利用鋁合金長(zhǎng)螺絲棒制成，利用木板進(jìn)行固定。動(dòng)力輪與驅(qū)動(dòng)輪固定在一起，通過(guò)鏈條帶動(dòng)動(dòng)力輪的運(yùn)動(dòng)。前輪的2個(gè)萬(wàn)向輪帶有剎車(chē)裝置，更加安全。

多種驅(qū)動(dòng)模式

多驅(qū)動(dòng)多功能健身助行車(chē)包括車(chē)架、椅座、前輪、后輪及帶動(dòng)車(chē)架運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。自制多級(jí)驅(qū)動(dòng)輪（見(jiàn)圖2）是采用4個(gè)鏈輪通過(guò)焊接組裝到一起的，具有單向傳動(dòng)的特點(diǎn)。利用此特點(diǎn)，4個(gè)自制驅(qū)動(dòng)輪形成內(nèi)部同軸、外軸相對(duì)獨(dú)立的模式。其中，第2級(jí)驅(qū)動(dòng)輪是跟另外3級(jí)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，當(dāng)其他3級(jí)自制驅(qū)動(dòng)輪被雙手（或電機(jī)或上身?yè)u動(dòng)）通過(guò)鏈條帶動(dòng)往前進(jìn)時(shí)，第2級(jí)自制驅(qū)動(dòng)輪便帶動(dòng)后輪前進(jìn)。如此一來(lái)，不僅不同的驅(qū)動(dòng)方式可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)子，而且還可以互不干擾。

自身重心驅(qū)動(dòng)座椅的下端用1根自制中軸與底盤(pán)固定，利用中軸兩端的軸承帶動(dòng)座椅的搖擺，通過(guò)鏈條傳動(dòng)，靠身體重心小角度的左右搖擺帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成車(chē)子的行進(jìn)。當(dāng)人的重心向右傾斜時(shí)，左側(cè)的彈簧處于拉伸狀態(tài)，會(huì)帶動(dòng)左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)；同理，當(dāng)人向左扭動(dòng)腰部時(shí)，重心左傾，帶動(dòng)右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如此一左一右的扭動(dòng)腰部便可驅(qū)動(dòng)車(chē)子前進(jìn)，這樣的傳動(dòng)方式就很好地解決了四肢均不健全，但是卻能坐立的殘疾人的行進(jìn)困難問(wèn)題。我們還為此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)插銷(xiāo)，當(dāng)人們不用此方式驅(qū)動(dòng)車(chē)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以穩(wěn)定固定好座椅，更加安全。

手機(jī)語(yǔ)音控制驅(qū)動(dòng)當(dāng)老年人身體感到十分疲勞時(shí)，只要對(duì)手機(jī)說(shuō)向前、向后、向左、向右、停止等指令，手機(jī)接收指令后就可以把指令通過(guò)藍(lán)牙傳輸給助行車(chē)，車(chē)子上的電機(jī)便按照指令開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車(chē)子行走。助行車(chē)還帶有自助報(bào)警功能，當(dāng)助行車(chē)傾倒后，使用者只要對(duì)手機(jī)呼救，就能馬上將使用者的信息和位置傳遞出去，為用戶(hù)的安全出行提供保障。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用了日本TAKANAWA7字型555金屬齒輪的直流減速電機(jī)。助行車(chē)靠鏈條與鏈輪之間的嚙合傳遞電機(jī)輸出軸與動(dòng)力輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的運(yùn)動(dòng)。鏈輪傳動(dòng)沒(méi)有彈性滑動(dòng)或者打滑現(xiàn)象，傳動(dòng)效率較高，軸壓力較小，能有效保護(hù)電機(jī)輸出軸。能在低速重載下較好工作，抗過(guò)載能力強(qiáng)。

腳踏驅(qū)動(dòng) 腳踏方式驅(qū)動(dòng)時(shí)，腳踏的力傳動(dòng)給腳蹬部件，然后帶動(dòng)曲柄、牙盤(pán)、中軸、鏈條和自制驅(qū)動(dòng)輪，使輪子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，帶動(dòng)助行車(chē)前進(jìn)。我們選取的踏板帶有粗糙表面，具有防滑性能，更加安全可靠。

手柄驅(qū)動(dòng) 手柄驅(qū)動(dòng)方式適用于下肢截肢者、截癱患者及老年人使用。當(dāng)手柄往前推動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)鏈條往前轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條帶動(dòng)自制驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)，而松手后，彈簧會(huì)將鏈條拉回原來(lái)位置，如此便帶動(dòng)了自制驅(qū)動(dòng)輪一直往前運(yùn)動(dòng)。

電路設(shè)計(jì)

中央控制器

系統(tǒng)選擇STM32F103ZET6作為控制芯片，該芯片主要完成接受上位機(jī)的指令，并分析指令類(lèi)型，從而執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用12V/10Ah動(dòng)力鋰電池供電，具有4A以上的輸出電流。電源負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的供電，各個(gè)模塊需要的電壓不盡相同，利用7805穩(wěn)壓為5V電壓為單片機(jī)和傳感器供電，12V電源直接為電機(jī)供電。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)助行車(chē)共有4個(gè)輪子，2個(gè)前輪不需要驅(qū)動(dòng)，只需要驅(qū)動(dòng)2個(gè)動(dòng)力輪就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)控制。左右2個(gè)動(dòng)力輪速度一致時(shí)，車(chē)子向前運(yùn)動(dòng)。采用差速驅(qū)動(dòng)的方式控制機(jī)器左右轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)左邊輪子向前，右邊輪子向后，機(jī)器向右邊轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，向左邊轉(zhuǎn)動(dòng)。本項(xiàng)目采用日本TAKANAWA7字型555金屬齒輪的直流減速電機(jī)，用10A雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制。

加速度傳感器為了能讓機(jī)身穩(wěn)定，本項(xiàng)目增加了加速度傳感器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并判斷機(jī)身狀態(tài)，它能在一定程度上保證機(jī)身不傾倒。加速度傳感器采用ADXL345加速度模塊。

陀螺儀為了能讓機(jī)身更加穩(wěn)定，本項(xiàng)目增加了陀螺儀傳感器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并判斷機(jī)身狀態(tài)，它也能在一定程度上保證機(jī)身不傾倒。

GPS模塊為了解決監(jiān)護(hù)人不能時(shí)時(shí)陪伴在助行車(chē)使用者身邊的問(wèn)題，本項(xiàng)目加入了u-blox GPS模塊，目的是實(shí)時(shí)獲取使用者的位置，再結(jié)合前面的各種傳感器，當(dāng)傾倒或者臨時(shí)事故等出現(xiàn)時(shí)，這些數(shù)據(jù)可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)護(hù)人攜帶的客戶(hù)端上。

軟件設(shè)計(jì)

軟件主要分為上位機(jī)與下位機(jī)2部分。上位機(jī)又分為2部分：一部分是助行車(chē)的遙控按鈕控制電路，我們采用傳統(tǒng)按鍵控制，制作了病人控制和看護(hù)人員控制2套控制系統(tǒng)，使操作者能更加方便地對(duì)動(dòng)作進(jìn)行控制；另外一部分是用手機(jī)作為控制器，通過(guò)藍(lán)牙與下位機(jī)進(jìn)行通信。我采用Eclipse工具開(kāi)發(fā)出上位機(jī)。下位機(jī)主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要負(fù)責(zé)藍(lán)牙連接的接入、串口數(shù)據(jù)的接收與分析，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

結(jié)果

經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，最終結(jié)果基本滿(mǎn)足最初的設(shè)計(jì)。助行車(chē)最主要的特點(diǎn)如下。

通過(guò)自制多級(jí)驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)助行車(chē)前進(jìn)，包括傳統(tǒng)的手搖、腳踏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，還加入了扭動(dòng)腰部驅(qū)動(dòng)和語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)。

助行車(chē)能夠通過(guò)扭動(dòng)腰部的驅(qū)動(dòng)方式使由于四肢癱瘓而無(wú)法自助行動(dòng)的病人實(shí)現(xiàn)自助行動(dòng)，更加入了智能語(yǔ)音控制模式，使全身癱瘓的病人可以實(shí)現(xiàn)自助行動(dòng)，滿(mǎn)足了不同病人的需求。

助行車(chē)不僅可以幫助不同類(lèi)型的傷殘人完成自助行動(dòng)，還可以幫助傷殘人士進(jìn)行腰部、手部、腿部等活動(dòng)，達(dá)到康復(fù)鍛煉的效果，避免因長(zhǎng)期坐在輪椅上造成的肌肉萎縮和血液循環(huán)受阻等問(wèn)題。

助行車(chē)還加入了加速度計(jì)、陀螺儀、指南針等傳感器，能有效地防止車(chē)輛的傾倒與保證穩(wěn)定地運(yùn)行。當(dāng)助行車(chē)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，可以通過(guò)手機(jī)語(yǔ)音發(fā)出求救信號(hào)。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目根據(jù)老年人的需求，采用雙手、雙腳、腰部扭動(dòng)和電動(dòng)等工作方式自主完成健身助行車(chē)的行走功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，適應(yīng)性強(qiáng)，具有健身助行多重功能。建議進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行推廣應(yīng)用。endprint