電動自行車智能兒童防護座椅的研究與開發(fā) ①

張 麗， 王 鋒

(1．安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院、機械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽信息工程學(xué)院、后勤管理處，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

電動自行車是人們生活中非常普及的一種交通工具，尤其是帶單獨后座的輕巧型電動自行車，形似普通機械自行車，使用率非常高。根據(jù)市場調(diào)查，此款電動自行車賣點是適合幼兒園及小學(xué)的學(xué)齡兒童乘坐。后座窄小，適合兒童身材；高度適中，方便上下。車身輕便，停放不占位置。很多購買者也主要用來接送兒童上學(xué)和放學(xué)。電動自行車后座上除了一個比較小的后靠背和前面兩個抓手，側(cè)面沒有任何防護裝置。后座的主要乘坐對象大概在3-12歲年齡段。這個年齡段的兒童，注意力不容易集中，身體協(xié)調(diào)和平衡能力還不是很好。尤其是在熱鬧的大街上和遇到顛簸路面時，好動和注意力分散很容易導(dǎo)致兒童從后座跌落。如果是在交通繁忙的路段，跌落后遇到車流，引發(fā)的后果不堪設(shè)想，安全隱患極大。安全防護高于一切，研發(fā)一款方便安裝的兒童防護座椅，杜絕兒童從電動自行車后座跌落的安全隱患，意義非常重大。

1 安全防護座椅的功能說明

座椅主要是針對具有單獨后座的輕巧型電動自行車設(shè)計。通過對電動自行車后座位置加裝一種帶扶手的安全防護裝置，扶手可以來回擺動，方便使用。有時長時間騎車，兒童坐車沒有耐心，容易煩躁亂動。針對這種情況，把手上安裝了一種智能語音故事機，可以通過按鈕播放兒童歌曲，講故事，說成語等多種功能。首先兒童乘坐時，會被吸引，不會對路途中其他的事情東張西望，造成安全遺憾。其次兒童坐車時，座椅就當成是一個玩具，提高了兒童的坐車體驗，不會因為長時間坐車煩躁亂動，降低風險。

2 安全防護座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計

座椅主要由支撐架、功能機構(gòu)、活動扶手、智能語音故事機四部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 電動自行車后座安全防護裝置安裝示意圖

整個裝置是完整的獨立結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)使用者的需求加裝。結(jié)構(gòu)上主要依據(jù)已有的后靠背結(jié)構(gòu)框架，防護裝置的支撐架與后靠背支架連接。在裝置的兩邊安裝有扶手，扶手可以來回擺動，方便上下。扶手外結(jié)構(gòu)采用人性化設(shè)計，并使用軟包，兒童在乘坐過程中，使用扶手還可以對手肘起到支撐作用，舒適度很高。另外，考慮到后座乘坐對象的不同，如果是成人，可以把扶手豎起，沒有任何影響，既方便又安全?？紤]主要使用對象是兒童，從人性化設(shè)計角度考慮，在扶手上內(nèi)嵌一個小型電子芯片，電路連接安裝至扶手前端，面板和扶手合為一體，通過面板上按鈕，實現(xiàn)對語音故事機的控制。整個裝置的安裝依托原有的靠背結(jié)構(gòu)，使得空間利用合理；細節(jié)考慮全面，成本也降到最低，實現(xiàn)了利益最大化的設(shè)計理念。

3 安全防護座椅的結(jié)構(gòu)原理

3.1 支撐架

支撐架是一個由金屬管焊接而成的支架，主要用來連接左右兩邊的扶手機構(gòu)。支撐架可以利用卡扣固定在電動自行車原始后靠背上，不但可以增大后靠背的范圍，還起到對防護裝置的支撐和固定。

3.2 功能機構(gòu)

座椅兩邊的防護扶手是設(shè)計的重點,可以根據(jù)情況方便的來回轉(zhuǎn)動。讓扶手轉(zhuǎn)動的擺動機構(gòu)是防護裝置的主要功能機構(gòu)。整個功能機構(gòu)嵌入圓柱形的盒體內(nèi)。盒體是兩個圓柱形端蓋通過中心軸裝配。功能機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)名稱如圖2所示。

圖2 功能機構(gòu)模型圖

整個機構(gòu)主要焊接在兩個端蓋里。一個端蓋固定不動，端蓋內(nèi)有一固定不動的簡易棘輪，只有兩個棘齒。固定端蓋的一個特點是在端蓋的內(nèi)壁有兩個特殊裝置，一個在扶手的水平位置，設(shè)計了一個轉(zhuǎn)向塊，形似一個滑道，是一個轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。當扶手桿向下轉(zhuǎn)動到水平位置時，主要是用來引導(dǎo)棘爪扣住棘齒定位，也起到固定作用。另一個在扶手停放的豎直位置，是一個彈簧擋片，用彈簧連接安裝了一個弧形薄片。主要是用來通過杠桿原理，使棘爪和棘齒分離。在棘輪的外端面上有一個固定的擋點，主要用來限位，防止扶手轉(zhuǎn)動幅度過大。另一個端蓋可以繞主軸轉(zhuǎn)動，稱為互動端蓋。活動端蓋內(nèi)主要設(shè)計了一個環(huán)形槽，配合固定端蓋的擋點使用，控制扶手轉(zhuǎn)動幅度。還有一個杠桿棘爪，和棘輪配合起到在兩個極限位置的固定作用。

功能機構(gòu)的工作原理如圖3所示。

先把活動扶手轉(zhuǎn)動到水平位置，在轉(zhuǎn)動過程中，起受力作用的扶手桿上的杠桿棘爪通過導(dǎo)向塊扣在棘輪的水平棘齒上如圖3中(a)所示，同時擋點在環(huán)形槽內(nèi)也達到上限位置。用雙重限位，固定扶手桿的水平極限位置。既滿足了功能，也起到扶手桿負載時，提高承載力。

下車或者不用時，向上轉(zhuǎn)動扶手，如圖3(b)所示，轉(zhuǎn)動扶手至垂直位置，扶手桿亦處于垂直位置，此時杠桿棘爪在重力作用下，會扣住棘輪的垂直棘齒，阻止向下活動。此時彈簧擋片與杠桿棘爪正好接觸，彈簧處于自然狀態(tài)，阻力會阻止扶手向后繼續(xù)轉(zhuǎn)動。此時固定端蓋上的擋點處于環(huán)形槽靠近下方的極限位置，但不能達到。留有一個距離，為扶手回程留下空間。

當再次使用時，如圖3(c)所示，從扶手桿的垂直位置，繼續(xù)向后稍稍用力擺動一下，此時會有兩個運動出現(xiàn)。首先通過杠桿棘爪的一端抵擋彈簧擋片的阻力，在此過程中，杠桿棘爪的另一端因為杠桿原理，被高高翹起。并因為彈簧的阻力而越過棘齒，此時再順勢向下轉(zhuǎn)動扶手，就會順利到達水平位置。另外彈簧阻力畢竟有限，為了防止向后擺動幅度過大，這個時候擋點在環(huán)形槽內(nèi)就會到達下方極限位置，限定了扶手向后擺動的幅度。

圖3 功能機構(gòu)運動原理圖

3.3 活動扶手

活動扶手主要由與擺動機構(gòu)相連的扶手桿及扶手桿套組成。扶手桿與活動端蓋上的軸套配合，用螺釘固定于扶手桿套上。扶手桿套和活動端蓋合成一體，成為活動扶手的主體。扶手擺動主要通過一組簡易的棘輪機構(gòu)，和巧妙的利用了杠桿原理。扶手使用時，只有推拉兩個動作，機構(gòu)設(shè)計合理。在扶手桿的外端面設(shè)計有與棘輪配合使用的杠桿棘爪，還有與擋點配合使用的環(huán)形槽。此款防護裝置安裝簡單，使用方便，使用過程中不但能起到對兒童乘坐時的安全防護，還能對孩子手肘起到支撐作用，后期制作時對扶手采用軟包設(shè)計，美觀舒適，非常實用，具有很大的開發(fā)價值和社會意義。

3.4 智能語音故事機

設(shè)計的安全防護裝置做了人性化考慮。在右端扶手內(nèi)部嵌入一個電子芯片，控制電路連接安裝至扶手前端面板上，兒童可以通過按鈕對語音故事機進行控制。相當于在扶手上裝了一個智能語音玩具。語音故事機可以放音樂，講故事，智能互動等小環(huán)節(jié)。既可以吸引兒童乘坐時的注意力，防止因外界因素，或者由于長時間乘坐自身負面情緒的影響，亂動帶來安全隱患。也可以提升兒童乘坐時的樂趣。另外說明的是，從保護兒童視力角度考慮，面板上只有按鈕，不設(shè)屏幕。

4 結(jié) 論

電動自行車兒童安全防護裝置主要乘車對象是3-12歲兒童。從安全性來說，座椅兩邊有活動扶手，扶手擺動是通過棘輪機構(gòu)和杠桿原理實現(xiàn)的。棘輪機構(gòu)使用了一種杠桿式棘爪，配合彈簧擋片，利用杠桿原理，簡單方便的實現(xiàn)棘爪和棘輪分離的動作。結(jié)構(gòu)合理，使用操作非常方便。從舒適性來說,座椅上加裝了一個小型智能語音故事機，即是一款功能座椅，又是一個玩具，非常能滿足兒童的需求。另外通過這個功能吸引兒童坐車時的注意力，讓兒童乘坐電動自行車時，不要亂動，而降低跌落的風險。從實用性來說，這款座椅只是在原來的后靠背基礎(chǔ)上進行安裝，扶手可以擺動，基本不改變后座的外形和結(jié)構(gòu)，功能也不影響。安裝方便，不但可以對兒童乘坐時可以起到防護作用，也不會限定乘坐對象，兒童成人之間方便切換，適用范圍廣。