電動(dòng)智能腳踏車設(shè)計(jì)研究

劉 奇 陳艷軍 姚 鑫 盧雅倩

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167）

1 設(shè)計(jì)的目的和意義

現(xiàn)代社會(huì)中，隨著老年人的人口比重的增加，一些專門給老年人用來身體鍛煉的器材也越來越多，在公園里或者小區(qū)中隨處可見，有橢圓機(jī)、健騎機(jī)、空中漫步等。可這些鍛煉器材基本都是在露天環(huán)境中，如果遇到陰天下雨，就沒法再出去進(jìn)行鍛煉，尤其入冬之后，會(huì)連續(xù)幾個(gè)月低溫或晝夜溫差大，這都不適合老年人的外出鍛煉。尤其隨著時(shí)間的推移，老年人身體機(jī)能下降，能堅(jiān)持去室外鍛煉的機(jī)會(huì)越來越少，因此就需要一種專門用于老年人室內(nèi)鍛煉的器材。本產(chǎn)品就是為了解決老年人室內(nèi)鍛煉的問題而設(shè)計(jì)。

2 工作原理

本產(chǎn)品的工作原理就是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)腳踏車的腳輪，并通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)手輪同步旋轉(zhuǎn)，用來主動(dòng)帶動(dòng)老年人手腳同時(shí)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到鍛煉身體的目的。在結(jié)構(gòu)上看，本產(chǎn)品包括腳輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分、座椅前后移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分、靠椅傾斜角度調(diào)節(jié)部分和電氣控制部分[1]。

2.1 腳輪部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腳輪部分是設(shè)備的主要做功部分，主要包括三部分傳動(dòng)：

1.減速電機(jī)將動(dòng)力傳給腳輪軸：該部分傳動(dòng)采用的是兩個(gè)1:1 的鏈輪傳動(dòng)完成，腳輪軸獲得的轉(zhuǎn)速約為30r/min（設(shè)備剛啟動(dòng)時(shí)，可由調(diào)速器將轉(zhuǎn)速調(diào)整到較低起步速度，待老年人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)靈活之后，在調(diào)整至適合運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速）。

2.腳輪軸將動(dòng)力傳給手輪：該部分傳動(dòng)采用的是兩個(gè)1:1的鏈輪完成，保證腳輪和手輪的完全同步。安裝時(shí)還需要注意手輪和腳輪轉(zhuǎn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。

3.腳輪將動(dòng)力傳給兩側(cè)的兩個(gè)曲柄，由曲柄帶動(dòng)踏板帶動(dòng)腿部完成橢圓運(yùn)動(dòng)。此處為該作品的創(chuàng)新處之一，由類似橢圓機(jī)的踏板（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)）代替了傳統(tǒng)的腳蹬式結(jié)構(gòu)[2]。現(xiàn)在市面上常見的腳蹬結(jié)構(gòu)為了防止鍛煉時(shí)打滑需要將老年人的腳步綁在腳蹬上，這樣一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，老人無法將腳步拿下，可能會(huì)造成意外的危險(xiǎn)。而該踏板結(jié)構(gòu)老人可以將腿部放在踏板的任何位置，都可以固定達(dá)到鍛煉身體的目的。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 腳輪踏板原理圖

該踏板結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)任意一點(diǎn)的軌跡都是一個(gè)橢圓，運(yùn)動(dòng)時(shí)豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度小，水平方向幅度大，符合人體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。傳統(tǒng)的腳蹬結(jié)構(gòu)因?yàn)槟_固定在腳蹬上，腳的軌跡是圓周運(yùn)動(dòng)，在豎直方向幅度過大，容易造成不舒適感。

除此之外，運(yùn)動(dòng)者可以將腳放在踏板的不同位置，踏板不同位置的幅度是不一樣的，越遠(yuǎn)離曲柄幅度越小，鍛煉者可根據(jù)自身情況自己調(diào)節(jié)腳部所放位置，也就是運(yùn)動(dòng)的幅度。

2.2 座椅部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

座椅部分要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作是可以調(diào)整與腳輪的相對(duì)距離，由于設(shè)備使用者的身材各異，高矮胖瘦都有可能，這就需要座椅和腳輪的距離可調(diào)。傳統(tǒng)的調(diào)整方法是使用手動(dòng)調(diào)節(jié)，位置的固定全靠螺紋壓緊，操作方便性和運(yùn)動(dòng)可靠性較差。

本產(chǎn)品采取的設(shè)計(jì)方案是電缸推動(dòng)平行四邊形結(jié)構(gòu)帶動(dòng)座椅移動(dòng)的形式，動(dòng)作原理如圖2 所示，該結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖2 座椅前后移動(dòng)原理圖

1.采用電動(dòng)推桿推動(dòng)平行四邊形結(jié)構(gòu)，可以方便、自動(dòng)、連續(xù)地調(diào)整。使用者不必走下設(shè)備松緊螺栓調(diào)整，只要按動(dòng)控制箱上的按鈕，就可以使座椅向前或向后緩慢的移動(dòng)。電缸的伸出速度為5mm/s，動(dòng)作平穩(wěn)，自身自鎖性能良好，可靠性更高。

2.座椅支架的平行四邊形結(jié)構(gòu)使得座椅在向后移動(dòng)的同時(shí)也會(huì)有些許的升高，相反，再向前移動(dòng)的同時(shí)也會(huì)有些許的下降。這個(gè)同步的變化正好符合人體運(yùn)動(dòng)整體的需求。如需要將座椅后移，必然是因?yàn)槭褂谜邆€(gè)子高，而座椅同時(shí)升高的動(dòng)作也正好符合了使用者個(gè)子高的特點(diǎn)，在水平和數(shù)值方向上都符合了使用者的需求。

2.3 靠椅部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靠椅傾斜角度可以調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)主要是考慮到使用者在同一個(gè)姿勢(shì)運(yùn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)感到疲憊，因此可以將靠背自動(dòng)的向后傾斜至45 度左右，這樣可以使得運(yùn)動(dòng)時(shí)更加舒適。

傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)靠椅角度的結(jié)構(gòu)依然是靠手動(dòng)調(diào)節(jié)，找好位置后用螺栓緊固。操作繁瑣，當(dāng)螺栓結(jié)構(gòu)有所松動(dòng)時(shí)還會(huì)造成老年人摔倒的危險(xiǎn)。本產(chǎn)品靠背向后傾斜的原理采用的是電缸推動(dòng)杠桿結(jié)構(gòu)來推動(dòng)一個(gè)靠背，依然具備運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、操作方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 電氣控制部分設(shè)計(jì)

電氣控制部分除了給設(shè)備進(jìn)點(diǎn)和斷電之外，還主要包括三個(gè)調(diào)節(jié)和一個(gè)保護(hù)作用，分別是座椅前后移動(dòng)的調(diào)節(jié)、靠背傾斜角度的調(diào)節(jié)、腳輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)以及電機(jī)的過載保護(hù)措施。

2.4.1 座椅前后移動(dòng)和靠背的傾斜角度調(diào)節(jié)

二者都是通過兩個(gè)電動(dòng)推桿來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過程操作很方便，但需要連接一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，將220V 交流電轉(zhuǎn)化為24V 直流電。因?yàn)闇p速電機(jī)驅(qū)動(dòng)腳輪轉(zhuǎn)動(dòng)需要的是220V的交流電源，而兩個(gè)電動(dòng)推桿執(zhí)行元件需要的是24V 直流電，這需要一個(gè)簡(jiǎn)單的變換電路來實(shí)現(xiàn)[3]。

2.4.2 電機(jī)調(diào)速的控制

減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的選取是根據(jù)正常鍛煉所需的轉(zhuǎn)數(shù)所得，本設(shè)備所選取的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)數(shù)約為30r/min。但還需要考慮一個(gè)實(shí)際問題，就是隨著老年人年齡的增大，身體機(jī)能不斷下降，并不像年輕人那樣手腳靈活，因此需要腳輪轉(zhuǎn)速在剛開機(jī)時(shí)慢速，待幾分鐘后，老年人身體逐漸適應(yīng)之后再慢慢加速，這是一個(gè)必須具備的功能。該功能是通過減速電機(jī)和調(diào)速器配合使用來完成的。減速器可以連續(xù)的調(diào)節(jié)從0-30r/min 的任意速度，使得設(shè)備得腳輪轉(zhuǎn)動(dòng)由慢逐漸變快，以適應(yīng)老年人身體需要慢速熱身的動(dòng)作過程。

2.4.3 電機(jī)的過載保護(hù)功能

設(shè)備的安全措施主要是考慮到老年人身體協(xié)調(diào)性差，為防止在運(yùn)動(dòng)時(shí)腿部或手部打滑被腳輪或手輪打傷而設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品在使用安全方面做了三重設(shè)計(jì)：

1.首先是將傳統(tǒng)的腳蹬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成踏板結(jié)構(gòu)，使用時(shí)不再將腳綁在腳蹬上，而是可以把腳放在踏板的任意位置，這樣運(yùn)動(dòng)起來既方便，又安全，還能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)幅度的調(diào)節(jié)。

2.急停按鈕，如果使用者發(fā)生腿部或手部打滑，可以迅速按下手輪中間控制箱上的紅色停止按鈕，按下這個(gè)按鈕，設(shè)備就會(huì)自動(dòng)斷電，電機(jī)也就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.電機(jī)過載保護(hù)，過載保護(hù)器是根據(jù)電氣控制的實(shí)際需要設(shè)計(jì)的電路保護(hù)裝置，當(dāng)接好線路，閉合開關(guān)QS1，按下啟動(dòng)按鈕SB2，線圈KM 得電，接觸器常開閉合形成自鎖，電動(dòng)機(jī)執(zhí)行元件工作，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生過載時(shí)FR 常閉斷開，使電路斷電，電動(dòng)機(jī)停止或者按下SB1 電動(dòng)機(jī)停止工作。兩個(gè)電動(dòng)推桿控制通過將220V 交流電轉(zhuǎn)化為24V 直流電，通過閉合QS1，當(dāng)閉合SB1 電動(dòng)推桿前進(jìn)，當(dāng)按下SB2 電動(dòng)推桿后退，來實(shí)現(xiàn)座椅的前后移動(dòng)和靠椅的傾斜角度[4]。

過載保護(hù)器常用的是熱繼電器，它由雙金屬熱元件，動(dòng)作機(jī)構(gòu)，常閉觸頭，常開觸頭，復(fù)位按鈕及電流調(diào)節(jié)旋鈕構(gòu)成。電機(jī)過載時(shí)電流變大，雙金屬熱元件長(zhǎng)時(shí)間通過大電流變形，通過動(dòng)作機(jī)構(gòu)使觸頭動(dòng)作，帶動(dòng)開關(guān)跳閘，起到保護(hù)作用。過載保護(hù)器常用的是熱繼電器，它由雙金屬熱元件，動(dòng)作機(jī)構(gòu)，常閉觸頭，常開觸頭，復(fù)位按鈕及電流調(diào)節(jié)旋鈕構(gòu)成。電機(jī)過載時(shí)電流變大，雙金屬熱元件長(zhǎng)時(shí)間通過大電流變形，通過動(dòng)作機(jī)構(gòu)使觸頭動(dòng)作，帶動(dòng)開關(guān)跳閘，起到保護(hù)作用?？蓪?duì)電氣系統(tǒng)，繞線電機(jī)的過電流，短路，缺相，相失衡，錯(cuò)相及啟動(dòng)過程（避啟動(dòng)過電流）等提供有效的保護(hù)[5]。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算的部分主要有三處：腳輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的計(jì)算、座椅電缸行程的計(jì)算以及靠背電缸行程的計(jì)算。

3.1 腳輪電機(jī)功率的計(jì)算

根據(jù)模型材料和形狀判斷，腳輪的轉(zhuǎn)矩大概需要5N·m，腳輪最高轉(zhuǎn)速為30r/min，機(jī)械效率取0.9，因此需要的驅(qū)動(dòng)功率：

查閱減速電機(jī)相關(guān)樣本，選擇電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率為25W。

3.2 座椅電動(dòng)推桿的行程計(jì)算

電動(dòng)推桿的行程計(jì)算問題可以近似認(rèn)為是一個(gè)解三角形問題，假設(shè)初始位置時(shí)平行四邊形與地面的夾角為θ，當(dāng)座椅向后移動(dòng)S 后轉(zhuǎn)過角度為α，且正好與地面垂直，則：

3.3 靠椅電動(dòng)推桿的行程計(jì)算

靠椅電缸的計(jì)算也是一個(gè)解三角形的問題，假設(shè)座椅初始時(shí)與豎直方向夾角為θ，轉(zhuǎn)過的終點(diǎn)與豎直方向?yàn)?5°，則：

4 結(jié)語(yǔ)

為了不占用家里太大的空間，本產(chǎn)品還應(yīng)具備折疊功能，甚至可以和電氣控制部分結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)折疊和打開，這樣就為使用和放置提供了更大的方便；本產(chǎn)品三個(gè)電機(jī)之間都是彼此獨(dú)立控制的，缺乏一個(gè)系統(tǒng)對(duì)它們統(tǒng)一控制，因此在電氣控制方面還可以加入一些程序，使三個(gè)動(dòng)作彼此配合，能達(dá)到更好的使用體驗(yàn)；本產(chǎn)品的安全防護(hù)措施中，缺乏最直接方便的語(yǔ)音識(shí)別功能；另外扭矩保護(hù)部分是由電流控制，而不是電機(jī)本身自帶的功能，缺乏足夠的可靠性，這方面也有待進(jìn)一步優(yōu)化。